Способ воспроизведения теплового и механического действия рентгеновского излучения на элементы радиоэлектронной аппаратуры с помощью пучка электронов Российский патент 2023 года по МПК G01N3/18 G01N25/58 G01N23/02 

Изобретение относится к технике испытаний материалов и элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) с помощью воспроизведения термомеханических нагрузок высокоинтенсивным импульсным пучком электронов (ИПЭ) и может быть использовано для испытаний образцов многослойных материалов и элементов РЭА на стойкость к действию рентгеновского излучения (РИ).

Известен способ воспроизведения действия РИ, в котором основным условием имитации термомеханического действия является воспроизведение в облучаемых образцах материалов такого же профиля и темпа энерговыделения с помощью импульсного электронного пучка [1]. Недостаток данного способа воспроизведения состоит в том, что полное воспроизведение энерговыделения в большинстве случаев затруднено, а для многослойных (контактирующих) структур материалов, а также элементов РЭА невозможно. Это обусловлено разной зависимостью коэффициента поглощения излучения от атомного номера вещества материала для электронов и РИ, так как чем больше атомный номер материала, тем сильнее он поглощает РИ, а при воздействии электронов с веществом зависимость от материала достаточно слабая [1]. Кроме того, применение данного способа в ряде случаев невозможно, так как воспроизведение профиля функции энерговыделения осуществляется подбором фильтров, которые разрушаются потоком электронов ~10 кал/см².

Наиболее близким по технической сущности является способ воспроизведения термомеханического действия РИ ядерного взрыва на образцы материалов (прототип) [2]. Сущность способа заключается в следующем: испытываемый образец материала устанавливают на мишень импульсомера, облучают его потоком электронов по критерию равенства импульса давления, сообщаемого преграде из конструкционного материала действием потока электронов и РИ, и замеряют импульс давления. При этом в способе моделируется одновременно нагрев облучаемого образца, унос массы материала за счет испарения сублимированного слоя вещества и слоя, равного толщине лицевых отколов при натурном процессе, а также воспроизводится механическое нагружение. На элементы РЭА воздействует преимущественно сверхжесткое рентгеновское излучение (СЖРИ), максимальные значения поглощенной энергии наблюдаются в веществах с большими атомными номерами (W, Pt, Au, Ti, Mo), как правило, расположенных внутри элементов. В результате в этих местах и на границе контакта разнородных материалов возникают тепловые поля и механические напряжения, которые могут привести к их отказу. Недостаток прототипа обусловлен невозможностью его применения для моделирования воздействия СЖРИ на современные сложно-функциональные изделия РЭА, так как СЖРИ нагревает преимущественно элементы, расположенные внутри изделий.

Технический результат предлагаемого изобретения направлен на обеспечение возможности определения и прогнозирования уровня стойкости современных элементов РЭА с учетом тепловых и механических эффектов при воздействии РИ в условиях, максимально приближенных к требуемым.

Технический результат достигается тем, что выявляют конструктивные элементы РЭА, критичные к тепловым и механическим эффектам (далее - критические элементы (КЭ)), рассчитывают пространственное распределение поглощенной дозы при воздействии РИ выбранного спектрального распределения и при воздействии ИПЭ для каждого КЭ, определяют максимальные значения растягивающих механических напряжений σ_max и температур T_max путем численного решения уравнений задачи термоупругости с учетом распределений поглощенной дозы для каждого КЭ, проводят расчетную оценку, по критерию равенства максимума растягивающих напряжений, значений флюенса энергии ИПЭ, эквивалентных значениям флюенса энергии РИ с заданными характеристиками для каждого КЭ, проводят расчетную оценку значений флюенса энергии ИПЭ, эквивалентных значениям флюенса энергии РИ по отношению к тепловым эффектам для каждого КЭ, создают с помощью моделирующего воздействия ИПЭ механические и тепловые поля в КЭ, эквивалентные возникающим при воздействии РИ с заданными параметрами по критериям равенства максимальных значений растягивающих напряжений и максимальной температуры , где , - максимальные значения напряжений и температуры соответственно в каждом КЭ РЭА после воздействия РИ с заданными параметрами, , - максимальные значения напряжений и температуры соответственно в каждом КЭ РЭА после воздействия ИПЭ.

Наиболее чувствительными (критическими) к воздействию динамических термомеханических нагрузок областями изделий являются границы между структурными элементами различного физико-химического состава и (или) имеющих различные физико-механические характеристики, к воздействию тепловых нагрузок - материалы с наименьшей температурой плавления.

Способ основан на расчетно-экспериментальном моделировании максимального уровня динамических термомеханических напряжений на границах слоев материалов различного состава и температур в объеме изделия при воспроизведении РИ с использованием ИПЭ.

Подход реализуется на создании в критических областях РЭА в процессе испытаний с помощью моделирующего воздействия динамических термомеханических напряжений (тепловых полей), эквивалентных возникающим при воздействии РИ с заданными характеристиками. Эквивалентность воздействий по термомеханическим нагрузкам характеризуется равенством максимальных значений растягивающих напряжений, описываемых нормальными компонентами тензора механических напряжений, а по тепловым эффектам - равенством максимальной температуры.

Способ реализуется следующим образом:

1. Анализируют состав изделия РЭА с учетом особенностей его конструктивного исполнения и выявляют КЭ.

2. Рассчитывают пространственное распределение поглощенной дозы при воздействии РИ выбранного спектрального распределения и при воздействии ИПЭ для каждого КЭ.

3. Определяют максимальные значения растягивающих механических напряжений σ_max и температур T_max путем численного решения уравнений задачи термоупругости с учетом распределений поглощенной дозы для каждого КЭ.

4. Анализируют зависимости механических напряжений в критических областях структуры от времени для воздействия РИ и ИПЭ.

5. Проводят расчетную оценку значений флюенса энергии ИПЭ (), эквивалентных значениям флюенса энергии РИ () с заданными параметрами для каждого КЭ.

Оценка проводится по критерию равенства максимума растягивающих напряжений (условие 1).

6. Анализируют зависимости тепловых полей в критических областях структуры от времени для воздействия РИ и ИПЭ.

7. Проводят расчетную оценку значений флюенса энергии ИПЭ (), эквивалентных значениям флюенса энергии РИ по отношению к тепловым эффектам () для каждого КЭ.

Эквивалентным по тепловым эффектам считается максимальный уровень ИПЭ , при котором в любой момент времени после воздействия температура удовлетворяет условию:

где - температура в каждом КЭ РЭА после воздействия ИПЭ.

8. Проводят оценку эквивалентного уровня экспериментального воздействия к воздействию РИ с заданными характеристиками по условию:

9. Проводят моделирование воздействия РИ с заданными характеристиками на импульсном ускорителе электронов с эквивалентным уровнем F_e, определенным по пункту 8.

Основными параметрами импульсных ускорителей электронов при оценке их применимости для реализации целей данного способа являются:

1. Длительность одиночного импульса.

2. Энергетический спектр электронного излучения.

3. Максимальный флюенс электронов в импульсе.

Длительность импульса ускорителя определяет динамику термомеханического нагружения. Из этих соображений рекомендуемая длительность импульса составляет 3-10 нс.

Энергетический спектр электронного излучения должен обеспечивать ионизацию чувствительного объема и критических элементов изделия. Рекомендуемый диапазон энергий электронов - в интервале 200-2000 кэВ.

Максимальный флюенс электронов в импульсе - не менее 5⋅10¹³ см^-2.

Разработанный способ считается применимым, если с помощью экспериментального воздействия ИПЭ возможно создание динамических механических напряжений и тепловых полей в критических областях, эквивалентных возникающим при воздействии РИ с заданными характеристиками.

Предлагаемый способ может быть использован при определении уровня стойкости современных элементов РЭА с учетом тепловых и термомеханических эффектов при воздействии РИ. Для этого при проведении испытаний на импульсном ускорителе электронов определяют максимальное значение уровня экспериментального воздействия F_e, при котором сохраняется работоспособность изделия. По условиям 1 и 2 определяют значения характеристик ИПЭ ( и ) и эквивалентные им , . Минимальное значение из и с учетом коэффициента запаса, учитывающего неопределенность информации о структуре, мерность расчетов, методическую погрешность и т.д., и будет являться прогнозируемым уровнем стойкости исследуемого элемента РЭА по тепловым и механическим эффектам.

Алгоритм реализации заявляемого расчетно-экспериментального способа приводится ниже.

Вначале проводят расчет взаимодействия рентгеновского и электронного излучений со структурами облучаемой преграды. Использование способа приведено на примере двух модельных структур элементов аппаратуры (Au 20 мкм + Мо 100 мкм + Al₂O₃ 180 мкм и Si 0,1 мкм + Cu 0,3 мкм + W 1 мкм + Cu 0,3 мкм + Si 0,1 мкм). На фиг. 1 приведен профиль температуры, устанавливающийся в момент действия РИ и ИПЭ установки «АРСА» для исходных данных: флюенс энергии РИ - 1 кал/см², флюенс энергии электронного излучения - 2,9 кал/см² и 4,8 кал/см² соответственно для 3-х и 5-и-слойных преград. Эквивалентный уровень воздействия электронного излучения определен по критерию равенства максимальных температур. Расчеты проведены посредством программного комплекса «Сото-2012» [3] в приближении мгновенного энерговыделения.

Расчет эволюции термомеханических напряжений в структурах осуществлялся путем численного решения уравнений связанной задачи термоупругости. Результаты представлены на фиг. 2. Видно, что наблюдается хорошее соответствие зависимостей механических напряжений на границах структуры от времени. Для флюенса энергии РИ 1 кал/см² эквивалентность воздействий по критерию максимума растягивающих напряжений на границе Cu-W имеет место при флюенсе электронного излучения 3,5 кал/см², на границе Au-Мо - при 1,6 кал/см².

Как правило, длительности воздействий РИ и имитирующей установки (импульсного ускорителя электронов) не совпадают. При этом длительность воздействия оказывает влияние на максимальные значения механических напряжений и их временную зависимость, однако повышая флюенс электронного излучения, удается достичь подобия воздействия РИ и ИПЭ (см. фиг. 3).

Заявляемое изобретение обеспечивает моделирование тепловых и термомеханических эффектов в изделиях РЭА при воздействия потоков РИ с заданными характеристиками и устанавливает последовательность операций при реализации термомеханического действия РИ. Предлагаемый способ распространяется на интегральные схемы и полупроводниковые приборы, изделия микроэлектронной техники, а также пассивные компоненты.

Данный способ позволяет определять конструктивно-технологические запасы стойкости изделий к воздействию РИ по результатам испытаний на импульсных электронных пучках.

Заявляемый способ может быть использован в учреждениях Министерства обороны и организациях, занимающихся разработкой и определением показателей стойкости элементов РЭА образцов вооружения к воздействию РИ.

Источники информации

1. Степовик А.П. Термомеханические эффекты в компонентах радиоэлектронной аппаратуры при воздействии импульсов рентгеновского и электронного излучений. Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ, 2010 г., 245 с.

2. Патент РФ на изобретение №2503958 от 08.08.2012 г. «Способ воспроизведения термомеханического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва на образцы материалов».

3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013661718 Российская Федерация. Программный комплекс «Сото-2012» / Потапенко А.И., Слободчиков С.С., Ульяненков Р.В.; заявитель и патентообладатель ФГКУ «12 ЦНИИ» Минобороны России. - №2013661718; заявл. 29.10.13; опубл. 13.12.2013.

Изобретение относится к технике испытаний материалов и элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) с помощью воспроизведения термомеханических нагрузок высокоинтенсивным импульсным пучком электронов (ИПЭ) и может быть использовано для испытаний образцов многослойных материалов и элементов РЭА на стойкость к действию рентгеновского излучения (РИ). Способ воспроизведения теплового и механического действия РИ на элементы РЭА с помощью ИПЭ заключается в том, что выявляют конструктивные элементы РЭА, критичные к тепловым и механическим эффектам (КЭ). Рассчитывают пространственное распределение поглощенной дозы при воздействии РИ и при воздействии ИПЭ для каждого КЭ, определяют максимальные значения растягивающих механических напряжений и температур для каждого КЭ, проводят расчетную оценку по критерию равенства максимума растягивающих напряжений, значений флюенса энергии ИПЭ, эквивалентных значениям флюенса энергии РИ с заданными параметрами для каждого КЭ. Проводят расчетную оценку значений флюенса энергии ИПЭ, эквивалентных значениям флюенса энергии РИ по отношению к тепловым эффектам для каждого КЭ. Создают с помощью моделирующего воздействия ИПЭ механические и тепловые поля в КЭ, эквивалентные возникающим при воздействии РИ с заданными параметрами по критериям равенства максимальных значений растягивающих напряжений и максимальной температуры. Технический результат изобретения: обеспечение возможности определения и прогнозирования уровня стойкости современных изделий РЭА с учетом тепловых и термомеханических эффектов при воздействии РИ посредством применения ИПЭ. 3 ил.

Способ воспроизведения теплового и механического действия рентгеновского излучения (РИ) на элементы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) с помощью пучка электронов, включающий облучение элементов РЭА высокоинтенсивным импульсным пучком электронов (ИПЭ), отличающийся тем, что выявляют конструктивные элементы РЭА, критичные к тепловым и механическим эффектам (КЭ), рассчитывают пространственное распределение поглощенной дозы при воздействии РИ выбранного спектрального распределения и при воздействии ИПЭ для каждого КЭ, определяют максимальные значения растягивающих механических напряжений σ_max и температур T_max путем численного решения уравнений задачи термоупругости с учетом распределений поглощенной дозы для каждого КЭ, проводят расчетную оценку, по критерию равенства максимума растягивающих напряжений, значений флюенса энергии ИПЭ, эквивалентных значениям флюенса энергии РИ с заданными параметрами для каждого КЭ, проводят расчетную оценку значений флюенса энергии ИПЭ, эквивалентных значениям флюенса энергии РИ по отношению к тепловым эффектам для каждого КЭ, создают с помощью моделирующего воздействия ИПЭ механические и тепловые поля в КЭ, эквивалентные возникающим при воздействии РИ с заданными параметрами по критериям равенства максимальных значений растягивающих напряжений и максимальной температуры , где , - максимальные значения напряжений и температуры соответственно в каждом КЭ РЭА после воздействия РИ с заданными параметрами, , - максимальные значения напряжений и температуры соответственно в каждом КЭ РЭА после воздействия ИПЭ.