«Метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к возникновению ЭСР ...»

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

На правах рукописи

Белик Глеб Андреевич

Метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к возникновению ЭСР Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Саенко Владимир Степанович Москва, Содержание Введение ………………………………………………………………………….. Глава 1 Объёмная электризация космических аппаратов: история исследований и современное состояние разработок………………………….. 1.1 Общие проблемы электризации КА …………………………………... 1.2 Влияние околоземной космической «погоды» на электризацию КА... 1.3 Внутренняя электризация космических аппаратов …………………... 1.4 Меры борьбы с поражающими факторами электризации …………… Глава 2 Схемотехническое моделирование воздействия материала с заданными свойствами на работу типового электронного устройства – мультивибратора ………………………………………………………………. 2.1 Расчетно-теоретическая модель ……………………………………… 2.2 Экспериментальное получение исходных данных для расчетнотеоретической модели ……………………………………………………. Глава 3 Технология изготовления модельного диэлектрика (нанопроводящего материала) и исследование его электрофизических свойств ……………… 3.1 Электропроводящие полимеры ……………………………………… 3.2 Проводящие компоненты…………………………………………….. 3.2.1 Технический углерод (сажа) ………………………………….… 3.2.2 Наполнители для получения высокой проводимости ………… 3.2.3 Связующие компоненты ……………………………………….... 3.3 Свойства наполненных полимеров ………………………………….. 3.4 Исходные компоненты для изготовления модельного диэлектрика 3.4.1 Диэлектрик парафин нефтяной …………………………………. 3.4.2 Проводящий наполнитель технический углерод ……………… 3.5 Отработка технологии изготовления композитного диэлектрического материала …………………………………………………………………. 3.5.1 Образец для проведения измерений ……………………………. 3.5.2 Измерения тангенса угла наклона и емкости образца ………… 3.5.3 Измерение проводимости образца ………………………….…. Глава 4 Методика исследования полученного модельного диэлектрика на электризуемость ………………………………………………………….…. 4.1 Образцы для проведения исследований………………………….… 4.2 Установка для исследований ……………………………………….. 4.3 Исследовательская ячейка для испытаний в установке на электризуемость …………………………………………………………. 4.4 Исследование материалов путем их облучения моноэнергетическими потоками ………………………………………………………………….. 4.5 Методика исследований на электризуемость ……………………… Глава 5 Экспериментальное исследование влияния полученного диэлектрика на параметры печатной платы ………………………………………………. 5.1 Влияние покрытия на частоту генерации прямоугольного сигнала 5.2 Измерение скорости передачи данных между двумя ПК используя высокоскоростную сеть передачи данных ……………………………... Заключение …………………………………………………………………… Литература…………………………………………………………………….. Приложение А………………………………………………………………… Введение Актуальность темы диссертации. В настоящее время развитие космической техники отечественного производства идёт по линии создания целевых группировок космических аппаратов (КА) различного назначения:

для спутниковой связи и телевещания - «Ямал» и «Экспресс-МД», как спутники-ретрансляторы - «Луч», для глобальной системы навигации Глонасс-М» и «Глонасс-К». Кроме того, создаются научные серии малых космических аппаратов, космических аппаратов военного назначения и др.

важные космические системы. Важнейшим критерием эффективности таких группировок является обеспечение длительных сроков эксплуатации, входящих в них отдельных КА.

В соответствии с этим обстоятельством Федеральным космическим агентством предъявляются требования к конструкторским бюро отрасли по доведении сроков активного существования (САС) создаваемых КА в ближайшее время до 1015 лет и более. При этом в конструкциях КА произошли существенные изменения, заключающиеся в повсеместном отказе от герметичных отсеков (гермоконтейнеров), имеющих замкнутый объем, который обеспечивал дополнительную защиту бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА) от корпускулярных излучений.

Серьезным препятствием для достижения поставленных целей является электризация КА и те негативные процессы, которые она порождает. Это не только дифференциальное заряжение элементов поверхности космического аппарата и объемное заряжение полимерных диэлектриков на его поверхности, но и заряжение бортовой аппаратуры находящейся внутри КА.

Экспериментально, в натурных условиях эксплуатации установлен критерий возникновения электростатического разряда внутри корпуса КА. Это суммарный, за 10 часов флюенс электронов в 2·1010 электронов/см2. Такой разряд может вызвать обратимые и необратимые отказы бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Это обусловлено как параметрами разрядных импульсов (скорость нарастания разрядного тока достигает 1010 А/с), так и повышенной чувствительностью аппаратуры к таким воздействиям.

Установлено, что источником опасного воздействия для элементов бортовой электроники служат электростатические разряды в диэлектриках печатных плат или пластмассовых корпусах полупроводниковых приборов.

Причем разряд из диэлектрика в кристалл полупроводника микросхемы прибора, как правило, приводит к необратимому отказу последнего.

Вопросам электризации КА, в том числе и внутренней, посвящен целый ряд работ таких авторов как: Л.С. Новиков, А.И. Акишин, В.С.

Анашин, Л.Н. Кечиев, В.С. Саенко, В.Ю. Кириллов, А.П. Тютнев, Е.Д.

Пожидаев, А.Б. Соколов, В.А. Стародубцев, А. Фредериксон, Г. Гэррэт, М.

Бодэ и др.

Поскольку полностью решить проблему проникновения потоков электронов через внешние и внутренние конструкции КА без существенного увеличения массы космического аппарата невозможно, необходимо разработать метод защиты диэлектриков печатных узлов бортовой аппаратуры от внутренней электризации, т.е. предотвратить накопление заряда. Для этого необходимо провести разработку диэлектрика, обладающего пониженной электризуемостью за счет собственной нанопроводимости. Приставка «нано-» здесь указывает только на необходимую величину проводимости 10-9 Ом-1·м-1 для исключения ЭСР.

нанопроводящего диэлектрика, в качестве диэлектрика печатных плат позволят повысить устойчивость КА к воздействию факторов электризации, и тем самым увеличить срок их активного существования, поэтому выбранная тема диссертационной работы является актуальной.

Цель диссертационной работы и задачи исследования Целью диссертационной работы является повышение устойчивости космической бортовой аппаратуры к поражающим факторам внутренней электризации за счет разработки метода повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к возникновению электростатических разрядов путем применения в печатных узлах диэлектрика, обладающего нанопроводимостью.

Для достижения поставленной цели было необходимо последовательно решить следующие задачи:

1. Выполнить обзор и анализ причин возникновения и существующих методов защиты БРЭА космических аппаратов от процессов внутренней электризации и сопровождающих её электростатических разрядов и сформулировать целевую задачу. На основе анализа этих методов сформулировать новое направление для устранения внутренней электризации БРЭА КА. Это направление предполагает использование в качестве диэлектриков печатных узлов бортовой аппаратуры КА диэлектриков, обладающих нанопроводимостью.

цифрового устройства мультивибратора для обоснования возможности замены традиционных диэлектриков печатного узла на диэлектрики, возникновения электростатических разрядов при электронном облучении.

обладающий требуемым значением объемной проводимости для исключения возможности возникновения электростатических разрядов при электронном облучении.

4. Разработать методику и выполнить тестовые эксперименты по определению электризуемости модельного диэлектрика под действием электронного облучения в вакууме, в условиях близких к натурным условиям эксплуатации. Запатентовать предложенное в диссертации техническое решение.

5. Разработать методику экспериментальных исследований типового цифрового устройства мультивибратора путем применения модельного диэлектрика с нанопроводимостью, и провести сравнение с результатами компьютерного моделирования.

6. Разработать метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к ЭСР, выполнить экспериментальную проверку метода, провести оценку влияния повышенной проводимости диэлектрика печатной платы на характеристики БРЭА.

Научная новизна 1. Проведено систематическое изучение методов снижения негативных эффектов внутренней электризации на основе анализа предшествующих электризации БРЭА КА. Это направление предполагает использование в диэлектриков, обладающих нанопроводимостью.

цифрового устройства - мультивибратора впервые показана принципиальная возможность замены традиционных диэлектриков печатных узлов цифровых схем на диэлектрики, обладающие нанопроводимостью.

3. Разработана методика изготовления модельного диэлектрика с тестирования этого диэлектрика на электризуемость под действием электронного облучения в вакууме, в условиях близких к натурным условиям эксплуатации.

4. Предложена методика и продемонстрированы результаты тестовых устройстве – мультивибраторе, а также доказано отсутствие влияния повышенной проводимости диэлектрика на параметры функционирования этого устройства.

Практическая значимость 1. Разработан метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к ЭСР, выполнена экспериментальная проверка метода и внедрение метода в процесс проектирования и производства бортовой радиоэлектронной аппаратуры космической техники.

радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов, стойкая к возникновению электростатических разрядов. Патент на полезную модель RU 114 816 U1 от 10.04.2012. Патент на изобретение «Печатная плата для бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов» RU 319 C1 от 29.10.2013 года.

3. Предложенный метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к ЭСР используется при проектировании и в виде выдачи адаптированных требований на разработку изделий космической техники в НПО им. С.А. Лавочкина.

На защиту выносится 1. Метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к ЭСР, основанный на применении диэлектриков обладающих нанопроводимостью взамен использующихся в настоящее время.

2. Результаты компьютерного моделирования работы типового цифрового устройства - мультивибратора, в которых впервые показана принципиальная возможность замены традиционных диэлектриков печатных узлов цифровых схем диэлектриками, обладающими нанопроводимостью, а также сравнение полученных результатов с экспериментом и влияние на характеристики мультивибратора повышенной проводимости диэлектрика печатной платы.

3. Методика и результаты тестовых экспериментов по определению электризуемости модельного диэлектрика под действием электронного эксплуатации.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в вариантах, адаптированных для выдачи ТЗ на проектирование и разработку печатных узлов БРЭА космической техники в НПО им. С.А.

Лавочкина.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

– 19-23 Международных совещаниях и конференциях «Радиационная физика твердого тела», г. Севастополь в 2009-2013 г.г.;

– II Всероссийской научно-технической конференции «Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами» г. Москва в 2012 г.;

– Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ в 2010-2013 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в т. ч. 3 статьи (из них 3 статьи в журналах перечня ВАК) и 10 тезисов докладов и материалов конференций по итогам научных совещаний.

Получены два патента: патент на полезную модель и патент на изобретение.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы содержащего наименований. Объем работы – 123 с.

Глава 1 Объёмная электризация космических аппаратов: история исследований и современное состояние разработок Как уже отмечалось во введении развитие космической техники отечественного производства идёт по линии создания целевых группировок космических аппаратов (КА) различного назначения: «Ямал» и «ЭкспрессМД» для спутниковой связи и телевещания, спутники-ретрансляторы «Луч», глобальной системы навигации «Глонасс-М» и «Глонасс-К», научной серии малых космических аппаратов, космических аппаратов военного назначения и др. важных космических систем. Важнейшим критерием эффективности таких группировок является обеспечение длительных сроков эксплуатации входящих в них отдельных КА.

В соответствии с этим обстоятельством Федеральным космическим агентством к конструкторским бюро отрасли предъявляются требования о доведении сроков активного существования (САС) создаваемых КА в ближайшее время до 10 15 лет и более.

Электризация КА, работающих на геостационарной орбите и на высокоэллиптических орбитах, привела к сбоям в работе и отказам систем КА еще в конце 60-х годов прошлого столетия. В то время многие исследователи начали работать над проблемой электризации КА с целью минимизации ее негативных последствий.

Было установлено, что в магнитосфере Земли на ночной стороне КА приобретает отрицательный потенциал порядка единиц киловольт при геомагнитных возмущениях (суббурях), вызванных вспышками на Солнце.

К основным факторам, приводящим к электризации, следует отнести потоки электронов и ионов околоземной космической плазмы, жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, вакуум, термоциклирование.

Воздействие перечисленных факторов на материалы внешней поверхности космического аппарата вызывает обильную вторичную электронную эмиссию и фотоэмиссию, температурное изменение электрофизических параметров материалов. Все перечисленное особенно существенно для магнитосфере Земли. В результате происходит общее и дифференциальное заряжение поверхности космического аппарата. Общее заряжение космического аппарата как единого целого не представляет особой опасности для функционирования электроники космического аппарата. Можно лишь отметить некоторые проблемы со спектрометрами частиц и подобной аппаратурой.

Совсем иначе обстоит дело с дифференциальным заряжением элементов поверхности космического аппарата и объемным заряжением полимерных диэлектриков его внешней поверхности. В результате такого заряжения возникают поверхностные и объемные электростатические разряды, которые вызывают обратимые и необратимые отказы бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Такое сильное воздействие разрядов на работу бортовой электроники обусловлено как параметрами разрядных импульсов, так и повышенной чувствительностью бортовой электроники к данным воздействиям. Развитие космической техники предполагает применение элементной базы, обладающей повышенной степенью интеграции микросхем, большими функциональными возможностями, пониженным энергопотреблением, снижением массогабаритных параметров.

Однако в той же степени растет чувствительность элементной базы электроники к воздействию электростатических разрядов.

электростатические разряды, а основными рецепторами помех являются фрагменты бортовой кабельной сети, проложенные по внешней поверхности космических аппаратов.

Для повышения устойчивости космических аппаратов к факторам электризации необходимо снижать частоту и мощность электростатических разрядов на поверхности космического аппарата путем применения материалов, обладающих пониженной электризуемостью. Поскольку полностью исключить электростатические разряды не удается, необходимо проводить расчеты перекрестных помех в бортовой кабельной сети. В этом случае в технических заданиях на разработку электронных блоков будут заложены величины помеховых сигналов, при которых эти электронные блоки должны сохранять свою работоспособность. Таким образом, изначально, при разработке БРЭА КА должно закладываться условие работоспособности этой аппаратуры в условиях повышенного уровня помех от ЭСР.

Формирования потенциального рельефа на поверхности КА, распределение электрического поля в окрестности аппарата, образование седловидных точек в его распределении и их влияние на заряжение как неосвещенных, так и освещенных участков поверхностей, включая вопросы численного расчета потенциального рельефа и его изменения во времени, подробно рассмотрены в литературе [1–6].

Заряжение элементов КА в космической плазме происходит по причине значительного превышения электронного диффузионного тока над ионным током. Величина плотности электронного тока в условиях наихудшего случая достигает 10–9 А/см2. При такой плотности тока время электризации КА, имеющего типичные размеры шара с радиусом 2 м, до потенциала 10 кВ составляет всего 5 мс. Таким образом, общая зарядка КА происходит практически мгновенно.

Дифференциальная зарядка заканчивается за значительно большие времена, так как емкость единицы площади диэлектрического покрытия при толщине 100–300 мкм относительно корпуса достаточно велика ~ 10 пФ/см2.

Время, необходимое для достижения потенциала поверхности диэлектрика 10 кВ относительно корпуса, в этом случае, превысит 1000 с.

Солнечная засветка приводит к полному разряжению металлических поверхностей, однако, в диэлектрических материалах остаются объемные заряды. Часто именно этот аспект электризации приводит к возникновению электростатических разрядов.

геостационарной орбите (ГСО) составляет в среднем 0,003 Гр/с. Если электропроводность диэлектрика внешней поверхности КА не превышает 10–16 Ом–1см–1, то напряженность внутреннего электрического поля в диэлектрике окажется выше 106 В/см и электрический пробой станет вполне вероятным [8].

политетрафторэтилен, полистирол и т.д.) являются дырочными диэлектриками, подвижность электронов в них гораздо меньше подвижности дырок. И только в ПЭТФ и стекле возможна электронная проводимость. Для таких материалов можно, в принципе, говорить об инжекционных токах [9], которые позволяют зарядам стекать из диэлектрика на металлические элементы конструкции КА.

В настоящее время проблема электризации внешней поверхности КА до конца не решена. До сих пор используются непроводящие клеи для соединения между собой достаточно проводящих элементов. Часто проводящие покрытия наносятся на диэлектрические материалы, но контроль металлизации этих покрытий недостаточен для прогнозирования долговременной эксплуатации этих соединений без нарушения металлизации. До сих пор в руководящих документах имеется разрешение на использование элементов экранно-вакуумной теплоизоляции площадью до 0,2 м2 без металлизации[10]. Углепластиковые конструкции изготавливают по устаревшей технологии, оставляя на поверхности изделий непроводящие наплывы эпоксидной или полиэфирной смолы. Внедрение новых материалов и запрет на использование материалов, непригодных с точки зрения электризуемости, наталкиваются на бюрократические препоны.

Вместе с тем, на смену внешней электризации пришла электризация внутренняя. Это в значительной степени обусловлено новым подходом к изготовлению КА без гермоконтейнеров для бортовой аппаратуры и с разрешением использования в составе КА элементной базы в пластмассовых корпусах. Не решив до конца первую проблему, мы всерьез столкнулись со второй.

Отказ от гермоконтейнера дает возможность существенно уменьшить массу КА и более свободно выбирать его конфигурацию. Например, если масса спутника «Глонасс-М» второго поколения составляет 1,5 тонны, то с отказом от гермоконтейнера в спутнике третьего поколения «Глонасс-К» его масса составляет 940 кг, с перспективой уменьшения до 640 кг в следующих КА этой серии. Такими разработками являются продукция РКК «Энергия» спутники серии «Ямал» на основе универсальной космической платформы, разработки ОАО «ИСС» - космическая платформа серии «Экспресс 1000», использованная на спутнике Глонасс третьего поколения Глонасс-К, проходящего в настоящий момент этап летно-конструкторских испытаний и платформа «Навигатор» - базовый модуль служебных систем, разработанный в ФГУП «НПО им. Лавочкина», первое применение которого произошло на метеоспутнике Электро-Л №1, находящемся в штатной эксплуатации и первом научном аппарате серии Спектр – Спектр-Р (международный проект «Радиоастрон»). На рисунке 1.1 приведена фотография сборки[11] КА Глонасс-К, на которой видно достаточно плотное размещение бортовой аппаратуры и кабельной сети её соединяющей космической платформы.

Экспресс-1000, фактически защищенную от космического излучения только конструкциями сотопанелей и ЭВТИ:

Рисунок 1.1 Сборка КА Глонасс-К1 № 11 (Космос 2471) [11] Рассмотрим основные факторы внутренней электризации и основные задачи сегодняшнего дня по устранению ее негативных последствий. На рисунке 1.2 приведена довольно удачная схема основных механизмов внутренней электризации, заимствованная из [12].

Рис. 1.2 Основные механизмы внутренней электризации [12] космической плазы могут проникать сквозь корпус КА и накапливаться в диэлектрическом материале печатной платы. При таком заряжении диэлектрика печатной платы возможны электростатические разряды непосредственно в токоведущие дорожки этой платы. Это непосредственная угроза активным элементам, распаянным к этим дорожкам.

Поскольку полностью решить проблему проникновения потоков электронов через внешние и внутренние конструкции КА, рассчитать такое взаимодействие и решить эту проблему без существенного увеличения массы космического аппарата невозможно, необходимо применить метод защиты диэлектриков печатных узлов бортовой аппаратуры от внутренней электризации, т.е. накопления заряда. Для этого необходимо использовать диэлектрик, обладающий нанопроводимостью, т.е. проводимость которого превышает 10-9 Ом-1м-1. Термин «нанопроводимость диэлектриков» был заявлен в работе [13] коллектива авторов в 2003 году, и здесь указывает только на величину проводимости. Развитию этой идеи посвящено данное диссертационное исследование.

Для более тонкого понимания явления внутренней электризации КА рассмотрим вопрос космической «погоды» и связанные с этим термином потоки высокоэнергетических электронов, способных проникнуть внутрь корпуса КА и привести к заряжению диэлектрических материалов электронных схем.

1.2 Влияние околоземной космической «погоды» на электризацию Фундаментальное значение в преодолении негативных факторов электризации имеют исследования, посвящённые выяснению особенностей космической «погоды», а именно, параметрам воздействия потоков электронов в районах радиационных поясов Земли. Наибольшую угрозу для функционирования бортовой аппаратуры КА представляет радиация, которая сосредоточена в околоземном космическом пространстве в области радиусом около 65 тысяч км, удерживаемая магнитным полем Земли. Данную геомагнитную ловушку для заряженных частиц космического излучения называют радиационным поясом (или поясами) Земли. Электроны с энергией 100 кэВ и больше образуют в геомагнитной ловушке две зоны. Эти зоны получили название внутреннего и внешнего естественного радиационного пояса Земли (ЕРПЗ) [14]. Между внутренним и внешним поясами наблюдается зазор или провал в интенсивности потока электронов.

Внутренний пояс располагается на высоте от 1000 км над поверхностью Земли до 13 000 км. Выше 13000 км и примерно до 65000 км располагается внешний радиационный пояс Земли с максимумом потока электронов (E > 40 кэВ) порядка 500 000 000 частиц/см2с на высоте около 16500 км.

Радиационные пояса представляют собой непрерывно изменяющуюся, динамичную систему, состояние которой зависит от состояния солнечной активности и процессов, которые реализуются в настоящий момент в магнитосфере Земли [14-16]. Экспериментальные данные указывают на то, что увеличение скорости солнечного ветра приводит к увеличению потока высокоэнергичных электронов на границе магнитосферы, и усиливается диффузия этих электронов внутрь радиационных поясов. Известно также, что во внешней магнитосфере интенсивность потоков электронов и протонов может изменяться в течение нескольких дней на несколько порядков [14].

Связь интенсивности потоков электронов с солнечным ветром даёт возможность предсказывать изменения космической «погоды», заранее прогнозировать «условия наихудшего случая» для функционирования БРЭА, так как солнечная активность, провоцирующая эти изменения, имеет циклический, повторяющийся характер.

Цикличность возрастания скорости солнечного ветра связана, в свою очередь, со следующими обстоятельствами. Известно, что Солнце вращается вокруг своей оси таким образом, что в области экватора оно вращается быстрее (период вращения около 25 суток), а на полюсах – медленнее (период вращения около 33 суток) [14]. Анализ данных со спутника «Радуга»

(1977-1978) показал, что во временных рядах данных интенсивности потоков релятивистских электронов содержится две основные гармоники. Одна гармоника имеет период около 27 суток, другая – около 31 суток.

Аналогичный анализ данных интенсивности потока электронов с энергией более 2 МэВ за период с 1986 г. по 1995 г. с КА «GOES» также позволил обнаружить две гармоники, но уже с периодами 26 и 30 суток. Наличие этих двух гармоник предполагает существование двух областей на Солнце, активность в которых определяет радиационные условия в околоземном пространстве. Первая область располагается вблизи экватора и совпадает с областью, где обычно наблюдается формирование солнечных пятен. Вторая область располагается в высоких широтах и совпадает с областью коронарных дыр на Солнце [14]. Таким образом, можно с достаточной достоверностью предсказывать ритмические перепады в плотности потоков электронов, особенно если учитывать ещё и суточные вариации.

Для этой цели широко применяются полуэмпирические модели потоков электронов, разработанные NASA (AE8 min, AE8 max) [17] и НИИЯФ МГУ. Эти модели созданы на основе массива данных, собранных на серии научных спутников в 1960-80ые годы. Аппаратура по изучению окружающей КА радиационной обстановки устанавливается по-прежнему, например IREM (Монитор измерения радиационной обстановки) на КА INTEGRAL, данные которого показывают как пишут авторы [18] качественное, но не количественное, совпадение измерений и модели на рисунке 1.3:

Рисунок 1.3 Сравнение данных полученных с измерительных каналов IREM S14 (протоны – нижняя линия) и TC3 (электроны – верхняя линия) с моделью NASA AE8/AP На основе этих моделей созданы различные программные пакеты, такие как SPENVIS (ЕКА), COSRAD (НИИЯФ МГУ), RADMODLS (NASA) и др., применение которых для расчета потоков электронов за определенной массовой защитой в эквиваленте алюминия на нескольких вариантах орбит описано в работах [19,20,23]. Зависимость толщины стенок от энергии электронов может быть посчитана по несколько модифицированной формуле Фламерсфельда, предложенной авторами в [16]:

пробег Х, г/см2; энергия электрона Е, МэВ Также глубина проникновения в алюминий (и в некоторые другие материалы) электронов с заданными энергиями может быть посчитана с помощью программного комплекса ESTAR[17]. Пример расчета приводится в [12] и показан на рисунке 1.4:

Рисунок 1.4 Зависимость глубины проникновения электронов в алюминий от их энергии. Следует заметить, что эффекты внутренней электризации будут наблюдаться для Следовательно, суть проблемы состоит в проникновении сквозь элементы конструкции и корпусов микросхем потоков электронов естественных магнитных поясов земли с энергиями от 100 кэВ до 2 МэВ, а также т.н. «электронов-убийц» - немногочисленных частиц с энергиями больше 2МэВ, защиту от которых, как и от высокоэнергетических протонов, в целом предусмотреть невозможно. Их воздействие может привести к критическим отказам.

учитывающей возможность воздействия на них потоков электронов с такой энергий, как например сделано на блоке аппаратуры АРН – вычислителя аппаратуры радионавигации, показанного на рисунке 1.5 [22], усиление защит корпусов микросхем в радиационно-стойком исполнении и обязательная разработка защитных алгоритмов на уровне программного обеспечения – т.е., необходимость разработки логики и архитектуры функционирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры с учетом отказа ее компонентов на уровне каждой микросхемы, а не только узлов в целом.

Такой подход к решению отказов на алгоритмическом уровне необходим в случае невозможности защитить чувствительные элементы приборов – это, к примеру, ПЗС-линейки звездных датчиков. Единичные частицы, преодолев защитное стекло, вносят искажения в картинку, которая должна быть неподвижной. Пример таких помех можно увидеть в работе [21] Т.В. Кондратьевой о приборе БОКЗ (блок определения координат звездный), посвященной испытаниям приборов для автоматической координации КА по звездам. Эти помехи, вызванные воздействием факторов космического пространства, представлены на рисунке 1.6.

Рисунок 1.5 Корпус блока вычислителя аппаратуры радионавигации [22] Рисунок 1.6 Кадр, зарегистрированный после солнечной вспышки 14 июля 2000 г.

прибором БОКЗ, установленным на геостационарном спутнике «Ямал-100»

В отличие от проблем, вызываемых протонами и решаемых в разделе прикладной науки посвященной радиационно-стойким материалам, внутренняя электризация вызывается электронами. Как отмечено в статье [14], на геостационарной орбите основным источником являются электроны ЕРПЗ и их тормозное излучение. Существенный вклад в «климат» на такой орбите осуществляют потоки частиц солнечных космических лучей (СКЛ).

При этом необходимо учитывать и влияние потоков галактических космических лучей (ГКЛ). В тоже время, по мнению авторов, «алюминиевая пластинка толщиной 0,01 г/см2 практически полностью поглощает все протоны ЕРПЗ на ГСО. По этой причине, также как и на орбите КА ГЛОНАСС, потоками протонов ЕРПЗ можно полностью пренебречь» [14] Уменьшают риск объёмной электризации в результате воздействия потока электронов экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ). Наружный материал ЭВТИ «непосредственно взаимодействует с космической плазмой и подвергается воздействию интенсивных потоков высокоэнергичных электронов ЕРПЗ. Это может привести к образованию объёмного электрического заряда внутри диэлектрического материала». А это в свою очередь нередко приводит к электрическим разрядам. Электромагнитное излучение, сопутствующее разрядам может вывести из строя бортовое электронное оборудование. Предотвратить такой ход события может металлизация поверхности диэлектрического материала. «Слой металлизации толщиной порядка 0,1 мкм обеспечивает сток объёмных электрических зарядов из полимерной плёнки на корпус КА. Сток зарядов обеспечивается за счёт радиационной электропроводности полимера» [15] Под радиационной электропроводностью понимают разность между суммарной измеренной электропроводностью при наличии ионизирующих излучений и исходной электропроводностью полимерного слоя. «Следует отметить, что сильное влияние на уровень электризации оказывают нелинейные свойства радиационной электропроводности полимерного слоя»[15] В заключение своей статьи авторы ещё раз подчёркивают роль скорости солнечного ветра для активации электронов ЕРПЗ. Скорость солнечного ветра может достигать 400 км/сек и выше (400 км/сек – 1 млн.

440 тысяч км/час) Для успешной защиты бортовой электронной аппаратуры авторы советуют учитывать все факторы космических излучений. Подводит итог исследованиям радиационной электропроводности при воздействии на КА обзорная статья коллектива ВНИИЭМ [68] Постоянной наблюдение за «космической погодой» продолжаются и по настоящий момент. За это отвечают спектрометры - измерители потоков электронов разных энергий, размещаемые на научных, метеорологических и спутниках связи. Это как метеоспутники системы GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite - геостационарный спутник наблюдения окружающей среды) – в настоящий момент это GOES 13 и 15, данные с которых доступны для всех исследователей в режиме реального времени [24] для обработки, сравнения потоков[34] и необходимых выводов для корректировки работы КА на орбите. Такие же измерения проходят на КА Электро-Л при помощи аппаратуры СКЛ разработки ИКИ РАН [25,26] и эксперимент Плазма-Ф на космической обсерватории Радиоастрон – КА Спектр-Р, данные с которых также доступны как в виде массивов значений на серверах НИИЯФ МГУ в сети интернет, так и в графическом виде как на рисунке 1.7, на сайте Института прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова [26].

Таким образом, воздействие внешней космической среды на функционирование КА связано с активностью радиационных поясов Земли, излучений, генерируемых солнцем, и галактическим космическим излучением. Естественно, что изучение космической «погоды» было и остаётся важнейшим направлением исследований, способствующих нейтрализации негативных последствий действия различного рода излучений в космосе на работу КА. Это касается как определения количественных характеристик, например интенсивности потока электронов, так и выявления механизмов усиления излучений разного рода в околоземном пространстве.

Рисунок 1.7 Данные СКЛ во время вспышки на Солнце 7-9 марта 2012 года[26] 1.3 Внутренняя электризация космических аппаратов В отечественной науке изучение воздействия космического излучения на материалы и электронное оборудование космических аппаратов датируется началом 60-х годов ХХ века. Они были организованы в НИИЯФ МГУ в Лаборатории ядерных реакций по просьбе С.П.Королёва. С.П.Королёв обратился к директору указанного института, академику С.Н. Вернову с просьбой выявить наиболее стойкие к воздействию космической радиации материалы для терморегулирующих покрытий. С течением времени круг исследовательских задач значительно расширился, и основной темой стало изучение электризации КА. В 1965 в НИИЯФ была создана Лаборатория космического материаловедения (ЛКМ) под руководством А.И.Акишина.

Исследования в ЛКМ осуществлялись по следующим направлениям:

разработка научно обоснованных методов имитации воздействия космических корпускулярных излучений на материалы и элементы оборудования КА и исследование их радиационной стойкости; разработка методов имитации воздействия на материалы ионосферной плазмы и проведение соответствующих испытаний; исследование процессов формирования собственной внешней атмосферы, её воздействия на материалы и элементы оборудования, находящиеся на внешней поверхности аппарата; разработка методов имитации потоков космической пыли и изучение воздействия таких потоков на материалы [27]. Как видно из формулировок основных направлений, значительное место в исследованиях ЛКМ уделено проблемам электризации оборудования КА, то есть внутренней электризации. Первые результаты изучения проблем воздействия космического излучения были отражены в публикациях того времени [28]. В обобщенной форме итоги первого этапа изучения воздействия космического излучения на элементы КА подведены в докладе А.И.Акишина [29].

электростатическим разрядам в объеме некристаллических диэлектриков, была и статья сотрудников Томского политехнического университета. В году был предложен критерий оценки плотности тока заряженных частиц, при которой возможна потеря электрической прочности среды вследствие её радиационной электризации [30]. По расчётам В.А.Стародубцева, для многих диэлектрических материалов значение критической плотности тока лежит в интервале 0, 1 – 1 нА см2 [31].

С начала 80-х годов, в связи с использованием спутников на геостационарной орбите, обнаружились совершенно новые типы отказов электронной техники и аномалий в работе аппаратуры на борту КА. Это потребовало интенсификации исследований воздействия космического излучения на элементы оборудования космических кораблей. Были разработаны новые методы исследований, а также была создана физикоматематическая модель электризации. Эта работа была осуществлена под руководством Л.С. Новикова и В.Н. Милеева. Существенное развитие получили методы имитации воздействия космического излучения в экспериментальных условиях. Результаты работы по совершенствованию методов изучения и соответствующей аппаратуры обобщены в ряде публикаций [22-32]. Электризация диэлектрических материалов КА может вызываться также электронами радиационного пояса Земли с характерными энергиями 1-10 МэВ. Электроны с такими энергиями проникают в диэлектрик на глубины до 1 см, создавая внедрённый электрический заряд.

Это явление называется объёмной электризацией КА, в отличие от случаев поверхностной электризации, обусловленной воздействием на КА магнитосферной плазмы, частицы которой могут проникнуть в диэлектрик на глубину 10-20 мкм [27]. В результате длительных и многочисленных сотрудниками, стало возможным установить основные закономерности явления объёмной электризации, провести классификацию наиболее часто используемых в конструкции КА диэлектрических материалов по уровню накопления объемного заряда, предложить методы предотвращения объемной электризации и вызываемых ею электрических разрядов [27]. Были соответствующие началу возникновения электрических разрядов. Интересно, что в лабораторных экспериментах пороговые значения составили 1013- электронов/см2, в то время как в космических условиях данный порог составил 1010- 1011 электронов/см Исследования электризации космических аппаратов, первоначально осуществляемые в НИИЯФ и на физическом факультете МГУ, впоследствии стали проводится и в другие исследовательских организациях и учреждениях, в том числе в МИЭМ. Важную роль в этом сыграла организация в МИЭМ соответствующих специализаций ещё в 1971 году, а затем и кафедры «Материалы электронной техники». Весьма полезным было издание коллективом авторов руководства для конструкторов [35].

Начало достаточно массовому исследованию проблемы внутренней и внешней электризации КА в США было положено в конце 70-начале 80 г.г.

ХХ века. A. Фредериксону принадлежит, видимо, наиболее ранняя работа, посвящённая воздействию радиационного излучения на диэлектрики, которая была опубликована ещё в 1974 году [36]. Впоследствии, в 70-80 г.г.

ХХ века, А. Фредериксон продолжил разработку проблемы воздействия различных видов излучения на диэлектрики, в частности, в 1983 году он публикует статью [37]. Наиболее значимым исследованием А. Фредериксона было участие в изучении проблемы спонтанного разряда различных диэлектриков под воздействием космической радиации. Это получило отражение в коллективном исследовании [38] и итоговой статье [39].

Последняя работа представляет наибольший интерес, так как там представлены данные об электризации и диэлектрическом разряде 16-ти образцов материалов, используемых в космической промышленности. Среди них текстолит, стеклотекстолит, тефлон, каптон и другие. Обе работы основаны на результатах натурных экспериментов на специальном спутнике CRRES [40], но более поздняя работа [39], опубликованная в 1992 году, содержит более подробный анализ воздействия космического излучения на различные образцы диэлектриков и включает результаты предыдущей работы. Обратимся к содержанию этого исследования.

Шестнадцать образцов материалов космической техники были подвержены воздействию излучений радиационных поясов Земли в течение 14 месяцев. Спонтанные разряды были зафиксированы в каждом образце и сравнивались с уровнями радиации, которые фиксировались одновременно с ними. В образцах с не металлизированной поверхностью разрядные импульсы наблюдались наиболее часто. Амплитуда большинства зарегистрированных импульсов была менее 50 вольт на резисторе 50 Ом.

Была отмечена слабая корреляция частоты возникновения импульсов с величиной потока электронов, и не было обнаружено никакой корреляции с величиной потока протонов [39, 43]. Исследование было выполнено при помощи специальной аппаратуры, размещённой на спутнике CRRES, которая обеспечивала фиксацию внутренних разрядов (Internal Discharge Monitor – IDM). Реальными объектами исследования были уменьшенные копии кабелей и электронных плат различной формы. Всего было зарегистрировано 4300 разрядных импульсов на 16 образцах в течение 14 месяцев. На указанном спутнике находились различные спектрометры, способные измерять космическое излучение, включающее электроны от 1 эВ до 10 МэВ.

Энергия максимально интенсивных потоков электронов лежала в диапазоне между 200 и 400 кэВ. Детально описаны образцы различных диэлектриков, их количественные параметры. Анализируя итоговую таблицу частоты разрядов в различных образцах, можно убедиться в справедливости вывода о том, что более подвержены разрядам диэлектрические образцы с не металлизированной поверхностью. Различия в количестве разрядов огромны.

Часть образцов практически вообще не была подвержена электрическим разрядами, в то время как некоторые образцы, например, FR (стеклотекстолит) испытал более 1,5 тыcяч (!) разрядов различной мощности.

Авторы цитируемой работы демонстрируют связь количества разрядов с формой (геометрией) исследуемых объектов и материалом, из которых они изготовлены. Наименее подвержены разрядам, согласно полученным данным, образцы, выполненные из каптона. Наихудшим материалом для КА, по мнению авторов исследования, является стеклотекстолит и его модификации.

Обсуждая изменения в уровне и частотности разрядов с течением времени, авторы исследования склонны связывать эти особенности разрядов (их неравномерность) с эффектом постоянного нахождения диэлектриков под давлением высокого напряжения, в процессе которого диэлектрики производят меньше частичных разрядов с увеличением времени [40]. В данной работе также содержится положение о различиях в величине временной постоянной затухания разряда в связи с различными периодами наблюдений. Авторы статьи воздерживаются от попыток объяснить данный феномен. Они лишь отмечают изменения временной «постоянной» затухания заряда в связи с длительностью наблюдения. В первые семь месяцев временная постоянная затухания импульса составляла 10 часов. После седьмого месяца временная константа падала до одного часа или даже менее В статье обозначены количественные параметры «безопасного»

флюенса электронов, который не нанесет существенного вреда аппаратуре КА. По этим данным, он составляет 5,5·105 электронов на см2 для десятичасового полета. Подводя итог исследованию, авторы делают вывод о том, что спонтанные диэлектрические разряды возможны, если плотность потока электронов на поверхности диэлектрика превышает 5 нА/см2. Кроме того, не было обнаружено связи между электростатическими разрядами и потоками протонов.

В рассматриваемом исследовании были поставлены основные проблемы, касающиеся внутренней электризации, и проанализированы основные понятия, посредством которых изучаются электростатические разряды в КА. В нём была показана существенная роль таких понятий, как «безопасный» поток электронов и порог безопасности для функционирования бортовых приборов. В последующих исследованиях изучение проблемы внутренней электризации приобретало новые формулировки, основные положения уточнялись, количественные данные проверялись для более длительных периодов наблюдения, но все же анализ данного вопроса шёл в русле основных понятий, выделенных А.

Фредериксоном и его коллегами.

Изучение проблем внутренней электризации в ХХI веке стало ещё более актуальным ввиду конструктивных изменений в отечественных космических аппаратах, которые теперь лишены герметичного термостатируемого контейнера, представлявшего собой существенный барьер для космических излучений.

Современные отечественные исследования внутренней электризации КА не обладают такой степенью интеграции и координации, которая имело место в 70-80 гг. и даже в начале 90 гг. ХХ века. Но, тем не менее, в нашей существования спутников. Важнейшим направлением этих работ является нейтрализация нежелательных эффектов внутренней электризации элементов бортового электронного оборудования. «По некоторым оценкам, от 40% до 50 % всех обусловленных ФКП неполадок на современных космических аппаратах связаны с действием статического электричества.

Электростатические разряды вызывают сбои и отказы в работе бортовой аппаратуры, постепенную деградацию свойств диэлектрических материалов и покрытий КА, и даже способны привести к полной его потере» [41, 69].

становится всё более востребованным предметом исследований, как в нашей стране [69,71], так и за рубежом. По мнению авторов работы [41], акцент в исследованиях сместился с поверхностной на внутреннюю электризацию, особенно критичную для элементной базы электронной аппаратуры.

Электрический заряд накапливается в диэлектриках электронных схем за счёт проникающих извне корпускулярных излучений, прежде всего электронов с энергией в несколько МэВ. В результате возможно возникновение ЭСР в непосредственной близости от электронных схем КА [41,70]. Именно внутренняя электризация признана причиной потери многочисленных спутников связи США.

Авторы рассматриваемой работы настаивают на разностороннем изучении проблемы внутренней электризации и практическом применении различных способов нейтрализации её нежелательных эффектов. Так, они отмечают продуктивность использования активной защиты от потока электронов, установленной на МКС. Активная антистатическая защита состоит в использовании генераторов низкотемпературной плазмы, с помощью которых удаётся удерживать потенциал КА относительно космической плазмы в приемлемых пределах [41]. Дальнейшая разработка активной защиты представляется перспективным направлением исследований. Возможности данного направления ещё далеко не исчерпаны, и здесь могут быть достигнуты позитивные результаты.

Среди них важное место занимает совершенствование методов определения параметров поражающих факторов и степени электризации. В это направление входит экспериментальное тестирование влияния электронных потоков на Земле и реальное измерение плотности потоков и степени внутренней электризации в космосе. Здесь важнейшей задачей является нахождение безопасного потока, то есть порога безопасности для работы аппаратуры КА. Анализ данных в течение длительного периода времени (иногда более 20 лет), полученных при помощи специальной аппаратуры, установленной на спутниках – важнейшее направление исследований.

Существенную роль в аккумуляции знаний о внешней и внутренней электризации КА и их распространении среди проектировщиков и специалистов-инженеров призваны сыграть специальные руководства НАСА, посвящённые указанным проблемам. Они содержат в себе информацию, (NASA HDBK4002, 1999 and NASA HDBK4002A, 2011) [12, 42], характеризующую процессы электризации и электростатических разрядов, и комплекс возможных мер, направленных на нейтрализацию нежелательных последствий внешней и внутренней электризации КА.

Важную роль в подготовке руководств сыграли работы ещё одного известного исследователя электризации КА Г. Гэррата, который достаточно активно исследовал проблему внутренней электризации, наряду с рядом других областей исследования. В обобщенном виде результаты исследования эффектов электризации на космических кораблях были изложены Г.

Гэррэтом в [55], а также вместе с его соавторами в виде одного из первых руководств НАСА[6]. В 1996 году Г. Гэррат и А. Уитлеси обновили данные об электризации космических кораблей.[56] Руководство НАСА позволяет унифицировать данные, полученные учёными, и сориентировать исследователя или проектировщика в широком диапазоне возможных способов преодоления последствий электризации. Так, в руководстве НАСА от 2011 года в начале даются определения основных понятий [12], затем рассматриваются процесс и факторы внутренней электризации, после этого анализируются количественные данные о функционировании приборов в условиях внутренней электризации. В разделе 4.1.2 руководства приводятся довольно подробные характеристики различных видов излучения, проникающего во внутреннее пространство КА.

Завершает руководство рассмотрение факторов, способствующих внутренней электризации - обобщающая схема, в которой отражены все объекты внутри космического корабля, подверженные электризации (электрические сети и схемы, электронные платы).

Существенное значение для изучения внутренней электризации и практического применения имеют также основные понятия, характеризующие данный процесс. Это диэлектрическая проницаемость материалов, их темновая электропроводность, электрическая прочность и время релаксации заряда [12].

Строго говоря, отмечают авторы Руководства, данные термины не совсем точны, так как в процессах электризации и последующих разрядах, негативно действующих на аппаратуру КА, участвуют не только диэлектрики, хотя роль последних в данных процесса очень существенна.

Большую роль в снижении уровня внутренней электризации играет экранирование посредством различных типов фольги. Каждый космический аппарат оснащён «клеткой Фарадея» различной толщины исчисляемой в алюминиевом эквиваленте в милах (mil). Завершает рассмотрение факторов, способствующих внутренней электризации обобщающая схема, в которой отражены все объекты внутри космического корабля, подверженные электризации (электрические сети и схемы, электронные платы, подложки электронных плат).

Как уже отмечалось, фундаментальное значение для изучения внутренней электризации и практического применения имеет также основные понятия, характеризующие данный процесс. «Это диэлектрическая постоянная материалов или их проницаемость, которая есть сравнительная величина, показывающая соотношение электрического поля внутри материала и в вакууме» [42] Сюда же относится темновая проводимость, диэлектрическую прочность, удельное сопротивление, плотность и временная константа (затухания, релаксация заряда).

Большое значение уделяется описанию ряда явлений, сопутствующих процессам внутренней электризации, и их определению. Например, понятию субштром (электронный), или суббуря, посвящён специальный раздел, также как и явлению объемного разряда в диэлектрике. Кроме описания физических процессов и их количественных параметров, руководство содержит рекомендации по использованию/не использованию тех или иных материалов при создании КА. В нём содержится список пригодных материалов для создания КА с их характеристиками и список материалов, не рекомендуемых для применения в космической промышленности. Есть в руководстве и данные об относительно безопасных с точки зрения внутренней электризации условиях полёта КА, например, параметры «безопасного» потока электронов.

Наряду с созданием руководств, способствующих более эффективной исследования, посвящённые внутренней электризации КА. Остановимся на анализе содержания некоторых из них.

В настоящее время основные исследования посвящены изучению воздействия электронов на внутреннюю электризацию КА, выявлению оптимальных свойств и параметров диэлектриков, используемых в космической промышленности. Так, коллектив авторов, среди которых был А. Фредериксон, изучал удельное сопротивление диэлектриков, используемых в печатных платах электронных приборов [43]. В этой работе достаточно подробно показаны трудности, с которыми сталкиваются исследователи при измерении той или иной характеристики материалов.

Н. Грин и его коллеги измерили исходное удельное сопротивление материалов и отметили, что данная величина может изменяться при эксплуатации материалов в космосе и отличаться от стандартных показателей, полученных в результате экспериментов. Они полагают, что данный вопрос имеет фундаментальное значение и нуждается в дальнейшем исследовании. В определенной степени, изменение удельного сопротивление проливает свет на загадку двух значений временной постоянной, о которой речь шла ещё в статье Фредериксона 1992 года. Но всё же, с чем связаны, в конечном счёте, различные показатели постоянной времени релаксации заряда – пока не ясно. Определенно можно сказать одно – результаты измерений в эксперименте на Земле и в космосе не всегда совпадают.

Поэтому вывод статьи о том, что сопротивление этих материалов может изменяться, и изменяться существенно, в соответствии с воздействием космического излучения [43], достоверен и подтверждается выводами других исследователей. Изменения, происходящие с удельным сопротивлением и, соответственно, с постоянной времени релаксации заряда, их характер и возможные причины существенны для рекомендации использования того или иного материала для длительных полётов в космосе. Вполне возможно, что физические свойства материалов могут изменяться со временем в результате комплексного воздействия в космосе всех факторов. Вопросы, связанные с различными количественными характеристиками временной постоянной, рассматриваются и в последующем изложении при анализе работы М.Бодэ [44].

неожиданные результаты. Так, например, величина потенциалов на экранновакуумной тепловой изоляции с покровной тканью из астрокварца (кварцевая ткань, образованная переплетением большого количества нитей) в космосе не согласовывалась с результатами, полученными перед полётом в условиях эксперимента (данные со спутника SCATHA). Если лабораторные наземные испытания показали, что кварцевые ткани заряжались до максимального потенциала, равного нескольким сотням вольт, то результаты полётных испытаний привели к величинам потенциалов порядка 1600 - 3500.вольт.

Наиболее полно, всесторонне и обобщенно натурные исследования влияния высокоэнергетических электронов на процессы внутренней электризации проанализированы в работе М.Бодэ [44]. На сегодняшний день это наиболее новое и достаточно информативное исследование проблем, связанных с внутренней электризацией.

В своей работе М. Бодэ стремится свести воедино различные аспекты проблемы внутренней электризации: определение «безопасного» потока электронов, «наихудшие условия» для полётов КА, существенное различие количественных величин некоторых параметров диэлектриков в экспериментальных и «натурных» условиях. Высокая степень электризации диэлектриков внутри корпуса космического аппарата рассматривается в данной статье в качестве основной причины неисправностей на спутниках.

Спутник на геостационарной орбите за 10 часов полёта дважды проходит через районы интенсивных электронных потоков в радиационных поясах Земли. Автор полагает, что интенсивные потоки излучений являются важнейшей причиной выхода из строя аппаратуры КА в результате электростатических разрядов. Согласно его исследованиям, существуют явная корреляция между плотностью электронов в потоке и количеством электростатических разрядов. В процессе анализа М.Бодэ пытается доказать правильность и надёжность одной из наиболее используемых рекомендаций руководства НАСА - положения о «безопасном потоке», то есть о параметрах электронного потока, ниже которого возможна безопасная эксплуатация космических аппаратов. Уровень безопасного потока был определён в фA/см2 [44]. При таком уровне внешнего потока нет риска внутренней электризации, и данные показатели могут считаться критерием безопасности для работы космических аппаратов. В последующем изложении автор приводит данные о выходе из строя КА, анализирует причины выхода из строя КА, а также рассматривает факторы, способствующие чрезмерной электризации, и меры по нейтрализации этого деструктивного явления.

В рассматриваемой статье приводятся многочисленные случаи неисправностей и отказов в работе оборудования, вызванных внутренней электризацией в результате воздействия повышенных потоков электронов (всего их анализируется 26). В работе [44] отмечается, что для восполнения пробелов в экспериментальных данных необходимы были длительные экспериментальные исследования. Они были осуществлены с целью установления параметров «безопасного потока» при помощи спутника (CRRES), на котором была установлена специальная аппаратура, осуществлявшая контроль за внутренними разрядами (IDM). Платы и кабели, используемые в эксперименте, имели уменьшенные размеры, но были сделаны из тех же материалов, которые используются в реальных конструкциях. Экранирование этих образцов было обеспечено слоем экспериментального полёта спутника со специальной аппаратурой было выявлено следующее. Во время полета вне зоны потока электронов выше 2·1010 электрон/см2 (что эквивалентно непосредственной плотности фA/см2) не возникало разрядов. Поскольку спутники летают по 10 лет и больше, то и поток, безопасный для десятичасовой экспозиции, возможно, не будет таковым для более длительных полётов.

Для выяснения условий более надежной работы аппаратуры, были собраны данные об электризации материалов, используемых в КА. В процессе анализа данных выяснилось, что ключевым параметром, определяющим накопление зарядов, является объёмное удельное сопротивление и связанное с ним время релаксации заряда, которое является произведением объёмного удельного сопротивления и диэлектрической постоянной. Данные, собранные НАСА для основных материалов, используемых при создании КА, показывают, что время релаксации заряда варьируется от нескольких минут до 3 часов в процессе десятичасового воздействия «наихудших условий». На основании достигнутых результатов планировались долгосрочные полёты. Таким образом, постоянная времени релаксации заряда может иметь определяющее значение при выборе материала для конструирования КА. Но, как показали исследования А.Фридерексона и его коллег ещё в 1992 году, данный параметр может изменяться с течением времени. Другими словами, количественные показатели времени релаксации заряда могут быть различными в разные периоды полёта.

М. Боде также получил данные, отличные от тех, которые приводятся в руководстве НАСА выпуска 1999 года. Эти данные остались без изменения и в руководстве НАСА 2011. Итак, М. Бодэ, используя результаты измерений потенциалов диэлектриков бесконтактным методом, на спутнике CRRES получил иные количественные показатели. Постоянная времени для оксида алюминия составила 21 час, для FR4 - 5 дней и 339 дней для тефлона, в то время как в руководстве НАСА приведены значения 0,8 сек, 2,1 часа и 2, дня соответственно [44]. Это показывает, что объёмное удельное сопротивление диэлектриков, выдержанных длительное время в вакууме значительно выше, чем в наземных экспериментальных измерениях. В процессе анализа проблемы «безопасного потока электронов», выяснения материалов, автор детально анализирует данные со специальных спутников, полученные за 20 лет наблюдений. В частности, он отмечает недостаточность 2,6 мм (Al) защиты для материалов с очень большой временной постоянной релаксации (более 3 недель).

Итоги исследования М.Бодэ состоят в утверждении безопасных границ эксплуатации электронного оборудования на КА. Это напряжённость электрического поля порядка 100-200 кВ/см или плотность заряда 6- нКл/cм2. Далее, по мнению М.Бодэ, для эксплуатации оборудования наибольший риск представляют не максимальные (наихудшие) значения плотности потока излучений в течение 24 часов, а электронные возмущения Исследования воздействия наихудших условий за 10 или за 24 часа не дают возможности оценить риски для длительных полётов. Таким образом, толщина экрана в 2,6 мм алюминия не гарантирует успешную работу приборов, если постоянная времени релаксации заряда очень велика (сотни часов).

исследователей. Этой проблеме регулярно посвящаются международные конференции. Материалы международных конференций демонстрируют расширение географии исследований. В ХХI веке проблему внутренней и внешней электризации КА изучают в КНР, Индии, Японии [45,46] и даже в Аргентине [47]. Естественно, что данный вопрос также находится в фокусе объединенением разработчиков стандартов для космоса (ECSS) выпускаются документы, такие как стандарт ECSS-E-ST-20-06C, посвященный электризации КА[48]. Конечно, следует отметить, что по сравнению с руководством НАСА он имеет более общий характер описаний явлений, космическим аппаратам разработки ЕКА.

Последняя конференции, посвящённая электризации КА, двенадцатая по счёту, была проведена в Китакиусуи (Япония) 14-18 мая 2012 (Spacecraft Charging Technology Conference). Анализ докладов, представленных на конференцию, даёт возможность выделить перспективные направления исследований в этой области. Ряд из них продолжает изучение проблем, которые ранее были под пристальным вниманием учёных, работающих в этой области. В первую очередь необходимо отметить большое внимание исследователей к феномену космической погоды. Среди них выделяются работы японских и вьетнамских исследователей По-прежнему фундаментальную роль играют натурные исследования электризации в условиях космических полётов и последующий анализ и интерпретация данных, полученных с КА. Выделим доклады, посвящённые исследованиям на новых спутниках России и США[49, 50] В тоже время Г.Гэррат был одним из тех, кто открыл новую область исследований – изучение явления электризации у других планет. Уже в году он вместе с К.Пайком организует сборник «Космические системы и их взаимодействие с околоземным космосом» [51] В последующие годы Г.Гэрат изучает особенности космического излучения в окрестностях Сатурна, Юпитера и проводит сравнительный анализ степени электризации у Земли, Юпитера и Сатурна [52] Для решения этой задачи он использует данные со спутника Галилео. Данное направление исследований электризации КА получило развитие в 2012 году в виде доклада о пространства [53] Важность подобных исследований, которые имеют перспективный характер и рассчитаны на будущее практическое использование, подчёркивается в США созданием специального подразделения НАСА [54].

Оно имеет своей целью «улучшение нашего понимания взаимодействия материалов (КА) и космической среды» [54] В компетенцию данной организации входит изучение космического окружения - погоды (климата) и её воздействия на функционирование КА в межпланетном и околопланетном пространстве. Сокращённое название этой группы учёных SENSE (space environment and spacecraft effects) организация. Данной организации приданы три группы технической поддержки (TWG) для создания научных продуктов и распространения знаний способствующих лучшему функционирования КА.

Технические группы имеют следующие наименования и соответственно направленность деятельности: «практика электризации», «эффекты космической среды» и «межпланетная космическая окружение». В центре внимания исследовательской группы внутренняя электризации, возникающая в результате воздействия космической среды. Объектами внимания указанной организации являются разработка материалов соответствующих межпланетным космическим условиям и компьютерное обеспечения моделирования процессов существующих в межпланетном пространстве [54].

1.4 Меры борьбы с поражающими факторами электризации Одним из интересных направлений отечественных исследований является поиски группой учёных снижения воздействия потока электронов на внутреннюю электризацию КА посредством защиты оборудования при помощи неорганических стеклообразных покрытий особого состава. В качестве средства для защиты от потока электронов была выдвинута идея использовать для этой цели объёмный заряд, который может годами сохранятся в облученном неорганическом стекле. Один из разработчиков данного положения В.В.Цетлин в 1998 году защитил докторскую диссертацию «Взаимодействие электронов со стеклообразными диэлектриками применительно к радиационной защите космических аппаратов» [59] Несколько ранее вышла статья, написанная коллективом авторов «Снижение дозы радиационного излучения за слоями заряжающихся диэлектриков» [58] В ХХI веке исследования в этом направлении были способствующих радиационной защите – «радиоэлектретах». [57-59] диссертационная работа Махотина Д.Ю. «Эффекты накопления объёмного электрического заряда в стеклообразных диэлектриках применительно к проблеме радиационной защиты систем жизнеобеспечения космических аппаратов» (2006) [62]. Общая цель исследования указанного автора «изучение процессов поверхностной и объёмной электризации диэлектриков при облучении заряженными частицами позволяет предвидеть возможные негативные явления во время эксплуатации космического аппарата (КА) в условиях воздействия ионизирующего излучения естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ)»[62]. В работе Д.Ю.Махотина поддерживается тезис о возможности использования такого явления как накопления объёмного заряда в качестве защиты от потока электронов, ослабления его мощности. «Применение диэлектрических материалов, способных накапливать объёмный электрический заряд непосредственно во время полёта КА, может позволить повысить эффективность защиты, не увеличивая массу покрытий.» [62] В последние годы были синтезированы многокомпонентные боро- и силико-фосфатные стёкла, способные выполнять защитную функцию от излишней внутренней электризации элементов оборудования КА. Проведённые исследования и последующие расчёты показали, что «наличие электрического поля объемного заряжения в стеклянных покрытиях приводит к уменьшению поглощённой энергии за счёт дополнительного ослабления потока электронов. Наиболее эффективно ослабляется мягкая часть спектра – до 50-70 %». [61,62] На жёсткую часть спектра подобная защита действует менее эффективно.

Но, тем не менее, «проведённые исследования тонких образцов стёкол показали, что после облучения на ускорителе электронов в них сохраняется объёмный электрический заряд с напряжённостью поля порядка 1,5 МВ/см при разности потенциалов 80-90 кВ, что приводит к уменьшению коэффициента прохождения на 10-12 %» [62] Ещё одно возможное направление совершенствования мер защиты оборудования КА от космического излучения и, соответственно, особый путь исследования данной проблемы содержится в работе Бабкина Г.В., Иванова В.А., Морозова Е.П. [63]. Авторы отмечают актуальность поиска новых мер защиты от электростатических зарядов и приводят примеры выхода из строя дорогостоящих спутников в результате указанного явления (например, японский спутник «Эхо»). Не отрицая возможностей других подходов к решению проблемы внутренней электризации, они считают, что необходимо применять активные газоплазменные методы защиты КА. В качестве возможного кандидата на роль нейтрализатора заряда от потока электронов предлагаются электроотрицательные газы (ЭОГ) для подавления электростатических разрядов, обусловленных внутренней электризацией изделий. Типичным представителем этой группы газов является гексафторид серы SF 6. Этот газ успешно используется в высоковольтных переключателях.

Для проверки своих предположений авторы исследования провели ряд экспериментов.

антистатической эффективности ЭОГ, в частности, элегаза, для защиты от разрядов в бортовой радиоэлектронной аппаратуре КА, обусловленных ее внутренней электризацией, в ЦНИИ машиностроения был проведен цикл экспериментов с зарядкой различных диэлектрических и металлдиэлектрических образцов электронным пучком (энергия электронов 20 - кэВ, плотность тока ~ 10-8А/см2) в разреженной среде газов, в том числе ЭОГ, при их давлении в рабочей камере 10-4 - 10-3 мм.рт.ст. В качестве образцов использовались пленки полиэтилена, полиэтилентерефталата и лавсана на металлической подложке, а также типовые печатные платы с микросхемами [63].

Показано, что в среде SF 6 при давлении около 10 -4 мм. рт. ст. потенциал образцов значительно снижался (до ~ 50%), а частота следования разрядов уменьшалась более чем на порядок, при этом оставшиеся редкие разрядные импульсы были в 2 - 3 раза слабее первичных по амплитуде. Менее значительное и менее устойчивое антистатическое действие оказывал также воздух, в составе которого присутствует электроотрицательный газ кислород; практически никакого воздействия не оказали другие газы (N 2, Ar), взятые для сравнения. Безусловно, что предложенный способ защиты от негативного влияния потока электронов на бортовую аппаратуру нуждается в натурных испытаниях в космосе. Но, тем не менее, данный подход может рассматриваться в качестве одного из направлений поисков путей нейтрализации факторов, вызывающих внутреннюю электризацию элементной базы КА.

Также существует подход, согласно которому можно избежать накопления заряда от потока электронов в объеме диэлектрика путем повышения его радиационной электропроводности. В русле этого подхода осуществлялись исследования А.Б.Соколова, которые были обобщены в его радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электростатических разрядов» (2009) Важную роль в исследованиях А.Б.Соколова, А.П. Тютнева [64-66] играет развитие теории радиационной электропроводимости полимеров внешней поверхности КА и на этой основе сформулирован принцип минимальной радиационной электропроводности (МРЭ), что в свою очередь даёт возможность расчёта электрических полей в ЭВТИ. [66] Автор исследования приводит также параметры электрических разрядов на космических аппаратах. «Основные характеристики электрических зарядов на КА следующие:

разность потенциалов до 20 кВ; токи разрядов до 100 А ;

длительность фронта ЭСР от 10-9 до 10-7 с ;

При типовой длительности разряда и его фронтов длина излучаемых электромагнитных волн составляет 3-300.[67] В диссертации А.Б.Соколова собраны данные об электризации элементной базы БРЭА под воздействием излучений ЭСР. В принципе, поглощённая энергия индуцируемая электромагнитными импульсами может иметь и другой источник происхождения. Итак, при поглощённой энергии 10-7-10-8 Дж появляются сбои в работе БРЭА, при энергии 10 Дж происходит выгорание диодов в работе или выгорание линейных интегральных схем, при энергии 10-5 Дж – сбои в работе и выгорание маломощных транзисторов и интегральных схем на биполярных транзисторах, при энергии транзисторов средней мощности, конденсаторов и диодов».

Рассматривается два основных пути выхода из строя аппаратуры КА.

Первый – в результате электромагнитных излучений, которые являются следствием поверхностного ЭСР. И второй – в результате объёмной электризации элементной базы БРЭА. «Как показали модельные лабораторные исследования и исследования, проведённые в натурных условиях эксплуатации КА, - отмечает автор, - поверхностные ЭСР возникают, когда напряжённость электрического поля между элементами поверхности КА достигает значения 107 В/м, или когда разность потенциалов между металлическим проводником и заряженным диэлектриком превышает 500 В. Объёмные ЭСР возникают, когда напряжённость электрического поля в объёме диэлектриков превышает уровень 2·107 В/м». [67] В ней последовательно отслеживается определённая взаимосвязь меду этими двумя видами разрядов и сформулировано положение о целостном подходе к проблеме электризации КА.

Ещё одним направлением в изучении электризации КА с целью нейтрализации её негативных последствий является создание новых материалов для элементной базы бортовой аппаратуры, в частности, материалов для электронных печатных плат. В связи с этим предложена новая концепция защиты современных космических аппаратов от поражающих факторов электризации – концепция «нанопроводимости диэлектриков» в дополнение к предыдущей «клетке Фарадея», которая с успехом использовалась для создания защиты от поражающих факторов электризации бортовой радиоэлектронной аппаратуры КА предыдущего поколения. По сути, это использование не радиационной, а темновой электропроводности для защиты применяемых диэлектриков. В основу предложенной концепции положено требование, ограничивающее применение в КА диэлектрических материалов с проводимостью ниже значения 10-9 Ом - 1м-1. Выполнение этого требования обеспечит сток зарядов из объема диэлектриков без электростатических разрядов, и, таким образом, создаст адекватную защиту КА [14]. Дальнейшее развитие изучения радиационной электропроводности было изложено в работе А.П. Тютнева и авторов [68], посвященной квалификации материалов для составных частей КА на его поверхности.

В заключении анализа подходов к исследованию факторов внутренней электризации КА и путей её нейтрализации в исследованиях и практики конструирования, можно выделить несколько важных моментов, на которые делают акценты учёные и создатели космических кораблей. Первое, что обращает на себя внимание – это создание разного рода руководств на основании работ американских и отечественных учёных и мирового опыта, цель которых – донести до специалистов-практиков результаты научных достижений. В работу над такими руководствами вовлечены десятки и сотни учёных, специалистов в узких областях исследований. Второй момент, на котором хотелось бы остановиться, это экранирование спутников и правильный подбор материалов, из которых изготавливаются электронные платы и кабели, из которых, в свою очередь, создаётся аппаратура КА. Для получения всесторонней информации о поражающих факторах космических излучений и их воздействии на материалы КА, в США и России развёрнуты многочисленные исследования. Проводится экспериментальное тестирование и определение характеристик материалов на Земле и соответствующее математическое моделирование процессов, которые могут иметь место в космосе. Но более важны, как показали многие исследователи, натурные испытания и определения различных параметров материалов в реальном космическом полёте. При этом довольно интересными и значимыми оказались результаты длительных исследований воздействия продолжались 5, 10 и даже немногим более 20 лет. Испытания материалов в количественных характеристиках, используемых в космонавтике материалов. Особенно поучительной является история изучения удельного объёмного сопротивления и постоянной времени релаксации заряда.

соответственно, временная постоянная в космосе отличаются от тестовых замеров на Земле, и причём очень существенно, в разы, как это имеет место при снижении радиационной электропроводности полимеров с набором дозы облучения [64]. Результаты проведенных испытаний очень важны для отбора материалов, пригодных для длительной эксплуатации в составе КА.

В 21 веке значение космических аппаратов самого различного назначения существенно возросло. В настоящее время во втором десятилетии 21 века от успешного функционирования спутников зависит не только мобильная связь, прогноз погоды, передача телевизионного сигнала и функционирование финансовых сетей, поддерживают международные системы банковской оплаты и ещё многое другое. Выход из строя спутников, потеря с ними связи, всевозможные отказы в работе БРЭА парализуют те или иные сегменты экономики, приносят огромные убытки.

Естественно поэтому, что изучение электризации КА, особенно внутренней как наиболее частой причины выхода КА из строя остаётся актуальной темой исследований во многих странах мира.

В числе перспективных направлений исследований по-прежнему остаётся разработка более совершенных методов тестирования элементной базы электронной аппаратуры, усложнение методов экспериментального воспроизведения ситуации «наихудших условий» на геостационарных орбитах, совершенствование материалов из которых сделаны электронные платы, специально изучается воздействие температуры (в том числе сверхнизких) на оборудовании КА. Расширились география исследований внутренней и внешней электризации. Если раньше в ХХ веке это были в основном США и Россия (СССР), то во втором десятилетии ХХI века странучастников изучения проблем электризации стало намного больше. Стали регулярно проводиться международные конференции, посвящённые внутренней и внешней электризации КА. Существенную роль в указанной области исследований играет изучение именно внутренней электризации.

диссертационного исследования.

Целью диссертационной работы является повышение устойчивости космической бортовой аппаратуры к поражающим факторам внутренней электризации за счет разработки метода повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к возникновению электростатических разрядов путем применения в печатных узлах диэлектрика, обладающего нанопроводимостью.

Для достижения поставленной цели было необходимо последовательно решить следующие задачи:

1. Выполнить обзор и анализ причин возникновения и существующих методов защиты БРЭА космических аппаратов от процессов внутренней электризации и сопровождающих её электростатических разрядов и сформулировать целевую задачу. На основе анализа этих методов сформулировать новое направление для устранения внутренней электризации БРЭА КА. Это направление предполагает использование в качестве диэлектриков печатных узлов бортовой аппаратуры КА диэлектриков, обладающих нанопроводимостью.

2. Провести компьютерное моделирование работы типового цифрового устройства мультивибратора для обоснования возможности замены традиционных диэлектриков печатного узла на диэлектрики, обладающие нанопроводимостью и исключающие возможность возникновения электростатических разрядов при электронном облучении.

3. Разработать методику и изготовить модельный диэлектрик, обладающий требуемым значением объемной проводимости для исключения возможности возникновения электростатических разрядов при электронном облучении.

4. Разработать методику и выполнить тестовые эксперименты по определению электризуемости модельного диэлектрика под действием электронного облучения в вакууме, в условиях близких к натурным условиям эксплуатации. Запатентовать предложенное в диссертации техническое решение.

5. Разработать методику экспериментальных исследований типового цифрового устройства мультивибратора путем применения модельного диэлектрика с нанопроводимостью, и провести сравнение с результатами компьютерного моделирования.

6. Разработать метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к ЭСР, выполнить экспериментальную проверку метода, провести оценку влияния повышенной проводимости диэлектрика печатной платы на характеристики БРЭА.

Таким образом, в данной работе будет обоснован один из способов преодоления негативного влияния внутренней электризации.

Глава 2 Схемотехническое моделирование воздействия материала с заданными свойствами на работу типового электронного устройства – мультивибратора.

В предыдущей главе были рассмотрены основные направления исследований, посвящённые преодолению негативных эффектов объёмной электризации элементной базы БРЭА КА и был представлен один из путей решения данных проблем, состоящий в совершенствовании диэлектрической составляющей БРЭА КА. Таким образом была поставлена целевая задача всего исследования доказать возможность существенного снижения влияния негативных эффектов внутренней электризации на аппаратуру КА путем совершенствования диэлектрических материалов корпусов элементов, печатных плат. Но для того чтобы приступить к применению таких материалов необходимо проделать значительный объём предварительных работ, состоящих в использовании математического аппарата для расчетов параметров исходных состояний и последующих изменений исследуемых материалов, а также провести компьютерное моделирование работы типового цифрового устройства мультивибратора для обоснования возможности замены традиционных диэлектриков печатного узла на диэлектрики, обладающие нанопроводимостью и исключающие возможность возникновения электростатических разрядов при электронном облучении. В данной главе будет рассмотрена задача расчетно-теоретического и схемотехнического моделирования воздействия такого материала на работу типового электронного устройства – мультивибратора.

возможности её решения в общем виде, то есть создания расчетноматематической модели исследуемых процессов. В первую очередь это электропроводности диэлектрика печатной платы изучаемого прибора типового цифрового устройства (мультивибратора) При изучении явления заряжения поверхностей диэлектриков в элементной базе БРЭА (в частности, печатных плат) необходимо провести расчет токов, стекающих на проводники и заделки с фиксированным потенциалом из облучаемой диэлектрической поверхности определенной толщины с заданной удельной объемной электропроводностью d (темновая). Ввиду особенностей космического полёта, радиационная электропроводность мала и её вкладом в общее протекание процесса электризации можно пренебречь.

В таком случае, сток заряда на электроды обеспечивается за счет d, которая может рассматриваться как постоянная величина. Проблема сводится, таким образом, к решению соответствующей задачи по расчету распределения полей и токов в квазистационарном приближении для нестандартной геометрии электродов.

Увеличивая темновую электропроводность диэлектрического материала, можно добиться полного устранения его заряжения и радиоэлектронном устройстве. Но возникает другая проблема, связанная с токами утечки с подводящих проводов на корпус космического аппарата или между проводниками, находящимися под напряжением. По условиям эксплуатации оборудования это может оказаться недопустимым. Таким образом, необходимо уметь рассчитывать токи, протекающие между активными элементами радиотехнических устройств по поверхности электропроводностью, причем делать это нужно для произвольной геометрии электродов. Для этой цели полезно использование аналогии изменяющимся во времени). Рассмотрим постановку задачи в общем виде.

2.1 Расчетно-теоретическая модель погруженных в слабо проводящую среду с электропроводностью d и находящихся под постоянным напряжением V 0. Требуется найти величину определение тока по техническим причинам невозможно (ток мал, а увеличение напряжения для его усиления недопустимо).

Рассмотрим теперь ситуацию при замене постоянного напряжения на переменное с угловой частотой и незначительной амплитудой V m, много меньшей допустимого напряжения. В анализируемой системе опять пространстве, также гармонически изменяющихся во времени. При выборе распределение полей и токов можно пренебречь (ее роль переходит к величине = 0, где 0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Силовые линии тока в случае переменного напряжения ( j D / t, пространственную структуру, что и силовые линии тока в случае постоянного напряжения. В частности, и те и другие ортогональны границам (поверхностям) проводников. В случае переменного тока нас, естественно, интересуют соотношения амплитуд токов и напряжений, а не фазовые соотношения между ними (напряжение опережает ток на 90).

электростатике при отсутствии объемных зарядов и внутри проводника для токов проводимости. Вектор электрической индукции D в электростатике (=0) и вектор плотности тока стационарного процесса j подобны друг другу. Имеет место и подобие граничных условий.

Понятию емкости C (на постоянном токе) в электростатике металлических тел имеем в электростатике C q /, а при наличии слабой проводимости G I /, где - разность потенциалов. Величина, обратная G есть сопротивление среды между двумя проводниками.

Аналогия является полной, поскольку потоки векторов D и j через поверхность, охватывающую один из проводников, равны соответственно полному заряду q на нем и полному току I, втекающему в него.

Отсюда сразу следует важное интегральное соотношение:

Таким образом, рассчитав емкость системы в электростатике или измерив ее электротехнически на частоте 1 кГц (они практически совпадают в пределе 10-30 % для большинства диэлектриков, что вполне достаточно для технических целей), можно оценить ток утечки через изоляцию. Для емкости C = 0.01 мкФ и d = 10-9 Ом-1м-1 ( = 3.0) найдем, что G = 3.8х10-7 Ом-1 или сопротивление R = 2.6·106 Ом (2.6 МОм).

На этом же принципе базируется моделирование электростатических полей в электролитической ванне. При таком подходе проводники требуемой формы помещают в электролит и, создав нужные потенциалы, измеряют плотность тока в различных участках объема. Использование формулы (1) позволяет существенно упростить проведение подобных испытаний. Теперь достаточно измерить емкость в системе двух проводников на воздухе и по заданной проводимости диэлектрика сразу рассчитать величину сопротивления R, а по нему и ток I, используя закон При аналитическом решении задач, типичных для технологии печатных плат, часто применяется двумерное приближение (токи утечки через тонкую диэлектрическую пленку), которое в свою очередь позволяет воспользоваться мощным аналитическим аппаратом метода конформных отображение из теории функций комплексных переменных. Одна из решенных нами задач может быть сформулирована следующим образом.

Для двух проводящих цилиндров с параллельными осями имеем следующее выражение для проводимости на единицу длины цилиндров Здесь R1 и R2 - радиусы цилиндров, а D - расстояние между их осями.

Проводимость цилиндра и плоскости, разделенных расстоянием, равна Если же речь идет о плоской проводящей пленке с удельной поверхностной проводимостью, то для нахождения G нужно использовать формулу (2.2) с заменой Для двух проводящих сфер в слабо проводящей среде получено В качестве последнего примера рассмотрим решение еще одной типовой задачи, которая допускает применение метода конформных отображений (рис. 2.1). Здесь верхний и нижний электроды - это плоские проводящие поверхности, нормальные к оси y ( y = 0 и 2 L ) и находящиеся под потенциалом земли. Проводящая полуплоскость ( y =0, x a ) также заземлена, а другая проводящая полуплоскость ( y =0, x a ) находится под проводящей средой. Рассчитывается ток утечки на единицу длины по оси Z между двумя внутренними электродами.

Рисунок 2.1 Схема расположения электродов при рассмотрении задачи расчета тока В работе [72] был получен точный результат для пространственного распределения поля и плотности тока. На основании этих результатов, применим значение величины полного тока утечки I между внутренними электродами. Полученное решение имеет вид и B=exp(2a/L)1. При a/L3 формула (2.5) упрощается Поле в зазоре (y=0, a x a) чисто тангенциальное и растет до бесконечности при приближении к его краям, но его интеграл по x сходится и равен, естественно, V 0. При L ток также неограниченно возрастает, отражая тот факт, что объем области пространства с отличным от нуля полем растет.

При использовании рассмотренной выше аналогии (уравнение 2.1) следует иметь в виду, что условие полного заполнения пространства, в котором электрическое поле не равно нулю, слабо проводящей средой обязательно. При измерении взаимной емкости двух проводниковых тел для индукции поля D доступно все пространство (у воздуха реальной геометрии слабо проводящая среда зачастую заполняет лишь набольшую его часть. Следует уточнить, что оценивая ток утечки между двумя проводящими полосками, на диэлектрической подложке печатной платы, необходимо отдавать отчет в том, что ток проводимости проходит только через подложку, а воздух тока не проводит. Поэтому необходимо вносить поправку в сторону уменьшения теоретического значения, ориентируясь на полуколичественные оценки [73]. Для внутренних проводников многослойных печатных плат такие поправки естественно не нужны.

2.2 Экспериментальное получение исходных данных для расчетнотеоретической модели Экспериментальное получение исходных данных для расчетнотеоретической модели оптимизации величины удельной объемной электропроводности радиодиэлектрика печатной платы типового цифрового устройства (мультивибратора) проводилось двумя независимыми методами:

- проводился компьютерный расчет выходного сигнала симметричного мультивибратора по принципиальной схеме рис. 2.2 с помощью программы расчета электронных схем LTspice IV;

- выполнялось макетирование симметричного мультивибратора, и затем выходной сигнал регистрировался с помощью цифрового осциллографа Tektronix 3012В;

LTspice IV является мощной программой схемотехнического проектирования для моделирования электрических схем. Эта разработка фирмы Linear Technology (США, Калифорния) является бесплатной и свободно распространяется разработчиком. Этот пакет использует хорошо известный язык описания электрических схем пакета SPICE, ставший дефакто стандартом для мировых автоматизированных систем проектирования схем. Вместе с тем, пакет LTspice IV также имеет интуитивно понятный графический интерфейс представления схемы и ее элементов, и освоение его не составляет больших трудностей, а также хорошую скорость построения модели. Подробный обзор на русском языке возможностей и принципов работы с этим программным обеспечением дан в [74] На рисунке 2.3 представлен выходной сигнал мультивибратора представленного на рис. 2.2. Расчет проведен с помощью программы анализа электронных схем LTspice IV.

представленного на рис. 2.2. Расчет проведен с помощью программы анализа электронных схем LTspice IV. Изменен масштаб по оси х. Период колебаний Т= 1,63 мс. Амплитуда выходного напряжения 9,8 В.

На рис. 2.5 представлен выходной сигнал макетного образца мультивибратора выполненного по принципиальной схеме, представленной на рис. 2.2. Резисторы макетного образца имеют разброс сопротивления ± 1%, конденсаторы имеет разброс емкости ± 10%. Период колебаний Т= 1, мс. Амплитуда выходного напряжения 9,8 В. Измеренный потребляемый ток 5,4 мА.

Незначительное различие (11,6%) расчетного периода колебаний (Т= 1,63 мс) и измеренного периода колебаний на макетном образце (Т= 1,44 мс) обусловлено разбросом емкостей и сопротивлений использованных радиоэлементов.

Рисунок 2.2 Принципиальная схема типового цифрового устройства – Рисунок 2.3 Выходной сигнал мультивибратора. Расчет с помощью программы Рисунок 2.4 Выходной сигнал мультивибратора. Расчет с помощью программы анализа электронных схем LTspice IV. Изменен масштаб по оси х. Период колебаний Т= Рисунок 2.5 Выходной сигнал макетного образца мультивибратора выполненного по принципиальной схеме, представленной на рис. 2.2. Резисторы макетного образца имеют разброс сопротивления ± 1%, конденсаторы имеет разброс емкости ± 10%. Период колебаний Т= 1,44 мс. Амплитуда выходного напряжения 9,8 В. Потребляемый ток 5,4 мА Далее экспериментальное получение исходных данных для расчетнотеоретической модели оптимизации величины удельной объемной электропроводности диэлектрика печатной платы типового цифрового устройства (мультивибратора) проводилось следующим образом.

Принципиальная схема, представленная на рис. 2.2 была дополнена одиннадцатью резисторами R5…R15, призванными имитировать дополнительные утечки в схеме за счет применения диэлектрика, обладающего нанопроводимостью в качестве материала печатной платы мультивибратора. Преобразованная таким образом принципиальная схема мультивибратора представлена на рис. 2.6. Для этой схемы были проведены расчеты выходного сигнала мультивибратора с помощью программы расчета электронных схем LTspice IV. При расчетах все дополнительные резисторы R5…R15 имели одинаковое сопротивление. При сопротивлениях резисторов 5 МОм, 2 МОм и 1 МОм искажений выходного сигнала мультивибратора не наблюдалось. Искажения выходного сигнала мультивибратора появились, когда номиналы резисторов были снижены до величины 500 кОм, и искажения усилились при снижении номиналов резисторов R5…R15 до кОм. Соответствующие расчетные данные приведены на рис. 2.7, рис. 2.8, рис. 2.9.

Макетный образец мультивибратора был дополнен в соответствии со схемой рис. 2.6 резисторами R5…R15 номиналом 1 МОм. Полученная для этого случая осциллограмма ничем не отличается от осциллограммы выходного сигнала исходного мультивибратора приведенной на рис. 2.5.

Рисунок 2.6 Преобразованная принципиальная схема мультивибратора дополнена одиннадцатью резисторами R5…R15, призванными имитировать дополнительные утечки в схеме за счет применения диэлектрика, обладающего нанопроводимостью, в качестве Рисунок 2.7 Совмещенные выходные сигналы мультивибратора:

- синяя линия (сплошная) исходный мультивибратор;

- красная линия (прерывистая) преобразованный мультивибратор(смещена), сопротивления резисторов R5…R15 составляют 5 МОм, 2 МОм, 1 МОм Рисунок 2.8 Совмещенные выходные сигналы мультивибратора:

- синяя линия (сплошная) исходный мультивибратор;

- красная линия (прерывистая) преобразованный мультивибратор, сопротивления Период колебаний преобразованного мультивибратора Т = 1,1 мс, амплитуда выходного напряжения 9,65 В. Потребляемый ток 5,5 мА Рисунок 2.9 Выходной сигнал преобразованного мультивибратора, сопротивления резисторов R5…R15 составляют 200 кОм. Период колебаний Т = 0,8 мс, амплитуда выходного напряжения 9,45 В. Потребляемый ток 5,7 мА моделирование работы типового цифрового устройства - мультивибратора для обоснования возможности замены традиционных диэлектриков печатного узла на нанопроводящие диэлектрики, исключающие возможность возникновения электростатических разрядов при облучении потоком электронов. Мультивибратор был рассчитан в программе симуляции электрических схем LTspice IV, выходной сигнал с него сравнивался с реальным выходным сигналом типа «меандр» с макетной схемы мультивибратора на транзисторе 2N3904, подключенной к запоминающему осциллографу Tektronix 3012В. Незначительное различие (11,6%) расчетного периода колебаний (Т= 1,63 мс) и измеренного периода колебаний на макетном образце (Т= 1,44 мс) обусловлено разбросом емкостей и сопротивлений использованных радиоэлементов. Затем, для имитации применения нанопроводящего диэлектрика (с необходимым удельным электрическим сопротивлением 109 Ом·м) в узлы расчетной схемы (на рисунке 2.2) были последовательно добавлены высокоомные резисторы номиналом в 1, 5 и 10 МОм как имитация утечек в диэлектрике, обладающем нанопроводимостью. Искажений после расчета и симуляции выходного сигнала мультивибратора не наблюдалось, однако при дальнейшей замене резисторов номиналом в 500 кОм и 200 кОм появились существенные искажения формы и периода сигнала. Аналогичное сравнение было проведено с макетным образцом, дополненным резисторами 1 МОм – никаких отличий выявлено не было.