Устройство для радиационного облучения и испытания надежности объектов авиакосмического назначения к воздействию потоков нейтронов с использованием синхроциклотрона Российский патент 2021 года по МПК H05H7/10 

Изобретение относится к ускорительной технике и технике для генерации потоков нейтронов. Предлагаемое устройство предназначено для испытания надежности электронной компонентной базы (далее ЭКБ) и конструктивных элементов (далее КЭ) авиакосмического назначения (далее ΑΚΗ), а также биообъектов, находящихся и работающих в потоках атмосферного и космического нейтронного радиационного излучения с использованием ускорителя заряженных частиц типа синхроциклотрон (далее СЦ).

Введение в проблему. Известно отрицательное воздействие нейтронных потоков атмосферно-космического излучения на ЭКБ и КЭ ΑΚΗ (J.F. Ziegler, Lars, et al. « Effect of Cosmic Rays on Computer Memories», Science, 206, 776, 1979) [1], (J. Kohler, B. Ehresman, C. Zeitlin. «Measurement of the neutron Spectrum in transit to Mars on the Mars Science Laboratory», Life Sciences in Space Research 5 (2015) 6-12) [2]. Испытанием их надежности при эксплуатации занимаются во всех ведущих странах мира (Норматив IEC, TS: IEC Technical Specification TS 62396-1, (Process Managem-ent for Avionics - Atmospherio Radiation Effects). May 2006 Available: http//www.iec.ch) [3], в том числе и в РФ (Н.К. Абросимов, Л.А. Вайшнене, А.С. Воробьев и др. «Создание и экспериментальное исследование пучка нейтронов на синхроциклотроне ПИЯФ для тестирования компонентов электроники на радиационную стойкость». Приборы и техника эксперимента, N4, 2010, c.5-12) [4].

Известно, что в США (Definition of Capabilities Needed for Single Event Effect Test//Final Report DOT/FAA/TC-15-16, May 2015, U.S. Departament of Transportation, Federal Aviation Administration) [5], в Англии (Carlo Cazzaniga and Christopher D. Frost. «Progress of the Scientific Commissioning of a fast neutron beamline for Chip Irradiation». IOP Conf. Series:Jonurnal of Physics: Conf. Series 102(2018) 012038) [6] и КНР (Weijun Ni, Hantao Jing, Liying Zhang, Li Ou. "Possible atmospheric-like neutron beams CSNS (China Spallation Neutron Source)". Radiation Physics and chemisty. 152 (2018), 43-48) [7] для испытаний надежности объектов ΑΚΗ на нейтронных пучках создаются новые устройства и испытательные центры, для создания которых требуются большие энергетические и капитальные затраты, обеспечение радиационной безопасности, а также решение физико-технических проблем для создания нейтронного пучка (далее n-пучка) с определенными параметрами. Эти трудности обусловлены особенностью нейтронного излучения космического пространства, обладающего очень широким энергетическим диапазоном от нулевых энергий до ≥1000 МэВ и имеющего определенный энергетический спектр. За «эталон» принят естественный спектр нейтронов над Нью-Йорком на высоте уровня моря (JEDEC Joint Electronic Device Engineering Council). Standart Measurements and Reporting of Alpha Particlis and Terrestrial Cosmik Ray-Jnduced Soft Errors in Semiconducter Devices, JESD 89A, Oct. 2006. Available: http://www.jedec.org) [8]. Соответственно, для предлагаемого устройства требуется искусственный источник нейтронов такого же энергетического спектра. Так как энергетический спектр нейтронов простирается до энергии ≥1000 МэВ, то единственными генераторами таких нейтронов являются ускорители заряженных частиц на большие энергии. В частности, в России это синхроциклотрон СЦ-1000 на энергию 1000 МэВ в ПИЯФ, Гатчина (Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев. «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики». Гатчина, 2012) [9]. В связи с важностью проблемы разработаны международные стандарты JESD89A [8] и IEC TS [3] для таких устройств.

В качестве устройства-аналога выбрано (P.W. Lisowski et al. Nucl. Sci. and. End 106. 208, 1990) [10]. Это одно из ведущих и эффективно работающих устройств для радиационного облучения и испытаний надежности ЭКБ ΑΚΗ к воздействию нейтронов, созданное в Лос-Аламосской национальной лаборатории на базе установки LANSCE WNR, США.

Устройство-аналог состоит из источника ускоренных протонов на энергию 800 МэВ, в качестве которого использован линейный ускоритель LAMPF, и из нейтронообразующей мишени, spallation target, (далее n-мишени) из вольфрама, находящейся в радиационно-защитном бункере из железобетона, который расположен на расстоянии 100 м от ускорителя. Устройство-аналог содержит испытательный стенд, расположенный на расстоянии 14 м от бункера. В испытательном стенде находятся испытываемые образцы ЭКБ ΑΚΗ и аппаратура контроля за параметрами n-пучка и состоянием испытываемых образцов.

Устройство-аналог работает следующим образом. Ускоренный протонный пучок (далее p-пучок) с энергией 800 МэВ направляется на n-мишень, находящуюся в бункере. В результате взаимодействия протонов с веществом мишени (вольфрам) образуется поток нейтронов. Часть из этого потока проходит через окно-коллиматор, находящееся в стене бункера, и достигает испытательного стенда с расположенной на нем облучаемой нейтронами ЭКБ ΑΚΗ. Информация о параметрах испытаний и о параметрах n-пучка передается по линиям связи на пульт управления работой устройства.

Недостатком устройства-аналога является неэффективное использование сложного и дорогостоящего линейного ускорителя, что приводит к удорожанию стоимости проведения испытаний, и из-за низкой энергии спектра нейтронного пучка 800 МэВ, тогда как энергия космических нейтронов достигает 1000 МэВ и выше.

В качестве устройства-прототипа выбрано устройство для радиационного облучения и испытания надежности ЭКБ ΑΚΗ к воздействию нейтронов (А.С. Воробьев, Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев и др. Патент на изобретение №2668997 «Устройство для радиационного облучения и испытаний надежности электроники авиа-космического назначения к воздействию нейтронов с использованием ускорителя заряженных частиц», 2017) [11]. Устройств-прототип входит в пятерку эффективно работающих аналогичных устройств в мире (Е. Ivanov, О. Shcherbakov, A. Vorobyev et all. «Proton and neutron test facilities at 1 GeV Synchrocyclotron of PNPI for radiation resistance testing of avionic and space electronics». II International Conference «Nuclear data for science and Technology», September 11-16, 2016, Bruges, Belgium) [12].

Устройство-прототип состоит из ускорителя заряженных частиц, синхроциклотрона, на энергию протонов 1000 МэВ [9] и n-мишени из свинца, размещенной внутри ускорительной камеры СЦ. В устройство-прототип входит радиотехнический блок импульсного дефлектора [9], который используется для заброса ускоренных до энергии 1000 МэВ протонов на n-мишень. В устройство-прототип также входят нейтроновод для транспортировки нейтронов на расстояние 36 м от n-мишени за пределы корпуса СЦ к испытательному стенду, где расположена облучаемая нейтронами ЭКБ ΑΚΗ и аппаратура контроля.

Устройство-прототип работает следующим образом. СЦ переводится в импульсный режим работы, при котором ускоряемые в СЦ протоны при достижении энергии 1000 МэВ направляются на n-мишень при помощи импульсного дефлектора. В результате взаимодействия протонов со свинцовой мишенью образуется поток нейтронов 3⋅10¹⁴н⋅с^-1 в угле 4π широкого энергетического спектра. Часть этого потока попадает в нейтроновод и выводится через стену радиационной защиты в отдельное помещение, где расположен испытательный стенд и происходит облучение нейтронами образцов ЭКБ ΑΚΗ. Испытательный стенд оборудован необходимой аппаратурой для измерения параметров нейтронного пучка и контроля за параметрами испытываемых образцов ЭКБ ΑΚΗ.

В общем виде прототип является автоматизированным устройством для радиационного облучения и испытаний надежности электроники авиа-космического назначения к воздействию нейтронов с энергетическим спектром, близким к естественному.

Основные недостатки устройства-прототипа:

- Интенсивность потока нейтронов с энергиями 1-1000 МэВ в месте размещения облучаемых образцов ЭКБ ΑΚΗ в устройстве-прототипе составляет 4⋅10⁵ н⋅с^-1, что в 10 раз меньше, чем на других аналогичных устройствах в мире [6, 7]. Это увеличивает время набора необходимой величины флюэнса нейтронов и повышает стоимость тестирования.

- Поперечное сечение нейтронного пучка в месте размещения облучаемых образцов составляет ≤6 см, что ограничивает размеры облучаемых образцов.

- Оборудование СЦ и аппаратура, находящаяся в зале СЦ, не защищены от рассеянного нейтронного излучения из n-мишени.

Из вышеперечисленного можно сделать вывод о неэффективном использовании СЦ в устройстве-прототипе для радиационного облучения и испытания надежности объектов авиакосмического назначения к воздействию потоков нейтронов из-за не реализации его потенциальных возможностей увеличения интенсивности нейтронного пучка.

Задача изобретения - создание устройства для радиационного облучения объектов авиакосмического назначения к воздействию нейтронов, которое по сравнению с прототипом сокращает время набора необходимой величины флюэнса нейтронов и имеет возможность увеличения поперечного сечения нейтронного пучка в месте размещения облучаемого испытываемого объекта

Технический эффект заключается в реализации поставленной задачи для создания наиболее эффективного устройства для радиационного облучения нейтронами и испытаний надежности объектов авиакосмического назначения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для радиационного облучения и испытания надежности объектов авиакосмического назначения к воздействию нейтронов с использованием синхроциклотрона с его составными частями: системой вывода протонов из камеры, электромагнитным трактом транспортировки протонов и поворотным электромагнитом, содержащее нейтронообразующую мишень, коллиматор нейтронного пучка, испытательный стенд с объектами авиакосмического назначения, пульт управления устройством и компьютер, новым является то, что нейтронообразующая мишень и коллиматор нейтронного пучка расположены в проеме круговой стены радиационной защиты синхроциклотрона, заполненного поглотителем рассеянных нейтронов, причем нейтронообразующая мишень выполнена из вещества с большой плотностью в виде цилиндрического стержня, длина которого равна средней величине свободного пробега протона в веществе мишени при энергии налетающего протона 1000 МэВ, а диаметр стержня равен диаметру протонного пучка, и мишень запрессована в металлический блок, охлаждаемый водой, а коллиматор нейтронного пучка выполнен из металла в виде прямоугольного блока с максимально возможными размерами, определяемыми размерами проема в стене радиационной защиты, и имеющего коническое отверстие для нейтронного пучка и дополнительные конические вставки для изменения диаметров входного и выходного отверстий коллиматора, причем ось коллиматора повернута к оси нейтронообразующей мишени на угол ϕ, величина которого зависит от плотности нейтронообразующей мишени и регулируется за счет поворота коллиматора, а испытательный стенд с объектами авиакосмического назначения выполнен подвижным вдоль оси нейтронного пучка относительно коллиматора за счет введенного рельсового пути, и пульт управления устройством связан с введенным блоком управления системой вывода протонного пучка из ускорительной камеры синхроциклотрона.

Сущность предлагаемого устройства поясняется Фиг. 1а, 1б, 1в, 1г, где приведены схемы устройства.

На Фиг. 1а изображено:

1. Синхроциклотрон (СЦ).

2. Круговая стена радиационной защиты СЦ 1.

3. Зал синхроциклотрона 1.

4. Система вывода протонов из ускорительной камеры СЦ 1.

5. Блок управления системой вывода 4.

6. Электромагнитный тракт транспортировки выведенных из СЦ 1 протонов к «разводящему» электромагниту 7.

7. «Разводящий» электромагнит, изменяющий направление выведенного протонного пучка (р-пучка).

8. Нейтронообразующая мишень (n-мишень).

9. Коллиматор нейтронного пучка с изменяемой апертурой.

10. Проем в круговой стене радиационной защиты 2.

11. Испытательный стенд для облучения нейтронами ЭКБ и КЭ ΑΚΗ. 11.1. Рельсовый путь.

12. Облучаемый образец ЭКБ или КЭ ΑΚΗ.

13. Экспериментальный зал.

14. Стена радиационной защиты экспериментального зала 13.

15. Пульт управления работой устройства.

16. Компьютер.

17. Пульт управления работой СЦ 1.

18. Орбита р-пучка с энергией 1000 МэВ.

19. Мишень спектрометра ГНЕЙС.

20. Направление n-пучка спектрометра ГНЕЙС.

21. Измерительный стенд спектрометра ГНЕЙС.

L13 - Ширина экспериментального зала 13.

Т2 - Толщина круговой стены радиационной защиты СЦ.

Т14 - Толщина стены радиационной защиты 14.

На Фиг. 16 изображен проем в круговой стене 2 радиационной защиты СЦ с находящимся в нем оборудованием, где:

2. Круговая стена радиационной защиты СЦ 1.

8. Нейтронообразующая мишень (n-мишень).

8.1. Блок охлаждения n-мишени, например из А1.

9. Коллиматор нейтронного пучка с изменяемой апертурой.

10. Проем в круговой стене радиационной защиты 2, заполненный брикетами из поглотителя нейтронов.

11. Испытательный стенд для облучения нейтронами ЭКБ и КЭ ΑΚΗ.

11.1. Рельсовый путь для перемещения испытательного стенда 11.

12. Облучаемый образец ЭКБ или КЭ ΑΚΗ.

n - направление оси n-пучка

ϕ - угол между осями коллиматора 9 и n-мишени 8.

Δϕ - угол регулировки для угла ϕ.

S - расстояние между коллиматором 9 и облучаемым образцом 12.

На Фиг. 1в изображена схема нейтронообразующей мишени (n-мишени), охлаждаемая водой.

8. Нейтронообразующая мишень (n-мишень).

8.1. Блок охлаждения n-мишени 8, например, из алюминия (Al), охлаждаемый водой (H₂O).

а - расстояние оси n-мишени от основания

b - высота блока охлаждения n-мишени

с - ширина блока охлаждения n-мишени

L - длина стержня n-мишени, размер блока охлаждения

d - диаметр стержня n-мишени

На Фиг. 1г изображена схема коллиматора n-пучка с изменяемой апертурой.

9. Коллиматор n-пучка из стали,

9.1. Набор конических вставок,

ϕ - направление поворота коллиматора,

d₁ - диаметр входного отверстия,

d₂ - диаметр выходного отверстия,

g - высота и ширина коллиматора 9,

h - размер коллиматора 9 по оси n-пучка,

а - расстояние от оси отверстия в коллиматоре 9 до его основания,

е - вертикальный размер коллиматора 9.

Рассмотрим конструкцию и работу предлагаемого устройства Фиг. 1а,б,в,г на примере использования в качестве его составной части синхроциклотрона типа СЦ-1000 [9]: диаметр полюсов 6 м, масса 8000 т, потребляемая мощность 1 МВт, диаметр зала 3-30 м, толщина круговой стены радиационной защиты Т2=8 м, Т14=6 м. Частота ускорения протонов 28÷3 МГц, напряжение на дуанте 10 кВ, интенсивность протонного пучка 1,8⋅10¹³ протон/с. Синхроциклотрон 1 окружен круговой стеной 2 радиационной защиты, образующей зал 3. Устройство Фиг. 1а состоит из системы вывода 4 протонов из ускорительной камеры СЦ 1 и из блока управления 5 работой системы вывода 4, а также из электромагнитного тракта 6 для транспортировки выведенных из СЦ 1 протонов к «разводящему» электромагниту 7. Устройство включает в себя нейтронообразующую мишень (n-мишень) 8 и коллиматор нейтронного пучка с изменяемой апертурой 9, которые оба расположены в проеме 10 стены 2 радиологической защиты.

В устройство также входит испытательный стенд 11 с образцами ЭКБ или КЭ ΑΚΗ 12. Стенд 11 расположен в экспериментальном зале 13, который также окружен стеной радиационной защиты 14. Структура и функциональное назначение стенда 11 аналогичны стенду [11]. Испытательный стенд 11 состоит из блоков аппаратуры для измерения параметров n-пучка. В стенд 11 входят также блоки питания и тестирования облучаемых образцов ЭКБ или КЭ ΑΚΗ 12. Расстояние S между коллиматором 9 и стендом 11 можно менять в пределах экспериментального зала 13.

В устройство входит пульт управления устройством 15 и компьютер 16 для управления работой всего предлагаемого устройства. Пульт 15 связан с испытательным стендом 11, с блоком управления системой вывода 5, с компьютером 16, и также связан с пультом 17 для управления режимами работы СЦ 1.

На Фиг. 1б показан проем 10 в круговой стене радиационной защиты 2 и находящиеся в проеме 10 n-мишень 8 и коллиматор 9. Ось коллиматора 9 повернута относительно оси n-мишени 8 на угол ϕ, который можно менять в пределах ±Δϕ за счет поворота коллиматора 9. Расстояние между n-мишенью 8 и коллиматором 9 минимально возможное. Свободное пространство проема 10 заполнено поглотителем рассеянных нейтронов, например - брикетами из полиэтилена, для снижения нейтронного радиационного фона в залах 3, 13.

На Фиг. 1б показан также испытательный стенд 11 с находящимися на нем образцами ЭКБ или КЭ ΑΚΗ 12 для облучения их нейтронами. Расстояние S между коллиматором 9 и облучаемым образцом 12 можно изменять в пределах экспериментального зала за счет передвижения стенда 11 вдоль оси n-пучка по рельсовому пути 11.1.

На Фиг. 1в изображена конструкция нейтронообразующей мишени 8, n-мишень выполнена из вещества большой плотности (свинец Pb, вольфрам W, уран U) в виде цилиндра диаметром d и длиной L. Диаметр n-мишени d соответствует диаметру р-пучка, направленного на n-мишень после его отклонения разводящим электромагнитом 7. Длина n-мишени L равна пробегу протона с энергией 1000 МэВ в веществе мишени. Для обеспечения теплосъема n-мишень 8 запрессована в блок охлаждения 8-1, например, из алюминия (Al) и охлаждается водой (H₂O) для автостабилизации температуры n-мишени при эксплуатации.

На Фиг. 1г изображена конструкция коллиматора с изменяемой апертурой. Габариты коллиматора n-пучка 9 выбираются исходя из размеров проема 10 как максимально возможные.

Коллиматор n-пучка 9 представляет собой стальной блок площадью g×g и толщиной h, в котором имеется коническое отверстие, где d₁ - диаметр отверстия со стороны входа n-пучка из мишени 8, а d₂ - диаметр отверстия со стороны выхода n-пучка. Соотношение d₂/d₁ можно изменять путем добавления в отверстие коллиматора 9 конических вставок 9.1. Коллиматор 9 располагается вплотную к мишени 8 и полностью находится внутри проема 10. Коллиматор 9 выполнен подвижным для регулировки угла ϕ между осями n-мишени 8 и коллиматором 9 в пределах ±Δϕ (механизм для регулирования угла ϕ на Фиг. 1г не показан). Величина угла ϕ зависит от вещества и формы n-мишени.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В зависимости от задач радиационного облучения и целей тестирования предварительно устанавливаются необходимые параметры и режимы работы СЦ 1 и отдельных блоков устройства. Устанавливаются режимы работы тракта транспортировки 6 и величина тока в разводящем электромагните 7 для отклонения р-пучка к n-мишени 8 известным способом [9], с. 312-326. Синхроциклотрон 1 переводится из режима штатного функционирования импульсным пучком в режим работы «непрерывного p-пучка» известным способом «временной растяжки» [9], с. 267-282. Устанавливаются: угол поворота ϕ оси коллиматора 9 относительно оси n-мишени 8, соотношение диаметров d₁/d₂ в коллиматоре 9 и расстояние S от коллиматора 9 до облучаемого образца 12.

Объекты облучения 12: образцы ЭКБ, функциональные платы или блоки электроники, конструктивные элементы ΑΚΗ и т.п. размещаются на измерительном стенде 11 (иногда друг за другом). Затем с пульта управления работой устройства 15 поступает сигнал на пульт управления работой СЦ 17 для проведения режима тестирования.

Для образования необходимого потока нейтронов используется процесс взаимодействия ускоренных в СЦ 1 до энергии 1000 МэВ протонов с веществом n-мишени 8. В результате ядерного взаимодействия n-мишень 8 становится источником нейтронов, параметры которого предварительно рассчитываются методом Монте-Карло и окончательно определяются экспериментально. Коррекция осуществляется следующим образом. Известно, что на СЦ-1000 существует (а на других устройствах с использованием синхроциклотрона может быть создан) спектрометр типа ГНЕЙС (аббревиатура: Гатчинский-Нейтронный-Спектрометр), (Abrosimov N.K., Borukhovich G.Z., Laptev А.В., et all. «Neutron Time-of-Flight Spectrometer GNEIS at the Gatchina 1GeV Proton Synchrocyclotron». Nucl. Instrum. Methods A242, N 1, 1985, p.121-133) [13]. Важно отметить, что форма энергетического спектра нейтронов пучка ГНЕЙС измеряется с очень высокой точностью. Методика измерения описана в [4], [14] (Oleg A. Shcherbakov, Alexander S. Vorobyev, Alexei Μ. Gagarski et all. "ISNP/GNEIS Fasility in Gatchina for Neutron Testing with Atmospheric-Like Spektrum". IEEE Transachion on Nuclear Science, 0018-9499, 2016 IEEE.

See http://www.ieee.org/publications_standarts/publications/rights/indecx.html for more information).

Также известно [9] стр. 291-293, что на СЦ-1000 предусмотрен способ работы в режиме разделения интенсивности его протонного пучка на две части (в любом соотношении между ними) в каждом цикле работы СЦ. Для коррекции формы энергетического спектра n-пучка введен блок управления 5 системой вывода 4. При этом часть ускоряемого пучка при помощи системы вывода 4 направляется по каналу транспортировки 6 к разводящему магниту 7 и к n-мишени 8, а вторая его часть по направлению n-пучка 20 спектрометра ГНЕЙС направляется на мишень 19. Нейтронный пучок мишени ГНЕЙС транспортируется к собственному, специальному измерительному стенду 21 спектрометра ГНЕЙС (на Фиг. 1а мишень 19, направление n-пучка 20 и измерительный стенд 21 спектрометра ГНЕЙС указаны пунктирной линией). Таким образом, на измерительном стенде 11 предлагаемого устройства и на стенде 21 спектрометра ГНЕЙС одновременно существуют два нейтронных пучка, выходящие из двух нейтронно-образующих мишеней и облучаемые частями одного и того же протонного пучка с энергией 1000 МЭВ. Так как форма энергетического спектра n-пучка на стенде ГНЕЙС известна с высокой точностью, то он может являться «эталонным спектром» для предлагаемого устройства. Поэтому методом сравнения между собой этих двух существующих одновременно спектров можно проводить коррекцию формы энергетического спектра n-пучка предлагаемого устройства до 2-3% при помощи изменения угла ϕ коллиматора 9.

Важно отметить, что СЦ является импульсным ускорителем. Его p-пучок выводится из ускорителя или поступает на мишень в виде отдельных импульсов очень малой длительности ~ 50-100 мкс и при больших интервалах между ними ~ 20 мс. Соответственно и временной спектр нейтронного пучка имеет импульсный характер. Такой временный спектр нейтронов не соответствует реальным условиям нахождения аппаратуры в космосе, где существует непрерывный во времени поток нейтронов. Это приводит к некоторым нежелательным эффектам в тестируемой электронике и затрудняет интерпретацию оценки ее параметров (А.В. Согоян, А.Ю. Егоров, И.И. Шведов-Шиловский и др. «Исследование влияния длительности импульса излучения на уровне ТЭ и сбоев современных СВИС». Стойкость-2019, стр. 242) [15].

В предлагаемом устройстве временной спектр нейтронного пучка приближен к естественному непрерывному за счет перевода работы СЦ 1 в режим непрерывного протонного пучка стандартным методом «временной растяжки» с использованием системы вывода 4 [9], с. 267-282.

Процесс испытания ЭКБ ΑΚΗ проводится в режиме штатной эксплуатации (B.C. Анашин. «Отраслевая система мониторинга ионизирующих излучений космического пространства». Петербургский журнал электроники, N1, 2009, с. 57-52.) [16], (А.С. Бычков, А.С. Козюков, В.Т. Гаврилов «Актуальные вопросы эксплуатации испытательных стендов контроля стойкости ЭКБ к воздействию ТЗЧ КП») [17]. Тестирование ведется в соответствии с протоколом [3], [8]. Контроль за радиационным фоном в залах 3 и 13 осуществляется независимо.

Указанные на Фиг. 1 блоки и связи между ними обеспечивают конструктивно-функциональное единство составных частей предлагаемого устройства и превращают его в единое автоматизированное устройство для радиационного экспресс облучения и испытания надежности объектов авиакосмического назначения к воздействию нейтронов с использованием синхроциклотрона. Конструктивно блоки и системы связи могут быть выполнены в стандарте КАМАК, который широко используется в технике проведения экспериментов на ускорителях, а вся система управления устройством представляет собой многоуровневую АСУ (Ю.Ф. Певчев, К.Г. Финогенов «Автоматизация физического эксперимента». М. Энергоиздат, 1986) [18].

Например, оценим величину n-потока в предлагаемом устройстве при следующих выбранных конструктивных параметрах:

- Нейтронная мишень 8, Фиг. 1в: материал - свинец, диаметр d=40 мм, длина L=400 мм. Рассеиваемая тепловая мощность ~1-1.5 кВт. Для мишени из свинца ϕ=27°, Δϕ=±3°

- Оболочка мишени 8.1, Фиг. 1в: материал - алюминий. Размеры: а=800 мм, b=1200 мм, с=500 мм. Охлаждение - вода.

- Коллиматор n-пучка 9, Фиг. 1г: материал - сталь, размеры а=800 мм, е=1550 мм, g=1500 мм, h=2000 мм, d₁^min=30 мм, d₁^max=60 мм, d₂^min=30 мм, d₂^max=1000 мм.

Размеры n-пучка на испытательном стенде 11 регулируются от 1 см² до нескольких квадратных метров за счет изменения соотношения диаметров d₂/d₁ в коллиматоре 9 и расстояния S от коллиматора 9 до облучаемого образца 12, которое можно изменять от 4 м до 15 м.

Интенсивность протонного пучка СЦ-1000 составляет величину 6⋅10¹²р⋅с^-1. Размер p-пучка регулируется и может быть сформирован до диаметра n-мишени 8 d=40 мм [9].

Расчет величины нейтронного потока из мишени, выполненной из свинца, был проведен методом Монте-Карло с учетом результатов измерений, полученных при эксплуатации устройства-прототипа [11]. В предлагаемом устройстве ожидаемый максимальный поток нейтронов из n-мишени 8 после коллиматора 9 оценивается величиной W≈3⋅10¹⁰ н⋅см^-2, а форма его энергетического спектра будет отличаться от стандартного не более чем на 3-5%.

Предлагаемое устройство обладает существенными преимуществами, а его структурное и конструктивное решение принципиально отличается от прототипа и других известных устройств.

Перечислим эти особенности и преимущества подробно.

1. В предлагаемом устройстве величина потока нейтронов W на облучаемом объекте в ~ 20 раз больше, чем у прототипа.

Действительно, у прототипа W=1,5⋅10⁹ н⋅см^-2⋅час при расстоянии по оси n-пучка между n-мишенью из свинца и испытательным стендом 36 м, которое не может быть уменьшено из-за функциональных свойств устройства-прототипа [11].

В предлагаемом устройстве это расстояние уменьшено до S_min=4 м. Уменьшение расстояния между коллиматором 8 и образцом ЭКБ 12 дает выигрыш в величине нейтронного потока в (36/4)²≈80 раз. Однако в предлагаемом устройстве в отличие от прототипа применена система вывода протонов 4 с коэффициентом вывода 30% [9], с. 45, поэтому поток нейтронов увеличивается в 80⋅0,3≈24 раза.

Таким образом, в предлагаемом устройстве ожидаемый поток нейтронов W=1,5⋅10⁹⋅24=3,6⋅10¹⁰н⋅см^-2⋅час. При такой величине потока нейтронов предлагаемое устройство будет входить в один ряд с аналогичными устройствами существующих и проектируемых мировых центров испытаний на нейтронных пучках: в США, SNS ОК-Ридж WS, [5]; в Европе, Chip IR/ISIS, Резерфордская лаборатория, [6]; в Китае, CSNS, Донггуан, [7], у которых максимальный нейтронный поток достигает величины W≈3⋅10¹⁰н⋅см^-2⋅час.

Отметим также, что для синхроциклотрона СЦ-1000 НИЦ КИ ПИЯФ, предлагаемого для использования в изобретении, имеется потенциальная возможность увеличения интенсивности его p-пучка до величины 10÷20 мкА [9], стр. 312, т.е. в 3÷7 раз без капитальных затрат. В этом случае поток нейтронов в предлагаемом устройстве сможет достигать величины W≈2,5⋅10¹¹ н⋅см^-2⋅час, и предлагаемое устройство может стать мировым лидером в ряду аналогичных устройств для радиационного облучения нейтронами различных объектов.

2. В предлагаемом устройстве в отличие от прототипа имеется возможность облучения испытываемых образцов размером от 1 см² до ~ 1÷5 м².

Действительно, введение в предлагаемое устройство коллиматора 8 с перестраиваемой апертурой d₁, d₂ и возможность изменения расстояния S вдоль оси n-пучка от коллиматора 8 до стенда 11 в пределах от 4 до 15 м позволяют изменять площадь нейтронного пучка от 1 см² до 5 м² и проводить облучение не только отдельных микросхем, но и целых блоков радиоаппаратуры или конструктивных элементов космических станций. В результате увеличения площади нейтронного пучка появляется возможность для облучения и изучения воздействия нейтронного облучения на жизнедеятельность и генетические последствия для биологических объектов, в том числе живых организмов, вплоть до приматов. Такие исследования уже проводятся за рубежом (Kuhnew.w., Gersey В.В., Wilkins R. et. Al. «Biological effects of high-energy neutrons measured in Vivo using a vertebrate model». // Radiation Research, 172, 473, 2009) [19].

3. В устройстве-прототипе энергетический спектр n-пучка отличается от стандартного [8] на ~6%. В других аналогичных устройствах он отличается еще больше, на 10-20% [4]. В предлагаемом устройстве форма энергетического спектра n-пучка может быть скорректирована до 2-3% при помощи вышеописанного способа коррекции методом сравнения между собой двух одновременно существующих спектров на предлагаемом устройстве и на спектрометре ГНЕЙС.

Это выводит предлагаемое устройство по параметру точности соответствия его энергетического спектра нейтронного пучка и эталонного спектра на первое место.

4. Как было описано выше, в предлагаемом устройстве непрерывный временной спектр n-пучка осуществляется методом перевода работы СЦ в непрерывный вывод на n-мишень самого p-пучка известным стандартным способом «временной растяжки». Это выгодно отличает предложенное устройство от прототипа, где непрерывный временной спектр n-пучка предложено получать за счет резонансного заброса нейтронов на n-мишень внутри вакуумной камеры СЦ (информация о практической реализации такого способа отсутствует).

5. Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом экономически выгодно. Действительно, опыт использования устройства прототипа и аналогичных устройств показывает, что при проведении тестирования для достижения приемлемой точности измерения сбоев и отказов интегральной электроники на уровне ~ 10% требуется от 1 до 10 часов времени работы ускорителя для испытания одного изделия ЭКБ ΑΚΗ. Такая величина затрат времени является типичной и для зарубежных центров. В связи с увеличением в предлагаемом устройстве потока нейтронов в ~20 раз, во столько же раз уменьшается продолжительность времени набора необходимого флюэнса, и следовательно, финансовые затраты на проведение радиационных испытаний уменьшаются во столько же раз.

Отметим также, что размещение и-мишени в круговой стене 2 радиационной защиты СЦ1 в полости, заполненной поглотителем нейтронов (например, полиэтиленом), который эффективно поглощает нейтроны, тем самым предохраняя залы 3,13 и находящуюся в них аппаратуру от радиационного нейтронного фона, и поэтому не требуется специальных защитных бункеров для n-мишени, как это использовано в аналоге [10] и других устройствах.

Перечислим эти преимущества кратко:

• Ожидаемый n-поток в 24 раза больше, чем у прототипа и равен 3,6⋅10¹⁰ н⋅см^-2⋅час.

• Размер облучаемых образцов от 1 см² до 5 м². У прототипа ~6 см в диаметре.

• Отличие формы энергетического спектра от стандартного 2-3%. У прототипа 6%.

• Реализован непрерывный временной спектр n-пучка. В прототипе он отсутствует.

• Экономическая выгода: увеличение n-потока, эффективная радиационная защита.

Таким образом, вышеописанные положительные свойства предлагаемого устройства обладают по сравнению с прототипом и другими аналогичными устройствами новизной и преимуществом, а предлагаемое устройство может стать основой для создания в НИЦ КИ ПИЯФ в Гатчине Всероссийского и Европейского Центра для таких испытаний.

Планируется ввести предлагаемое устройство в состав Межведомственного Испытательного Центра Государственной Корпорации РОСКОСМОС в качестве лицензируемого испытательного комплекса для испытаний стойкости электронной компонентной базы и конструктивных элементов авиакосмического назначения к воздействию нейтронов с целью создания высоконадежной радиоэлектронной аппаратуры и конструктивных элементов, функционирующих в жестких радиационных условиях космоса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] J.F. Ziegler, Lars, et al. "Effect of Cosmic Rays on Computer Memories", Science, 206, 776 (1979).

[2] J. Kohler, B. Ehresman, C. Zeitlin. "Measurement of the neutron Spectrum in transit to Mars on the Mars Science Laboratory", Life Sciences in Space Research 5 (2015) 6-12.

[3] Норматив IEC, TS: IEC Technical Specification TS 62396-1, (Process Managem-ent for Avionics - Atmospherio Radiation Effects). May 2006. Available: http//www.iec.ch.

[4] H.K. Абросимов, Л.А. Вайшнене, А.С. Воробьев и др.

«Создание и экспериментальное исследование пучка нейтронов на синхроциклотроне ПИЯФ для тестирования компонентов электроники на радиационную стойкость». Приборы и техника эксперимента, N 4, 2010, с. 5-12.

[5] Definition of Capabilities Needed for Single Event Effect Test//Final Report DOT/FAA/TC-15-16, May 2015, U.S. Departament of Transportation, Federal Aviation Administration.

[6] Carlo Cazzaniga and Christopher D.Frost. "Progress of the Scientifie Commissioning of a fast neutron beamline for Chip Irradiation". IOP Conf. Series: Jonurnal of Physics: Conf. Series 102 (2018) 012038.

[7] Weijun Ni, Hantao Jing, Liying Zhang, Li Ou. "Possible atmospheric-like neutron beams CSNS (China Spallation Neutron Source)". Radiation Physics and chemisty. 152 (2018), 43-48.

[8] JEDEC (Joint Electronic Device Engineering Council). Standart Measurements and Reporting of Alpha Particlis and Terrestrial Cosmik Ray-Jnduced Soft Errors in Semiconducter Devices, JESD 89A, Oct. 2006. Available: http://www.jedec.org.

[9] Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев. «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики». Гатчина, 2012.

[10] Устройство-аналог. P.W. Lisowski et al. Nucl. Sci. and. End 106. 208 (1990).

[11] Устройство-прототип. А.С. Воробьев, E.M. Иванов, Г.Ф. Михеев и др.

Патент на изобретение №2668997. «Устройство для радиационного облучения и испытаний надежности электроники авиа-космического назначения к воздействию нейтронов с использованием ускорителя заряженных частиц», 2017.

[12] Е. Ivanov, О. Shcherbakov, A. Vorobyev et all. "Proton and neutron test facilities at 1 GeV Synchrocyclotron of PNPI for radiation resistance testing of avionic and space electronics". II International Conference «Nuclear data for science and Technology», September 11-16, 2016, Bruges, Belgium.

[13] Abrosimov N.K., Borukhovich G.Z., Laptev А.В., et all. «Neutron Time-of-Flight Spectrometer GNEIS at the Gatchina 1GeV Proton Synchrocyclotron». Nucl. Instrum. Methods A242, N1, 1985, p.121-133.

[14] Oleg A. Shcherbakov, Alexander S. Vorobyev, Alexei M. Gagarski et all. "ISNP/GNEIS Fasility in Gatchina for Neutron Testing with Atmospheric-Like Spektrum". IEEE Transachion on Nuclear Science, 0018-9499, 2016 IEEE. See http://www.ieee.org/publications_standarts/publications/rights/indecx.html for more information.

[15] A.B. Согоян, А.Ю. Егоров, И.И. Шведов-Шиловский и др. «Исследование влияния длительности импульса излучения на уровне ТЭ и сбоев современных СВИС» 52. Стойкость-2019, стр. 242.

[16] B.C. Анашин. «Отраслевая система мониторинга ионизирующих излучений космического пространства». Петербургский журнал электроники, N1, 2009, с. 57-52.

[17] А.С. Бычков, А.С. Козюков, В.Т. Гаврилов. «Актуальные вопросы эксплуатации испытательных стендов контроля стойкости ЭКБ к воздействию ТЗЧ КП»

[18] Ю.Ф. Певчев, К.Г. Финогенов «Автоматизация физического эксперимента». М. Энергоиздат, 1986.

[19] Kuhnew.w., Gersey В.В., Wilkins R. et. al. "Biological effects of high-energy neutrons measured in Vivo using a vertebrate model". //Radiation Research, 172, 473 (2009).

Изобретение относится к устройству для радиационного облучения и испытаний надежности объектов авиакосмического назначения к воздействию нейтронных потоков атмосферно-космического пространства. Источником нейтронов с естественным энергетическим спектром является мишень spallation target из свинца, на которую направлен поток протонов с энергией 1000 МэВ. Обеспечивается непрерывный временной спектр нейтронного пучка, а форма его энергетического спектра соответствует эталонному атмосферно-космическому спектру. Мишень и коллиматор нейтронного пучка расположены внутри стены радиационной защиты синхроциклотрона. Коллиматор имеет коническое отверстие с перестраиваемой апертурой и сделан подвижным для регулировки угла между осями мишени и коллиматора. Стенд с набором испытываемых образцов имеет возможность перемещения вдоль оси нейтронного пучка. Техническим результатом является возможность облучения мишеней от 1 см² до 5 м² потоком нейтронов после коллиматора ≥3,6⋅10¹⁰ н⋅см^-2⋅час при точном соответствии энергетического спектра нейтронного пучка эталонному спектру. 1 ил.

Устройство для радиационного облучения и испытания надежности объектов авиакосмического назначения к воздействию потоков нейтронов с использованием синхроциклотрона с его составными частями: системой вывода протонов из камеры, электромагнитным трактом транспортировки протонов и поворотным электромагнитом, содержащее нейтронообразующую мишень, коллиматор нейтронного пучка, испытательный стенд с объектами авиакосмического назначения, пульт управления устройством и компьютер, отличающееся тем, что нейтронообразующая мишень и коллиматор нейтронного пучка расположены в проеме круговой стены радиационной защиты синхроциклотрона, заполненного поглотителем рассеянных нейтронов, причем нейтронообразующая мишень выполнена из вещества с большой плотностью в виде цилиндрического стержня, длина которого равна средней величине свободного пробега протона в веществе мишени при энергии налетающего протона 1000 МэВ, а диаметр стержня равен диаметру протонного пучка, и мишень запрессована в металлический блок, охлаждаемый водой, а коллиматор нейтронного пучка выполнен из металла в виде прямоугольного блока с максимально возможными размерами, определяемыми размерами проема в стене радиационной защиты, и имеющего коническое отверстие для нейтронного пучка и дополнительные конические вставки для изменения диаметров входного и выходного отверстий коллиматора, причем ось коллиматора повернута к оси нейтронообразующей мишени на угол ϕ, величина которого зависит от плотности нейтронообразующей мишени и регулируется за счет поворота коллиматора, а испытательный стенд с объектами авиакосмического назначения выполнен подвижным вдоль оси нейтронного пучка относительно коллиматора за счет введенного рельсового пути, и пульт управления устройством связан с введенным блоком управления системой вывода протонного пучка из ускорительной камеры синхроциклотрона.