Problematic issues of application of methods of accelerated radiation testing of ECB

Full Text

Введение

Определение радиационной стойкости ЭКБ, комплектующей бортовую радиоэлектронную аппаратуру (БРЭА), является неотъемлемой частью процесса обеспечения радиационной стойкости космического аппарата. Из широкого набора методов проведения радиационных испытаний на различных моделирующих и имитационных установках необходимо выбрать оптимальный метод. Однако выбор оптимального метода испытаний является нетривиальной задачей и всегда представляет собой компромисс между достоверностью, точностью, длительностью проведения испытаний и стоимостью работ.

Нормативные документы, определяющие методы проведения радиационных испытаний

По данным работы [1], на настоящий момент в РФ имеется большое количество действующих нормативных документов [2–11] (табл. 1, в которую также включены зарубежные нормативные документы), которые содержат методы и методики проведения испытаний ЭКБ на воздействие ионизирующего излучения (определения радиационной стойкости ЭКБ).

В зарубежной практике на сегодняшний момент наибольшее применение получили три документа, определяющие методы проведения испытаний ЭКБ на радиационную стойкость:

• MIL-STD-883 TM 1019;
• ESA ESCC Basic Specification 22900;
• ASTM F

С одной стороны, разнообразие методов должно позволить проводить необходимые испытания наиболее удобным и менее затратным способом, с другой стороны, применительно, к обеспечению радиационной стойкости космической техники не все методы являются приемлемыми с учётом специфики разработки и изготовления космических аппаратов.

Нормативные документы и методы (методики) испытаний

Проблемные вопросы использования ускоренных методов радиационных испытаний

Среди имеющихся методик испытаний есть как методики определительных испытаний (многократное пошаговое облучение с периодическим расширенным или непрерывным контролем параметров-критериев годности (ПКГ)), так и контрольных испытаний. Однако для оценки остаточного радиационного ресурса ЭКБ и решения задачи, поставленной перед разработчиками космического аппарата (КА) и бортовой аппаратуры (БА) космического назначения, контрольные испытания практически неприменимы из-за возможности получения отрицательного результата, при этом фактический уровень стойкости партии ЭКБ останется неизвестным. Партию ЭКБ будет необходимо заменить (повторить закупочные процедуры без гарантии повторного отказа) либо прести дополнительные испытания по определению уровня радиационной стойкости и последующей комплектации БА с установкой дополнительной защиты, как локальной, так и путём увеличения толщины корпуса.

При определении радиационной стойкости компонентов (планировании испытаний), необходимо учитывать следующие нюансы:

• чувствительность некоторых компонентов (классов и групп компонентов) к возникновению эффекта повышенной чувствительности к низкой интенсивности излучения – ELDRS;
• существующий разброс по уровню стойкости компонентов от партии к партии и внутри партии.

Некоторые компоненты биполярной технологии проявляют повышенную чувствительность к низкоинтенсивному излучению, так называемый эффект ELDRS. На рис. 1 представлены результаты исследования чувствительности ИС 1230ЕР1Т к ионизирующему излучению (ИИ) различной интенсивности [12].

Рис. 1. Зависимость изменения опорного напряжения ИС 1230ЕР1Т при облучении с различной мощностью дозы

Fig. 1. Dependence of the change in the reference voltage of the IC 1230ER1T during training with different dose rates

По результатам проведенных исследований видно, как уровень радиационной стойкости компонента зависит от мощности дозы ионизирующего излучения, выбранной для проведения испытаний. В случае если при обеспечении радиационной стойкости для проведения испытаний был выбран метод с использованием высокой или даже средней мощности дозы (выше 0,45 рад(Si)/с) и полученный уровень стойкости компонента использовался для обеспечения стойкости всего прибора, то в реальных условиях космического пространства (КП), для которого характерно низкоинтенсивное излучение (значительно ниже 0,01 рад(Si)/с), такой «неправильно» определенный уровень стойкости приведёт к отказу аппаратуры.

Другой проблемой при обеспечении радиационной стойкости КА, которую необходимо учитывать при планировании радиационных испытаний является разброс по стойкости ЭКБ как внутри партии, вплоть до выявления отдельных образцов в выборке с аномально низкой стойкостью, так и от партии к партии.

Рис. 2. Зависимость опорного напряжения U_ref ОСМ Н142ЕН19 от уровня поглощенной дозы для партий с различными датами изготовления

Fig. 2. Dependence of the reference voltage U_ref of the OSM N142EN19 on the level of total dose for batches with different dates of manufacture

На рис. 2 приведены результаты исследования радиационной стойкости различных партий источника опорного напряжения Н142ЕН19 [13]. Достаточно хорошо видно, как меняется радиационный отклик партий, выпущенных в разное время, в течение 3,5 лет. Стоит отметить, что в данном случае стойкость компонента увеличивалась, что предположительно связанос устранением нарушений в технологическом цикле либо изменением самого технологического цикла производства, однако предсказать подобные изменения в стойкости различных партий невозможно. Также на настоящий момент нет достоверных сведений, как подобная вариативность стойкости различных партий влияет на чувствительность компонентов к ELDRS. Так, например, стандарт ASTM F1892 допускает, что при чувствительности к ELDRS наблюдается разброс в радиационном отклике у партий с различными датами изготовления (см. Примечание 10 к п. 8.1.2.2 стандарта).

Учитывая вышесказанное, определение радиационной стойкости ЭКБ является нетривиальной задачей, в том числе и по причине доступности множества методов проведения испытаний. Необходимо отметить, что выделение из методов испытаний группы «ускоренных» методов является условным и определяется только отношением используемой мощности дозы к принятой во многих стандартах низкой мощности дозы, равной 0,01 рад(Si)/с.

Во многих ускоренных методах в качестве «ускоряющего» фактора используется либо сложная схема испытаний, отработанная на ограниченном количестве экспериментальных данных, либо повышенная температура образцов при проведении облучения.

К основным недостаткам этих методов можно отнести следующие:

а) метод ускоренных испытаний при моделировании воздействия низкоинтенсивного ИИ КП, использующий повышенные температуры облучения, который обосновывается ограниченным набором экспериментальных наблюдений, например, РД134-0196-2011, где это указано непосредственно. Несмотря на то, что облучение при повышенной температуре рассматривается в качестве основного ускоряющего фактора, его практическая реализация на уровне универсальной методики или стандарта испытаний затруднена рядом экспериментальных фактов:

• облучение при повышенных температурах и высоких интенсивностях не дает результата, полностью эквивалентного воздействию излучений низкой интенсивности, что требует проводить дополнительное облучение ЭКБ или вводить коэффициенты запаса;
• температуры облучения, дающие максимальный эффект моделирования воздействия излучений низкой интенсивности, могут находиться вне допустимого рабочего диапазона температур в соответствии со спецификацией или ТУ на изделие. Необходимо учитывать также, что использование температуры при облучении выше +90 °С может привести к началу отжига дефектов;
• оптимальное соотношение температуры и мощности дозы ИИ зависит от конкретного ЭКБ и требуемой дозы облучения и может быть установлено только путем предварительных испытаний;

б) не всегда возможно обоснованно предсказать, имеет ли место эффект ELDRS в данном биполярном компоненте по данному конкретному параметру или он отсутствует.

Рис. 3. Относительное изменение параметра Iут.вых оптоэлектронного коммутатора 249КП15БР при облучении низкоинтенсивным ИИ 0,01 рад/с в нормальных условиях и при высокой интенсивности и температуре 100 °С

Fig. 3. Relative change in the Iut.vyh parameter of an optoelectronic coupler 249KP15BR when irradiated low dose rate ionizing radiation 0,01 rad/s under normal conditions and at a high dose rate and temperature 100 °C

На рис. 3 приведено сравнение радиационного отклика критериального параметра «ток утечки на выходе Iут.вых.» в процентах от первоначального значения при испытаниях с облучением при низкой интенсивности (что соответствует методу № 2 ОСТ134-1034) и проведении испытаний ускоренным методом (метод №3 ОСТ134-1034) при повышенной температуре (T=100°С) и высокой интенсивности излучения. Испытания были проведены на выборках компонентов из партий с датами изготовления 2018.29 (7 образцов) – испытания при низкоинтенсивном облучении и 2018.48 (2 образца) и 2019.38 (3 образца) – испытания при повышенной температуре. Для соответствия масштаба, уровни набранной поглощенной дозы при ускоренных испытаниях были разделены на коэффициент 1,5, увеличивающий норму испытаний в соответствии с методом № 3.

Проведенное экспериментальное исследование явно показывает неприменимость ускоренного метода испытаний (при повышенной температуре) для космических условий применения. В данном конкретном случае при ускоренных испытаниях образцы сохраняли работоспособность вплоть до доз, в 5 раз превышающих дозы отказа компонентов при низкоинтенсивном облучении.

Однако стоит отметить что, на настоящий момент метод ускоренных испытаний при повышенной температуре (метод № 3 ОСТ134-1034) получил чрезвычайно широкое применение при определении уровня стойкости партий ЭКБ, предназначенных для космического применения, поскольку он:

Другой проблемой является наличие в нормативной базе методов испытаний со сложной реализацией, применение которых может приводить к непредсказуемым результатам. Такими методами, например, являются расчетно-экспериментальные методы «циклическое облучение – отжиг» и «облучение – релаксация» РД В 319.03.37-2000 (см. табл. 1), которые крайне сложны к практическому применению по следующим причинам:

Таким образом, методы «циклическое облучение – отжиг» и «облучение – релаксация» не рекомендуется использовать для определения уровня радиационной стойкости партий ЭКБ, предназначенных для комплектации БА КА.

Кроме того, методы ускоренных испытаний, где требуется проведение разделения выборки на несколько групп образцов, и проведение испытаний с использованием нескольких (разных) моделирующих установок то же не могут быть рекомендованы к использованию при обеспечении радиационной стойкости космической техники.

Например, схема испытаний № 3 ЦДТКТ1.027.009-2013 предписывает разбиение выборки образцов на две контрольные группы и проведение облучения при различных интенсивностях, что ведет к применению при проведении испытаний 2-х моделирующих установок. Сама процедура испытаний чрезвычайно усложнена и не позволяет обеспечить проведение испытаний большого количества компонентов. Также метод требует введения дополнительного переоблучение до дозы 3×DТР, что во многих случаях будет давать консервативную оценку стойкости.

Базовая методика ЦДТКТ1.027.007-2013 регламентирует проведение испытаний ЭКБ на стойкость к воздействиям электронного и протонного излучений космического пространства по дозовым эффектам на основе совместного использования источников гамма- и рентгеновского излучений.

Испытания проводятся в два этапа: на гамма- и рентгеновской установке, что относится к минусам данной методики, но основным недостатком является то, что на заключительной стадии испытаний, при оценке применимости коэффициента калибровки к полному набору параметров-критериев, результаты измерения какого-либо параметра могут не удовлетворять критерию однородности, тогда для данного параметра нельзя применять коэффициент калибровки, определяемый в процессе испытаний. В таком случае, результаты измерения значения параметра-критерия для образцов, облучавшихся на рентгеновском имитаторе, будут носить справочный характер и не рассматриваются при оценке соответствия изделия заданным требованиям, при этом нормы испытаний будут значительно увеличены в связи со значительным сокращением количества образцов, что приведет к уменьшению уровня стойкости, полученному по результатам испытаний.

К недостаткам методики также необходимо отнести то, что калибровка проводится только по одному параметру, а также необходимо наличие протяженного монотонного участка зависимости чувствительного (калибровочного) параметра, а также необходимость специальной подготовки изделий для испытаний – декапсуляция, лазерное фрезерование. В целом методика подходит для проведения испытаний при небольшом объеме и в редких случаях, когда при испытаниях на гамма-установке нет возможности осуществить полный контроль электрических параметров.

Важно отметить, что методы, где подразумевается разделение выборки на группы, которые испытываются независимо друг от друга, подвержены ошибкам вследствие разброса стойкости образцов внутри партии (выборки). В случае отказа при испытаниях отдельных образцов, в зависимости от попадания их в одну либо другую группу, результат испытаний может быть отрицательным либо будет приводить к неопределенности в интерпретации результатов.

Зарубежные стандарты (MIL-STD-883 TM1019, ASTM F1892) отличаются своим консервативным подходом к ускоренным методам испытаний (например, с использованием высокой температуры и интенсивности излучения). Такие методы допускаются к применению только после того, как будет показано, что они дают аналогичные (или более консервативные результаты) по сравнению с испытаниями при низкоинтенсивном облучении.

На основании вышеизложенного необходимо сделать следующие выводы:

1. Не все существующие методы ускоренных радиационных испытаний, регламентированные к применению при обеспечении радиационной стойкости космической техники в ГК «Роскосмос», могут быть рекомендованы к использованию как минимум без каких-либо дополнительных процедур.
2. Существующее разнообразие в РФ нормативных документов и методов (методик) радиационных испытаний, которые ими регламентируются, не является достоинством. При недостаточной компетенции и опыте кадров, это разнообразие методов может привести к неопределенностям при проведении испытаний и, в худшем случае, отказам космической техники.
3. В РФ отсутствует единый нормативный документ, содержащий руководство по выбору и применению методов радиационных испытаний ЭКБ и включающий сами методы.
4. Зарубежные стандарты крайне консервативны к применению широко используемых в РФ методов ускоренных испытаний, их не допускается применять без предварительной верификации на конкретном типе компонентов.

Заключение

В заключение, на основании проведенной работы для повышения надежности и радиационной стойкости космической техники, можно рекомендовать следующие шаги:

1. Разработка единого нормативного документа, содержащего руководство по выбору и применению методов радиационных испытаний ЭКБ, включающего сами методы. Как наиболее близкий аналог единого документа можно рассматривать зарубежный стандарт ASTM F
2. Изменение подхода к выбору и применению методов ускоренных испытаний. Применение таких методов допускается только после проведения определительных испытаний для конкретных типов ЭКБ (либо технологически идентичной серии ЭКБ) с определением режимов и параметров ускоренного метода испытаний.
3. Исключение из практики использования устаревших, а также трудно реализуемых методов, в результате испытаний по которым возможно получение неопределенного результата (например, из состава РД В 319.03.37-2000). На настоящий момент допустимость их применения регламентирована ОСТ134-1034-2012.
4. Для некоторых методов, используемых для определения радиационной стойкости ЭКБ к ИИ КП с учетом низкой интенсивности излучения и где облучение компонентов при испытаниях проводится с использованием мощности дозы ≤ 0,01 рад(Si)/с, требуется дополнительное исследование необходимости использования переоблучения (обычно с коэффициентом 1,5), что приводит к значительному увеличению продолжительности испытаний (увеличению их стоимости) и занижению полученного результата.

About the authors

Sergey A. Avdyushkin

Author for correspondence.
Email: avdyushkin@iss-reshetnev.ru

head of the group

Igor A. Maximov

Email: mia@iss-reshetnev.ru

Dr. Sc., head of department

Sergey G. Kochura

Email: kochura@iss-reshetnev.ru

Dr. Sc., head of department

References

Supplementary files