Wie testet man den Einfluss von Strahlung auf die Elektronik von cubesat?

TL;DR: Die medizinischen Beschleuniger sind nicht geeignet.

Grundsätzlich gibt es zwei Auswirkungen von Strahlung auf die Elektronik:

Single Event Upsets (SEUs)

RAM-Speicherzellen sind normalerweise kleine Kondensatoren (Caps), die geladen sind oder nicht, um ein 1oder darzustellen 0. Wenn ein ionisierendes Teilchen das Dielektrikum zwischen den Deckplatten durchquert, bildet es einen Kanal aus ionisiertem und damit leitendem Material. Eine geladene Kappe kann sich dadurch entladen, und a 1wird zu einer 0. Durch Rekombination wird der Kanal innerhalb kurzer Zeit wieder zum Isolator. Dieser Effekt ist also reversibel.

Es ist kontraintuitiv, aber eine Vergrößerung der Kappe kann helfen: Die Kappe hält eine größere Ladung, die sich nicht vollständig entlädt, bis sich der Kanal "schließt".

(Das gilt übrigens auch für Feldeffekttransistoren, aber bleiben wir beim Speicher)

Ein effektiverer Weg besteht darin, mehr als eine Zelle zu verwenden, um ein einzelnes Bit zu speichern. Sie verwenden beispielsweise drei Zellen und vergleichen deren Inhalt und lassen die Mehrheit gewinnen. Auf diese Weise spielt eine einzelne entladene Kappe keine Rolle.

Natürlich erhalten Sie bei einem bestimmten Strahlungsfluss immer noch SEUs. Mehrere Partikel, die gleichzeitig auf den Chip treffen, können auch eine größere Kappe oder zwei der drei Kappen entladen.

Um zu testen, ob ein elektronisches Bauteil im Weltraum gegen SEUs immun ist, wird es mit dem im Weltraum maximal auftretenden Fluss plus einer gewissen Marge bestrahlt.

Materielle Degeneration

Während SEUs keinen dauerhaften Einfluss auf die Elektronik haben, wirkt sich Strahlung auch auf Halbleiter degenerierend oder alternd aus. Halbleiter bestehen beispielsweise aus reinem Silizium, das mit Spuren anderer Elemente dotiert ist, um ihnen einzigartige Eigenschaften zu verleihen. Wenn Strahlung Siliziumkerne zertrümmert, entstehen andere Elemente, die sich anders verhalten. Beispielsweise können als Dioden ausgebildete Sensorelemente ihre Dotierung invertieren.

Zu den Gegenmaßnahmen gehören die Wahl spezieller Materialkombinationen und spezielles Doping.

Da es sich um einen kumulativen Langzeiteffekt handelt, muss die Elektronik über ihre gesamte Lebensdauer einer Gesamtdosis ausgesetzt werden, die der zu erwartenden Dosis im Weltraum entspricht. Da Satelliten mehrere Jahre im Weltraum bleiben können, Sie aber Bestrahlungstests nicht so lange durchführen möchten, benötigen Sie eine hochintensive Strahlungsquelle, die die erwartete Dosis innerhalb von Tagen appliziert.

Art der Strahlung

Wie bereits im Kommentar erwähnt, muss man zwischen EM (X-Ray, Gamma-Ray) und Teilchenstrahlung unterscheiden.

Die Leute denken, dass Gammastrahlung am gefährlichsten ist, weil man eine wirklich dicke Abschirmung braucht und ein Mann jetzt grün wird, wenn er sich aufregt. Aber das ist nicht der Fall. Gammastrahlen reagieren nicht so stark mit Materie, durch die sie fliegen, also brauchen Sie viel Materie, damit das meiste davon mit ihr reagieren kann. Die Auswirkung von Gammastrahlen auf die Elektronik ist also ziemlich gering, und da Gammastrahlen keine Kerne zerstören können, werden sie nur von Zeit zu Zeit SEUs verursachen, aber keine Verschlechterung. Die Reaktion von Röntgenstrahlen mit Materie ist wahrscheinlicher und verursacht so mehr SEUs, entartet aber auch keine Materie.

Elektronen geben ihre Energie ab, indem sie Atome der Materie, durch die sie sich bewegen, ionisieren. Aber sie zerstören auch keine Kerne, und die Dichte der ionisierten Atome, die entlang ihrer Bahn zurückbleiben, ist eher gering. Also noch einmal, keine Langzeitwirkung, nur SEUs.

Protonen, Alpha-Teilchen (Helium-Kerne) und Kerne schwererer Elemente wirken sehr stark auf Materie ein, da sie durch Ionisation auf kurze Distanz große Energiemengen deponieren und Kerne in der Elektronik zerstören können.

Leider besteht die Strahlung im Weltraum zu etwa 87 % aus Protonen, zu 12 % aus Alphateilchen und zu 1 % aus schwereren Ionen und Elektronen.

Ein großer Teil dieser Strahlung liegt in einem Energiebereich, der dem radioaktiver Elemente ähnlich ist, der normalerweise leicht durch die Hülle des Satelliten abgeschirmt werden kann. Aber es gibt viel hochenergetische Strahlung:

Von Sven Lafebre (eigene Arbeit, nach Swordy.) GFDL, CC-BY-SA-3.0 oder CC BY-SA 2.5-2.0-1.0, via Wikimedia Commons

Die Einheit der y-Achse ist etwas schwer zu verstehen, aber die Beschriftungen geben eine bessere Vorstellung: Das Diagramm fängt bei etwa 1000 Partikeln pro Quadratmeter pro Sekunde an$10^9$eV (1000 MeV), während die höchste Energie des radioaktiven Zerfalls etwa 10 MeV beträgt.

Prüfgeräte / Einrichtungen

Um auf Ihre medizinischen Beschleuniger zurückzukommen, dies sind hauptsächlich Röntgenquellen. Wie gesagt, dies kann einige SEUs verursachen, aber keine Alterung. Du brauchst eine Partikelquelle! Selbst wenn Sie einen medizinischen Beschleuniger zerlegen und den darin befindlichen Elektronenbeschleuniger verwenden, erhalten Sie immer noch nur Elektronen von etwa 10 MeV.

Neue Arten der Krebstherapie nutzen Beschleuniger für Protonen , Alphateilchen und schwerere Kerne. Der Link gibt Protonen bis zu 250 MeV an, was nicht so sehr im Vergleich zum Spektrum im Weltraum ist. Und obwohl ich keine Daten über die Intensität finden kann, ist sie höchstwahrscheinlich viel zu niedrig. Menschliches Gewebe ist viel empfindlicher gegenüber Strahlung als Silizium, daher werden diese Einrichtungen eine viel geringere Intensität haben, als Sie benötigen, insbesondere um zersetzende Wirkungen zu untersuchen. Allerdings sind diese Anlagen recht neu und im Vergleich zu Ihren Beschleunigern sehr groß, was sie sehr teuer und alles andere als alltäglich macht.

Wenn Sie Ihre Elektronik wirklich testen wollen, gehen Sie zu einer der größeren wissenschaftlichen Beschleunigeranlagen wie CERN, dem Paul-Scherrer-Institut (PSI) oder DESY in Europa oder Fermilab etc. in den USA. Sie bieten mehrere Arten von Bestrahlungsanlagen mit allen Arten von Teilchenquellen über weite Energie- und Intensitätsbereiche.

Hier ist zum Beispiel eine Website des PSI, wo sie eine Protonenbestrahlungsanlage anbieten. Dies ist ein Projekt von PSI und ESA.

(Okay, das ist etwas ausführlicher geworden...)