Радиационные эффекты

Механизмы возникновения

    В основе методов оценки и прогнозирования радиационной опасности на КА лежат исследования механизмов возникновения радиационных эффектов в твердом теле и биологических объектах, которые проводятся в лабораторных условиях на моделирующих установках ионизирующих излучений (ускорителях, радиоизотопных установках). Эти многолетние исследования позволили разработать модели и установить общие закономерности возникновения радиационных эффектов в конструкционных материалах и изделиях космической техники, а также в целом решить проблему радиационной безопасности космонавтов в пилотируемых космических полетах. Возникновение радиационных эффектов происходит в две стадии. На 1-ой быстро протекающей стадии (< ~ 1 нс) происходит передача кинетической энергии от налетающих частиц электронам и ядрам вещества. Выделяют образование эффектов двух типов: ионизационных эффектов и первичных структурных нарушений (смещенных атомов). На 2-ой стадии возбужденная система из электронов и атомов приходит в новое равновесное состояние. Процессы релаксации обоих подсистем взаимосвязаны, а время их протекания зависит от температуры, распределения электрических полей и других свойств вещества.

Линейная передача энергии (ЛПЭ)

    Величина ЛПЭ, L, количественно характеризует первопричину возникновения радиационных эффектов – передачу энергии от частицы веществу. Рассматривают ЛПЭ, идущие на образование ионизационных эффектов и структурных нарушений. В оценках радиационных эффектов, возникающих при воздействии заряженных частиц космического пространства, значения ЛПЭ приравнивают к удельным потерям энергии, dE/dx, – средней энергии, которую частица теряет на единице своего пути.

• ЛПЭ – основная физическая величина, которая количественно характеризует энергетический вклад одной частицы в образование радиационного эффекта,
• ЛПЭ, L – средняя энергия, которую вещество может получить от налетающей заряженной частицы на единице ее пути
• Единицы измерения ЛПЭ - МэВ/см или МэВ/(г/см²)

Потери энергии заряженных частиц

    Удельные потери энергии заряженных частиц dE/dx = (dE/dx)_e + (dE/dx)_n определяются в ядерной физики для столкновений частиц с электронами вещества (ионизационные потери, обозначаются индексом “е”) и с ядрами вещества (атомно-ядерные потери, обозначаются индексом “n”). Значения этих величин в зависимости от энергии заряженных частиц известна для многих веществ (Ziegler J. F., et al., 1995).

Для примера на рисунках приводятся значения (dE/dx)_e (сплошные кривые) и(dE/dx)_n (пунктирные кривые) в кремнии «Si», в зависимости от энергии протонов (ядер водорода «H») (красные кривые), ядер железа «Fe» (зеленые кривые) и электронов «e» (фиолетовые кривые). Учтено, что при больших энергиях протонов (>~30 МэВ) дополнительный вклад в их атомно-ядерные потери энергии дают ядерные реакции.
    Важно подчеркнуть, что для высокоэнергичных заряженных частиц, которые присутствуют в космическом пространстве, (dE/dx)_e >> (dE/dx)_n.

Классификация

• Эффекты поглощенной дозы проявляются в результате суммирования энергии, которую множество частиц передает чувствительному объему вещества
• Случайные одиночные эффекты возникают при передаче энергии от одной частицы чувствительному объему вещества

    Современная классификация радиационных эффектов учитывает, что попадание частиц из общего потока корпускулярной радиации в чувствительный объем (объем, который определяет функциональные свойства материала или прибора) облучаемого объекта происходит дискретно. Случайные одиночные эффекты (ОСЭ) возникают в объектах, содержащих чувствительные объемы микронных размеров, и в настоящее время проявляются при воздействии высокоэнергичных космических излучений на современные типы твердотельных электронных приборов (микросхем, ПЗС, оптроны и т.п).

Поглощенная доза

    Поглощенная доза D является количественной мерой величины радиационного эффекта, если он возникает в результате попадания множества частиц в чувствительный объем вещества. Поглощенная доза является интегральным показателем, характеризующим изменение свойства материала или прибора, которое произошло за время полета КА со времени его старта.

По определению: Поглощенная доза D − энергия, переданная от излучения элементарному объему вещества единичной массы

D = ΔE/Δm [Дж/кг или Грей (100  рад)]

При воздействии потока частиц Ф[1/см²] с энергией E₀ = const

При воздействии потока частиц Ф_i(E)[1/(см² МэВ)] разного типа и разной энергии

где − спектр ЛПЭ потока всех частиц.

    Величина поглощенной дозы учитывает полную энергию, переданную от частицы как электронам, так и ядрам элементарного объема. Однако, если радиационный эффект объясняется либо ионизацией, либо структурными нарушениями, то в расчетах используют значения удельных потерь энергии, соответственно, либо в электронных, либо в ядерных столкновениях. В этих случаях говорят оионизационной или неионизационной дозе (в зарубежной литературе “total ionizing dose (TID)” и “non ionizing elastic loss (NIEL)” ).

Пример эффекта ионизационной дозы

Смещение порога вольт-амперной характеристики в n-канальном транзисторе металл-окисел-полупроводник

    Неравновесные носители заряда, возникающие в процессе облучения МОП-структуры, изменяют существующие заряды в объеме окисла и на границе окисел-полупроводник. Первый эффект ведет к уменьшению (зеленая кривая), а второй, начиная с некоторого значения ионизационной дозы, - к увеличению (синяя кривая) порогового напряжения n-канального МОП-транзистора. В результате конкуренция двух эффектов объясняет немонотонную зависимость порогового напряжения n-канального МОП-транзистора от ионизационной дозы (красная кривая).

Пример эффекта неионизационной дозы

Уменьшение тока короткого замыкания солнечных элементов (Walters, et.al., 2004)

   Фототок I, генерируемый солнечными элементами, зависит от времени жизни неосновных носителей заряда в базовом полупроводниковом материале (кремний, арсенид галлия) элемента. При воздействии высокоэнергетичных излучений он уменьшается из-за уменьшения времени жизни неосновных носителей, что объясняется образованием структурных нарушений (радиационных дефектов).
    Действительно, это уменьшение (и, следовательно, накопление радиационных дефектов) хорошо коррелирует с увеличением неионизационной дозы D_n независимо от вида воздействующего излучения (электроны, протоны) и его энергии.

Эквивалентная доза

    Расчет поглощенной дозы предполагает, что выделенная энергия от множества частиц равномерно распределяется в элементарном объеме. Только в этом случае поглощенную дозу можно считать количественной мерой радиационного эффекта независимо от энергии и типа излучения.
    Это условие не выполняется при воздействии протонов и тяжелых заряженных частиц, когда выделенная энергия сосредоточена локально в треках этих частиц. В этом случае использование значения поглощенной дозы для оценки радиационного эффекта требует уточнения.

    Так в радиобиологии (и в радиационной безопасности пилотируемых полетов) для этих целей вводится коэффициент качества w(L) излучения, который зависит от линейной передачи энергии (ЛПЭ) частицы, количественно характеризующей энергетический вклад одной частицы в образование радиационного эффекта, но не учитывающей размер трека частицы и, следовательно, плотность распределения переданной энергии в этом треке.
    Количественной мерой радиационного эффекта в радиобиологии принято использовать величину эквивалентной дозы.

H [Зиверт (100 бэр)] = ∫w(L)·L·Ф(L)dL

Одиночные случайные эффекты

    Одиночные случайные эффекты (ОСЭ) возникают из-за нарушения свойств чувствительного объема при прохождении в нем одной частицы. Они возникают при облучении ионами (тяжелыми заряженными частицами) чувствительных объемов микронных размеров. Например, в современных приборах микроэлектроники ОСЭ возникают из-за образования неравновесных носителей заряда в результате ионизации.
    Условие возникновения: энергия ∆E, переданная частицей чувствительному объему, должна быть выше пороговой величины E_c, характеризующей функциональное свойство этого объема.

На слайде представлены два механизма возникновения ОСЭ при воздействии частиц космической радиации: непосредственно от ионов, входящих в состав космических лучей (прямой механизм), и от вторичных ионов, создаваемых в результате ядерных столкновений протонов космической радиации с ядрами вещества (ядерный механизм).

    ОСЭ является стохастическим явлением и вероятность его возникновения характеризуется, так называемым, сечением ОСЭ. В общем случае эта величина σ_i(E,θ) зависит от сорта частиц, их энергии и направления движения ионов в чувствительном объеме.
    Модели прямого механизма возникновения ОСЭ рассматривают сечение ОСЭ σ_i(L,θ) в зависимости от ЛПЭ ионов независимо от их сорта, что позволяет иметь одну зависимость сечения ОСЭ (вместо многих) для оценки частоты сбоев от потоков ионов космических лучей, включающих ионы разного сорта.
    Важно отметить, что в отличие от поглощенной дозы, частота ОСЭ характеризует свойство материала или прибора в определенный момент времени, синхронизированный с воздействующим потоком частиц. Однако частота ОСЭ рассчитывается и для продолжительного интервала времени, но тогда для ее расчета используется усредненная в этом интервале плотность потока частиц.
    Количественной мерой возникновения ОСЭ при воздействии потока частиц является частота ОСЭ.

При воздействии плотности потока частиц F (1/см²с) с энергией E₀ = const и углом падения
θ₀ = const

ν = σ(E₀,θ₀)·F

При воздействии плотности изотропного потока частиц F_i(E) (1/см²сМэВ) разного типа и разной энергии

ν = ∑_i ∫∫∫σ_i(E,Ω)F_i(E)dEdΩ

или используя модельные представления для прямого механизма возникновения ОСЭ

ν = ∫∫∫σ_ion(L,Ω)F_i(L)dLdΩ

где F(L)- дифференциальный спектр ЛПЭ плотности потока частиц

    Для определения абсолютных значений сечений ОСЭ и вида зависимостей σ_p(E) и σ_ion(L) используют ускорители протонов и тяжелых ионов.
    Значения сечения ОСЭ σ_ion(L) от ТЗЧ возрастают с увеличением ЛПЭ от некоторого порогового значения L_c и стремятся к постоянному значению σ_sat, которое зависит от размеров чувствительного объема микрообъекта. Похожее возрастание значений сечения ОСЭ σ_p(E) наблюдается в зависимости от энергии протонов, однако в этом случае пороговое значение E_c зависит от эффективного порога ядерных реакций, а величина σ_sat – не только от размеров чувствительного объема, но и от сечения образования остаточных ядер в веществе микрообъекта.
    В настоящее время такие зависимости получены для многих микросхем памяти, которые использовались и используются в аппаратуре КА, так как являются наиболее чувствительным компонентом современной электроники в части возникновения ОСЭ.

Примеры сечения ОСЭ у микросхем памяти при нормальном угле падения в зависимости от эффективной ЛПЭ (левый рисунок) и энергии протонов (правый рисунок).

Выводы

• В настоящее время изучено влияние радиационных эффектов на свойства многих материалов и изделий космической техники.
• Радиационных эффекты в изделиях космической техники подразделяются на эффекты поглощенной дозы (ЭПД) и одиночные случайные эффекты (ОСЭ).
  • Количественной мерой радиационной опасности от ЭПД служит расчетная величина поглощенной дозы (ионизационной и неионизационной).
  • Количественной мерой радиационной опасности от ОСЭ служит расчетная частота одиночных случайных эффектов.
• Радиационная опасность для изделий космической техники на борту КА, зависит от:
  • индивидуальных особенностей материала и прибора, которые характеризуются величиной линейной передачи энергии или сечением одиночных случайных эффектов и отражают их радиационную стойкость (чувствительность),
  • воздействующего радиационного окружения, которое характеризуется дифференциальными энергетическими спектрами потока Ф(Е) или плотности потока F(E) частиц и отражают радиационные условия на КА.

    Для определения радиационных условий на КА приходится учитывать разнообразные радиационные поля, которые в космическом пространстве формируются разными источниками и включают потоки заряженных частиц разного сорта с разными энергетическими спектрами.
    Более того вид этих спектров и потоки частиц меняются в зависимости от траектории полета КА и могут изменяться во время полета КА. Все эти изменения оказывают существенное влияние на уровень радиационной опасности, который следует учитывать для обеспечения работоспособности оборудования КА.
    Следующий раздел будет посвящен обсуждению общих закономерностей изменения радиационных условий и характеристик радиационной опасности в космическом пространстве и на орбитах полета КА.