Особенности применения рентгеновских аппаратов

Особенности применения рентгеновских аппаратов
типа РАП для испытаний изделий электронной техники
на стойкость к дозовым ионизационным эффектам
В.Ф. Зинченко, А.А Романенко,Н.И. Терентьев, В.Н. Улимов (ФГУП «НИИП»),
Е.В. Митин (ОАО «РНИИ Электронстандарт»)
Введение
Для проведения испытаний ЭРИ на стойкость к дозовым
эффектам в последнее время наряду с мощными гамма-установками
с источником Со60 ( Eγ = 1,25 МэВ) или Сs137 ( Eγ = 0,66 МэВ) применяются
рентгеновские аппараты типа МИРА, ВИРА, РАП с энергией РИ
в диапазоне от 10 до 300 кэВ. Ниже рассматриваются особенности
применения рентгеновского аппарата РАП 300-5 в сравнении
с изотопными гамма-установками, связанные, в первую очередь,
с различиями в энергетических спектрах фотонного излучения.
Основная проблема, возникающая при планировании и интерпретации
результатов испытаний на источниках рентгеновского излучения (РИ) определение поглощенной энергии в чувствительном объеме ЭРИ
при заданной геометрии ЭРИ и характеристиках РИ. Наиболее общий
и корректный подход основан на использовании в качестве указанных
характеристик результатов аттестации полей РИ в единицах
экспозиционной дозы, Р, и информации об энергетическом спектре РИ.
Энергетическая зависимость чувствительности
ионизационной камеры БМК-06
1,06
1,04
отн.ед.
1,02
1,00
0,98
0,96
0,94
0,92
0,90
0,88
30
40
50
60
70
80
90 100 150 200 300 400 500 600
Е, кэВ
Переход от экспозиционной дозы, Р, к поглощенной энергии
в материале чувствительного объема ЭРИ при выполнении
условий электронного равновесия
Монолиния Е0
K рад(х)/Р =
a, x (E0 ) /1,145 a,в (E0 )
Непрерывный спектр
K рад( х) / Р 
 E  (E )a, x (E  )dE
1,145  E  ( E )а,в ( E )dE
D [P] 100
10
1
0.1
0.01
1
10
100
d [mm]
Изменение дозы за импульс на оси трубки рентгеновского аппарата
МИРА-2Д от расстояния до выводного окна:
 - ионизационная камера,  - детекторы ИС-7, ТЛД-500
Основные параметры аппарата РАП 300-5
Максимальное напряжение на аноде Ua составляет 300 кВ.
Пределы регулирования Ua от 70 до 300 кВ через 1 кВ.
Максимальный средний ток анода Ia составляет 4,5 мА.
Ia регулируется дискретно через 0,1 мА.
Мощность экспозиционной дозы при Ua = 300 кВ и Ia = 4,0 мА
на расстоянии 1 м от выходного окна не менее 0,2 Р/с.
Спектры рентгеновского излучения РАП
25x109
(Е), отн.ед
20x109
15x109
10x109
5x109
0
0
Ua = 80 кВ
10
20
30
40
50
60
70
80
Е, кэв
160x109
140x109
E), отн.ед.
120x109
100x109
80x109
60x109
40x109
20x109
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
E, кэВ
Ua = 150 кВ
7e+11
6e+11
отн.ед.
5e+11
4e+11
3e+11
2e+11
1e+11
0
0
Ua = 300 кВ
50
100
150
200
250
300
E, кэВ
Энергетические спектры РИ могут быть рассчитаны методом
Монте-Карло при известной геометрии мишени рентгеновского
аппарата и напряжении Ua и дополнительно уточнены с помощью
метода поглощения РИ в геометрии узкого пучка.
1,2
1,0
AL
Косл., отн. ед.
0,8
0,6
Fe
0,4
0,2
0,0
0
1
2
3
4
5
6
L, мм
Зависимость коэффициента ослабления импульсного рентгеновского
излучения установки МИРА-2Д от толщины защиты из алюминия и стали
Структура ИС CОЗУ 1635РУ1Т
Корпус,
ковар
100 мкм
Si3N4
SiO2
1,1 мкм
1,2 мкм
SI
Al2O3
450 мкм
1450 мкм
100
К, рад (SiO2) / P
2
10
1
3
1
4
0,1
0,01
0,1
1
Е, МэВ
Расчетная зависимость отношения плотности поглощенной энергии
в чувствительном слое SiO2 КМОП ИС ( корпус - ковар толщиной 100 мкм ), рад(SiO2),
к экспозиционной дозе, Р, от энергии фотонов:
1 - расчет для условий электронного равновесия ;
2 - расчет с учетом реальной структуры ИС ( в диапазоне Е > 100 кэВ перед
корпусом размещался дополнительный слой алюминия толщиной 2 мм );
3 - корпус – алюминий: в диапазоне Е > 300 кэВ - 2 мм, для Е < 300 кэВ - 1 мм
4 - корпус – пластмасса толщиной 1 мм ( в диапазоне Е > 300 кэВ перед
корпусом размещался дополнительный слой алюминия толщиной 1 мм ).
Коэффициенты перехода от экспозиционной дозы к плотности
поглощенной энергии рентгеновского излучения в чувствительном
объеме ИС, рад (SiO2)/P
Граничная
Условия
Корпус ИС
энергия РИ,
электронного
Ковар,
Алюминий,
Пластмасса,
кэВ
равновесия
100 мкм
1 мм
1 мм
80
4,0
8,0
4,6
3,9
150
3,0
8,0
3,1
2,7
300
2,1
7,2
2,5
2,0
Эксперимент: облучение мощного МОПТ IRF-450 на аппарате
РАП-300 и установке ГУ-200 со стороны крышки (0,4 мм медь)
и фланец (1,5 мм медь)
2,8
2,6
IRF-450
2,7
РАП-300
Ua = 300 кВ
P = 10,8 P/c
Облучение через крышку
2,2
Uпор,
Uпор, В
В
2,6
IRF-450
ГУ-200
P =14,2 P/c
2,4
2,5
2,0
1,8
Облучение через фланец
Облучение через крышку
2,4
1,6
2,3
1,4
Облучение через фланец
1,2
2,2
0
1
2
3
4
Доза облучения, 103 Р
5
6
7
0
5
10
15
Доза облучения, 103 Р
20
25
Эффекты влияния удельных потерь энергии заряженных частиц
и электрического поля в окисле МОП-приборов на выход
свободных носителей заряда
выход заряда
1
парная
рекомбинация
0,1
колонная
рекомбинация
0,01
0,1
1
10
100
1000
Энергия протонов, МэВ
âû õî ä ñâî áî äí û õ äû ðî ê, î òí . åä.
1,0
12 -Ì ýÂ ýëåêòðî í û Ñî 60
0,8
10 -êýÂ êâàí òû
0,6
5-êýÂ ýëåêòðî í û
700- êýÂ ï ðî òî í û
0,4
0,2
ï î ëî æèòåëüí î å ñì åù åí èå
2 -Ì ý  ÷àñòèöû
0,0
0
1
2
3
ýëåêòðè÷åñêî å ï î ëå, Ì Â/ñì
4
5
Преимущества изотопных гамма-установок Со60, Сs137 перед
рентгеновскими источниками при проведении массовых
испытаний ЭРИ:
1 Стандартизованные методы аттестации и дозиметрии
при проведении испытаний
2 Практическое отсутствие эффектов усиления дозы, влияния
корпуса и структуры ЭРИ
3 Минимальная погрешность определения поглощенной энергии
в чувствительном объеме ЭРИ
4 Минимальное влияние электрического режима ЭРИ (электрического
поля в чувствительном объеме) на выход e-h пар в окислах МОП-структур
5 Возможности исследований эффектов низкой интенсивности
в широком диапазоне мощностей доз и температур