ПИЧ

ПИЧ
Шифр эксперимента: ПИЧ
Направление НПИ: 5. Технологии освоения космического пространства
Секция КНТС: Технические исследования и эксперименты
Наименование эксперимента: Создание системы мониторинга радиационной опасности и исследование поля ионизирующих частиц с высоким пространственным разрешением на борту МКС
Цель эксперимента:

Создание системы мониторинга радиационной опасности на основе метода измерения спектров плотностей энерговыделений в ПЗС/КМОП-матрицах; разработка методов измерения чувствительности электронных компонентов к одиночным событиям радиационного воздействия, опирающихся на экспериментальные данные и детальное моделирование.

Описание эксперимента:

На первой стадии планируется разработка, изготовление и наземные испытания образца матричного микродозиметра ПИЧ-Н в условиях полей ионизирующих излучений, формируемых протонным пучком и изотопным Pu239 Be нейтронным, гамма- и рентгеновским источником. Микродозиметр ПИЧ-Н предназначен для непосредственной регистрации СПЭ на масштабах пикселов ПЗС/КМОП-матриц, составляющих его сенсоры. Экстраполяция измеренных СПЭ на масштабы функциональных элементов микросхем может быть произведена путем статистического моделирования прохождения излучений через кристалл полупроводника. Это позволяет оценить вероятность наступления того или иного одиночного события по известной пороговой плотности энерговыделений для данной микросхемы.

Вторая стадия проходит на борту МКС и состоит в накоплении информации по потокам заряженных частиц, СПЭ и одиночным событиям в мониторируемых микросхемах, данная информация станет исходным материалом для совместного анализа этих трёх наборов данных. По мере возможности экспериментальные данные (цифровые) доставляются с орбиты на Землю для обработки.

Третья стадия проходит в лаборатории, начинается после поступления первой порции данных второй стадии КЭ и заключается в анализе данных монитора микродозиметрического (ММ), одиночных событий в мониторируемых микросхемах, потоков частиц и, возможно, сбоев в радиоэлектронной аппаратуре РС МК. Полученные корреляции будут использованы в лабораторном эксперименте для создания радиационных полей, соответствующих космическим по СПЭ, и в процессе космического микродозиметрического мониторинга для оперативной оценки радиационной опасности. Экспериментальная часть третьей стадии предполагает воспроизведение космических радиационных полей с помощью компактного нейтронного источника, что позволит проводить радиационные испытания электронных компонентов в реалистичных полях. Создание радиационных полей с заданными СПЭ потребует статистического моделирования прохождения нейтронов через конструкции установки для выбора правильной индивидуальной конфигурации поглотителя.

Новизна эксперимента:

Космические эксперименты по изучению воздействия одиночных событий на функционирование интегральных микросхем проводились и раньше (в том числе – на МКС), но все они ограничивались изучением корреляций между одиночными событиями и потоками частиц. 

В предлагаемом КЭ впервые предлагается использовать ММ на основе ПЗС/КМОП-матриц в качестве детектора СПЭ. Метод СПЭ предполагает использование существенно более дифференциальной информации о локальных энерговыделениях, являющихся естественными причинами одиночных событий.

Научная аппаратура:

Наименование и назначение аппаратуры, устанавливаемой на КА

Наименование: Комплекс мониторов микродозиметрических ПИЧ (КММ)

Назначение: КММ предназначен для непосредственной регистрации СПЭ на масштабах пикселов ПЗС/КМОП-матриц, составляющих сенсоры мониторов микродозиметрических ММ, а также получение информации об одиночных событиях в мониторируемых микросхемах, входящих в состав ММ.

Поблочный состав НА

КММ состоит из:

- ММ, 3 шт;

- Блок электронный вычислительный (БЭ), 1 шт;

- Блок питания (БП), 1 шт;

- Кабель питания и информации, 4 шт;

- Контейнер для хранения съемных носителей информации с самими носителями информации, 1 шт.

Функциональное назначение основных блоков

Монитор микродозиметрический (ММ) состоит из ПЗС/КМОП-матрицы (матриц) (конкретный вид матрицы определяется по результатам лабораторных испытаний) с элементом Пельтье для охлаждения матриц и мониторируемых микросхем и осуществляет: регистрацию событий в матрице (начало и конец экспозиции, снятие изображения, быстрый анализ по заданному алгоритму), начальную загрузку данными и периодический опрос мониторируемых микросхем с регистрацией сбоев (искажения информации, недоступности ячеек и т. п.) и передачу данных в БЭ. Охлаждение матриц обеспечивает расширенный динамический диапазон СПЭ.

Блок электронный вычислительный (БЭ) – осуществляет управление и сбор информации с ММ и блока питания, ее первичную обработку, накопление, сохранение (резервное) данных на флэш-карту и передачу информации для последующего ее анализа на Земле.

Примечание – К БЭ со стороны РС МКС присоединяется один кабель Ethernet для информационного обмена с бортом (выдача по запросу космонавта (или оператора с Земли) информационных данных для передачи на Землю или вывод в виде графики и численных значений текущего состояния КММ и радиационной обстановке на борту), а также для получения меток времени от борта.

Блок питания (вторичный источника питания, БП) – блок необходим для обеспечения электроэнергией ММ и БЭ.

Примечание – К БП со стороны РС МКС присоединяется один кабель (фидер) питания.

Кабели питания и информации – кабели, обеспечивающий подачу напряжения на ММ и БЭ от БП, а так же передачу информации от ММ к БЭ.

Для обеспечения замены заполненных информацией флеш-карт на пустые, используется контейнер-укладка с носителями информации
Ожидаемые результаты:

В результате проведения КЭ и сопутствующих лабораторных экспериментов и расчётов предполагается:

- разработать матричный микродозиметр ПИЧ-Н – прототип штатного ММ для широкого использования на КА;

- провести первый радиационный мониторинг с высоким пространственным разрешением на РС МКС;

- выполнить корреляционный анализ одиночных событий в мониторируемых микросхема и СПЭ в ММ;

- получить доказательства эффективности метода СПЭ;

- выработать рекомендации по включению ММ в штатные средства управления РС МКС
Сроки проведения: Вторая половина 2019 года (или через 2 года после начала работ
Состояние эксперимента: Введен
Организация постановщик: МГУ имени М.В.Ломоносова» (факультет космических исследований МГУ)
Организации участники: Факультет вычислительной математики и кибернетики МГУ имени М.В. Ломоносова:; Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И.Менделеева
Научный руководитель: Галкин В.И., МГУ имени М.В. Ломоносова, профессор, д.ф.-м.н.,
Публикации по эксперименту:

1 Особенности оценки радиационной стойкости космической микро- и наноэлектроники / М.В. Анохин, В.И. Галкин, О.В. Морозов, В.В. Сазонов // Космическая техника и технологии. — 2017. — Т. 3, № 18. — С. 24–33.).

2 Особенности ядерно-физического эксперимента на космических аппаратах с длительным сроком активного функционирования / М. В. Анохин. В. И. Галкин, М. Б. Добриян, А. К. Дубов. А. К. Малков // Изв. РАН. Сер. физ. – 2008. – Т. 72. - № 7. – С. 1036-1039. – Библиогр.: с. 1039.

3 Модель формирования треков быстрых тяжёлых ионов в твёрдых телах : дисс. … канд. физ.-мат. наук : 01.04.02 : защищена 2016 : утв. 2016 / Горбунов Сергей Александрович. – М., 2016. – 99 с. – Библиогр.: с. 86-99

4 Gorbunov, S.A. Combined model of the material excitation and relaxation in swift heavy ion tracks / S.A. Gorbunov, P.N. Terekhin, N.A. Medvedev, A.E. Volkov // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. – 2013. – № 315. – С. 173-178

5 Разработка микромонитора для испытаний микроэлектроники на стойкость при воздействии ТЗЧ / М.В. Анохин, В.И. Галкин, В.А. Дитлов, А.Е. Дубов, А.Г. Королёв, В.М. Чабанов // Вопр. атомной науки и техники. Сер. физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. – 2013. – Т. 2. – С. 87-92

6 К вопросу о роли пика Брэгга при оценке воздействия поля ионизирующих частиц на микроэлектронику космических аппаратов / М.В. Анохин, В.И. Галкин, В.А. Дитлов, А.Е. Дубов, В.В. Калегаев, А.Г. Королёв, Н.В. Кузнецов, С.В. Макарычев, М.И. Панасюк, В.Д. Попов, В.М. Чабанов, А.Г. Шило // Сб. тр. конф. : Стойкость 2015. - Лыткарино, 2015. – С. 27-29.

7 Разработка стенда для испытаний электронных компонентов космических приборов в поле тяжелых заряженных частиц / М. В. Анохин, В. И. Галкин, В. А. Дитлов, М. Б. Добриян, А. Е. Дубов, А. Г. Королев // Механика, управление и информатика. – М., 2013 – С. 128-138

8 Микродозиметрическое исследование радиационных полей на ИСЗ и разработка инженерно-физических основ локальной радиационной защиты электронных компонент и биологических объектов / М. В. Анохин, В. И. Галкин // Радиационная стойкость электронных систем "СТОЙКОСТЬ-2003" Научно-технический сборник., выпуск 6, М. 2003. СПЭЛС - С. 199-201

9 Comparison of novel active semiconductor pixel detector with passive radiation detectors during the NASA Orion Exploration Flight Test 1 (EFT-1) / Ramona Gaza, Martin Kroupa, Ryan Rios, et al // Radiation Measurements 106 (2017) 290-297

10 On the possibility to use semiconductive hybrid pixel detectors for study of radiation belt of the Earth, ICPPA-2015 proceedings / A. Guskov, G. Shelkov, P. Smolyanskiy, A. Zhemchugov // October 13, 2015 
Задачи эксперимента:

Задачи, решаемые в процессе проведения КЭ

а) измерение спектров плотностей энерговыделений (СПЭ) на микромасштабах в ПЗС/КМОП-матрицах на мониторах микродозиметрических (ММ) и экстраполяция СПЭ на наномасштабы на основании статистического моделирования;

б) анализ корреляций сбоев в мониторируемых микросхемах на плате ММ со спектрами плотностей энерговыделений в ММ, установленных на борту РС МКС; и, при наличии технической возможности, анализ корреляций сбоев в другой аппаратуре на борту РС МКС;

в) разработка экспериментально-расчётной методики воспроизведения космических радиационных полей в лабораторных наземных условиях по показаниям ММ;

г) доказательство эффективности методики СПЭ на основании полученных корреляций сбоев в микросхемах на мониторируемой плате и высоких плотностей энерговыделений в ПЗС/КМОП-матрицах и лабораторного наземного подтверждения этих корреляций в воспроизведённых радиационных полях;

д) отработка 3D визуализации прохождения заряженных частиц внутри РС МКС (в части мест РС МКС, где установлены ММ);

е) разработка рекомендаций по включению средств ММ в штатные средства радиационного контроля РС МКС;

ж) формулировка принципов испытаний электроники на радиационную стойкость, основанных на использовании в качестве параметров-критериев СПЭ.

Эксперимент выполняется в один этап с установкой в гермоотсеке РС МКС три ММ в составе НА «ПИЧ», которые должны обеспечивать измерение и накопление следующей информации:

- поток заряженных частиц,

- спектры плотностей энерговыделений (СПЭ),

- одиночные события в мониторируемых микросхемах (входят в состав ММ).

Записанные сегменты данных всех трёх типов должны быть переданы Исполнителю для анализа корреляции между этими тремя наборами данных.

В процессе создания НА должен быть разработан, изготовлен лабораторный макет ММ для непосредственной регистрации СПЭ на масштабах пикселов ПЗС/КМОП-матриц, составляющих его сенсоры. ПЗС/КМОП матрицы должны быть испытаны в условиях полей ионизирующих излучений, формируемых протонным пучком с энергией 100 – 150 МэВ (на ускорителе заряженных частиц) и изотопным Pu239 Be нейтронным, гамма- и рентгеновским источником.

В наземных условиях на стенде с нейтронным источником должны быть отобраны ПЗС/КМОП-матрицы, способные к длительному функционированию на борту КА и дающие достаточно информативные СПЭ (критерии определяет Исполнитель по результатам лабораторных наземных исследований).

На стадии выполнения эксперимента и обработки результатов необходимо обеспечить лабораторное воссоздание радиационного воздействия (на основании полученных СПЭ в ходе проведения КЭ «ПИЧ») с помощью нейтронного источника и мишеней, с использованием ММ в качестве индикатора.

Обработка начинается после поступления первых данных КЭ и заключается в анализе данных монитора микродозиметрического (ММ), одиночных событий в мониторируемых микросхемах, потоков частиц и, возможно, сбоев в радиоэлектронной аппаратуре РС МКС. Полученные корреляции должны использоваться для создания радиационных полей, соответствующих космическим по СПЭ, и в процессе космического микродозиметрического мониторинга для оперативной оценки радиационной опасности.

Создание радиационных полей с заданными СПЭ должно выполняться на основе статистического моделирования прохождения нейтронов, гамма-квантов и рентгеновского излучения через конструкции технологической оснастки нейтронного источника (входит в состав рабочего места для лабораторных радиационных испытаний) для выбора правильной индивидуальной конфигурации поглотителя.

Сопоставление статистик одиночных событий на борту РС МКС и на Земле при близких СПЭ должно обеспечить возможность оценки действенности методики СПЭ. В случае положительного результата такого сопоставления будет рассмотрена возможность и принято решение о целесообразности проведения отдельного эксперимента КЭ «ПИЧ-2» с установкой ММ вне гермотсека РС МКС (должно осуществляться одновременное накопление информации с внешнего ММ (несущего информацию о первичном излучении) и внутренних ММ с отработкой 3D визуализации прохождения заряженных частиц через РС МКС), а КММ (или его модификация) будут претендовать на включение в состав штатного оборудования РС МКС и вообще космических аппаратов, несущих электронные компоненты высокой степени интеграции и/или живые организмы.

Постановщики эксперимента: Морозов О.В., научный сотрудник, к.ф.-м.н. 
Страна: Россия