Как проверить воздействие радиации на электронику кубсата?

TL;DR: Медицинские ускорители не подходят.

В основном есть два эффекта излучения на электронику:

Сбои в одном событии (SEU)

Ячейки оперативной памяти обычно представляют собой небольшие конденсаторы (колпачки), которые заряжены или не заряжены, чтобы представлять собой 1или 0. Если ионизирующая частица пересекает диэлектрик между пластинами крышки, она образует канал из ионизированного и, следовательно, проводящего материала. Через него может разрядиться заряженный колпачок, и он 1станет 0. В результате рекомбинации канал снова становится изолятором в течение короткого периода времени. Таким образом, этот эффект обратим.

Это нелогично, но может помочь увеличение колпачка: колпачок удерживает больший заряд, который не будет полностью разряжаться, пока канал не «закроется».

(Кстати, это относится и к полевым транзисторам, но будем придерживаться памяти)

Более эффективным способом является использование нескольких ячеек для хранения одного бита. Например, вы используете три ячейки и сравниваете их содержимое и позволяете большинству победить. Таким образом, один разряженный колпачок не имеет значения.

Конечно, при некотором уровне радиационного потока вы все равно получаете SEU. Одновременное попадание нескольких частиц на чип может привести к разряду большего колпачка или двух из трех колпачков.

Чтобы проверить, невосприимчива ли часть электроники к SEU в космосе, она излучается максимальным потоком, возникающим в космосе, плюс некоторый запас.

Вырождение материала

Хотя SEU не оказывают постоянного влияния на электронику, излучение также оказывает дегенеративное или стареющее воздействие на полупроводники. Полупроводники сделаны, например, из чистого кремния, легированного следами других элементов, чтобы придать им уникальные свойства. Если радиация разбивает ядра кремния, она создает другие элементы, которые ведут себя иначе. Например, сенсорные элементы, выполненные в виде диодов, могут инвертировать легирование.

Контрмеры включают выбор специальных комбинаций материалов и специального легирования.

Поскольку это кумулятивный долгосрочный эффект, электроника должна подвергаться воздействию общей дозы, эквивалентной дозе, которая, как ожидается, будет получена в космосе за весь срок ее службы. Поскольку спутники могут оставаться в космосе в течение нескольких лет, но вы не хотите проводить радиационные испытания так долго, вам нужен источник излучения высокой интенсивности, который даст ожидаемую дозу в течение нескольких дней.

Тип излучения

Как уже упоминалось в комментарии, вы должны различать ЭМ (рентгеновское, гамма-излучение) и излучение частиц.

Люди думают, что гамма-излучение является самым опасным, потому что вам нужна очень толстая защита, а один человек теперь становится зеленым, когда расстраивается. Но это не так. Гамма-лучи не так сильно реагируют с материей, через которую они пролетают, поэтому вам нужно много материи, чтобы большая ее часть реагировала с ней. Таким образом, влияние гамма-лучей на электронику довольно мало, и, поскольку гамма-лучи не могут разрушить ядра, время от времени они будут вызывать только SEU, но не деградацию. Реакция рентгеновских лучей с веществом более вероятна и поэтому вызывает больше SEU, но также не приводит к вырождению вещества.

Электроны отдают свою энергию, ионизируя атомы вещества, через которое они проходят. Но они также не разрушают ядра, и плотность ионизированных атомов, оставленных на их пути, довольно мала. Итак, опять же, никакого долгосрочного эффекта, только SEU.

Протоны, альфа-частицы (ядра гелия) и ядра более тяжелых элементов оказывают очень сильное воздействие на материю, так как отдают большое количество энергии за счет ионизации на коротких расстояниях и могут разрушать ядра внутри электроники.

К сожалению, космическое излучение состоит примерно на 87 % из протонов, на 12 % из альфа-частиц и на 1 % из более тяжелых ионов и электронов.

Большое количество этого излучения находится в диапазоне энергий, аналогичном диапазону радиоактивных элементов, который обычно легко экранируется корпусом спутника. Но есть много высокоэнергетического излучения:

Свен Лафебр (собственная работа, после Swordy.) GFDL, CC-BY-SA-3.0 или CC BY-SA 2.5-2.0-1.0, через Wikimedia Commons

Единицу по оси Y немного сложно понять, но метки дают лучшее представление: Диаграмма начинается примерно с 1000 частиц на квадратный метр в секунду при$10^9$эВ (1000 МэВ), в то время как самая высокая энергия радиоактивного распада составляет около 10 МэВ.

Испытательные устройства / оборудование

Возвращаясь к вашим медицинским ускорителям, это в основном источники рентгеновского излучения. Как уже говорилось, это может вызвать некоторые SEU, но не старение. Вам нужен источник частиц! Даже если разобрать медицинский ускоритель и использовать ускоритель электронов внутри, вы все равно получите только электроны с энергией каких-то 10 МэВ.

В новых видах терапии рака используются ускорители протонов , альфа-частиц и более тяжелых ядер. В ссылке указаны протоны до 250МэВ, что не так много по сравнению со спектром в космосе. И хотя я не могу найти данные об интенсивности, скорее всего, она слишком низкая. Человеческая ткань гораздо более чувствительна к радиации, чем кремний, поэтому эти объекты будут иметь гораздо меньшую интенсивность, чем вам нужно, особенно для изучения эффектов деградации. Однако эти объекты довольно новые и очень большие по сравнению с вашими ускорителями, что делает их очень дорогими и совсем не обычными.

Если вы действительно хотите протестировать свою электронику, отправляйтесь в один из крупных научных ускорителей, таких как ЦЕРН, Институт Пауля Шеррера (PSI) или DESY в Европе или Fermilab и т. д. в США. Они обеспечивают несколько видов радиационных установок со всеми видами источников частиц в широком диапазоне энергий и интенсивности.

Например, вот веб- сайт PSI, где они предлагают установку для протонного облучения. Это проект PSI и ESA.

(Хорошо, это стало немного сложным...)