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Effets des radiations sur les systèmes électroniques

Françoise BEZERRA

CNES Toulouse

Journées thématiques « Vide en milieu ionisant », GANIL 22-24/11/2017

L’espace, un environnement hostile

© CNES/Rosetta/MPS for OSIRIS TESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team/MPSUPD/LAM, 2014

L’espace Milieu Hostile

1. Rappel sur l’environnement radiatif spatial

2. Les effets sur les composants électroniques

3. Assurance Durcissement

4. Bonus vols habités

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L’environnement radiatif spatial

En résumé:

Ceintures de radiations

Protons, [keV - 500MeV]

Electrons, [eV - 10MeV]

Eruptions solaires

Protons, [keV - 500MeV]

Ions lourds, [qqs MeV/n - 10MeV/n]

Rayonnements cosmiques

Ions [ -> 300MeV/n]

Le tout modulé par l’activité solaire et l’évolution du champ magnétique


Effets des Rayonnements Ionisants sur les engins spatiaux

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Effets singuliers

Passage d’une seule particule

Effets cumulatifs

Vieillissement prématuré

Effets sur l’électronique et /ou les matériaux en fonction de

la nature et de l’énergie des particules reçues

Fort effet du blindage


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A l’extérieur: Beaucoup de particules de faible énergie

Panneaux solaires, éléments optiques, revêtements, câbles.

Modification des propriétés:

o Mécaniques

o Electriques

o Optiques

Très fort gradient de dose


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A l’intérieur: seules les particules de forte énergie pénètrent.

Eléments sensibles: Composants électroniques actifs.

o Numériques : µP, Mémoires, ASICs, FPGAs, …

o Mixtes - Interfaces: CAN, CNA, RX/TX, …

o Analogiques: AOP, Comparateurs, …

o Puissance: MOSFETs…

o Optoélectroniques: Capteurs CCD, optocoupleurs, fibres optiques…

Deux catégories d’effets

o Effets singuliers (induits pas le passage d’une particule unique)

o Effets cumulatifs (accumulation de dose)

©CNES/TRAD © Airbus Defense & Space


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Les effets cumulatifs

Vieillissement prématuré du à l’accumulation de dose ionisante ou non ionisante (défauts de

déplacements atomiques)

o Dérive paramétrique

o Perte de fonctionnalité

©CNES/TRAD

© Airbus Defense & Space


Effets sur les composants électroniques

Effets singuliers: panne

» Liés au passage d’une particule unique

» Ions lourds, protons.

» Destructifs (Latch-up, Burn-out, Rupture de grille)

» Non destructifs (Upset, Transitoire,…)


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Prise en compte de ces effets: l’Assurance durcissement

1. Modélisation de l’environnement de la mission

Courbes de dose

Spectres d’ions et protons


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Prise en compte de ces effets: Assurance durcissement

2. Modélisation du blindage

Apporté par le satellite

Apporté par l’équipement

… et transport de l’environnement derrière ce blindage


3. Quantifier la sensibilité des composants

Tenue en dose (Phénomènes cumulatifs)

Section efficace et modes de pannes (Effets singuliers)

Nécessité de réaliser des

essais sous irradiations



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Moyens de simulation

Caractérisations de composants

En dose ionisante – Source Co60

En dose de déplacement – Accélérateurs de protons, faisceaux de neutrons

En effets singuliers – Accélérateurs d’ions lourds ou de protons


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4. Estimation du comportement en vol

Effets cumulatifs: Comparaison contrainte avec comportement sous test

Effets singuliers:

Estimation d’un taux d’occurrence en vol

Conception tolérante:

o Blindage,

o Redondance,

o Codes correcteurs d’erreurs,

o Watchdog,…

Objectif: Remplir la mission sans possibilité de réparation et avec une fiabilité optimale.



1evt/mois en orbite SPOT

Moyens utilisés par le CNES: Effets singuliers

Accélérateurs d’Ions lourds

UCL (Louvain la Neuve, Belgique), E=10MeV/n

RADEF (Jyvaskyla, Finlande), E= 30-50MeV/n

GANIL (Caen), E->100MeV/n

KVI (Groningen, Pays Bas), E->40Mev/n, en cours de développement

Accélérateurs de protons

UCL (Louvain la Neuve, Belgique), E= 10-67MeV

KVI (Groningen, Pays Bas), E= 10-187MeV

CNA (Sevilla, Espagne), E= 3MeV et 18MeV (En cours de validation)

MIRAGE (ONERA, Toulouse), E < 2MeV

Accélérateurs d’électrons (R&T)

Centre Hospitalier (Carcassonne), E= 6-20MeV (En cours de validation)

GEODUR (ONERA, Toulouse), E=1MeV

Perspectives à l’étude: Faisceaux X pulsés (ESRF, Grenoble ou Soleil, Saclay)

SET protons eruption solaire


Irradiateur Panoramique Cobalt 60

GAMRAY, TRAD, Labège, France

Gammas 1,17 et 1,33 MeV

» Source Co60, A=400Ci (07/2016)

» Composants fermés dans l’air

» Travail en zone déportée

» Accès en salle pour changement d’échantillons entre 2 tirs

» Pas d’activation des échantillons.

© GANIL


Accélérateur d’ions lourds de forte énergie

GANIL, Caen, France ions lourds de fort Z

» E->100MeV/n

» Composants dans l’air (ouverts ou fermés)


» Accès en salle pour changement d’échantillons entre 2 tirs

» Activation des échantillons.

© GANIL

© CNES/ BEZERRA F./2010 © CNES/ BEZERRA F./2010


Accélérateur mixte de moyenne énergie

UCL, Louvain la Neuve, Belgique

Protons 10-67MeV



» Accès en salle entre 2 tirs

» Activation des échantillons

Neutrons

Ions lourds

» E~ 10MeV/n

» Composants ouverts dans enceinte sous vide

» Travail à proximité immédiate.

» Pas d’activation des échantillons

© UCL

© UCL

© CNES/ BEZERRA F./2012


Accélérateur Mixte de plus forte énergie

KVI, Groningen, Pays-Bas Protons de forte énergie (10-187MeV)



» Accès en salle entre 2 tirs

» Forte activation des échantillons et de la salle

d’irradiation

Depuis 2014

» Ions lourds dans l’air.

» En cours de mise au point


© KVI



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