¿Cómo probar el impacto de la radiación en la electrónica de cubesat?

TL;DR: Los aceleradores médicos no son adecuados.

Hay básicamente dos efectos de la radiación en la electrónica:

Trastornos de evento único (SEU)

Las celdas de memoria RAM suelen ser pequeños condensadores (caps) que se cargan o no para representar un 1o 0. Si una partícula ionizante cruza el dieléctrico entre las placas de la tapa, forma un canal de material ionizado y, por lo tanto, conductor. Una tapa cargada puede descargar a través de este, y 1se convierte en un 0. Debido a la recombinación, el canal vuelve a ser un aislante en un corto período de tiempo. Entonces, este efecto es reversible.

Es contrario a la intuición, pero hacer que la tapa sea más grande puede ayudar: la tapa contiene una carga más grande, que no se descargará por completo hasta que el canal se "cierre".

(Por cierto, esto también se aplica a los transistores de efecto de campo, pero sigamos con la memoria)

Una forma más efectiva es usar más de una celda para almacenar un solo bit. Por ejemplo, usa tres celdas y compara sus contenidos y deja que la mayoría gane. De esta forma, no importa un solo tapón descargado.

Por supuesto, en algún nivel de flujo de radiación todavía obtienes SEU. Múltiples partículas que golpean el chip al mismo tiempo pueden descargar también una tapa más grande, o dos de las tres tapas.

Para probar si una pieza electrónica es inmune a los SEU en el espacio, se irradia por el flujo máximo que ocurre en el espacio, más algún margen.

Degeneración material

Si bien los SEU no tienen una influencia permanente en la electrónica, la radiación también tiene un efecto degenerativo o de envejecimiento en los semiconductores. Los semiconductores están hechos, por ejemplo, de silicio puro, dopado con trazas de otros elementos para darles propiedades únicas. Si la radiación rompe los núcleos de silicio, crea otros elementos que se comportan de manera diferente. Por ejemplo, los elementos sensores construidos como diodos pueden invertir su dopaje.

Las contramedidas incluyen la elección de combinaciones de materiales especiales y dopaje especial.

Dado que se trata de un efecto acumulativo a largo plazo, los dispositivos electrónicos deben exponerse a una dosis total equivalente a la dosis que se espera que se recolecte en el espacio durante toda su vida útil. Como los satélites pueden permanecer en el espacio durante varios años, pero no desea realizar pruebas de radiación durante tanto tiempo, necesita una fuente de radiación de alta intensidad que aplique la dosis esperada en cuestión de días.

tipo de radiación

Como ya se mencionó en el comentario, debe distinguir entre EM (rayos X, rayos gamma) y radiación de partículas.

La gente piensa que la radiación gamma es la más peligrosa porque se necesita una protección muy gruesa y un hombre ahora se pone verde cuando está molesto. Pero ese no es el caso. Los rayos gamma no reaccionan tanto con la materia que atraviesan, por lo que se necesita mucha materia para que la mayor parte reaccione con ella. Por lo tanto, el efecto de los rayos gamma en la electrónica es bastante pequeño, y dado que los rayos gamma no pueden destruir los núcleos, solo causarán SEU de vez en cuando, pero no degradación. La reacción de los rayos X con la materia es más probable y, por lo tanto, causa más SEU, pero tampoco degenera la materia.

Los electrones depositan su energía ionizando átomos de la materia por la que viajan. Pero tampoco destruyen los núcleos, y la densidad de los átomos ionizados que quedan a lo largo de su camino es bastante baja. Entonces, nuevamente, no hay efecto a largo plazo, solo SEU.

Los protones, las partículas alfa (núcleos de helio) y los núcleos de elementos más pesados ​​tienen un efecto mucho más severo sobre la materia, ya que depositan grandes cantidades de energía por ionización en distancias cortas, y pueden destruir núcleos dentro de la electrónica.

Desafortunadamente, la radiación en el espacio consiste en aproximadamente un 87 % de protones, un 12 % de partículas alfa y un 1 % de iones y electrones más pesados.

Una gran cantidad de esta radiación se encuentra en un rango de energía similar al de los elementos radiactivos, que suele ser fácilmente protegido por el casco del satélite. Pero hay mucha radiación de alta energía:

Por Sven Lafebre (trabajo propio, después de Swordy). GFDL, CC-BY-SA-3.0 o CC BY-SA 2.5-2.0-1.0, a través de Wikimedia Commons

La unidad del eje y es un poco difícil de entender, pero las etiquetas dan una mejor idea: el diagrama comienza con aproximadamente 1000 partículas por metro cuadrado por segundo en$10^9$eV (1000MeV), mientras que la energía más alta de la desintegración radiactiva es de unos 10MeV.

Dispositivos/instalaciones de prueba

Volviendo a sus aceleradores médicos, estos son principalmente fuentes de rayos X. Como se dijo, esto puede causar algunos SEU, pero no el envejecimiento. ¡Necesitas una fuente de partículas! Incluso si desmontas un acelerador médico y usas el acelerador de electrones en el interior, solo obtienes electrones de unos 10 MeV.

Los nuevos tipos de terapia contra el cáncer utilizan aceleradores de protones , partículas alfa y núcleos más pesados. El enlace establece protones hasta 250MeV, que no es tanto en comparación con el espectro en el espacio. Y aunque no puedo encontrar datos sobre la intensidad, lo más probable es que sea muy baja. El tejido humano es mucho más sensible a la radiación que el silicio, por lo que estas instalaciones tendrán una intensidad mucho menor de la que necesita, especialmente para estudiar los efectos degradantes. Sin embargo, estas instalaciones son bastante nuevas y muy grandes en comparación con sus aceleradores, lo que las hace muy caras y todo menos comunes.

Si realmente quiere probar su electrónica, vaya a una de las instalaciones de aceleradores científicos más grandes como el CERN, el Instituto Paul-Scherrer (PSI) o DESY en Europa o Fermilab, etc. en los EE. UU. Proporcionan varios tipos de instalaciones de radiación con todo tipo de fuentes de partículas en amplios rangos de energía e intensidad.

Por ejemplo, aquí hay un sitio web de PSI donde ofrecen una instalación de irradiación de protones. Este es un proyecto de PSI y ESA.

(OK, esto se puso un poco elaborado...)