Белорусские ученые решили проблему защиты микроэлектроники от галактических ионов
Странные вспышки света, даже при закрытых глазах и в полной темноте, так поразившие первых космонавтов на орбите, оказались сигналом о проблеме, которая встала во весь рост только сегодня. Речь идет о высокоэнергетических частицах галактического излучения, насквозь прошивающих на огромной скорости космический корабль вместе с экипажем и вызывающих на сетчатке глаза фантомные сполохи света.
Но живой организм – устойчивая система, и полученные микротравмы он быстро залечивает. Почти не реагировала на такое воздействие, сопровождающееся небольшими механическими повреждениями и электромагнитными помехами, и аппаратура первых космических аппаратов. В прошлом веке электроника была крупногабаритной и энергонасыщенной, поэтому слабое «эхо» от удара высокоскоростной частицы она попросту не замечала. Однако с появлением миниатюрных чипов, в которых циркулируют токи, соизмеримые по силе с космическими помехами, положение изменилось. Микроэлектроника начала необъяснимо чудить. Причем было бы полбеды, если бы она просто выходила из строя, на случай чего предусмотрено многократное дублирование наиболее уязвимых систем. Но приборы, оставаясь вполне работоспособными, могут после удара микрочастиц из глубокого космоса начинать действовать «по своему разумению», так как принимают всплеск напряжения в электрической сети за управляющий импульс. А это уже опасно.
Когда такие случаи участились, проблемой защиты от галактического, солнечного и других видов космических излучений ученые занялись серьезно. И тут вдруг оказалось, что для решения загадки вовсе не обязательно лететь в космос. Белорусские ученые продемонстрировали, что физику воздействия галактических ионов можно объяснить, моделируя процесс удара сгустков космической пыли в лабораторных условиях.
— Эффект сверхглубокого проникновения ускоренных микрочастиц в материалы еще лет 30 назад обнаружил профессор Сергей Ушеренко, с которым я начинал работать в этом направлении в 1997 году, — вспоминает старший научный сотрудник лаборатории литейных материалов Научно-исследовательского института импульсных процессов с опытным производством Института порошковой металлургии Национальной академии наук Беларуси Владимир Овчинников. – Пытаясь упрочнить инструментальную сталь, Ушеренко обстреливал ее сгустками микрочастиц карбидов кремния, бора, титана и других порошковых материалов на специально созданном для этих целей ускорителе, использующем энергию взрыва. Обработанный таким образом инструмент упрочнялся, увеличивал свою износостойкость в 1,5 – 2 раза и нашел применение в инструментальной и горно-добывающей промышленности. В процессе научных исследований был обнаружен и феномен сверхглубокого проникновения ускоренных частиц в металл. Они углублялись в материал не на несколько миллиметров, как следовало из известных нам законов физики, а проникали на десятки миллиметров. Когда результаты экспериментов проанализировали, был сделан вывод о том, что проникание в сталь микрочастиц сопровождается импульсом электромагнитного и ионизирующего излучения, а также образованием короткоживущей плазмы. Следовательно, такие же эффекты должны наблюдаться и в космосе.
Более того, стало очевидно, что летящая на большой скорости космическая пыль, сталкиваясь с деталями микроэлектроники, наносит им гораздо больший урон, чем считалось до сих пор. Причем белорусские ученые выяснили, что одиночные пылинки опасности почти не представляют, но когда они летят в виде сгустков, то при столкновении с препятствием как бы разжижают его поверхность и создают условия для сверхглубокого проникновения отдельных частиц с образованием плазменных струй, электромагнитного и ионизирующего излучения.
Идея изучить последствия воздействия таких факторов на микросхемы и попытаться найти средства противодействия этому процессу возникла сразу же, как только был открыт эффект. Но скептическое отношение оппонентов к обнаруженному явлению, отсутствие теоретического объяснения феномена не позволяли долгое время глубоко заняться проблемой. Удалось это только тогда, когда ее включили в программу Союзного государства «Космос НТ», а также в республиканскую государственную программу научных исследований «Энергетические технологии». Этим и занялся НИИ импульсных процессов совместно с Научно-техническим центром «Белмикросистемы» ОАО «Интеграл».
Оказалось, что механизм воздействия частиц, летящих со скоростью в десятки тысяч километров в секунду, очень сложен и заключается не только в механическом повреждении и последствиях прохождения электромагнитного импульса, но и в ударной волне, нарушающей структуру материала, а также в ионизирующем излучении, плазменных микроструях. Поэтому защиту микросхем, предназначенных для бортовой аппаратуры космических кораблей, а также для техники, работающей при повышенном радиационном фоне, белорусские ученые предложили делать многослойной с применением технологий порошковой металлургии и использованием полимерных материалов. Каждый слой такого «пирога» должен защищать от определенного поражающего фактора, а чтобы такие экраны эффективно работали, их важно расположить в строгом порядке.
— Принятое решение поддержали наши коллеги из НТЦ «Белмикросистемы», и отдельные разработки были запатентованы, — поясняет Владимир Овчинников. – До сих пор создатели стойких к излучениям микросхем, помимо некоторых конструктивных изменений, снабжали чипы лишь дополнительными магнитными проводниками, чтобы снизить уровень возникающих при столкновении с ионами или микрометеоритами помех. Мы же предлагаем принципиально новый многослойный корпус из специальной аморфной фольги с высокими магнитными свойствами, углеродных экранов с фуллеренами, с прочной керамической подложкой. Каждый слой композита выполняет свою роль, и в результате электромагнитное воздействие на микросхему снижается на 20 – 30 процентов, в 2–3 раза увеличивается механическая прочность корпуса, улучшаются другие характеристики.
Конечно, дополнительные меры немного удорожают такую микроэлектронику, но в конечном счете она может оказаться гораздо более выгодной в эксплуатации. Во-первых, за счет повышенной живучести, а во-вторых, благодаря тому, что количество дублирующих бортовых систем в космическом аппарате можно будет снизить.
Уже к концу этого года эксперименты завершатся, и «Интеграл» предложит окончательный вариант микросхем нового поколения в «космическом» исполнении. Основными покупателями будут, конечно, россияне. Но партнеры уверены, что не имеющая аналогов продукция должна привлечь внимание и других космических держав.
