Jaké jsou dnes požadavky na počítače a elektroniku pracující v extrémních podmínkách, třeba na sondách a družicích? Jaký vliv má na elektroniku kosmické prostředí nebo jiné situace, kdy se ocitne bez ochranného deštníku? Co může v tomto případě způsobit chybovost a někdy i celkové selhání zařízení? Podívejme se na jednotlivé efekty, jejich vliv na moderní elektroniku a způsoby možné ochrany.
Ochranný deštník
Zemská atmosféra nás chrání proti mnoha nebezpečným vlivům přicházejícím z kosmického prostoru. Podobně jako ozonová vrstva zabraňuje většině ultrafialového záření v pronikání až k povrchu Země, zemská magnetosféra a ionosféra tvoří štít proti vysoce nabitým částicím z kosmu. Ty pocházejí jak z aktivity našeho Slunce, tak i z různých míst v okolním vesmíru, typicky například z pulzarů či výbuchů supernov.
My na Zemi jsme docela dobře chráněni a stejně tak i pozemská elektronika (pokud se ovšem zrovna nenalézá uvnitř jaderného reaktoru nebo synchrotronního urychlovače). Jinak je to ale samozřejmě s elektronikou v kosmu. Ať se již jedná o družici Země či o meziplanetární sondu, palubní součástky jsou běžně vystaveny proudům vysoce nabitých částic, protonů, iontů a elektronů. Dokonce i piloti běžných dopravních letadel s výškou letu kolem 10 km se občas setkávají se selháním přístrojů díky zvýšené kosmické radiaci.
Možná již máte zkušenost, co se stane třeba s obyčejnou RAM pamětí z vašeho PC při neodborné manipulaci a přeskočení statického náboje. Obvykle ji takto spolehlivě zničíte. Potom ale uvažte, že třeba molekuly vzduchu kolem vás mají energii kolem 0,025 eV, při teplotě milion stupňů by měly 100 eV a například částice v katodě vaší televize mají energii okolo 30 000 eV. Družice a sondy se ale pohybují v prostředí, kde je energie částic běžně přes 100 MeV (100 milionů eV).
Zdroje ohrožení
Kosmické prostředí v naší sluneční soustavě není statické. Hlavním regulátorem proudů vysoce nabitých částic je Slunce a stupeň jeho aktivity. V době maxima aktivity se zvyšuje stálý proud částic ze Slunce (sluneční vítr) a zvyšuje se počet slunečních erupcí, hlavní zdroj vysoce energetických částic. V minimu sluneční aktivity naopak sluneční erupce zcela ustávají. Díky slabšímu slunečnímu větru a nízké geomagnetické aktivitě se však u Země zvyšuje proud nabitých částic přicházejících z okolního vesmíru. Proto jsou úrovně všech níže uvedených zdrojů ovlivněny stupněm sluneční aktivity. Právě se blížíme do maxima činnosti (kolem roku 2002), a tak je nyní mimochodem dosti nevhodná doba pro vypouštění družic.
Hlavní zdroje energetických částic tedy jsou:
protony a elektrony zachycené v radiačních pásech Země (energie 10-100 MeV)
protony a těžké ionty kosmického záření (energie 10 MeV až 100 GeV)
protony a těžké ionty ze slunečních erupcí (energie do 1 GeV)
Defekty elektroniky
Energetické protony a těžké ionty při průletu skrze elektronický materiál pozbývají svoji energii procesem ionizace. Dojde-li k ní, vytvoří se uvnitř polovodičového substrátu dráha páru elektron-elektronová díra. Některé z dvojic se rekombinují a přebytečné díry se ukládají poblíž p-n přechodu, kde se hromadí. V případě radiačně neupravené součástky je zde až pětina těchto děr trvale zachycena. Díry potom mohou způsobit postupnou degradaci součástky nebo i proudové impulzy intenzitně závisející na jejich celkově uloženém množství.
Typy možných defektů kosmické elektroniky způsobené průnikem cizích částic lze rozdělit na:
poškození celkovou radiační dávkou
poškození jednotlivým průnikem (sem spadá slabý proudový impulz, řetězový proudový impulz, silný proudový impulz, destruktivní propálení)
poškození atomární struktury
šum přístroje
Poškození celkovou radiační dávkou
Radiační dávkou se nazývá přijmuté kumulativní množství částic jednotlivě málo energetických, ale z dlouhodobého hlediska významných vzhledem ke svému objemu. Hromadění elektronových děr u p-n přechodu nejprve způsobí snížení rychlosti součástky. Při dalším nahromadění dochází k posunu prahového napětí, a tudíž k nefunkčnosti prvku.
Později nastane i porušení izolační vrstvy mezi sousedními tranzistory a umožní se průchod parazitních proudů. Pokud součástka není trvale zničena a dojde k poklesu radiační dávky, elektronové díry se mohou během hodin až několika let vytratit díky tunelovému efektu.
Přijatá radiační dávka je závislá na absorpčním materiálu. Základní jednotkou je "rad" s udáním příslušného materiálu v závorce např. rad(Si) přičemž 1 rad = 0,00001 J na gram materiálu.
Běžné komerční součástky odolávají dávce asi do 10 krad(Si). Satelity a meziplanetární sondy jsou však obvykle vystaveny dávce výše od 100 krad(Si).
Slabý proudový impulz
Vniknutí vysoce energetického iontu indukuje krátký proudový impulz (kolem 1 ns) v p-n přechodu polovodiče. Pokud je intenzita tohoto impulzu vyšší nežli kritická hodnota, dojde ke změně jejího stavu přepnutí. V případě paměťového média se uložená informace touto operací nenávratně ztratí. Slabý proudový impulz zasaženou součástku nezničí a po opětovné inicializaci nebo přepsání dat ji lze uvést do původního stavu.
Při miniaturizaci elektronických součástek se značně zvyšuje jejich radiační citlivost. Dříve proudový impulz způsobovaly pouze těžké ionty, dnes stačí i energie zachycených protonů. Díky jejich počtu v radiačních pásech Země se zvýšila i četnost popisovaného poškození.
Řetězový proudový impulz
Jediná nabitá částice vyvolávající proudový impulz může u některých technologií jako SRAM nebo DRAM způsobit řetězový efekt. Zasažena je ne pouze jedna, ale několik buněk najednou. Tento jev je mnohem nebezpečnější než slabý proudový impulz, jelikož často interferuje s rozšířeným systémem detekce a korekce chyb (EDAC). Ten je užíván právě proti efektu slabého proudového impulzu.
Silný proudový impulz
Zasažení jedinou nabitou částicí může dokonce trvale poškodit elektronickou součástku. Přitom záleží na energii částice a radiační citlivosti součástky. Jestliže je dostatečný náboj přenesen například do substrátu p-n-p-n nebo n-p-n-p CMOS tranzistoru může dojít k narušení jeho normálně vysoké impedance, a tedy k jeho trvalému sepnutí. Obvyklá hloubka průniku nabité částice a depozice náboje je kolem 60 m.
Podobně u n-kanálového tranzistoru nahromaděním náboje v substrátu typu p může nastat lavinový proudový efekt vedoucí také k trvalé změně stavu tranzistoru. U technologie malých MOS tranzistorů se zase projevuje přerušení vývodu báze od těžkých iontů kosmického záření. Vznik silného proudového impulzu je na rozdíl od ostatních efektů velmi závislý na teplotě. Čím vyšší, tím četnější jsou proudové impulzy.
Destruktivní propálení
Ačkoliv tento druh chyby zatím nebyl u kosmické elektroniky prokazatelně zjištěn, občas k němu patrně dochází. Alespoň experimentálně byl při bombardování tranzistorů nabitými částicemi tento úkaz pozorován. Když totiž těžký iont projde vysokonapěťovým přechodem tranzistoru, je schopen zde vytvořit trvale vodivé propojení substrátu s vývodem jeho báze. Takový tranzistor je pochopitelně nefunkční.
Poškození atomární struktury
Vysoce nabité protony a těžké ionty mohou někdy i poškodit strukturu krystalové mřížky substrátu elektronických prvků. Taková změna ovlivňuje průchod proudu a snižuje celkové zesílení prvku vytvořením nových rekombinačních center. Typicky se toto poškození projevuje u slunečních článků, některých bipolárních tranzistorů a diod typu LED.
Šum přístroje
U některých kosmických přístrojů nedojde při radiačním zatížení k dočasnému ani trvalému poškození jednotlivých součástek, ale po čase se tato expozice projeví zvýšeným šumem. Jev je silně závislý na použité technologii a časovému průběhu intenzity radiačního prostředí. Nejčastěji se projevuje u slunečních nebo hvězdných senzorů, detektorů infračerveného záření a senzorů CCD.
Metody ochrany kosmické elektroniky
Nejnákladnějším, byť současně nejbezpečnějším způsobem radiační ochrany je hardwarová ochrana součástky. Příkladem může být výběr speciálních materiálů, vhodné řízení růstu krystalových substrátů, implementace ochranných obvodů a podobně. Použitím speciální epitaxní nebo silicon-on-insulator (epitaxní vrstva křemíku na vrstvě dielektrika) tranzistorové struktury se například zamezuje hromadění náboje v p-n přechodu. Současně se nikdy nejedná o nízkonapěťové součástky a prvky s příliš hustou integrací.
Následující metody ochrany nejsou přímo závislé na konkrétní elektronické součástce.
Datové a paměťové součástky
Nejjednodušším způsobem ochrany je "kontrola parity", při které vás jediná výstupní hodnota informuje o sudém či lichém počtu jednotlivých logických stavů v datové sadě. Tento způsob upozorní na výskyt chyby v sadě pouze v případě lichého počtu těchto chyb.
Druhou metodou je tzv. "Hammingův kód", při němž se vytvoří kontrolní součet z datové sady. V případě jediné chyby v sadě lze zjistit její polohu, a lze ji tudíž opravit. V případě výskytu více než jedné chyby v sadě získáte pouze jejich počet. Toto kódování se používá v systémech s nízkou pravděpodobností výskytu mnohonásobných chyb.
Další způsoby nabízí komfortnější detekci chyb. "Reed-Solomonovo kódování" je značně rozšířeno a umožňuje korekci vícenásobných chyb i po sobě jdoucích.
"Konvoluční kódování" vkládá kontrolní bity postupně přímo do datového řetězce, čímž nabízí dobrou ochranu proti izolovaným náhodným chybám, a používá se proto u komunikačních systémů.
V praxi se většinou různé metody kombinují, a tak lze vytvo-řit velmi robustní systém ochrany dat.
Řídicí součástky
Některé způsoby ochrany datových prvků mohou být využity i pro určité řídicí systémy. Případné chyby řídicích prvků jsou však mnohem kritičtější, protože jediný chybný příkaz může zapříčinit přerušení provozu celé sondy. Naneštěstí je dnešní hustě integrovaná elektronika už z této podstaty čím dál více náchylnější k chybám. Navíc například u procesorů existují určité části (typicky interní registry) skryté vnějšímu ovládání.
"Zálohování" některých hardwarových prvků poskytuje dobrý způsob obrany proti náhodným chybám. V případě selhání primárního prvku je sepnutí záložního obvodu většinou ovládáno automaticky přímo na sondě. Podobně pomocí dvou "identických" obvodů vykonávajících stejné instrukce a porovnáním jejich výstupů lze kontrolovat správnost prováděných operací. Zmíněné způsoby ovšem neposkytují ochranu v případě dlouhodobých misí a v případě vystavení stálým radiačním dávkám. Jednou z metod je potom "volba ze tří", což znamená tři identické obvody a porovnávání jejich výstupů. Skutečným výstupem je potom instrukce, která vychází stejná alespoň u dvou z těchto tří obvodů.
Testování a odolnost elektroniky
Testování radiační odolnosti se provádí pomocí urychlovačů pro vysoké energie se vzorkem ve vakuové komoře. Výsledkem testů je rozdělení součástek obvykle do 4 kategorií s různým stupněm vhodnosti pro kosmické použití. Následující řádky shrnují testování různých elektronických součástek. Jedná se o obecné výsledky pro běžnou komerční a mírně radiačně tolerantní elektroniku.
Paměti DRAM
Různé pracovní režimy nemají obvykle vliv na výsledky jejich odolnosti. Ani rozdíl mezi 3,3V a 5V technologií není velký. Protony nad 60 MeV způsobují nejčastěji chyby jednotlivých paměťových buněk a při vhodném úhlu dopadu chyby v adresování celých řádků nebo sloupců. Silný proudový impulz nebývá zaznamenán, slabý impulz způsobují těžké ionty.
Paměti SRAM
Zdají se méně odolné na chyby jednotlivých buněk nežli DRAM. Ty se projevují už od kontaktu s protony o energii nad 25 MeV. Ovšem chyby ve sloupcích a řádcích se naopak téměř neobjevují. Současně vykazují větší odolnost vůči těžkým iontům.
Paměti EPROM
Jsou celkem odolné vůči proudovým impulzům, zejména v okamžiku čtení a již méně během zapisování. Velmi odolné při bombardování protony. Ztráta funkčnosti se projeví až při několikanásobném zvýšení parazitního řídicího proudu. Pomocí resetu je lze většinou uvést zpět do normálního stavu.
Převodníky
Obecně velmi odolné vůči radiaci. Při velkých dávkách může poklesnout výstupní napětí.
Mikroprocesory a periferie
Procesory řady 80386 nejsou příliš odolné a projevují se u nich proudové propady a slabé proudové impulzy, které mohou způsobit zamrznutí procesoru nebo jeho samočinný reset. Testy prováděné na běžném procesoru 486DX2/66 ukázaly odolnost do dávky asi 25 krad. Řídicí napětí se přitom postupně zvyšuje téměř do dvojnásobné hodnoty z 370 mA na 650 mA. Podobně jsou na tom i koprocesory, timery a obvody periferního interface.
Výhledy do budoucna
Snižování nákladů na jednotlivé kosmické mise a miniaturizace elektroniky jsou zřejmě trvalé trendy. To ovšem ve své podstatě značně omezu-je odolnost běžných elektronických součástek při použití ve volném vesmíru. Proto zároveň se zmíněnými trendy porostou i požadavky na lepší popis radiačního prostředí a jeho vlivu na moderní elektroniku.
Budování dokonalejších modelů pro různé zdroje radiace umožní přesnější určení dávek v průběhu jednotlivých misí. Dokonalejší testování přímo v kosmickém prostředí zase dovolí implementovat již přesně odzkoušenou elektroniku na rozdíl od drahého vývoje nadbytečně odolných součástek. Takové vesmírné laboratoře jsou již v provozu jednou z nich je například LDEF (Long Duration Exposure Facility). Zde se testují nejenom elektronické prvky, ale i různé konstrukční materiály, plastické hmoty, keramika, lepidla, mazadla, ale i celé palubní systémy.
Přestože kosmická radiace bude asi navždy obtěžovat člověka při jeho pokusech o poznání okolního vesmíru, lze ji stejným poznáním snížit na bezpečnou úroveň.
Co způsobí jednotlivým součástkám
celková radiační dávka
MOS tranzistory – posun prahového napětí, snížení přepínací rychlosti
Bipolární tranzistory – snížení zesílení, zvýšení svodového proudu
Analogové mikroobvody – posun napětí a proudu
Digitální mikroobvody – snížení zisku, snížení přepínací rychlosti
Rezonanční krystaly – posun frekvence
Optické materiály – zvýšení absorpce
Důsledek poškození atomární struktury jednotlivých elektronických součástek
PN diody – zvýšení svodového proudu, změna propustného napětí
Bipolární tranzistory – snížení zesílení, snížení saturačního napětí
LED- snížení účinnosti
Fotodetektory – snížení citlivosti
Odolnost elektroniky
Rozlišujeme tři kategorie elektronických komponent podle jejich radiační odolnosti:
Komerční
Při jejich návrhu se nepočítá s žádnou radiační zátěží, a výrobce proto ani neudává radiační limity. Zákazník si případné expoziční testy provádí sám a přebírá plnou zodpovědnost za použití v kosmickém prostředí.
Radiačně tolerantní
Taková součástka má jistou radiační ochranu, výrobce garantuje její odolnost do určité hodnoty. Testováním se obvykle ověřuje jen obecná funkčnost prvku.
Radiačně odolné
Navržené do specifických radiačních podmínek s několika úrovněmi ochrany. Komplexní testování chování v radiačním prostředí.
Malý výkladový slovník
eV – elektronvolt, jednotka energie, užívaná zejména při popisu dějů probíhajících na částicové úrovni; 1 eV má 1,6021892 x 10-19 Joulu
LET – Linear Energy Transfer (lineárně přenesená energie) hodnota udávající energii, kterou nabitá částice uvolní na jednotkové dráze v zasaženém materiálu, její jednotky jsou MeV/cm2/mg; ve spojení s danou součástkou popisuje její funkční prahový limit k pohlcení energie nabité částice
rad(), krad() – jednotka radiační dávky, v závorce se udává příslušný materiál, 1 rad = 0,00001 J na gram materiálu; běžné komerční součástky odolávají dávce asi do 10 krad(Si), satelity a meziplanetární sondy jsou však obvykle vystaveny dávce výše od 100 krad(Si)
Zdroje informací na Internetu
http://crsp3.nrl.navy.mil/creme96
on-line výpočet radiačních dávek
http://www.stk.com
výpočty drah družic, kolizí apod., je možné stažení plně funkčního programu zdarma. Aplikace se jmenují Satellite Tool Kit 4.0
http://envnet.gsfc.nasa.gov
enviroNET: popisy a modely kosmického prostředí
http://www.spacerad.com
space Radiation Associates: komerční program pro výpočty radiace
