<

<

со со со

- Ю CN .-н <N -.

ooooooooo

CO uo Lo a co -.d

LO CO -f CO CO locdlOCD CO LO I I

о - о о -

- слоо - - о>о> - -

Ooooooooo

со 01Л о Ю h-.£N со СО -Г c-f ю -н

со о СЛ (М сл со со со со

С0 С0 С0 со о - cd ю ю со со со со .-н

LO C0 LO C-J со сл о со со со .* Tf со со со со

ССО .-н С73 0 со о О

со со ю оГаГ-н

о о-.ф 01 со оз 01

LO ю LO Ю

о> см CO CJ> со о СТЗ (м со - - со -Г

щ со со со Ю LO

к сп-< слаГо о о

CLCOCOCOCOCOCOCO CLCD£NCOt-~CO- (M

OJ

5 Ю-.(М(МОСОСО

£ со - -н - .фсо

СОООЮОСч) - о>

- cvi oo cd 4- cm - сч со л

СО С0 - 1-- о о

.- со Lo со - о - со cvj

.7. S

о. 5.

X 1Л 1ЛО С0 --..-С-1 - со С5) 0> -ф со m ОО о i--

а.

&

с° сососососососососо Si .-н -. 01 со LO о t- t--. к со ю со LO со со

raoocOLO - LQ.oinLOO X 2 га S -SS

g-cococococococococo йLOOLOЮюclo>.ф ююю-ФЮсо-со

а - со о> о со со о CD

о о о о о о о

со со о о (N 00 со

со - со

>С ooooooooo

OCOCJJCIOCO-OOCO

Q,t-COCO-.-HCOCO

н cj>corcocc

ОООООООООО

сооооооосососо-

>- LO со о со со со со со - t--о о о о о о о о о о о о о о

со стз о о СТЗ СТЗ стз со со со о со о о о о о - о о о о о о о о

CLOCT3COlO.-OLOCO COCOlOCO-.COCOCNC0

о о о о о о о о о о о о о о о о о о

cOCTJCOCOOCOt L0ЮC0t-COOlC0CO ООО 0 0 ООО (=1

о о о о о о о о о

(N Ю со со Ю - СТ)

.-. о о о -.о о о о о о о о

2 = z; Оа:г

OOUoooo

cvj со г-., со с о о - - о о - <

> со

ooooooooo

сооо-(мсосо 222-2°й

lOLOC.COlOCT) 01С0СС0СС0О-ч1-О

ooooooooo о о о о о о ci о о

со со LO со СО о

CO£N.-it-~COLOCOCOCO

- -о о о о о о о о о о о о о о о

cocQcocoo>mcoh-c 00 о о о о о о о о о о о о о

<ососое<1.Ф !2.

§§ё555§5

о о о о о

X ОС

относительными значениями = = е/8о и Иг = ц/цо- При этом вещественные части 8г и fir характеризуют плотности электрической и магнитной энергии, а мнимые - электрические и магнитные потери.

в табл. 2.8, 2.9 приведены свойства твердых диэлектриков с 8 < 6 и пенопластов с < 2. Характеристики лаков и эмалей, используемых для покрытия токонесущих поверхностей устройств СВЧ, приведены в табл. 2.10.

Для миниатюризации различных устройств СВЧ (волноводы, полос-ковые устройства и т. д.) их заполняют пластмассами с наполнением титановыми соединениями, имеющими высокое значение (табл. 2.11). Тракты СВЧ могут заполняться газообразными веществами (табл. 2.12).

Ферриты используются при создании различного рода устройств СВЧ: резонансных вентилей (однонаправленные линии передачи), фазовращателей, циркуляторов, переменных аттенюаторов (ослабителей), модуляторов, переключателей, ограничителей мощности, направленных ответвителей, настраиваемых резонаторов, излучателей антенн и т. д. Ферриты - твердый, хрупкий материал с механическими свойствами, близкими к керамике. По химическому составу ферриты СВЧ можно разделить на группы: никелевые, магниевые, магниевые ферроалюми-наты; никелевые и магниевые ферро-хромиты, иттриевые ферриты - гранаты.

К основным параметрам ферритов СВЧ относятся: ширина линии ферромагнитного резонанса 2ДЯ [А/м], намагниченность при насыщении / С [Тл], относительная диэлектрическая проницаемость = е -/е , тангенс угла диэлектрических потерь tg бе, точка Кюри Эк [К]. Кроме того, ферриты характеризуются параметрами; магнитной индукцией В Тл], остаточной магнитной индукцией Вг [Тл]; коэрцитивной силон по магнитной индукции [А/м]; относительной магнитной проницаемостью lr> плотностью D [кг/м] и удельным электрическим сопротивлением Ре [Ом м] Основные параметры ферритов СВЧ приведены в табл. 2. 3.

Никелевые ферриты используются в основном в диапазонах милли-и сантиметровых волн; имеют большие значения намагниченности при насыщении и высокую термостабильность. Их недостаток - высокие значения начальных потерь.

Магниевые ферриты используют в основном в средней части сантиметрового диапазона; обладают малыми магнитными и диэлектрическими потерями, высоким коэффициентом прямоугольности, но меньшей термостабильностью по сравнению с ферритами из никеля. Максимальной намагниченностью при насыщении обладают ферриты марки ЗСЧ6 и ЗСЧ9.

Магниевые ферроалюминаты и фер-рохромиты используют в длинноволновой части диапазона СВЧ; характеризуются малыми значениями индукции при насыщении; недостатком является низкая термостабильность.

Никелевые феррохромиты применяют в резонансных устройствах при работе на высоком уровне мощности.

Иттриевые ферриты-гранаты используют в низкочастотной области СВЧ диапазона.

2.5. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ [9, 12, 17, 18, 22 ... 26]*

Ионизирующие излучения (ГОСТ 15484-74) - любые излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков.

Первичное ИИ в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается исходным. Вторичное ИИ возникает в результате взаимодействия первичного с рассматриваемой средой.

ИИ могут быть электромагнитными (фотонными) в виде у- и рентгеновского излучений и корпускулярными в виде потока частиц с массой покоя отличной от нуля (а- и Р-излучения, нейтронное излучение).

ИИ характеризуется полем (пространственно-временным распределением ИИ в рассматриваемой среде); потоком ионизирующих частиц

* Составитель И. В. Василькевич.

Фд плотностью потока ионизирующих частиц фдг, потоком энергии ИИ Фии> плотностью потока энергии ИИ ф, переносом ионизирующих частиц Рдг, переносом энергии ИИ F.

Поток ионизирующих частиц - отношение числа ионизирующих частиц dN, проникающих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу:

Фд, = dNidt [част./с].

Плотность потока ионизирующих частиц - отношение потока ионизирующих частиц йФдг, проникающего в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы dS:

фд, = dO/dS [част./(с . см)].

Поток энергии ИИ - отношение суммарной энергии dE всех ионизирующих частиц, проходящих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу:

Фии = dE/dt [Дж/с].

Плотность потока энергии ИИ - отношение потока энергии ИИ dO, проникающего в объем элементарной сферы, к ллощади поперечного сечения этой сферы dS:

Ф = dO/dS [Дж/(с . см=)].

Перенос ионизирующих частиц (ПИЧ) - отношение числа ионизирующих частиц dN, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы dS:

F = dNidS [част./см].

Перенос энергии ИИ - отношение суммарной энергии dE всех ионизирующих частиц, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы dS:

Ррщ = dEldS [Дж/см2].

Взаимодействие ИИ со средой оценивают поглощенной дозой излучения D и мощностью поглощенной дозы Р. Поглощенная доза излучения

Холла. У органических - механические свойства, электрическая прочность, е, tg б.

Неорганические материалы устойчивы к ИИ: 8, Гизол, tg б у них изменяются незначительно; у стекол изменяются оптические свойства и цвет.

Влияние ИИ на резисторы [9]

Воздействие ИИ вызывает обратимые или необратимые изменения сопротивления, увеличение уровня шумов, ухудшение влагостойкости резисторов. Основные причины: деградация электрофизических характеристик резистивного и электроизоляционных материалов (резкое увеличение проводимости из-за ионизационных эффектов в материалах, воздухе или другой среде, окружающей резистор); у-излучение вызывает в основном обратимые изменения. После окончания облучения исходное значение сопротивления восстанавливается менее чем через 2 мс. Нейтронное излучение может стать причиной ухудшения влагостойкости резисторов и обратимых либо необратимых изменений их сопротивления. Последствия зависят от кинетической энергии частиц, ПДИ, типа резистора. Необратимые радиационные дефекты резисторов связаны с нарушением структуры материалов основания, защитных покрытий, опрессовки, резистивного слоя.

Наиболее устойчивы к воздействию ИИ керамические и проволочные резисторы. В конструкции этих резисторов используются лишь ра-диационно-стойкие материалы: металл, керамика, стекло. Так, облучение проволочных резисторов тепловыми нейтронами ПИЧ около 10 нейтр./см приводит к необратимому увеличению сопротивления (менее чем на 2% от исходной величины). При облучении их быстрыми нейтронами до ПИЧ 10° нейтр/см изменений в характеристиках не наблюдалось.

Менее устойчивы к ИИ металлопле-ночные и пленочные углеродистые резисторы. При их облучении одновременно быстрыми, тепловыми, над-тепловыми нейтронами (соответственно величины ПИЧ: 10*, Ю*, 101 нейтр./см) и V-излучением (ПДИ

ратимый радиационный дефект - радиационный дефект, длительно сохраняющийся в веществе после прекращения облучения. Радиационный разогрев - радиационный дефект, проявляющийся в повышении температуры материала в результате поглощения энергии ИИ.

Нейтронное излучение в основном является причиной радиационных дефектов, обусловленных физико-химическими преобразованиями в материалах (например, сшивание и деструкция при облучении полимеров, окисление). Возможны радиационный разогрев, выделение кислот и активных газов (хлор, фтор, водород).

При у-излучении преобладают ионизационные эффекты. Скорость образования избыточных носителей заряда пропорциональна ПДИ. Увеличение концентрации избыточных носителей - основная причина увеличения проводимости диэлектрических и полупроводниковых материалов.

Влияние ИИ на материалы [9]

Металлы наиболее устойчивы к воздействию ИИ: им свойственна высокая концентрация свободных носителей заряда, а характеристики их слабо зависят от дефектов кристаллической решетки. Последствия нейтронного облучения начинают сказываться при ПИЧ порядка 10° нейтр./см; у-излучение на свойства металлов практически не влияет. У большинства металлов при воздействии ИИ предел текучести возрастает в 2 ... 3 раза, ударная вязкость снижается, р° повышается на 10 ... 30%. Наименьшей радиационной стойкостью обладают электротехнические стали и магнитные материалы, у которых изменяется ц, Ре при ПИЧ порядка Ю нейтр./см.

Некоторые металлы, например, бор, марганец, кобальт, кадмий, цинк, молибден и др. после облучения тепловыми нейтронами становятся источниками вторичного ИИ.

Наименее устойчивы к воздействию ИИ полупроводниковые и органические материалы. У полупроводниковых материалов при облучении изменяются время жизни и подвижность носителей заряда, коэффициент

(ПДИ) - отношение средней энергии d£op> переданной ИИ веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

D = dFp/dm [Дж/кг или рад =

= 10-2 Дж/кг].

Мощность ПДИ - отношение приращения поглощенной дозы излучения dD за интервал времени di к этому интервалу:

Р = dD/dt [Дж/(кг с) или рад/cj.

При проектировании РЭА, как правило, учитывают воздействие нейтронов и Y-излучения, обладающих наибольшей проникающей способностью.

Радиационная стойкость изделия или материала (ГОСТ 18298-72) - свойство аппаратуры, комплектующих элементов, материалов выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах установленных норм во время воздействия ИИ. Критерием радиационной стойкости изделия (материала) является предельное значение определяющего параметра радиационной стойкости. Определяющий параметр - параметр изделия (материала), изменение значения которого в условиях воздействия ИИ свыше определенного значения исключает возможность его применения. Показателем радиационной стойкости изделия служит значение характеристики поля ИИ, при котором достигаются критерии радиационной стойкости.

Воздействие ИИ на изделие (материал) проявляется в виде радиационного и ионизационного эффектов, обратимого или необратимого радиационных дефектов, радиационного разогрева и других явлений. Радиационный эффект - изменение значений параметров изделий и материалов в результате воздействия ИИ. Ионизационный эффект - радиационный эффект, обусловленный ионизацией и возбуждением атомов вещества. Радиационный дефект - радиационный эффект, проявляющийся в нарушении структуры вещества под воздействием ИИ. Обратимый радиационный дефект - радиационный дефект в веществе, исчезающий с прекращением облучения. Необ-

1№ рад) отмечено постепенное увеличение сопротивления до 3,5%. При этом необратимые изменения составляют менее 2%. Устойчивость к влаге, уровень шумов и ТКС резисторов после облучения не меняются.

Бороуглеродистые резисторы ненадежны при облучении тепловыми нейтронами: ПИЧ около 10*8 нейтр./см вызывает существенное (на 20%) повышение сопротивления и снижение влагостойкости резисторов в 2 раза. Основная причина в нарушении структуры проводящей пленки.

Композиционные резисторы в равной мере нестойки к корпускулярному и фотонному излучениям. Длительное воздействие нейтронов ПИЧ lOi нейтр./см или у-излучения ПДИ 10 рад приводит к снижению влагостойкости, возрастанию уровня собственных шумов в 2 раза, изменению номинального омического сопротивления Гном ДО 10%- Причиной перечисленных необратимых радиационных дефектов является нарушение структуры органических материалов, использованных в качестве связующих в проводящей композиции.

Тонкопленочные интегральные резисторы способны выдерживать потоки быстрых нейтронов ПИЧ более 10 нейтр./см без существенных изменении величины сопротивления и параметров надежности. Наибольшей стойкостью к ИИ обладают танталовые, никелевые, ни-хромовые тонкопленочные резисторы, покрытые пассивирующей защитной пленкой.

В радиационно-стойкой РЭА рекомендуется применять резисторы с ном < 10 кОм. Высокоомные резисторы защищаются заливкой либо опрессовкой эпоксидной смолой. Увеличение толщины защитного покрытия в 10 раз позволяет снизить нестабильность резистора в 6... 8 раз.

При уменьшении размеров резистора его устойчивость к ИИ повышается.

Влияние ИИ на конденсаторы [9]

Воздействие ИИ сказывается на параметры электрической прочности конденсаторов,Гизол. tg 6, Сном- Причины этих изменений: преобразования в структуре диэлектрика, меха-

нические деформации, ионизация диэлектрика и окружающей среды, выделение газов.

Рентгеновское и у-излучение вызывают в основном обратимые радиационные дефекты. При облучении нейтронами возможны как обратимые,так и необратимые радиационные дефекты. Наибольшей стойкостью к ИИ обладают конденсаторы с неорганическим диэлектриком: керамические, стеклоэмалевые, слюдяные. Изменение их параметров при облучении нейтронами ПИЧ до Ю* нейтр./см и воздействии Y-излучения ПДИ до 10 рад не превышает долей или единиц процентов (исключение составляют низкочастотные сегнето-керамические конденсаторы, изменение их емкости достигает 25%). Менее чем через 2 ч после окончания облучения параметры керамических, стеклоэмалевых и слюдяных конденсаторов восстанавливаются до исходных.

Конденсаторы с органическим диэлектриком (бумажные, полистироловые, лавсановые, триацетатные, фтор пластовые) обладают пониженной устойчивостью к ИИ. При облучении таких конденсаторов резко падает Лизол, в 10 ... 20 раз увеличивается tg б, изменения Сном составляют единицы или десятки процентов. Общая причина этих изменений - разложение полимерных материалов. Лишь через 200 ... 300 ч после облучения параметры таких конденсаторов восстанавливаются до допустимых пределов.

Электролитические конденсаторы при облучении ненадежны. Отмечены случаи разгерметизации из-за разложения электролита. Изменение емкости носит нерегулярный характер. Сведения о радиационной стойкости электролитических конденсаторов не достоверны.

Из интегральных тонкопленочных конденсаторов наиболее устойчивы к ИИ конденсаторы с диэлектриком на основе TajOg и AljOg.

Влияние ИИ на полупроводниковые приборы [18, 23...26]

Воздействие ИИ служит причиной обратимых либо необратимых радиационных дефектов, являющихся

следствием ионизации и структурных нарушений в кристаллах.

Ионизирующее действие радиации приводит к генерации в объеме полупроводника избыточных зарядов. Заряды, двигаясь под действием градиентов концентраций и электрических полей, создают фототоки. Величина избыточных фототоков пропорциональна эффективному (по сбору дополнительных носителей) объему прибора. Последний (для биполярных структур) определяется шириной области объемного заряда, площадью р-л-переходов и диффузионной длиной пробега неосновных носителей по обе стороны переходов. Поэтому минимизация размеров полупроводниковых приборов повышает их устойчивость к ИИ.

Величина фототока зависит только от скорости поглощения энергии за счет электронных процессов и не зависит от типа и спектра ИИ, После окончания ИИ фототок уменьшается до нуля в соответствии со временем жизни неосновных носителей заряда.

Структурные нарушения обусловлены взаимодействием ИИ с кристаллической решеткой полупроводника. Степень структурных нарушений зависит от вида и энергии частиц, ПДИ. Известно, что даже незначительные дефекты структуры кристаллической решетки вызывают существенное изменение параметров полупроводниковых материалов: подвижности, эффективной концентрации, времени жизни носителей заряда. Поэтому следствием структурных нарушений являются необратимые дефекты полупроводниковых приборов.

В зависимости от типа прибора, технологии его изготовления, условий работы, вида и энергии излучения, преобладает тот или иной механизм нарушений. Он и определяет радиационную стойкость прибора.

Полупроводниковые диоды

Основные радиационные эффекты в диодах; фототоки (на один-два порядка больше рабочих токов), изменение сопротивления полупроводника, времени жизни носителей заряда.

Германиевые диоды. Нейтронное ИИ при ПИЧ порядка 10 иейтр./см

вызывает заметное изменение вольт-амперных характеристик: проводимость диодов в прямом направлении уменьшается, в обратном - увеличивается; полный отказ наблюдается при ПИЧ более 10 нейтр./см.

При воздействии фотонных ИИ (ПДИ 10 рад, мощность ПДИ 10 рад/с) возникают фототоки, возрастает обратный ток (на 10%), уменьшается емкость р-п-перехода (на 10%). Через несколько дней после прекращения ИИ параметры диодов восстанавливаются до первоначальных.

Кремниевые диоды. Нейтронное ИИ при ПИЧ порядка 1012 нентр./см вызывает заметное изменение вольт-амперных характеристик. При этом проводимость точечно-контактных диодов уменьшается в прямом и обратном направлениях. У плоскостных диодов проводимость в прямом направлении также уменьшается. В обратном направлении проводимость некоторых типов плоскостных кремниевых диодов с увеличением ней тронного потока увеличивается, достигает максимума при некоторой величине потока, после чего уменьшается. При 9 = 423 К воздействие ИИ на прямые характеристики сказывается меньше, нежели при нормальной температуре. Облучение нейтронами позволяет до 1000 раз уменьшить время переключения кремниевых диодов. Полный отказ диодов при нейтронном облучении наблюдается при ПИЧ порядка 10 ... ...101 нейтр./см2; у-излучение вызывает обратимые изменения вольт-амперных характеристик.

Туннельные диоды. При нейтронном ИИ заметное изменение вольт-амперных характеристик диодов наблюдается лишь при ПИЧ порядка 101 нейтр./см2 Потенциальная устойчивость туннельных диодов к ИИ обусловлена низким Pg полупроводникового материала, сравнительно высокой рабочей 9, слабой зависимостью характеристик диодов от ионизационных эффектов.

Интегральные диоды. Радиационная стойкость обеспечивается при использовании коллекторного или эмиттерного цереходов радиационно-стойкого транзистора. Наибольшей устойчивостью к ИИ обладают высокочастотные диоды (с тонкой базой).