Внешние факторы, влияющие на работоспособность эа
Лекция № 6. Внешние факторы, влияющие на работоспособность ЭА. Часть 2.
К механическим факторам относятся воздействие вибраций, ударов, линейного ускорения, акустического удара.
В процессе транспортирования и эксплуатирования ЭА подвергается воздействию вибраций, представляющих собой сложные колебания, которые возникают при контакте конструкций с источником колебаний. Особо опасны вибрации, частота которых близка к собственной частоте колебаний узлов и элементов конструкции. Свойство аппаратуры противостоять их влиянию характеризуется вибропрочностью и виброустойчивостью. Вибрпоустойчивость определяет способность ЭА выполнять заданные функции во включенном состоянии в условиях воздействия вибраций. Вибропрочность характеризует качество конструкции ЭА, т.е. способность противостоять разрушающему воздействию вибрации в нерабочем состоянии и продолжать нормально работать после включения и снятия вибрационных нагрузок. Воздействие на конструкцию ЭА вибраций характеризуются диапазоном частот и величиной ускорения (в единицах g).
Явление удара в конструкции ЭА возникает, когда объект, на котором установлена аппаратура, претерпевает быстрое изменение ускорения. Удар характеризуется ускорением, длительностью и числом ударных импульсов. Различают удары одиночные и многократные.
Линейное ускорение характеризуется ускорением (в единицах g) и длительностью воздействия.
Акустический шум, проявляющийся в ЭА, устанавливаемых вблизи работающих двигателей ракет, самолетов, на кораблях, автомобильном и железнодорожном транспорте, характеризуется давлением звука, мощностью колебаний источника звука, силой звука, спектром звуковых частот.
При воздействии вибрации и ударных нагрузок на элементы конструкции ЭА в них возникают статические и динамические деформации, так как любой элемент конструкции представляет собой колебательную систему, имеющую сосредоточенную и распределенную нагрузку и определенный вид закрепления концов. Механизм влияния на конструкцию ЭА акустических шумов и ударно-вибрационных нагрузок различен. Акустический шум подвергает механическим нагрузкам практически в равной степени все элементы конструкции. Ударно-вибрационные нагрузки воздействуют на элементы конструкции ЭА через их точки крепления. Поэтому эффективность такого воздействия определяется также положением элементов относительно его направленности. Детали крепления элементов являются демпферами, ослабляющими действие источника вибрации. При равных условиях действие акустического шума является более разрушительным, чем действие ударно-вибрационных нагрузок.
К радиационным факторам относят: космическую радиацию, ядерную радиацию от реакторов, атомных двигателей, радиационно-опасных ситуаций; облучение потоком гамма-фотонов, нейтронов, бета-частиц, альфа-частиц, протонов, дейтронов.
Радиационное воздействие вызывает как немедленную, так и накапливающуюся реакцию элементов, составляющих конструкцию ЭА. Среди существующих видов излучений наибольшую опасность представляют электромагнитные излучения и частицы высоких энергий.
Рекомендуемые материалы
Полный спектр электромагнитных излучений охватывает диапазон длин волн от десятков тысяч метров до долей нанометра. Наиболее значимое воздействие на ЭА оказывают рентгеновское излучение и гамма-лучи (длина волн менее 10 нм). Эти виды излучений обладают большой проникающей и ионизирующей способностью и характеризуются дозой и мощностью излучения.
Экспозиционная доза излучения, измеряемая в кулонах на килограмм (Кл/кг), представляет количество излучения, создающее посредством ионизации в одном килограмме воздуха заряд, равный одному кулону.
Мощность экспозиционной дозы характеризует интенсивность излучения и измеряется в амперах на килограмм (А/кг). Она равна экспозиционной дозе излучения 1 Кл/кг, переданной в течение 1с. Другая единица измерения экспозиционной дозы – рентген равна 2,58×10-4 Кл/кг, и мощность экспозиционной дозы – рентген в секунду (Р/с).
Поглощенная доза излучения, зависящая от параметров источника излучения и особенностей облучаемого вещества, измеряется отношением средней энергии, переданной излучением веществу к его массе. Единицей измерения поглощенной дозы является Гр (Грей) (Дж/кг), равной поглощенной дозе, соответствующей энергии в 1 Дж, переданной веществу массой 1 кг.
Мощность поглощенной дозы характеризует интенсивность передачи энергии излучения веществу и соответствует приращению поглощенной дозы за единицу времени (Гр/с). Существенное воздействие на конструкцию ЭА оказывают заряженные частицы: a-частицы, протоны, b-частицы и нейтроны, обладающие высокой проникающей способностью Для количественного описания их воздействия применяют понятие поток и плотность потока частиц.
Поток ионизирующих частиц характеризуется отношением числа частиц, прошедших через данную поверхность за все время облучения, и измеряется в с–1.
Плотность потока ионизирующих частиц определяется потоком частиц, отнесенному к площади поверхности проникновения излучения, и измеряется в с–1×м–2.
Облучение частицами может вызывать в веществах обратимые, полуобратимые и необратимые явления. Обратимые явления возникают с началом облучения, сохраняются на протяжении его действия и исчезают с его прекращением. Полуобратимые явления возникают с началом облучения, увеличиваются с его действием и постепенно исчезают после его прекращения. Необратимые явления возникают в процессе воздействия определенной дозы облучения, не исчезают и не уменьшаются после его прекращения.
Вместе с этой лекцией читают "1 Принципиальная исходная неочевидность философии".
Наиболее устойчивы к воздействию облучения металлы. Так, поток нейтронов величиной 1020 частиц/см2 на свойства большинства металлов практически не влияет. Однако следует учитывать, что у большинства металлов при облучении снижается предел текучести в 2-3 раза, ударная вязкость уменьшается, удельное сопротивление возрастает на 20-30%. Наименьшей радиационной стойкостью обладают магнитные материалы и электротехнические стали. Некоторые металлы, например марганец, цинк, молибден после облучения нейтронами сами становятся радиоактивными.
Воздействие излучения на полимеры приводит к разрушению межмолекулярных связей, образованию зернистых структур и микротрещин. В результате полимерные детали теряют эластичность, становятся хрупкими, уменьшается их прочность на разрыв.
При облучении резисторов возникают обратимые и необратимые изменения сопротивления, уровень шума увеличивается, параметр влагостойкости уменьшается. Керамические и проволочные резисторы наиболее устойчивы к действию облучения. Поток нейтронов величиной до 1020 частиц/см2 почти не вызывает изменений их параметров. Менее устойчивы к облучению металлопленочные и пленочные углеродистые резисторы. Их параметры заметно ухудшаются при потоке свыше 1014 частиц/см2. Так же чувствительны к облучению и композиционные резисторы.
Облучение конденсаторов ухудшает их электрическую прочность, изменяет емкость и тангенс угла диэлектрических потерь. Причиной этого являются необратимые явления в структуре диэлектрика, механические деформации, ионизация диэлектрика и воздушных промежутков. Наиболее стойкими к облучению являются керамические, стеклоэмалевые и слюдяные конденсаторы. Конденсаторы с органическим диэлектриком (бумажные, полистироловые, лавсановые, фторопластовые и др.) обладают пониженной радиационной стойкостью. Электролитические конденсаторы обладают наиболее низкой стойкостью, в них разгерметизация и разложение электролита наступают при низких дозах облучения.
По сравнению с другими типами ЭРЭ наименее стойкими к облучению являются полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы вследствие возникновения в них обратимых и необратимых явлений. Необратимые дефекты в полупроводниках приводят к потере выпрямительных свойств диодов из-за постепенного увеличения удельного электросопротивления исходного материала. Транзисторы всех типов при облучении теряют усилительные свойства, в них возникают токи утечки, пробивное напряжение снижается. Их радиационная стойкость составляет 1012-1014 частиц/см2 при облучении нейтронами и 104-107 рад при гамма-облучении.
В интегральных микросхемах при облучении существенно изменяются характеристики вследствие изменения параметров входящих в них резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов. Так же изменяются изолирующие свойства разделительных p–n-переходов, возрастают токи утечки, появляются многочисленные паразитные связи между элементами структуры микросхем, что в результате приводит к нарушению их функционирования.
