книги / Основы проектирования РЭС в жестких условиях эксплуатации
..pdfМ ИШ СТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ш коды
ЧЭ4У,ЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ
А.Ф.МЕШС Е.С.УСПЕНСКИЙ Б.В.РОЩУПКИН
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС В ЖЕСТКИХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Учебное поообжо
Москва 1992
УДК 621.38:537.312
Мевис А.Ф., Успенский Е.С., Рощупкин Б.В. Основы проектирования РЭС в жестких условиях эксплуатации: Учеб.
аосооие/Моск.ин-т |
радиотехники, электроники и автоматики. - |
М., 1991. - 80 с. |
ISBN 5-23(3-12091-6 |
Учебное пособие садержит теоретические материалы до основным разделам курса "Конструирование и использование
РЭС в жестких экспериментальных условиях". Рассматриваются вопросы создания РЭС способных работать в веских условиях эксплуатации.
Предназначено для студентов специальности 2303 и макет быть полезно для сзудеитов других специальностей при изучении курса "’Рряядяягягяя1 оборона", а также при дипломном проектировании.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Московского института ради «техники, электроники и автоматики.
Рецензенты: А.С.Назаров, Ю.С.Черновубев.
ISBN5 -23G-I209I-6 © Мввис А.Ф., Успенский Е.С., Рощупкин Б.В., 1992
эзвдение
Использование радиоэлектронных средств (РЭС) аа гваддаз-
ских и оборонных объектах выдвигает проблему обеспечения их безотказной работы в заданных условиях эксплуатации. Сложности проблемы возрастает как с увеличением количества внешних воз действующих факторов, так и с ужесточением требований по стопкости РЭС к ним. При этом в центре внимания оказывается вопро сы по обеспечению работоспособности РЭС в жестких условиях эксплуатации.
Под жесткими условиями эксплуатации понимают совокупность внешних факторов, которые могут воздействовать на объект в штатном режиме и в экспериментальных условиях,осиводят к спе цифическим последствиям, требуют применения специальных мер защите объекта. Такие условия характеризуются расширенный диа пазоном температур, влажности, механических воздействий,а так же наличием полей ионизирующих и электромагнитных излучений. Зоздействие механических и климатических факторов на РЭС изуче но достаточно хорошо,и имеется большой опыт по сохранения их работоспособности в этих условиях. 3 то же время вопросы ооеспечения радиационной и электромагнитной стойкости РЭС являютсл сравнительно мало изученными и требуют тщательной проработхи,
Успешное решение этих задач обуславливает необходимость изучения характеристик полей ионизирующих и электромагнитных излучений, которые могут воздействовать на объекты,содержащие РЭС, физических процессов взаимодействия этих излучений с ма териалами и комплектующими изделиями, поведения типовых схем л аппаратуры в целом в таких условиях, а также овладения специ
альными схемотехническими, конструктивными и технологическими методами, которые позволяют уменьшить последствия таких воз
действий, и способами |
оценки радиационной и.электромагнитно* |
стойкости /I/. |
|
Основные понятия |
радиационной стойкости содержатся э |
ГОСТ 18289-79. Помимо |
термина ’радиационная стойкость" з этс. |
стандарте определены |
термины для численной оценки стойкое".".» |
и для описания воздействия излучений на объекты /\/.
1. ХАРАКТЕРИСТИКА И СПОСОБЫ ЗАДАНИЯ ЖЕСТКИХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
1.1. Ионизирующие излучения космического пространства
Источниками ионизирующих излучений (ИИ) в околоземном пространстве являются галактические космические лучи, излуче ние Солниа, а также искусственные и естественные радиационные пояса Земли. 3 таблице I.I содержатся данные об уровнях ИИ, создаваемых этими источниками.
Галактические космические лучи образуются вне солнечной системы и состоят из протонов (~ 85%), ядер гелия ( ~ 10%), тяжелых ядер (•V I%), электронов (~1%) и рентгеновского и
-излучений. Это высокоэнергетичное излучение (10® ■» 102®зВ) с плотностью потока частиц I...5 см_2с~^. Из-за низкой плот ности потока галактические коомичвские лучи представляют сра внительно малую опасность для РЭС, но играют значительную роль в появлении единичных случайных сбоев, особенно в боль ших интегральных схемах (БИС) бортовых вычислительных комп лексов.
Солнечное излучение обусловлено вспышками, носит периоди ческий характер и состоит в основном из протонов, включая ядра гелия и более тяжелых элементов, а также электроны. Энер гия этих частиц достигает сотен МэВ.
Наибольшее влияние на работу бортовых РЭС оказывают есте ственные и искусственные радиационные пояса Земли (РПЗ).
Естественные РПЗ - это обширные области околоземного кос мического пространства (КП), в которых существуют интенсивные потоки элементарных частиц - электронов и протонов,обладающих высокой кинетической энергией. Внутренний РПЗ располагается на
высоте от |
600-1500 км до 10000 км от поверхности Земли. Он со |
|||||||
стоит из протонов |
700 |
МэВ) и |
электронов (<f ~ 20 |
кэВ... |
||||
— |
5 МэВ) |
при максимальной |
плотности |
потока электронов |
Уе « |
|||
= |
5,6 10® |
CM ' V 1 |
и протонов |
Ур |
* |
5,6*10® см-2с-^. Внешний |
РПЗ занимает область с высотньми границами от 10000 км до 60...
...85 тыс,км,содержит электроны (<f^I0 кэВ...5 МэВ) и протоны^ ( 6 до 60 МэВ) при плотности потока электронов 5,6*10® см*2с"
Искусственные радиационные пояса Земли могут образовы ваться в результате высотных ядерных взрывов (Яд) и зависят от места и мощности взрыва. Плотность потока электронов мо жет достигать Ю 19 см~2с”^, однако она быстро падает во времени.
|
|
|
|
Таблица I .1 |
||
Тип излучения |
Энергия эВ |
Годовая эксп.доза, |
Р |
|||
частиц |
на поверхности |
за |
защитой |
|||
|
||||||
|
|
|||||
|
Внутренний |
пояс |
|
|
|
|
Протоны |
Ю 3 - 7 10® |
до ю 10 |
|
Ю 4 |
||
Электроны |
2 Ю 4 - I Ю 6 |
до |
М 12 |
|
0 |
|
Тормозное |
2'104 - I Ю 6 |
до |
I05 |
Ю 3 - Ю 4 |
||
е |
- |
до |
I012 |
Ю 3 - Ю 4 |
||
|
Внешний |
пояс |
|
|
|
Электронное |
2 |
Ю 4 |
- |
5 |
ТО6 |
ю9 |
ю11 |
Тормозное |
2 |
Ю 4 |
- |
5 |
10® |
ю5 |
ю7 |
€ |
|
|
|
|
|
ю9 - ю11 |
|
|
|
|
Солнечное излучение |
||||
Протоны |
2-I07 |
- |
Ю 9 |
IQ3 |
- Ю 4 |
||
Электроны |
5 I04 |
|
|
|
Ю 5 - Ю 7 |
||
Тормозное |
5 Ю * |
|
|
|
10* |
|
|
е |
|
|
|
|
|
ю5 - ю7 |
|
|
|
|
|
Галактическое |
|
||
Протоны |
10® - |
Ю 9 |
|
|
10 |
Ю 3
юа - ю4
I02 - I04
1 О |
С |
М м |
|
|
о |
О |
|
10
10 - I02
10
Таким образом» элементы бортовых РЭС, расположенные вну три термоконтейнера, подвергаются за время активного существо вания космического аппарата на орбите 7 - 1 0 лет воздействию НИ с общей экспозиционной дозой IQ4 - 10® Р в то время, как аппаратура, расположенная на внешней поверхности, будет под вержена воздействию ИИ с дозой 10' - 10® Р.
1.2. Радиационные поля ядерных энергетических установок
Ядерные реакторы» применяемые в качестве силовых и энер гетических установок, подразделяются на три вида: реакторы на быстрых, тепловых и промежуточных нейтронах. Эти группы реак торов отличаются друг от друга.соотношением содержащихся в них тяжелых ядер топлива и легких ядер замедлителя.
В реакторах на быстрых нейтронах отсутствует замедлитель, поэтому спектр излучения характеризуется наличием большого числа быстрых нейтронов. В реакторах на тепловых нейтронах имеется замедлитель, в котором быстрые нейтроны замедляются до тепловых. Реакторы на промежуточных нейтронах занимают среднее положение между реакторами на быстрых и тепловых нейтронах.
Состав излучения дцерных реакторов очень сложен: мгновен ные и запаздывающие нейтроны деления, Х' -‘Излучение, испу скаемое при делении, f ' -излучение радиоактивных продуктов деления и материалов элементов конструкции, -излучение и рентгеновские лучи. При рассмотрении потоков ионизирующих излу чений, которые могут воздействовать на радиоэлектронную аппаратуру, обычно пренебрегают действием jb -излучения и рентге новских лучей, в связи с наименьшей глубиной их проникновения
вматериал.
Взависимости от места расположения РЭС на объекте с ядернсй установкой их можно подразделить на три категории;
1. Аппаратура, находящаяся в активной зоне реактора (дат
чики, термопары и т.д.).
2. Аппаратура, расположенная в реакторном отсеке (отдель ные блоки телевизионной и др. аппаратуры.
i. Аппаратура, размещенная в необитаемых и обитаемых от секах корабля, атомных подводных лодок, искусственных спутни ков Земли и т*д.
Плотности потоков нейтронов и мощности экспозиционных доз, которые могут воздействовать на аппаратуру, зависят от степени защищенности и расстояния от активной зоны до места размещения РЭС.
Примерные границы одинаковых уровней гамме- и нейтронных излучений в различных местах расположения РЭС приведены на рис. 1.1, 1.2 [ г ] . На этих рисунках сплошнш заполнением
обозначена зона реактора, двойной штриховкой - места располо жения защиты экранов, одинарной штриховкой - места возможного размещения РЭС, кривыми линиями и цифрами указаны разные уров ни излучений на различных расстояниях от ящерного реактора.
Рис. I.I. Примерные границы одинаковых уровней гамма- и нейтронных излучений на атомной подводной лодке типа "Наутилус":
I - плотность потока J 0 - К г ® 4 К г ° м ^ с 7-.., = Ю * 4 10® Р/с; 2,3,4,5,б - линии одина ковых уровней радиации на различных расстоя
ниях от реакторов
Рис. 1.2. Примерные границы одинаковых уровней гамма-
и нейтронных излучений на искусственном спут |
|||||
нике с ядерной энергетической установкой на |
|
||||
борту: |
тл |
то |
2 |
Т" |
|
г |
* |
||||
I - плотность потока |
Ф * 10 |
4 10 |
м с |
; |
|
Рг |
=• 10 4 10® Р/с; 2,3 - линии одинаковых |
|
|||
уровней радиации на различных расстояниях |
|
||||
от ящерного реактора |
|
|
|
|
- е -
На рис. 1.3 приведены плотности потоков нейтронов и мощности экспозиционных доз на различных расстояниях от неэкранированного ядерного генератора мощностью 30 кВт, установ ленного на космическом объекте .*
Рис. 1.3. Плотности потоков нейтронов и экспозиционных доз 'f ' -излучения, создаваемое ядерным реактором мощностью 30 кВт
При расчете уровней радиации, создаваемых радиоактивными источниками в различных средах и за различными преградами, необходимо учитывать эффекты поглощения и рассеяния -кван тов в веществе. Общая формула для расчета мощности экспозици онной дозы от точечного источника имеет вид
|
|
Р |
* ГА |
|
|
|
г |
|
|
-Где |
j u |
- линейный коэффициент поглощения |
у" -излучения |
|
|
|
в веществе; |
|
|
|
f t |
- фактор накопления рассеянных у " |
лучей. |
|
|
Полную экспозиционную дозу рассчитывают для всего срока |
|||
эксплуатации реактора |
(30-40 лет). |
|
Следует также обметить, что аппаратура, обеспечивающая нормальную работу реактора, подвержена.воздействию повышенной температур! и влажности. В совокупности с Ий эти фактор! оказы вают существенное влияние на процессы старения РЭС и входящих = их состав электрорадиоизделий и материалов.
1.3. Ионизирующие и электромагнитные излучения ядерного взрыва
1.3Л . Ионизирующие излучения
На образование ИИ уходит около 19? энергии, выделяемой при ядерном взрыве. Приблизительно одна третья часть этой энер
гии расходуется в виде мгновенного излучения. Спектрально-энер гетический состав образующихся излучений весьма сложен и зави сит от типа боеприпаса. На рис. 1.4 приведена диаграмма распре деления энергии между основными видами. ИИ.
Вследствие слабопроникающей способности бета- и альфачастицы практически не будут оказывать влияние на работу РЭС.
Гамма-излучение, образующееся в цепных реакциях деления и синтеза,принято называть .мгновенным гамма-излучением, гамма-
излучение, образованное в результате неупругого рассеяния и за хвата нейтронов окружающей среды - захватным, а гамма-излучение
радиоактивных ядер осколков деления - осколочным гамма-излуче нием.
Мгновенные гамма-кванты при распространении в атмосфере рассеиваются. В течение нескольких наносекунд с момента начала ЯВ мгновенные гамма-кванты достигают максимальной мощности до-
зы |
Pp* , длительность импульса ( |
) составляет обычно около |
10 |
но, затем рассеянные гамма-кванты формируют спад импульса |
10-20 нс с длинным "хвостом”, образованным также захватными и осколочными квантами. Таким образом, мгновенное гамма-излуче ние является основным фактором, определяющим мощность дозы гамма-импульса ЯВ Д / .
Нейтроны, освобождающиеся при ЯВ в процессе деления и син теза, распространяются в пространстве со скоростью, зависящей от их энергии. Нейтроны по энергии подразделяют на тепловые
(О - £п < 0,5 |
эВ), промежуточные и резонансные |
(0,5 эВ |
|
|
100 кэВ) и |
быстрые |
(100 кэВ -Е „ £ 20 МэВ). |
Быстрые |
нейтро |
ны. испускаемые |
при ЯВ, |
в результате, рассеяния |
на ядрах |
веще |
ства окружающей среды теряют свою энергию и превращаются снача
ла в |
промежуточные, |
а |
затем в тепловые. |
|
|
Скорость распространения нейтронов в пространстве зависит |
|||
от их |
энергии: |
|
|
^ |
|
Е л |
|
||
|
I МэВ |
1,4 |
Ю 7 м/с |
|
|
0,5 МэВ |
2,2 |
Ю 3 м/с . |
|
Время пролета |
"£ |
нейтронами некоторого расстояния S |
||
без учета влияния |
среды) |
|
(1,38 ЮА Е„//г Г ]
Все нейтроны, испускаемые в процессе синтеза, и свыше 90^ яейтоонов, испускаемых в процессе деления, освобождаются в мо мент начала взрыва через I мкс. Эти нейтроны называют мгновен ными, их максимальная плотность образуется за период 50...
...70 кс. Таким образом, ЯВ приводит к возникновению полей излучений, т.е. совокупности гамма-квантов и нейтронов в среде или в вакууме, характеризуемой распределением их в пространст
ве, во |
времени, по энергии и направлению движения. |
|
||||
для |
описания ш л е й излучений принято использовать |
следую |
||||
щие характеристики: |
|
|
|
|
|
|
- поле нейтронов: |
интегральный ш т о к нейтронов |
(мера фла>- |
||||
енса нейтронов) Ф„ , |
нейтр см”^, плотность потока |
н е й т р о н о в , |
||||
нейтр см“йс"А, энергетический |
спектр нейтронов Ж |
{ £ 0 |
), |
|||
Форма нейтронного импульса f n |
( i. |
); |
|
|