Художественная концепция самолета Europa Clipper НАСА. Изображение предоставлено: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
В рамках миссии НАСА Europa Clipper стоимостью 5,2 миллиарда долларов по исследованию четвертого по величине спутника Юпитера — Европы — и оценки ее потенциала как среды обитания для жизни, космический корабль пройдет через самый сильный радиационный пояс в Солнечной системе.
Этим летом возникли опасения по поводу того, смогут ли полупроводниковые транзисторы, используемые в электронных системах на борту космического корабля, выдержать радиацию. Система Юпитера особенно вредна для космических кораблей, поскольку ее огромное магнитное поле – в десятки тысяч раз сильнее, чем магнитное поле Земли – захватывает заряженные частицы и ускоряет их до очень высоких энергий, создавая интенсивные радиационные пояса, которые бомбардируют Европу и другие внутренние спутники.
Однако после обширных испытаний НАСА подтвердило, что транзисторы могут поддержать миссию. 14 октября космическое агентство запустило корабль Europa Clipper, который должен прибыть в 2030 году.
Но опасения по поводу транзисторов поднимают вопрос: что происходит, когда электроника подвергается воздействию высоких уровней радиации?
Доктор Роберт Бауманн, эксперт по радиационным эффектам и надежности в микроэлектронике, ранее был главным технологом высоконадежной продукции в компании Texas Instruments (TI), а сейчас является директором по радиационным эффектам и надежности в Центре полупроводниковых систем для суровых условий окружающей среды (CHESS). в Техасском университете в Далласе. Он также является ведущим автором справочника компании по радиации для электроники.
Бауманн сказал, что в этом конкретном случае протоны и электроны высоких энергий могут возбуждать электроны в атомах (процесс, называемый ионизацией), создавая избыточные носители заряда.
Изображение предоставлено: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калтех.
«Этот избыточный заряд накапливается и задерживается в изолирующих слоях, изменяя характеристики и работу транзисторов», — сказал он.
Повреждения происходят постепенно и накапливаются в течение полета космического корабля.
«Как и при солнечном ожоге, вас не обжигает ни один ультрафиолетовый луч или фотон; это накопление большого количества ультрафиолетовых лучей, которые обжигают кожу», — сказал Бауманн.
В электронике одним из последствий радиационного воздействия является генерация, накопление и захват радиационно-индуцированного положительного заряда в изоляторе транзисторов, что приводит к эффекту, называемому полной ионизационной дозой (TID).
Транзисторы действуют как цифровые переключатели включения/выключения или аналоговые «регуляторы громкости», при этом поток электрического тока контролируется напряжением на «затворе» транзистора. Транзистор ведет себя как кран для подачи электрического тока, а затвор ведет себя как ручка крана, сказал Бауманн.
«Поскольку транзисторы подвергаются воздействию радиации и накапливаются повреждения TID, они начинают дрейфовать, и при достаточно высокой дозе транзистор в конечном итоге перестает функционировать должным образом», — сказал он. «Транзисторы, подверженные эффекту ПИВ, в конечном итоге застревают либо в положении «включено», либо в положении «выключено». «Представьте, что у вас дома кран, из которого льется вода, и как бы вы ни старались повернуть ручку, ничего не происходит».
Ожидается, что Europa Clipper проведет всего один день на каждой из своих 21-дневных витков в самой суровой радиационной среде вокруг Юпитера. НАСА обнаружило, что транзисторы Europa Clipper могут восстанавливаться посредством процесса, называемого «свечением», после того, как космический корабль проходит часть своей орбиты за пределами богатой радиацией среды Юпитера.
«Поиск жизни на Европе — это большое дело», — сказал Бауманн, который будет следить за ходом миссии. «Высокий уровень радиации вокруг Юпитера слишком плох; они значительно усложняют всю работу».
Информация от: Техасским университетом в Далласе.
