Материалы локальной радиационной защиты электронной компонентной базы малых космических аппаратов и способы их практического применения

В последние годы бурное развитие получило новое направление космического приборостроения, связанное с малыми космическими аппаратами (МКА), в том числе одного из вариантов МКА – наноспутников, так называемого стандарта «CubeSat». Одна из задач, стоящих перед разработчиками МКА, – обеспечение показателей эксплуатационной надежности и сроков активной эксплуатации в условиях повышенного уровня ионизирующих излучений (ИИ) космического пространства. Отметим основные проблемы, возникающие при решении данной задачи: применение электронной компонентной базы (ЭКБ) категорий commercial и industrial с низкими уровнями радиационной стойкости; слабая конструкционная защита МКА по сравнению с обычными КА; сложная радиационная обстановка на низких околоземных орбитах МКА.
В настоящей работе для решения данной проблемы предложен метод локальной радиационной защиты (ЛРЗ) ЭКБ МКА, рассмотрены материалы ЛРЗ, приведены результаты оценки их защитных свойств и способы практического применения.
Актуальность данного подхода подтверждена результатами, полученными NASA в рамках миссии ELaNaXIX МКА Shields-1 [1] и разработок компании ACT (Advanced Cooling Technologies Inc. USA) по созданию ЛРЗ на основе двухслойных полимерных композитов [2]. Они свидетельствуют о снижении общей ионизирующей дозы при применении защиты из пластин состава Al–Ti–Ta [1] и композита на основе полимеров с включениями оксида гадолиния и волокон графена [2], по сравнению со стандартными алюминиевыми конструкциями.
В рамках сотрудничества наших организаций разработаны, созданы и проведены испытания материалов ЛРЗ для ЭКБ КА следующих видов:
– композиты системы W – Me (Me – Сu, Bi, Ni) (Z-материалы) в виде защитных пластин;
– многослойные структуры содержащие слои легких (Al2O3; Al; NB4; CB) и тяжелых (W; Bi; Та) элементов в виде пластин;
– композиты систем полимер – W и полимер – W – NB в виде компаундов.
Расчетными и экспериментальными методами определена эффективность ЛРЗ на основе композитов систем W-Сu и полимер-W. В программном комплексе Geant4 выполнены расчеты коэффициентов ослабления потоков электронов (Ке) и протонов (Кр) для геостационарной орбиты (ГСО); высокоэллиптической орбиты (ВЭО) на высоте в апогее 40000 км и на высоте в перигее 600 км; средней круговой орбите (СКО) на высоте 4000 км. Эффективность определялась из соотношения поглощенных доз тестовыми ИМС без экрана и с экраном ЛРЗ. Для ИМС в стандартном металлокерамическом и специализированном (ЛРЗ на основе W-Сu, толщиной 1,2 мм) 100-выводных корпусах получены следующие результаты:
– значения Ке на орбитах ГСО и ВЭО при максимуме солнечной активности составляют 305,7 и 256,8 отн. ед., соответственно;
– значения Кр на орбитах СКО и ВЭО составляют 13,5 и 17,4 отн. ед., соответственно.
Аналогичные расчеты для ИМС в бескорпусном исполнении без ЛРЗ и с экранами ЛРЗ на основе композита полимер – 70 вес.% W (толщиной 3 мм) показали:
– значения Ке на ГСО и ВЭО при максимуме солнечной активности равны 1090 и 514 отн. ед., соответственно;
– значения Кр на СКО и ВЭО равны 19 и 25 отн. ед., соответственно.
Экспериментальные исследования эффективности ЛРЗ на основе пластин композитов W-Сu и компаундов полимер – 70 вес.%W проведены на ускорителе электронов ЭЛВ-8 с энергией Е = 2,4 МэВ. Эффективность ЛРЗ определена по сдвигу порогового напряжения тестовых ИМС (IN74AC04N). Установлено:
– основание 100-выводного специализированный корпуса с ЛРЗ ослабляет дозовую нагрузку при воздействии электронов по сравнению с основанием корпуса без ЛРЗ в 147 раз;
– применение ЛРЗ на основе компаунда полимер – 70 вес.% W позволяет снизить дозовую нагрузку на ИМС в 210 раз.
На основе опыта применения ЛРЗ для ЭКБ коммерческого назначения основные способы практической реализации можно представить следующим образом:
– экраны ЛРЗ в виде пластин, интегрированные в специализированные металлокерамические корпуса;
– экраны ЛРЗ в виде пластин, установленные на отдельных элементах ЭКБ печатных плат блоков МКА;
– экраны ЛРЗ в виде пластин, установленные на отдельных элементах ЭКБ многокристальных модулей (система в корпусе);
– экраны ЛРЗ в виде компаундов, установленные на отдельных элементах ЭКБ печатных плат блоков МКА, многокристальных модулей и т.д.