Файл: Радиотехнические системы в ракетной технике..pdf

К основным способам повышения радиационной стойкости ра­ диоэлектронной аппаратуры относят:

—ослабление потоков проникающей радиации с помощью за­ щитных экранов;

—применение элементов и функциональных узлов, устойчиво работающих при воздействии проникающей радиации сравнитель­ но большой мощности (т. е. схем мало критичных к изменениям электрических параметров элементов, схем с малой чувствитель­ ностью к изменению амплитуды входных сигналов и питающих напряжений, схем блокировки избыточных токов и напряжений в момент воздействия импульсной радиации и т. п.).

С помощью защитных мер можно повысить радиационную стойкость аппаратуры на 2—3 порядка. Это означает, что эффек­ тивный радиус действия ядерного взрыва сильно уменьшается и нападающая сторона вынуждена увеличивать мощности боеголо­ вок антиракет и их количество.

Корпус ракеты или другого носителя радиоаппаратуры частич­ но ослабляет действие радиации. Слой материала, плотность ко­ торого соответствует плотности воздуха толщиной 30 см на уров­ не моря, поглощает 90% мягких рентгеновских лучей, превращая их в тепло. Более длинноволновое излучение также поглощается или отражается. Для защиты от сверхжестких рентгеновских лу­ чей в принципе можно использовать материал с высокой плотно­ стью, например уран. Однако он плохо защищает от излучения с длиной волны менее 1 нм - 10~9 м.

Экран не всегда в состоянии защитить полупроводниковые приборы от воздействия жестких рентгеновских лучей, и особенно проникающей радиации. Небольшие дозы проникающей радиации

328

Гамма-радиация вызывает в материале ряд различных эффек­ тов, каждый из которых сопровождается ионизацией поглощаю­ щего вещества. Степень ионизации определяется энергией и ин­ тенсивностью излучения, его суммарной дозой, а также свойства­ ми поглотителя. Первостепенное значение имеет генерация избы­ точных электронно-дырочных пар в полупроводниках, так как эти пары создают избыточные токи в схемах. Если происходит гене­ рация вблизи р-n переходов, управляющих работой прибора, то возникает вторичный усиленный фототок, который приводит к мгновенному насыщению прибора.

Тепловое действие рентгеновского и гамма-излучений можно не учитывать при конструировании полупроводниковых приборов, так как если радиация достаточно велика, чтобы разогреть аппа­ ратуру, то она наверняка приведет к разрушению летательного аппарата, на котором она установлена.

Для уменьшения переходных фототоков в транзисторных схе­ мах, вызванных гамма-излучением, можно использовать токоогра­ ничивающие резисторы, включив их между транзистором и источ­

несколько резисторов, переходные процессы могут существенно затягиваться. Для ослабления этих эффектов следует ограничи­ вать величину фототоков. Конденсаторы сравнительно мало под­ вержены действию радиации, так как в них и так уже запасен достаточно большой заряд.

Нейтронное излучение, так же как и гамма-излучение, может вызвать ионизацию в поглощающем материале. Однако эта иони­ зация невелика, быстро исчезает и по сравнению с нарушениями, которые нейтроны создают в полупроводниках, не имеет опасных последствий.

Нейтронная радиация вызывает в полупроводнике разогрев, ионизацию и смещение атомов отдачи от их нормальных положе­

коэффициента усиления транзисторов. Так, например, увеличи­ вается сопротивление диодов в прямом направлении. Особенно силь­ но сказываются дефекты решетки в базовой области транзистора.

Для защиты радиоэлектронной аппаратуры можно использо­ вать транзисторы с более высоким коэффициентом усиления, что­ бы компенсировать возможное ослабление усиления под дейст­ вием радиации. Но этот метод не является универсальным. Более радикальная мера — повышение стойкости каждого транзистора или диода. Этого можно добиться с помощью технологических ме­ тодов при изготовлении высокочастотных приборов.

329

Такими методами являются снижение толщины базы, увеличе­ ние концентрации донорных и акцепторных примесей, применение легирующих веществ, создающих более высокую проводимость базы. Другим возможным решением задачи является применение схем на полевых транзисторах, которые менее чувствительны к радиационному воздействию, чем биполярные.

Как уже упоминалось, в результате поглощения гамма-излуче­ ния атмосферой на высотах ниже 30 км возникает мощный элек­ тромагнитный импульс, в результате которого на проводящих по­ верхностях, например на обшивке корпуса, создаются большие разности потенциалов. При этом удлиненная конструкция ракеты будет вести себя в грубом приближении как приемный диполь. Вследствие низкого характеристического сопротивления диполя (78 ом) в нем будут индуцироваться большие токи на его резо­ нансной частоте. Эти токи могут проникать в аппаратуру через неоднородности в конструкции корпуса, приводя к перегрузке схем высоковольтными импульсами.

Наиболее эффективным методом защиты электронной аппара­ туры от электромагнитного импульса считается полное электриче­ ское экранирование. Поскольку обшивка ракеты не может служить надежным экраном, конструктор должен защищать аппа­ ратуру с помощью устройств, применяющихся для борьбы с поме­ хами. Экранируют также наружную проводку и уменьшают раз­ меры смотровых люков обслуживания, насколько это возможно. Для защиты схем от первичных перегрузок используют токоогра­ ничивающие импедансы.

Основные эффекты, возникающие в электронных компонентах под действием радиации, сведены в табл. 8.16.

Для оценки радиационной стойкости сложных схем в США применяются методы математического и физического моделиро­ вания. Программу, построенную в соответствии с математической моделью радиоэлектронных схем с учетом радиационной стойко­ сти ее отдельных элементов, вводят в ЭВМ, которая должна дать общую картину поведения системы под действием радиации. Та­ кое моделирование достаточно сложно и вряд ли дает надежные результаты.

Существует более простой способ приближенной оценки ра­ диационной стойкости компонентов, заключающийся в том, что в лабораторных условиях в отсутствие радиации измеряются опре­ деленные параметры электронных компонентов, которые затем подставляют в математические уравнения. Эти уравнения выра­ жают соотношения между параметрами и радиационными воз­ действиями и позволяют предсказать поведение электронных ком­ понентов под действием радиации.

Следует отметить, что стоимость радиационно-стойких компо­ нентов сильно повышается за счет дорогостоящих испытаний, ко­ торые проводятся на уникальном оборудовании (импульсные ре­ акторы, линейные ускорители). Например, цена радиационно­ стойких транзисторов составляет 10—’15 долларов за штуку.

330

Диод

331