Согласно РМГ-78-2005, ионизирующими называются любые излучения, взаи­модействие которых со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Сово­купность естественного радиационного фона и ионизирующего излучения (ИИ) по­сторонних источников излучения называется фоном ионизирующего излучения. ИИ классифицируют по следующим видам:

• непосредственное, состоящее из заряженных частиц, кинетическая энергия кото­рых достаточна для ионизации при столкновении с атомами вещества;

• косвенное, состоящее из незаряженных частиц, взаимодействие которых со сре­дой приводит к возникновению заряженных частиц, способных непосредствен­ным образом вызвать ионизацию;

• моноэнергетическое, состоящее из фотонов одинаковой энергии или частиц одного вида с одинаковой кинетической энергией;

• немоноэнергетическое, состоящее из фотонов различной энергии или частиц одного вида с различной кинетической энергией;

• смешанное, состоящее из различного вида частиц или из фотонов и частиц;

• направленное, характеризуемое выделенным направлением распространения;

• изотропное, все направления распространения которого равноценны;

• непрерывное, длительность которого больше времени наблюдения;

• импульсное, длительность которого существенно меньше времени наблюдения;

• фотонное, представляющее собой электромагнитное косвенное ИИ;

• γ-излучение, представляющее собой фотонное излучение, возникающее в про­цессе ядерных превращений или при аннигиляции частиц;

• рентгеновское излучение, представляющее собой фотонное излучение, состоящее из тормозного и характеристического излучений;

• тормозное излучение, представляющее собой фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц;

• характеристическое излучение, представляющее собой фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетиче­ского состояния электронов атома;

• α-излучение, представляющее собой корпускулярное излучение, состоящее из альфа-частиц, испускаемых в процессе ядерных превращений;

• β-излучение, представляющее собой корпускулярное излучение, состоящее из электронов или позитронов, возникающее при радиоактивном распаде ядер.

Общими, наиболее важными, характеристиками ИИ различной природы являются поток частиц (фотонов) и его плотность, поток энергии и его плотность, флюенс частиц (фотонов) и флюенс энергии.

Потоком частиц (фотонов) называется отношение числа частиц (фотонов) dN, пе­ресекающих заданную поверхность за интервал времени dt, к величине этого интер­вала, с^-1:

                                            .

Плотностью потока частиц (фотонов) называется отношение числа частиц (фото­нов) dN, пересекающих заданную поверхность за интервал времени dt, к площади этой поверхности dS и величине временного интервала, м^-2 ∙ с^-1:

                                          .

Потоком энергии называется отношение изменения энергии излучения dR за ин­тервал времени dN к величине этого интервала, Вт:

                                            .

Плотность потока энергии представляет собой отношение изменения флюенса энер­гии dψ за интервал времени dt к величине этого интервала, Вт ∙ м^-2:

                                                  .

Флюенсом частиц (фотонов) называется отношение числа частиц (фотонов) dN, проникающих в элементарную сферу, к площади поперечного сечения этой сферы dS, частиц/м^-2:

                                            .

Флюенс энергии представляет собой отношение энергии излучения dR, падающей на сферу с площадью поперечного сечения dS, к площади этого сечения, Дж ∙ м^-2:

                                            .

Взаимодействие ИИ со средой оценивают поглощенной дозой излучения, равной отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm содержащегося в нем вещества, Дж ∙ кг^-1 или в Гр (грей):

                                            .

Из всех видов ИИ наибольшую опасность представляет нейтронное и γ-излучение, обладающее наибольшей проникающей способностью, поэтому его необходимо учиты­вать в первую очередь при проектировании радиационно-стойкой электронной аппа­ратуры [30, 45]. В соответствии с ГОСТ 18298-79, под радиационной стойкостью пони­мают свойство аппаратуры, ее комплектующих и материалов выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах установленных норм во время воздействия ИИ. Критерием радиационной стойкости служит предельное значение определяющего ра­диационную стойкость параметра изделия. Если значение этого параметра находится в пределах установленных норм, то гарантируется нормальное функционирование ЭС во время и после воздействия ИИ. Показателем радиационной стойкости ЭС служит значение характеристики поля ИИ, при котором достигаются критерии радиационной стойкости.

Воздействие ИИ на ЭС проявляется в виде радиационного и ионизационного эф­фектов, обратимого или необратимого радиационных дефектов, радиационного разо­грева и других явлений. Радиационный эффект заключается в изменении значений параметров, характеристик и свойств ЭС в результате воздействия ИИ. Радиационный эффект, обусловленный ионизацией и возбуждением атомов вещества, называется ио­низационным эффектом. Радиационный дефект проявляется в нарушении структуры вещества материалов ЭС под воздействием ИИ. Различают обратимый и необратимый радиационные дефекты. Обратимый дефект исчезает с прекращением действия ИИ, а необратимый дефект длительно сохраняется в веществе, изменяя его свойства. Ра­диационный разогрев представляет собой эффект, проявляющийся в повышении тем­пературы материалов в результате поглощения ими энергии ИИ.

Нейтронное излучение, в основном, является причиной радиационных дефектов, обусловленных физико-химическими изменениями в материалах. Возможен радиаци­онный разогрев с выделением кислот и газообразованием. При γ-излучении преобла­дают ионизационные эффекты. Скорость образования избыточных носителей заряда пропорциональна поглощенной дозе излучения. Рост концентрации избыточных но­сителей заряда приводит к увеличению проводимости диэлектрических и полупрово­дниковых материалов и в итоге — к утечкам и пробоям.

Из всех материалов наиболее устойчивы к воздействию ИИ металлы, поскольку им свойственна высокая концентрация свободных носителей заряда, а характеристики их слабо зависят от дефектов кристаллической решетки. Поэтому γ-излучение на свой­ства металлов практически не влияет, а последствия облучения нейтронами начинают сказываться только при флюенсе частиц порядка 10²⁰ нейтрон/см². В этом случае у большинства металлов предел текучести возрастает в 2...3 раза, ударная вязкость сни­жается, а проводимость повышается на 10...30 %.

Наименьшей радиационной стойкостью обладают электротехнические стали и маг­нитные материалы, у которых изменяется магнитная проницаемость и проводимость при флюенсе частиц порядка 10¹⁸ нейтрон/см². Некоторые металлы, например, бор, марганец, кобальт, кадмий, цинк, молибден и др. после облучения нейтронами стано­вятся источниками вторичного ИИ.

Наименее устойчивы к воздействию ИИ полупроводниковые и органические мате­риалы. У полупроводниковых материалов при облучении изменяются время жизни и подвижность носителей заряда, коэффициент Холла, а у органических — механи­ческие свойства, электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь.

Неорганические материалы более устойчивы к ИИ, поскольку их сопротивление изоляции, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и другие параметры изменяются незначительно, однако у стекол могут измениться оптические свойства и цвет.

Различная устойчивость разнообразных материалов к воздействию ИИ соответ­ственно определяет и разную радиационную стойкость ЭРИ [30, 45]. Так, у рези­сторов под воздействием ИИ происходят обратимые и необратимые изменения со­противления, возрастает уровень шумов, и ухудшается влагостойкость. Наиболее устойчивыми являются керамические и проволочные резисторы, а наиболее уязви­мыми — металлопленочные углеродистые резисторы. У конденсаторов ИИ, в первую очередь, приводит к изменению физических свойств диэлектрика, что сказывается на таких параметрах, как электрическая емкость, сопротивление изоляции и тан­генс угла диэлектрических потерь. Наиболее стойки к воздействию ИИ конденсаторы с неорганическим диэлектриком — слюдой, керамикой, стеклом. Электролитиче­ские конденсаторы наименее надежны из-за разложения электролита, а конденса­торы с органическим диэлектриком по степени устойчивости к ИИ занимают про­межуточное положение. В полупроводниковых ЭРИ — транзисторах, диодах, ИМС и др. ионизирующее действие радиации приводит к генерации в объеме полупро­водникового кристалла избыточных зарядов, что вызывает появление избыточных фототоков, величина которых пропорциональна эффективному объему прибора. По­этому минимизация размеров кристаллов полупроводниковых приборов повышает их устойчивость к ИИ. Структурные нарушения обусловлены взаимодействием ИИ с кристаллической решеткой полупроводника. Степень таких нарушений зависит от вида и энергии частиц, поэтому следствием структурных нарушений являются необ­ратимые дефекты полупроводниковых ЭРИ.

Следует подчеркнуть, что в зависимости от конкретного типа ЭРИ, технологии его изготовления, условий функционирования, вида и энергии ИИ будет преобладать тот или иной механизм нарушения и определять в итоге радиационную стойкость ЭРИ. Таким образом, при выборе номенклатуры комплектующих ЭРИ, предназначенных для создания аппаратуры, удовлетворяющей заданным требованиям по стойкости к воздействию ИИ, конструктор руководствуется различными показателями стойкости ЭРИ к воздействию ИИ.

Наиболее эффективной защитой ЭС от воздействия ИИ является применение спе­циальных массивных защитных экранов из металлов с высоким кулоновским барье­ром (например, свинца), закрывающим ЭС от ИИ с любой стороны [30]. Для защиты от γ- и нейтронного излучений наиболее эффективны многослойные экраны со слоями из свинца, полиэтилена, слоя полиэтилено-графитового замедлителя быстрых нейтронов и кожуха из нержавеющей стали.

Герметизация блоков ЭС

Герметизация ЭС осуществляется с целью предотвращения воздействия внешних климатических факторов на конструктивные элементы и ЭРИ, входящие в состав бло­ков ЭС, а также защиты от механических, биологических ВВФ и загрязнений радио­активными и специальными средами. Различают частичную и полную герметизацию [29, 44, 45, 39].

Частичная герметизация предусматривает пропитку, обволакивание и заливку изоляционным материалом свободного внутреннего пространства корпуса электрон­ного компонента или узла. Заливка представляет один из наиболее распространен­ных способов защиты ЭС из-за простоты технологических процессов. Заливка позво­ляет оградить узлы ЭС от воздействия климатических ВВФ и повысить механическую прочность электронного модуля, но, в то же время, неизбежно увеличить его массу. Другим недостатком заливки является невозможность обеспечения полной гермети­зации, поскольку все же не исключено проникновение влаги внутрь защищаемого узла.

Полную герметизацию проводят для поддержания внутри корпуса блока опреде­ленной в ТЗ относительной влажности и химического состава газового наполнителя. Для создания комфортного микроклимата внутри корпуса блока его внутренний объем через откачную трубку заполняется инертной средой в виде различных газов или их смесей с избыточным давлением не более 12 ∙ 10⁴ Па. Различные варианты конструк­ции откачных трубок показаны на рис. 4.8.8, а – д.

В качестве газового наполнителя обычно используют сухой азот, который по своим тепловым характеристикам близок к воздуху. В последнее время широко проводятся экспериментальные работы по использованию в качестве инертной среды различных нетоксичных жидких растворов, обладающих более высокой теплопроводностью, чем сухой азот, однако влияние этих жидкостей на электрические параметры бескорпусных ЭРИ и, соответственно, на их надежность, еще неполностью изучено [39].

Герметичность блоков достигается герметизацией их корпусов, а также внешних электрических соединителей, устанавливаемых на лицевой и (или) задней панелях ап­паратуры. С учетом специфики герметизации корпусов блоков и электрических соеди­нителей, рассмотрим эти вопросы отдельно.

Герметизация корпусов блоков ЭС может выполняться путем сварки основания с корпусом блока, паяным демонтируемым соединением корпуса с крышкой блока и с помощью уплотнительной прокладки. Выбор способа герметизации определяется тре­бованиями, предъявляемыми к блокам ЭС в зависимости от условий эксплуатации, его габарита или объема, а также материалов корпуса и основания блока. При этом степень герметичности корпуса определяется степенью натекания газа

                                          ,

где V— объем газа внутри блока ЭС, дм³;

Δр — избыточное давление внутри блока, Па;

t — срок службы (хранения) блока.

Герметизацию сваркой обычно выполняют для неподлежащих ремонту блоков, объем которых не превышает 0,5 дм³. Вскрытие таких блоков возможно только с помо­щью механического снятия сварного шва, что влечет за собой обязательное попадание металлической пыли на бескорпусные ЭРИ и, соответственно, их отказ. Этот способ герметизации широко используется для герметизации корпусов ИМС и микросборок и обеспечивает степень натекания газа В_н = 1,33 ∙ 10^-10 дм³ ∙ Па/с. Герметизация с помощью паяного демонтируемого соединения применяется для блоков, объем кото­рых лежит в пределах от 0,5 до 5 дм³. При этом способе степень натекания газа состав­ляет В_н = 1,33 ∙ 10^-7 дм³ ∙ Па/с, что определяет достаточно высокую степень защиты блока. Конструктивные элементы герметизации блоков паяным соединением пока­заны на рис. 4.8.9, а – г.

Рис. 4.8.8. Варианты конструкции откачанных трубок: 1 – корпус;

2 – трубка; 3 – втулка; 4 – компаунд; 5 – стакан; 6 – резиновый уплотнитель;

7 – шарик; 8 - штифт

К конструктивным элементам паяного соединения предъявляются определенные требования. Так, для устранения перегрева блока в момент пайки в элементах кон­струкции корпуса крышки, вблизи от паяного соединения, необходимо предусмотреть специальную тепловую канавку. Диаметр проволоки должен быть меньше ширины за­зора между крышкой и корпусом на 0,1 ...0,2 мм. В качестве материала уплотнительных прокладок используется термоустойчивая резина, обладающая высокой эластично­стью, податливостью и способностью заполнять мельчайшие углубления и неровности. Обычно используют следующие марки резины: ИРП-1267, ИРП-1338 и ИРП-1354. Перед сборкой прокладка смазывается тонким слоем масла ЦИАТИМ-221.

В паяном соединении проволока над прокладкой укладывается по ее периметру, причем один из проволочных концов выводится через специальный паз в крышке из зоны соединения и обычно укладывается в тепловую канавку. Расстояние по всему пе­риметру соединения заливается легкоплавким припоем. Такое соединение позволяет вскрывать корпус блока до трех раз. В целях предотвращения нарушения герметич­ности блока наружная сторона паяного соединения не должна выполнять функцию установочной поверхности блока, а все элементы крепления должны располагаться на максимально возможном расстоянии от паяного соединения.

Большое значение при проектировании герметичных блоков играет правильный выбор материалов для составных частей их корпусов. Рекомендуемые материалы де­талей корпусов блоков, герметизируемых паяным демонтируемым соединением, и их защитные покрытия приведены в табл. 4.8.11.

Рис. 4.8.9. Варианты конструкций паяных соединений: 1 – корпус блока;

2 – крышка; 3 – прокладка уплотнительная; 4 – проволока; 5 – тепловая канавка

Таблица 4.8.11