Современная электроника №5/2022

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ 59 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2022 шестая от допустимой предельной дозы за всю карьеру космонавта [2]. Эта величина создаётся преимуще- ственно за счёт пребывания станции в районе Южной Атлантики. Именно здесь радиационные пояса «провиса- ют» над Землёй из-за существования глубоко под Землёй магнитной ано- малии [3]. Кроме того, дипольное маг- нитное поле Земли искажается во вре- мя магнитных бурь, в результате чего уменьшается минимальный энерге- тический порог отсекаемых ионизи- рующих излучений Солнца, позволяя им проникать на низкие широты. Гео- графическое положение космического аппарата относительно опасных радиа- ционных мест определяет конкретный уровень воздействующих на него иони- зирующих излучений. В открытом космосе уровни воздей- ствующих излучений на космические аппараты намного выше, чем на МКС. Космические аппараты [3] снабже- ны защитным слоем для защиты эки- пажей от воздействия проникающей радиации, их характеристики приве- дены в табл. 1.1. В [4] описаны радиационные усло- вия на геостационарной орбите (ГСО), которая широко используется для спут- ников связи. ГСО расположена в пло- скости географического экватора на расстоянии 36 тыс. км от поверхности Земли в области внешнего ЕРПЗ. Пото- ки частиц в области геостационарной орбиты подвержены как регулярным, так и нерегулярным изменениям. На ГСО наблюдаются потоки электро- нов ЕППЗ с энергией 6 МэВ и протонов ЕРПЗ с энергией до 2 МэВ. Алюмини- евая пластинка с толщиной 0,01 г/см 2 практически полностью поглощает все протоны на ГСО. В [4] утверждается, что для аппара- туры, установленной на космических аппаратах на ГСО и защищённой экра- ном менее 1 г/см 2 алюминия, основную радиационную угрозу представляют потоки электронов ЕРПЗ, для аппарату- ры на ГСО, защищённой экраном более 2 г/см 2 алюминия, основную угро- зу представляют потоки частиц СКИ и тормозного излучения электронов. Чаще всего, протоны ГКИ и СКИ с энер- гией не менее 28 МэВ преодолевают геомагнитный барьер с запада, а элек- троны с энергией не менее 230 МэВ – с востока. Целесообразно отметить сразу, что вся совокупность ионизирую- щих излучений космического про- странства (ИИ КП) не может быть вос- произведена в земных условиях, при исследовании радиационной стой- кости приборов используется метод моделирования, состоящий в заме- не всего спектра космических излу- чений излучениями частиц опреде- лённого вида с плотностью потока 10 6 ...10 9 част/(см 2 · с) [3]. Иногда воздействие протонного излучения целесообразно моделиро- вать нейтронным облучением с при- менением коэффициентов эффек- тивности [5]. Это связано с тем, что установки нейтронного воздействия бывают более доступны или такие испытания предусмотрены техни- ческим заданием. Часто сведения о стойкости к воздействию нейтронно- го облучения имеются в отношении применяемых комплектующих. Поэ- тому в обзоре также коротко остано- вимся и на воздействии нейтронного облучения на аппаратуру космических аппаратов. Характеристики ионизирующих излучений космического пространства Характеристики ионизирующих излучений, воздействующих на изде- лия, функционирующие в космиче- ском пространстве, подробно изуче- ны и описаны во многих источниках [1]. Расхождения во мнениях существу- ют в эффектах второго и более высоко- го порядков. Рассмотрим общеизвест- ные факты. Протонное излучение – это пото- ки протонов. Протон – стабиль- ная элементарная частица с массой 1,673 × 10 –24 г (практически совпада- ющей с массой нейтрона) и элек- трическим зарядом q = 1,6 × 10 –19 Кл, равным по величине и противопо- ложным по знаку заряду электрона. Протоны вместе с нейтронами обра- зуют ядра атомов, а сам протон мож- но рассматривать как ядро атома водо- рода. Протонное излучение возникает в процессе ядерных реакций и состав- ляет заметную часть космического излучения. Протон – это достаточно тяжёлая частица, уступающая по про- никающей способности только нейтро- ну из-за наличия заряда. Альфа-излучение состоит из альфа- частиц – ядер гелия 4 2 Не, содержащих два протона и два нейтрона, массой 6,644 × 10 –24 г и зарядом, равным удво- енному положительному элементар- ному заряду. Альфа-частицы возникают при ядер- ных превращениях элементов, кото- рых известно около 200. В результате альфа-распада происходит выделение альфа-частицы и уменьшение первона- чального заряда ядра на два единичных заряда, а массового числа – на четыре единицы. Альфа-частицы имеют по сравнению с другими ионизирующими частица- ми наименьшую длину пробега в веще- стве (несколько сантиметров в воздухе и доли сантиметров в плотных матери- алах) из-за большой массы и электри- ческого заряда, поэтому оказывают зна- чительное ионизирующее воздействие. Электронное излучение (бета-излуче- ние, если источником являются ядер- ные превращения) состоит из элек- тронов – стабильных элементарных частиц с минимальной для матери- альных объектов массой 0,91 × 10 –27 г и минимальным электрическим зарядом –1,6 × 10 –19 Кл и позитронов. Характеристики ионизирую- щих излучений определяют особен- ности их взаимодействия с веще- ством. Наибольшую проникающую способность имеют нейтроны с энергией в диапазоне МэВ, как доста- точно тяжёлые незаряженные частицы. Протон, являясь заряженной частицей с массой, аналогичной массе нейтрона, обладает меньшей проникающей спо- собностью. Электроны с минимальной массой вызывают преимущественно ионизацию и наименьшие структур- ные повреждения. Альфа-частицы из-за большой массы имеют минимальную проникающую способность. Механизмы воздействий ионизирующих излучений на электронную аппаратуру и их характеристики Известно, что под действием про- никающей радиации изменяют свой- ства все материалы: менее прочными становятся металлы, теряют прозрач- ность стёкла, ухудшаются электриче- ские характеристики полупроводни- ков [1, 6]. Таблица 1.1. Толщина защит космических аппаратов и скафандра космонавта Космический аппарат Толщина, г/см 2 Командный модуль «Apollo» 7...8 «Shuttle» До 10–11 МКС До 15 Скафандр космонавта 0,25