Sistemi Elettronici per applicazioni spaziali

1) Principali problemi ambientali per i sistemi elettronici spaziali :

• Difficoltà nello smaltire il calore prodotto
• Effetti delle radiazioni che colpiscono il componente elettronico e ne modificano il comportamento

2) Protone :

Ha la stessa carica dell'elettrone ma di segno opposto, la massa è invece circa 1800 volte quella dell'elettrone. Insieme ai neutroni costituisce il nucleo dell'atomo, questi ultimi però non hanno carica elettrica.

3) Ambiente radiativi nello spazio :

• Radiazioni intrappolate: elettroni e protoni energetici intrappolati nelle fasce di Van Allen
• Raggi cosmici : ioni energetici
• Protoni di eventi solari

4) Campo magnetico terrestre :

Ha origini sia interne che esterne, per le origini interne si può pensare che al centro della Terra vi sia una immensa barra magnetica il cui asse è inclinato di 11,3° rispetto all'asse terrestre. Il polo che si trova a Nord è negativo.

Il vento solare determina una compressione delle linee di flusso del campo magnetico dalla parte che guarda il Sole mentre una espansione dalla parte opposta.

5) Vento solare :

Si tratta di protoni ed elettroni aventi una velocità di circa 500Km/s.

6) Raggi cosmici :

Si tratta di cariche positive molto veloci le quali bombardano la Terra da ogni direzione, sono numericamente poche ma hanno energia molto elevata, urtando contro gli atomi dell'atmosfera danno luogo a dei frammenti che se carichi vengono intrappolate dal campo magnetico terrestre.

7) Fasce di Van Allen :

Sono delle zone in cui le radiazioni che provengono dal Sole vengono intrappolate, ciò è dovuto al campo magnetico terrestre il quale è forte in vicinanza della Terra e quindi rallenta le particelle.

Si hanno due grandi fasce, la fascia interna si trova a 3000Km ed è prodotta da urti tra raggi cosmici ed atomi dell'atmosfera, è costituita da protoni ad alta energia (50MeV). Nella fascia esterna ci sono protoni ed elettroni ad energia molto inferiore a quella della fascia interna, inoltre la popolazione di questa fascia è direttamente collegata alle attività solari.

8) Radiazioni in transito :

• Raggi cosmici galattici originati esternamente al sistema, essi sono costituiti per 85% da protoni, per il 14% da particelle alfa e per l'1% da nuclei pesanti, hanno energie fino ai GeV
• Eventi solari (Raggi X, protoni e ioni pesanti)

9) Anomalia del Sud Atlantico :

Per via della distorsione del campo magnetico terrestre si ha che la fascia di protoni si estende a basse altitudini nel Sud America, in questa regione i satelliti a bassa orbita sono sottoposti a protoni ad alta energia, non c'è infatti più l'azione schermante delle fasce di Van Allen che intrappola la radiazione spaziale incidente.

10) RAD :

Radiation Absorberd Dose corrisponde all'energia di 100 erg in 1 grammo di materiale, solitamente si utilizza un suo multiplo, il Gray Gy in particolare 1Gy = 100 rad .

11) LET :

Linear Energy Transfer, si tratta dell'energia ceduta dalle particelle cariche per unità di percorso, è una unità di misura per i SEE.

12) Effetti delle radiazioni sui componenti elettronici :

• Ionizzazione: elettroni e protoni incidenti generano carica che si accumula negli strati isolanti, ciò determina una variazione delle caratteristiche, aumento delle correnti di perdita e diminuzione dell'immunità al rumore
• Danno da dislocazione: I protoni incidenti distruggono il reticolo cristallino riducendo il guadagno e aumentando la resistenza "ON" come pure ne consegue una ridotta uscita nei LED  e CCD.
• Single Event: raggi cosmici e protoni ad alta energia determinano un percorso denso di ionizzazione localizzata, ne derivano impulsi transitori di corrente ed effetti transitori o permanenti.

13) TID :

Total Ionizing Dose, si misura in rad (.. radiation absorbed dose) peggiora le caratteristiche dei dispositivi elettronici (.in particolare dei pannelli solari) in quanto crea delle coppie elettrone - lacuna le quali si pongono all'interfaccia con l'ossido e vanno a variare la tensione di soglia.

14) SEE :

Single Event Effects raggruppa SEU, SEL e SET , si misura mediante la LET.

15) SEU :

Single Event Upset determina il passaggio di un bistabile da uno stato all'altro.

16) SEL :

Single Event Latch-up , l'interazione di una particella carica con un CMOS può attivare dei transistor parassiti i quali possono dar luogo ad un forte assorbimento con conseguente rottura del dispositivo.

17) SET :

Single Event Transient, comporta una oscillazione della tensione di uscita con passaggio da massa ad altro valore di tensione o viceversa, la durata cambia a seconda del componente, va da 15 μs per gli operazionali a 100 ns per gli opto accoppiatori.

18) MBU :

Multiple Bit Upset, come conseguenza della miniaturizzazione spinta si ha che una radiazione incidente può interessare più transistor adiacenti, tale problematica è difficilmente risolvibile se non a livello architetturale.

19) Scelta della sorgente per il test alle radiazioni :

• TID: si può utilizzare Cobalto (..CO-60) , raggi gamma oppure elettroni da 1MeV a 3MeV
• Danno da dislocazione: si possono utilizzare protoni (10 - 20 MeV) , neutroni (1 MeV) ed elettroni (3-5MeV)
• Single Event: si possono utilizzare acceleratori a ioni pesanti oppure acceleratori di protoni o Californio Cf-252

20) RVT :

Radiation Verification Typical.

21) Tecnologie Radiation Tolerant :

• Diodi non zener
• Logica TTL ed ECL
• Tecnologie GaAs
• Cristalli
• Componenti passivi

22) Numero di campioni e tracciabilità per il test alle radiazioni :

Per la TID occorrono almeno 5 campioni di cui 4 di test ed uno di riferimento, per la Single Event invece vengono raccomandati almeno 4 campioni. Per la tracciabilità è fondamentale utilizzare lo stesso lotto di componenti sia per i test che per quelli destinati alla produzione, questo in quanto vi possono essere forti differenze nelle caratteristiche di lotti diversi dello stesso componente.

23) Vantaggi e svantaggi dell'utilizzo di componenti commerciali :

Vantaggi:

• Si possono realizzare funzioni più complesse
• Una maggiore disponibilità

Svantaggi:

• Scarsa tracciabilità dei componenti
• Cambio di processo rapido e non annunciato
• Rapida obsolescenza
• Modifica del dielettrico nello spazio

24) Tecniche per ridurre il rischio dell'utilizzo di componenti commerciali :

• Analizzare soluzioni a livello di sistema
• Limitare utilizzo nuove tecnologie
• Lista componenti rivista da un esperto di radiazioni
• Caratterizzazione accurata dei componenti chiave
• Eliminare o schermare le tecnologie marginali

25) Contromisure per la TID :

• Schermatura addizionale ma soltanto per ambiente caratterizzato da elettroni
• Ridondanza fredda
• Derating ossia richiedere prestazioni molto inferiori a quelle realmente messe a disposizione dal componente
• Progetto robusto caratterizzato da alte correnti di pilotaggio e basso fan-out

26) Contromisure per la Single Event Effects :

• Schermatura addizionale non efficace
• Utilizzare tecniche di individuazione e determinazione dell'errore
• Utilizzare tecniche di progetto Fault Tolerant
• Assicurarsi che il sistema possa effettuare il re-boot autonomo