Strahlungseffekte auf Elektronik

Ich entwickle ein Magnetfeldsensor-Kit für ein Projekt. Das Kit enthält Sensoren (insbesondere einen Beschleunigungsmesser, ein Gyroskop und ein Magnetometer), die Magnetfelder erkennen und messen, und mein Team plant, dieses Kit an einem Ort mit hoher Strahlung, insbesondere Neutronen-, Alpha- und Gammastrahlung, zu platzieren Strahlung.

Ich bin wirklich neu in Strahlungseffekten, also habe ich mich gefragt, wie Strahlung zu einem seltsamen Verhalten in der Elektronik führt und welche Komponenten am wahrscheinlichsten von Strahlung betroffen sind? Im Moment suche ich nach Sensoren für das Kit, und es ist nahezu unmöglich, strahlungsfeste Sensoren zu finden. Da ich mit Strahlung nicht vertraut bin, versuche ich zu verstehen, wie sie sich auf die Elektronik auswirkt, damit ich sehen kann, ob wir Spezialkomponenten kaufen müssen oder ob wir nur mit normalen Komponenten auskommen können.

EDIT: Nachdem ich mit meinem Team gesprochen habe, haben wir ehrlich gesagt keinen konkreten Wert für die zu erwartende Strahlungsintensität. Alles, was mir gesagt wurde, dass die Quelle Neutronen emittieren wird. Wenn man sich ansieht, was an Komponenten verfügbar ist, sind radharte Komponenten in der Regel ziemlich teuer und groß, nicht in einem kleinen IC-Formfaktor, also denke ich, dass ich mich einfach für eine andere Lösung entscheiden muss.

Ich denke, Sie sollten mit der Schätzung der gesprochenen Intensitäten beginnen ...
Alle Halbleiterübergänge sind licht-/strahlungsempfindlich. Wie empfindlich ist unterschiedlich. Ein Transistor in einem Chip verhält sich jedoch wie ein Fototransistor, wenn er genügend hochenergetischen Teilchen / Photonen ausgesetzt wird. Wenn es sich um eine Umgebung mit hoher Strahlung handelt, müssen Sie wahrscheinlich eine Abschirmung hinzufügen. Der Sensor, den Sie möglicherweise nicht abschirmen können, da er etwas erfassen muss, ist möglicherweise eine schwierigere Angelegenheit.
@EugenSch. Danke. Ich werde mich umhören und sehen, welche Art von Intensität zu erwarten ist.
Minimieren Sie die Exposition. Platzieren Sie die Sensoren auf einer separaten Einheit, die mit dem Computer (dem Pi) verbunden ist, der sich an einem Ort mit besserer Abschirmung befindet.
Ich würde empfehlen, dass Sie Berichte über die Platzierung von Elektronik im Orbit um die Erde, die Sonne oder für Langzeitmissionen studieren. Dies ist ein gut untersuchtes Gebiet mit guter Finanzierung, obwohl immer mehr Forschung erforderlich sein wird. Für Schaltungen wie MCUs werden Sie jedoch Designs mit "großen Funktionen" benötigen. Je größer beispielsweise der Transistor, desto besser. Niederspannungsbetrieb ist besser als Hochspannungsbetrieb, wenn Sie die Wahl haben, da Hochspannungen einem Ereignis "folgen" und kaskadierende Schäden verursachen können. Vervielfältigungs- und Abstimmungssysteme können bei CPUs und Software helfen.
Neben der Kenntnis der Intensität und Art der Strahlung, mit der Sie es zu tun haben, möchten Sie auch verstehen, welche Art von Ausfallraten akzeptabel sind. Da Strahlungseffekte statistisch sind, können Sie umso kostengünstigere Teile verwenden, je mehr Ausfälle Sie akzeptieren können. Die Satellitengemeinschaft hat viel Erfahrung mit Fällen, in denen ein Ausfall extrem teuer ist (wie der Bruch eines Hundert-Millionen-Dollar-Satelliten). Ihre Teile sind teuer.
Einige Arten von Magnetometern verwenden keine elektronischen Komponenten im Sensor selbst. Beispielsweise besteht ein Flux-Gate-Magnetometer nur aus einigen Drahtspulen, die um einen Ferritkern gewickelt sind. Sie könnten darüber nachdenken, wie Sie mit der richtigen Verkabelung das Elektronikpaket in einiger Entfernung vom eigentlichen Sensor platzieren können.
@ user101402: "Strahlung" ist ein sehr weit gefasster Begriff (siehe Bild in Tony Stewards Antwort). Mit welcher Art von Strahlung haben Sie es also zu tun?
@jameslarge Da die meisten Magnetometer-ICs unabhängig von der Technologie eine Art Verstärker oder Treiber zu enthalten scheinen, würden sie dann nicht immer noch durch Strahlung beschädigt? Ich habe mir den DRV425 und den DRV5055 von TI angesehen, und ihre ICs enthalten Verstärker, Integratoren und Ausgangstreiber, obwohl sie Hall-Effekt- und Fluxgate-Magnetometer sind. Würden sie also nicht immer noch beschädigt werden?
@CortAmmon Das ist das Problem, mit dem ich bei meinen Teilen konfrontiert bin. Alle Magnetometer-ICs scheinen nicht strahlungsfest zu sein, und die strahlungsfesten Magnetometer scheinen groß und sehr teuer zu sein. Wenn es zu teuer ist, solche Komponenten zu finden, was kann ich tun, um sie gegen Strahlung abzuschirmen? Eine mit Blei ausgekleidete Schachtel scheint Schritt 1 zu sein, aber ich bin mir nicht sicher, was ich sonst tun soll.
@ user101402 Basierend auf den Kommentaren besteht Schritt 1 darin, zu bestimmen, welcher Art von Strahlung Sie Ihre Komponenten aussetzen, wie hoch ihre Intensität ist und welche Ausfallraten akzeptabel sind. Sie haben den entscheidenden Punkt bemerkt: Wenn Sie nur sagen: "Mach mich strahlenhärter!" Ohne nähere Angaben werden die Teile sehr teuer, da Teile, die Strahlung ausgesetzt werden müssen, im Allgemeinen dazu neigen, hochkritische Gegenstände zu sein, bei denen sehr niedrige Ausfallraten akzeptiert werden.

Antworten (3)

Die Energieniveaus sind umgekehrt zur Wellenlänge, sodass die Abschirmung von beiden abhängt. Beginnen Sie mit Energiespezifikationen und E/A-Leitungen und Elektronik, die geschützt werden müssen.

Planen Sie Atomtests?Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Jede Wellenlänge hat unterschiedliche Reaktionen auf die Elektronik, einschließlich;
- Ionisierung (Lichtbogen oder dielektrischer Durchbruch)
- Atomverschiebung von SiO2
- Kernreaktionen von Spuren von Kernatomen.

Danke für deinen Kommentar und das Bild. Es leistet gute Arbeit, indem es vereinfacht, wie Strahlung Materialien durchdringt. Mein Team plant keine Atomtests. Wir versuchen nur, das Magnetfeld um eine Quelle herum zu messen, die eine große Menge an Strahlung emittiert.
Der "lustige" Teil, der im obigen Bild nicht gezeigt wird, ist, dass Neutronen, nachdem sie alle äußeren Schichten passiert haben, wiederum Gammastrahlung erzeugen , wenn sie absorbiert werden. Also sollte das Wasser besser vor dem Blei platziert werden.
Ja, das Bild zeigt tatsächlich Wirbelströme und Hauttiefe und keine Impulsausbreitung, so etwas wie einen Tiefpassfilter.
Wirbelströme und Skintiefe machen nur bei elektromagnetischen Wellen Sinn. Unter den Strahlungsarten in diesem Bild sind nur Röntgen- und Gammastrahlen EM-Strahlung. Alpha-, Beta- und Neutronenstrahlung sind nur fliegende Teilchen (He-Kerne, Elektronen und Neutronen); keine EM-Wellen.

Halbleiter können durch Strahlung beschädigt/zerstört werden.

Ich arbeitete in einer Teilchenbeschleunigeranlage (TRIUMF, Vancouver BC) und installierte einmal ein geregeltes Netzteil, das in einem Stahlkasten im Zyklotrongewölbe montiert war - es fiel in ziemlich kurzer Zeit aus (ein paar Wochen, wenn ich mich richtig erinnere). Das Strahlungsniveau in diesem Bereich war so hoch, dass wir dort nur weniger als zwei Stunden am Tag arbeiten durften, und das erst, nachdem das Zyklotron eine Woche oder länger ausgeschaltet war.

Ich habe gelesen, dass der Hauptmagnetstrom viele Jahrzehnte lang auf 1 ppm geregelt wurde. Wow. Ich erinnere mich, dass meine Elektronik in Pickering 2ndary Wärmetauscher während der Wartung nie als Problem gemeldet wurde. Aber das ist nur schweres Wasser.

Im September 2016 habe ich eine Schaltung entworfen und gebaut, um Dinge für die Isotopenproduktion mit einem Zyklotron zu messen. Die Strahlungsbelastung bei der Isotopenherstellung ist ziemlich hoch (meist Neutronen, tödlich für Menschen), dennoch funktioniert die Elektronik ohne Probleme. Die Schaltung besteht aus Operationsverstärkern, DACs und ADCs, einem Mikrocontroller und einer Reihe passiver Komponenten - nur gewöhnliche Teile, nicht strahlungsgehärtet. Wenn also die Strahlungswerte vergleichbar sind, sollte es kein Problem geben.

Sie müssen sich also nicht für ENIG-Erdungsschirme oder doppelt geschirmte Kabel entscheiden?
Dies ist a) keine Antwort und b) grob irreführend. Keine Angaben zu Flussmitteln, Konstruktionsmethoden, Fehlertoleranz etc.
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