Космические лучи давно перестали быть объектом только академических исследований. Их происхождение, свойства, а главное, влияние буквально на всё, что происходит на планете Земля, всё чаще становится предметом пристального внимания прикладной науки.
Энергии частиц, входящих в состав космических лучей, достигают величин в сотни и тысячи миллиардов электрон-вольт. При взаимодействии с ядрами атомов газов, из которых состоит земная атмосфера, эти частицы, в основном, протоны, рождают настоящие «ливни» вторичных частиц, в состав которых входят протоны, мезоны, электроны и позитроны, гамма-кванты и нейтроны. Интенсивность таких нейтронов, называемых в литературе «атмосферными», на уровне моря и средних широтах сравнительно невелика и составляет около 20 нейтронов на квадратный сантиметр в час. Казалось бы, всё живое и неживое на Земле за миллионы лет должно было адаптироваться к атмосферно-космическому нейтронному фону. Оставив в стороне вопрос о влиянии таких нейтронов на биологические объекты, зададим вопрос – а как же современная техника, степень интеграции которой с компьютерами сегодня достигает рекордных значений? И вот тут, как оказалось, нас ожидает неприятный «сюрприз»: именно нейтроны из космоса с энергиями выше нескольких миллионов электрон-вольт (МэВ) представляют серьёзную угрозу для современной электроники. Вот почему в последние годы выделилось направление, которое связано с изучением так называемых «единичных эффектов» (в англоязычной литературе “single-event” effects), возникающих под действием «атмосферных» нейтронов в компонентах современной электронной аппаратуры, приводящих к сбоям и отказам и в силу этого представляющих большую опасность, прежде всего - для электронного оборудования авиационно-космического назначения. В чём же дело, каков ядерно-физический механизм «единичных эффектов»?
Основным материалом современной электроники является кремний. При взаимодействии нейтрона с энергией в несколько МэВ и выше с ядрами кремния помимо реакции рассеяния возможны реакции с вылетом заряженных частиц: протонов, альфа-частиц и т.д. Когда суммарный ионизационный эффект, создаваемый этими частицами в чувствительном объёме полупроводникового элемента, превысит критическую для данного элемента величину, происходит изменение его состояния (сбой, отказ и т.д.). Несмотря на то, что вероятность взаимодействия нейтрона с единичным элементом современной БИС (большой интегральной микросхемы) невелика, огромное число элементов в одной БИС (счёт идёт на миллионы) приводит к практически значимой вероятности нарушения функционирования всей БИС в целом. Накопленные к настоящему времени экспериментальные данные свидетельствуют о том, что под действием нейтронов даже очень похожие по своим параметрам БИС часто демонстрируют совершенно разную вероятность отказов. Другим выводом является то, что вероятность отказов возрастает с уменьшением типоразмеров элементов БИС и понижением их рабочих напряжений, что является общей тенденцией развития технологий производства в этой области.
Впервые на возможность появления сбоев в работе блоков памяти больших компьютеров, вызванных именно «атмосферными» нейтронами, физики и инженеры-электронщики обратили внимание ещё в 1979 году. Они же предположили, что данный механизм возникновения сбоев в работе электроники будет проявлять себя всё чаще в будущем. И уже в 1993 году, после анализа нарушений в работе бортовых авиационных компьютеров, было сделано однозначное заключение, что основной причиной являются «атмосферные» нейтроны. В это же время в Лос-Аламосе (США), на ускорителе с энергией протонов 800 МэВ, впервые была продемонстрирована возможность не только смоделировать энергетический спектр «атмосферных» нейтронов в области энергий 1 - 800 МэВ, но и проводить ускоренные в 100 000 раз нейтронные радиационные испытания электроники. Следует отметить, что до этого времени единственным методом ускоренных испытаний с использованием «атмосферных» нейтронов были натурные испытания на высокогорных станциях, где время экспозиции составляло нескольких месяцев и более. Теперь же оно не превышает несколько часов.
Сегодня «законодателями» в данной сфере являются американцы. Принятый ими в 2001 году стандарт испытаний JESD89 устанавливает в качестве эталона спектр «атмосферных» нейтронов в месте расположения Нью-Йорка, а в качестве наиболее предпочтительной испытательной установки – стенд на упомянутом выше ускорителе в Лос-Аламосе. Следует ли после этого удивляться, что именно там стремятся проводить испытания разработчики систем спутникового позиционирования (GPS) и основные мировые производители электроники авиационно-космического назначения. Поскольку спрос на пучковое время значительно превышал возможности стенда, в 2014 году американцы построили в Лос-Аламосе новый испытательный стенд, увеличив поток нейтронов в несколько раз. За последнее десятилетие аналогичные испытательные стенды были созданы в Канаде, Великобритании, Швеции, Японии и Китае. Следует сказать также о том, что данные проекты помимо научно-технического значения имеют серьёзный финансовый аспект. Немалые затраты на проведение испытаний меркнут по сравнению с астрономической стоимостью космических аппаратов, потерянных, например, из-за недостаточно проработанных вопросов радиационной стойкости ЭКБ (электронной компонентной базы) этих аппаратов.
А как обстоят дела в решении данной проблемы в России? Кому-то может показаться неожиданным, что ответ на этот вопрос является оптимистическим. И обусловлен такой оптимизм прежде всего тем, что в НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ есть практически всё, чтобы уже сегодня проводить регулярные радиационные испытания ЭКБ на «атмосферных» нейтронах. Собственно говоря, они уже ведутся около 10 лет, и их первые результаты были доложены на ежегодной российской конференции «Стойкость-2011» и международном семинаре по взаимодействию нейтронов с ядрами ISINN-19 в Дубне (2011). В 2012-2014 гг. на нейтронном времяпролётном спектрометре ГНЕЙС, действующем на базе протонного синхроциклотрона СЦ-1000, в коллаборации с филиалом ОАО «Объединённая ракетно-космическая корпорация» - Институт космического приборостроения (НИИ КП), РОСКОСМОС, был создан Испытательный Стенд к Нейтронным Потокам (ИСНП) для исследования радиационной стойкости электронной компонентной базы к естественным нейтронным потокам. Выбор спектрометра ГНЕЙС в качестве основы стенда обусловлен тем, что из действующих в настоящее время в РФ нейтронных источников только ГНЕЙС (пучок №5) имеет форму нейтронного спектра, максимально близко воспроизводящую форму спектра атмосферных нейтронов космического происхождения в интервале энергий нейтронов 1 – 1000 МэВ. Спектр именно такой формы рекомендован международными стандартами для проведения «ускоренных» испытаний ЭКБ электронного оборудования авиационного и космического применения. Такие испытания называются ускоренными, поскольку 1 час облучения ЭКБ на нейтронном пучке стенда ИСНП по интегральному потоку нейтронов эквивалентен облучению естественными нейтронными потоками на высоте 10-12 км в течение 125000 часов или 5700 лет – на уровне моря. В настоящее время испытания ЭКБ на стенде ИСНП проводятся в тестовом режиме. После включения таких испытаний в номенклатуру обязательных испытаний ЭКБ на радиационную стойкость к «атмосферным нейтронам», время работы СЦ-1000 увеличится до 1000 часов в год. Потенциал развития нейтронных радиационных испытаний на СЦ-1000 состоит в возможности создания ещё одного нейтронного стенда с интенсивностью потока нейтронов на порядок выше, чем на стенде ИСНП, и возможностью испытания не только отдельных изделий ЭКБ, но и крупноразмерных блоков электроники. Стоит отметить, что «атмосферные» нейтроны идеально подходят для изучения влияния на биологические объекты малых доз нейтронного излучения верхних слоёв атмосферы и космического пространства. Такие исследования в настоящее время очень важны для обеспечения безопасности долговременных полётов экипажей орбитальных космических станций и планируемых в будущем межпланетных перелётов. Изучение действия космических нейтронов на растительные и животные объекты в режимах in vivo и in vitro уже проводятся несколько лет за рубежом на аналогичных установках.
В последние несколько лет, помимо производителей электроники авиационно-космического назначения, интерес к ускоренным радиационным испытаниям на «атмосферных» нейтронах проявляют и производители ЭКБ вполне «земной» специализации. Речь идёт, прежде всего, о системах управления авто- и железнодорожным транспортом. Такой интерес вполне понятен: садясь в салон управляемого компьютером автомобиля, пассажиры должны быть уверены в абсолютной надёжности его системы управления, гарантированно защищённой от возможных сбоев, связанных с воздействием «атмосферных» нейтронов. Ещё более высокие гарантии надёжности должны иметь сложные электронные приборы медицинского назначения, например, кардиостимуляторы, от бесперебойной работы которых зависит жизнь человека. Поэтому уже сегодня ведущие производители специальной ЭКБ транспортного и медицинского назначения проводят радиационные испытания с использованием «атмосферных» нейтронов. Есть все основания предположить, что со временем номенклатура изделий ЭКБ, подлежащих таким испытаниям, будет постоянно увеличиваться. Поэтому создание и совершенствование испытательных стендов на «атмосферных» нейтронах является обязательным условием развития отечественной технологической базы производства радиационно-стойкой ЭКБ.
Щербаков Олег Алексеевич, Воробьев Александр Сергеевич,
Лаборатория радиационной физики Отделения перспективных разработок
