विकिरण कठोरता (रेडिएशन हार्डनिंग)

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Not to be confused with ठोस विकिरण or विकिरण भंगुरता.
For विकिरण के कारण पदार्थों का ठोस होना, see विकिरण क्षति.

विकिरण कठोरता उच्च स्तर के आयनित विकिरण (कण विकिरण और उच्च-ऊर्जा विद्युत चुम्बकीय विकिरण) के कारण होने वाली क्षति या हानि के लिए इलेक्ट्रॉनिक घटकों और परिपथों को प्रतिरोधी बनाने की प्रक्रिया है।[1] विशेष रूप से बाहरी अंतरिक्ष में वातावरण के लिए (विशेष रूप से निम्न पृथ्वी कक्षा से हटकर), परमाणु रिएक्टरों और कण त्वरक के आसपास, या परमाणु दुर्घटनाओं या परमाणु युद्ध के समय होती है।

अधिकांश सेमीकंडक्टर उपकरण विकिरण क्षति के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं, और विकिरण-कठोर (रेड-हार्ड) घटक उनके गैर-कठोर समकक्षों पर आधारित होते हैं, कुछ डिज़ाइन और निर्माण विविधताओं के साथ जो विकिरण क्षति की संवेदनशीलता को कम करते हैं। माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक चिप के विकिरण-सहिष्णु डिजाइन का उत्पादन करने के लिए आवश्यक व्यापक विकास और परीक्षण के कारण, विकिरण-कठोर चिप की विधि सबसे हाल के विकास से पिछड़ जाती है।

विकिरण-कठोर उत्पादों का सामान्यतः एक या एक से अधिक परिणामी-प्रभाव परीक्षणों के लिए परीक्षण किया जाता है, जिसमें कुल आयनीकरण मात्रा (टीआईडी), कम मात्रा दर प्रभाव (ईएलडीआरएस), न्यूट्रॉन और प्रोटॉन विस्थापन क्षति और एकल घटना प्रभाव (एसईई) सम्मिलित हैं।

विकिरण के कारण होने वाली समस्याएं

See also: विकिरण क्षति

उच्च स्तर के आयनीकरण विकिरण वाले वातावरण विशेष डिजाइन चुनौतियों का निर्माण करते हैं। एकल आवेशित कण हजारों इलेक्ट्रॉन को ढीला कर सकता है, जिससे इलेक्ट्रॉनिक ध्वनि और संकेत कील हो सकते हैं। डिजिटल परिपथ की स्थिति में, यह ऐसे परिणाम दे सकता है जो गलत या अस्पष्ट हैं। यह उपग्रहों, अंतरिक्ष यान, भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर के डिजाइन में विशेष रूप से गंभीर समस्या है।[2][3][4] सैन्य विमान, परमाणु ऊर्जा स्टेशन और परमाणु हथियार, ऐसी प्रणालियों के उचित संचालन को सुनिश्चित करने के लिए, सैन्य या एयरोस्पेस व्यापारों के लिए एकीकृत परिपथ और सेंसर के निर्माता विकिरण ठोस करने के विभिन्न विधियों को नियोजित करते हैं। परिणामी प्रणालियों को रेड (प्रयोग)-कठोर, रेड-हार्ड, या (संदर्भ के अन्दर) कठोर कहा जाता है।

प्रमुख विकिरण क्षति स्रोत

आयनीकरण विकिरण के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स के संकट के विशिष्ट स्रोत, उपग्रहों के लिए वैन एलेन विकिरण बेल्ट, सेंसर और नियंत्रण परिपथ के लिए विद्युत् संयंत्रों में परमाणु रिएक्टर, नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए कण त्वरक विशेष रूप से कण डिटेक्टर उपकरण, शीतल त्रुटि में आइसोटोप से अवशिष्ट विकिरण अल्फा कण पैकेज क्षय, अंतरिक्ष यान और उच्च ऊंचाई वाले विमानों के लिए ब्रह्मांडीय विकिरण, और संभावित सभी सैन्य और नागरिक इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए परमाणु विस्फोट हैं:

  • ब्रह्मांडीय किरणें सभी दिशाओं से आती हैं और एक्स-रे और गामा-रे विकिरण के साथ लगभग 85% प्रोटॉन, 14% अल्फा कण और 1% HZE आयनों से मिलकर बनती हैं। अधिकांश प्रभाव 0.1 और 20 इलेक्ट्रॉन वोल्ट के बीच ऊर्जा वाले कणों के कारण होते हैं। वातावरण इनमें से अधिकांश को फ़िल्टर करता है, इसलिए वे मुख्य रूप से अंतरिक्ष यान और उच्च ऊंचाई वाले विमानों के लिए चिंता का विषय हैं, लेकिन सतह पर सामान्य कंप्यूटरों को भी प्रभावित कर सकते हैं।[5][6]
  • कोरोनल मास इजेक्शन सूर्य की दिशा से आता है और इसमें उच्च-ऊर्जा (कई GeV) प्रोटॉन और भारी आयनों का बड़ा प्रवाह होता है, जिसके साथ फिर से एक्स-रे विकिरण होता है।
  • वैन एलन विकिरण बेल्ट में भू-चुंबकीय क्षेत्र में फंसे इलेक्ट्रॉन (लगभग 10 MeV तक) और प्रोटॉन (100s MeV तक) होते हैं। पृथ्वी से दूर के क्षेत्रों में कण प्रवाह सूर्य और चुंबकमंडल की वास्तविक स्थितियों के आधार पर अधिकांशतः भिन्न हो सकता है। अपनी स्थिति के कारण वे उपग्रहों के लिए चिंता का विषय हैं।
  • माध्यमिक कण इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के आसपास की संरचनाओं के साथ अन्य प्रकार के विकिरण के संपर्क से उत्पन्न होते हैं।
  • परमाणु रिएक्टर गामा विकिरण और न्यूट्रॉन विकिरण उत्पन्न करते हैं जो परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में सेंसर और नियंत्रण परिपथ को प्रभावित कर सकते हैं।
  • कण त्वरक उच्च ऊर्जा प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन करते हैं, और उनकी पारस्परिक क्रिया से उत्पन्न द्वितीयक कण संवेदनशील नियंत्रण और कण डिटेक्टर घटकों पर महत्वपूर्ण विकिरण क्षति उत्पन्न करते हैं, बड़े हैड्रॉन जैसे प्रणाली के लिए 10 mrad[Si]/वर्ष के परिमाण के क्रम में कोलाइडर होते हैं।[7]
  • परमाणु विस्फोट विद्युत चुम्बकीय विकिरण, परमाणु विद्युत चुम्बकीय पल्स (ईएमपी), न्यूट्रॉन विकिरण, और दोनों प्राथमिक और द्वितीयक आवेशित कणों के प्रवाह के विस्तृत स्पेक्ट्रम के माध्यम से छोटी और अत्यंत तीव्र वृद्धि उत्पन्न करते हैं। परमाणु युद्ध की स्थिति में वे सभी नागरिक और सैन्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए संभावित चिंता का विषय हैं।
  • कोमल त्रुटि पैकेज क्षय से अल्फा कण विकिरण के कपटी स्रोत थे जो 1970 के दशक में नए डीआरएएम चिप में सॉफ्ट एरर के कारण पाए गए थे। चिप की पैकेजिंग में रेडियो आइसोटोप के चिन्ह अल्फा कणों का उत्पादन कर रहे थे, जो तब कभी-कभी डीआरएएम डेटा बिट्स को स्टोर करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कुछ कैपेसिटर को डिस्चार्ज कर रहे थे। शुद्ध पैकेजिंग सामग्री का उपयोग करके और डीआरएएम त्रुटियों का पता लगाने और अधिकांशतः ठीक करने के लिए त्रुटि-संशोधन कोड को नियोजित करके इन प्रभावों को आज कम कर दिया गया है।

इलेक्ट्रॉनिक्स पर विकिरण प्रभाव

मौलिक तंत्र

दो मूलभूत क्षति तंत्र होते हैं:

जाली विस्थापन

जालीदार विस्थापन न्यूट्रॉन, प्रोटॉन, अल्फा कण, भारी आयन और बहुत उच्च ऊर्जा गामा फोटॉन के कारण होता है। वे क्रिस्टल लैटिस में परमाणुओं की व्यवस्था को बदलते हैं, स्थायी क्षति उत्पन्न करते हैं, और वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन की संख्या में वृद्धि करते हैं, अल्पसंख्यक वाहक को कम करते हैं और प्रभावित अर्धचालक पी-एन जंक्शन के अनुरूप गुणों को बिगड़ते हैं। सहज रूप से, कम समय में उच्च मात्रा क्षतिग्रस्त जाली के आंशिक एनीलिंग (धातु विज्ञान) (उपचार) का कारण बनती है, जिससे लंबे समय तक कम तीव्रता (एलडीआर या कम मात्रा दर) में समान मात्रा देने की तुलना में कम हानि होता है। इस प्रकार की समस्या द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर में विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, जो अपने आधार क्षेत्रों में अल्पसंख्यक वाहकों पर निर्भर हैं; पुनर्संयोजन (भौतिकी) के कारण बढ़े हुए हानि ट्रांजिस्टर लाभ (इलेक्ट्रॉनिक्स) इलेक्ट्रॉनिक्स (परिणामी प्रभाव देखें) के हानि का कारण बनते हैं। ईएलडीआरएस (एन्हांस्ड लो डोज़ रेट सेंसिटिव) मुक्त के रूप में प्रमाणित घटक, 0.01 rad(Si)/s = 36 rad(Si)/h से नीचे फ्लक्स के साथ क्षति नहीं दिखाते हैं।

आयनीकरण प्रभाव

आयनीकरण प्रभाव आवेशित कणों के कारण होता है, जिनमें जाली प्रभाव उत्पन्न करने के लिए ऊर्जा बहुत कम होती है। आयनीकरण के प्रभाव सामान्यतः क्षणिक होते हैं, जो गड़बड़ और सॉफ्ट त्रुटियां उत्पन्न करते हैं, लेकिन यदि वे अन्य क्षति तंत्र (जैसे, अवरोधित हो जाना ) को ट्रिगर करते हैं तो उपकरण को नष्ट कर सकते हैं। पराबैंगनी और एक्स-रे विकिरण के कारण होने वाला प्रकाशिक प्रवाह भी इसी श्रेणी में आता है। एमओएसएफईटी ट्रांजिस्टर में ऑक्साइड परत में इलेक्ट्रॉन छेद के धीरे-धीरे संचय से उनके प्रदर्शन में गिरावट आती है, जब मात्रा पर्याप्त उच्च होती है तो उपकरण की विफलता तक (परिणामी प्रभाव देखें)।

प्रभाव सभी मापदंडों के आधार पर पूर्णतया भिन्न हो सकते हैं - विकिरण का प्रकार, कुल मात्रा और विकिरण प्रवाह, विकिरण के प्रकार का संयोजन, और यहां तक ​​​​कि उपकरण लोड का प्रकार (ऑपरेटिंग आवृत्ति, ऑपरेटिंग वोल्टेज, तत्काल के समय ट्रांजिस्टर की वास्तविक स्थिति कण द्वारा मारा जाता है) - जो पूरी तरह से परीक्षण को कठिन, समय लेने वाला और कई परीक्षण नमूनों की आवश्यकता होती है।

परिणामी प्रभाव

अंत-उपयोगकर्ता प्रभावों को कई समूहों में चित्रित किया जा सकता है,

सेमीकंडक्टर जाली के साथ पारस्परिक क्रिया करने वाला न्यूट्रॉन अपने परमाणुओं को विस्थापित करेगा। यह पुनर्संयोजन केंद्रों और गहरे स्तर के दोषों की संख्या में वृद्धि की ओर जाता है, अल्पसंख्यक वाहकों के जीवनकाल को कम करता है, इस प्रकार द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर को सीएमओएस से अधिक प्रभावित करता है। सिलिकॉन पर द्विध्रुवी उपकरण 1010 से 1011 neutrons/cm² के स्तर पर विद्युत मापदंडों में परिवर्तन दिखाते हैं , सीएमओएस उपकरण 1015 neutrons/cm² तक प्रभावित नहीं होते हैं। एकीकरण के बढ़ते स्तर और व्यक्तिगत संरचनाओं के घटते आकार के साथ उपकरणों की संवेदनशीलता बढ़ सकती है। न्यूट्रॉन सक्रियण के कारण प्रेरित रेडियोधर्मिता का संकट भी है, जो उच्च-ऊर्जा खगोल विज्ञान उपकरणों में ध्वनि का प्रमुख स्रोत है। प्रेरित विकिरण, उपयोग किये गए पदार्थों में अशुद्धियों से अवशिष्ट विकिरण के साथ, उपकरण के जीवनकाल के समय सभी प्रकार की एकल-घटना समस्याओं का कारण बन सकता है। गैलियम आर्सेनाइड प्रकाश उत्सर्जक डायोड, ऑप्टोकॉप्लर में सामान्य, न्यूट्रॉन के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं। जाली क्षति क्रिस्टल की आवृत्ति को प्रभावित करती है। आवेशित कणों के गतिज ऊर्जा प्रभाव (अर्थात् जाली विस्थापन) यहाँ भी हैं।

कुल आयनीकरण मात्रा प्रभाव

अर्धचालक जाली (जाली विस्थापन क्षति) की संचयी क्षति एक्सपोजर समय पर आयनीकरण विकिरण के कारण होती है। इसे rad (इकाई) में मापा जाता है और उपकरण के प्रदर्शन में धीरे-धीरे गिरावट का कारण बनता है। सेकंड से मिनट में सिलिकॉन-आधारित उपकरणों को दी गई 5000 rad से अधिक की कुल मात्रा दीर्घकालिक गिरावट का कारण बनेगी। सीएमओएस उपकरणों में, विकिरण गेट इन्सुलेशन परतों में इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़े बनाता है, जो उनके पुनर्संयोजन के समय फोटोक्यूरेंट्स का कारण बनता है, और इन्सुलेटर में जाली दोषों में फंसे छेद निरंतर गेट पूर्वाग्रह बनाते हैं और ट्रांजिस्टर के सीमा वोल्टेज को प्रभावित करते हैं, जिससे एन-टाइप एमओएसएफईटी ट्रांजिस्टर आसान और पी-टाइप ट्रांजिस्टर प्रारंभ करना अधिक कठिन है। संचित आवेशित ट्रांजिस्टर को स्थायी रूप से खुला (या बंद) रखने के लिए अत्यधिक अधिक हो सकता है, जिससे उपकरण की विफलता हो सकती है। कुछ स्व-उपचार समय के साथ होता है, लेकिन यह प्रभाव बहुत महत्वपूर्ण नहीं है। यह प्रभाव उच्च-एकीकरण उच्च गति वाले इलेक्ट्रॉनिक्स में गर्म वाहक गिरावट के समान है। क्रिस्टल ऑसिलेटर्स विकिरण मात्रा के प्रति कुछ सीमा तक संवेदनशील होते हैं, जो उनकी आवृत्ति को बदलते हैं। बह क्वार्ट्ज का उपयोग करके संवेदनशीलता को बहुत कम किया जा सकता है। प्राकृतिक क्वार्ट्ज क्रिस्टल विशेष रूप से संवेदनशील होते हैं। सभी परिणामी प्रभाव परीक्षण प्रक्रियाओं के लिए टीआईडी परीक्षण के लिए विकिरण प्रदर्शन वक्र उत्पन्न किए जा सकते हैं। ये वक्र टीआईडी परीक्षण प्रक्रिया के समय प्रदर्शन के रुझान दिखाते हैं और विकिरण परीक्षण सूची में सम्मिलित होते हैं।

क्षणिक मात्रा प्रभाव

विकिरण की कम समय की उच्च तीव्रता वाली पल्स, सामान्यतः परमाणु विस्फोट के समय होती है। उच्च विकिरण प्रवाह अर्धचालक के पूरे शरीर में फोटोक्यूरेंट्स बनाता है, जिससे ट्रांजिस्टर यादृच्छिक रूप से खुले होते हैं, फ्लिप-फ्लॉप (इलेक्ट्रॉनिक्स) और मेमोरी सेल (कंप्यूटर) के तार्किक अवस्थाओं को परिवर्तित करते हैं। यदि पल्स की अवधि बहुत लंबी है, या यदि पल्स जंक्शन क्षति या लैचअप का कारण बनती है, तो स्थायी क्षति हो सकती है। लैचअप सामान्यतः परमाणु विस्फोट के एक्स-रे और गामा विकिरण फ्लैश के कारण होता है। क्वार्ट्ज में प्रेरित फोटोकंडक्टिविटी के कारण क्रिस्टल ऑसिलेटर्स फ्लैश की अवधि के लिए दोलन करना बंद कर सकते हैं।

प्रणाली जनित ईएमपी प्रभाव

एसजीईएमपी उपकरणों के माध्यम से यात्रा करने वाले विकिरण फ्लैश के कारण होता है और चिप, परिपथ बोर्ड, विद्युत केबल और स्थितियों के पदार्थ में स्थानीय आयनीकरण और विद्युत धाराओं का कारण बनता है।

डिजिटल क्षति: देखें

1970 के दशक से एकल-घटना प्रभाव (एसईई) का बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है।[8] जब उच्च-ऊर्जा कण अर्धचालक के माध्यम से यात्रा करता है, तो यह आयनित ट्रैक को पीछे छोड़ देता है। यह आयनीकरण क्षणिक मात्रा के समान अत्यधिक स्थानीयकृत प्रभाव उत्पन्न कर सकता है - आउटपुट में सौम्य अव्यवस्था, मेमोरी या हार्डवेयर रजिस्टर में कम सौम्य बिट फ्लिप या, विशेष रूप से विद्युत् सेमीकंडक्टर उपकरण में हो सकता है। उच्च-विद्युत् ट्रांजिस्टर, विनाशकारी लैचअप और बर्नआउट एकल घटना प्रभावों का उपग्रहों, विमानों और अन्य नागरिक और सैन्य एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए महत्व है। कभी-कभी, परिपथ में लैच सम्मिलित नहीं होते हैं, यह आरसी परिपथ समय निरंतर परिपथ प्रस्तुत करने में सहायक होता है, जो परिपथ की प्रतिक्रिया समय को एसईई की अवधि से हटकर धीमा कर देता है।

एकल-घटना क्षणिक

एसईटी तब होता है, जब आयनीकरण घटना से एकत्रित आवेशित परिपथ के माध्यम से यात्रा करने वाले नकली संकेत के रूप में निर्वहन करता है। यह वास्तव में स्थिरविद्युत निर्वाह का प्रभाव है। नरम त्रुटि, जो प्रतिवर्ती है।

एकल-घटना अपसेट

एकल-इवेंट अपसेट (एसईयू) या इलेक्ट्रॉनिक्स में क्षणिक विकिरण प्रभाव, मेमोरी या रजिस्टर बिट्स के अवस्था परिवर्तन हैं, जो चिप के साथ एकल आयन के कारण होते हैं। वे उपकरण को स्थायी हानि नहीं पहुंचाते हैं, लेकिन प्रणाली के लिए स्थायी समस्याएं उत्पन्न कर सकते हैं जो इस तरह की त्रुटि से ठीक नहीं हो सकता है। नरम त्रुटि, जो प्रतिवर्ती है। बहुत ही संवेदनशील उपकरणों में, अकेला आयन कई सन्निकट मेमोरी सेल्स में एकाधिक बिट अपसेट (एमबीयू) उत्पन्न कर सकता है। एसईयू एकल-इवेंट फंक्शनल इंटरप्ट्स (एसईएफआई) बन सकते हैं, जब वे कंट्रोल परिपथ को अपसेट करते हैं, जैसे कि स्टेट मशीन, उपकरण को अपरिभाषित स्थिति, परीक्षण मोड या हॉल्ट में रखना, जिसके लिए फिर से रीसेट (कंप्यूटिंग) या विद्युत् की आवश्यकता होगी, ठीक होने के लिए साइकिल चलाना।

एकल-इवेंट लैचअप

एसईएल किसी भी चिप में थाइरिस्टर संरचना के साथ हो सकता है। दो आंतरिक-ट्रांजिस्टर जंक्शनों में से एक के माध्यम से निकलने वाला भारी आयन या उच्च-ऊर्जा प्रोटॉन, थाइरिस्टर जैसी संरचना को प्रारंभ कर सकता है, जो उपकरण के विद्युत्-साइकिल होने तक शार्ट परिपथ (लैच-अप के रूप में जाना जाने वाला प्रभाव) रहता है। जैसा कि प्रभाव शक्ति स्रोत और सब्सट्रेट के बीच हो सकता है, विनाशकारी रूप से उच्च धारा सम्मिलित हो सकती है और भाग विफल हो सकता है। कठिन त्रुटि, जो अपरिवर्तनीय है। बल्क सीएमओएस उपकरण सबसे अधिक अतिसंवेदनशील होते हैं।

एकल-इवेंट स्नैपबैक

एकल-इवेंट स्नैपबैक एसईएल के समान है, लेकिन पीएनपीएन संरचना की आवश्यकता नहीं है, एन-चैनल एमओएस ट्रांजिस्टर में बड़ी धाराओं को स्विच करने के लिए प्रेरित किया जा सकता है, जब आयन नली जंक्शन के पास हिट करता है और आवेश वाहकों के हिमस्खलन का कारण बनता है। ट्रांजिस्टर तब खुलता है और खुला रहता है, कठिन त्रुटि, जो अपरिवर्तनीय है।

एकल-इवेंट प्रेरित बर्नआउट

एसईबी विद्युत् एमओएसएफईटी में हो सकता है, जब स्रोत क्षेत्र के नीचे सब्सट्रेट आगे-पक्षपाती हो जाता है और नाली-स्रोत वोल्टेज परजीवी संरचनाओं के ब्रेकडाउन वोल्टेज से अधिक होता है। परिणामी उच्च धारा और स्थानीय ओवरहीटिंग तब उपकरण को नष्ट कर सकती है। कठिन त्रुटि, जो अपरिवर्तनीय है।

एकल-इवेंट गेट टूटना

विद्युत् एमओएसएफईटी में एसईजीआर देखा गया जब भारी आयन गेट क्षेत्र से टकराता है जबकि गेट पर उच्च वोल्टेज लगाया जाता है। स्थानीय ब्रेकडाउन तब सिलिकॉन डाइऑक्साइड की इन्सुलेटिंग परत में होता है, जिससे गेट क्षेत्र के स्थानीय अधिक गर्म और विनाश (सूक्ष्म विस्फोट की तरह दिखता है) होता है। यह ईईपीरोम सेलों में लिखने या मिटाने के समय भी हो सकता है, जब सेलों को तुलनात्मक रूप से उच्च वोल्टेज के अधीन किया जाता है। कठिन त्रुटि, जो अपरिवर्तनीय है।

परीक्षण देखें

जबकि उपलब्धता के कारण एसईई परीक्षण के लिए प्रोटॉन बीम का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, कम ऊर्जा पर प्रोटॉन विकिरण अधिकांशतः एसईई संवेदनशीलता को कम करके आंका जा सकता है। इसके अतिरिक्त, प्रोटॉन बीम उपकरणों को कुल आयनीकरण मात्रा (टीआईडी) की विफलता के संकट के लिए प्रकट करते हैं जो प्रोटॉन परीक्षण के परिणामों को बदल सकते हैं या समय से पहले उपकरण की विफलता का परिणाम हो सकते हैं। सफेद न्यूट्रॉन बीम- सामान्यतः सबसे अधिक प्रतिनिधि एसईई परीक्षण विधि- सामान्यतः ठोस लक्ष्य-आधारित स्रोतों से प्राप्त होती है, जिसके परिणामस्वरूप फ्लक्स गैर-समानता और छोटे बीम क्षेत्र होते हैं। सफेद न्यूट्रॉन बीम में भी अधिकांशतः उच्च तापीय न्यूट्रॉन सामग्री के साथ, उनके ऊर्जा स्पेक्ट्रम में अनिश्चितता का कुछ उपाय होता है।

एसईई परीक्षण के लिए मोनो-ऊर्जावान 14 MeV न्यूट्रॉन का उपयोग करके प्रोटॉन और स्पेलेशन न्यूट्रॉन दोनों स्रोतों के हानि से बचा जा सकता है। संभावित चिंता यह है कि मोनो-ऊर्जावान न्यूट्रॉन-प्रेरित एकल घटना प्रभाव व्यापक-स्पेक्ट्रम वायुमंडलीय न्यूट्रॉन के वास्तविक विश्व के प्रभावों का स्पष्ट रूप से प्रतिनिधित्व नहीं करेंगे। चूंकि, हाल के अध्ययनों ने संकेत दिया है कि, इसके विपरीत, मोनो-ऊर्जावान न्यूट्रॉन-विशेष रूप से 14 MeV न्यूट्रॉन-का उपयोग आधुनिक माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में एसईई क्रॉस-सेक्शन को स्पष्ट रूप से समझने के लिए किया जा सकता है।[9]


विकिरण-ठोस विधियाँ

मेटलाइजिंग नक़्क़ाशी (माइक्रोफैब्रिकेशन) से पहले 1886VE10 माइक्रोकंट्रोलर का विकिरण कठोर डाई (इंटीग्रेटेड परिपथ)
मेटालाइज़िंग एचिंग (माइक्रोफ़ैब्रिकेशन) प्रक्रिया के बाद 1886VE10 माइक्रोकंट्रोलर का विकिरण कठोर डाई (एकीकृत परिपथ) का उपयोग किया गया है

भौतिक

सामान्य अर्धचालक वेफर्स के बजाय कठोर चिप अधिकांशतः विद्युत इन्सुलेशन वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) पर निर्मित होते हैं। इन्सुलेटर पर सिलिकॉन (इन्सुलेटर पर सिलिकॉन) और नीलम पर सिलिकॉन (नीलमणि पर सिलिकॉन) सामान्यतः उपयोग किया जाता है। जबकि सामान्य वाणिज्यिक-ग्रेड चिप 50 और 100 gray (इकाई) (5 और 10 kRad (इकाई)) के बीच का सामना कर सकते हैं, स्पेस-ग्रेड एसओआई और एसओएस चिप 1000 और 3000 gray (इकाई) (100 और 300 kRad (इकाई) के बीच की मात्रा का सामना कर सकते हैं)।[10][11] एक समय में कई 4000 श्रृंखला के चिप विकिरण-कठोर संस्करणों (रेडहार्ड) में उपलब्ध थे।[12] जबकि एसओआई ने लैचअप की घटनाओं को समाप्त कर दिया है, टीआईडी और एसईई की कठोरता में संशोधन की गारंटी नहीं है।[13]

द्विध्रुवी एकीकृत परिपथों में सामान्यतः सीएमओएस परिपथों की तुलना में उच्च विकिरण सहनशीलता होती है। निम्न-विद्युत् शोट्की (एलएस) 5400 श्रृंखला 1000 krad का सामना कर सकती है, और कई उत्सर्जक-युग्मित तर्क 10000 krad का सामना कर सकते हैं।[12]

मैग्नेटोरेसिस्टिव रैंडम एक्सेस मेमोरी, या एमआरएएम, विकिरण कठोर, पुनर्लेखन योग्य, गैर-वाष्पशील कंडक्टर मेमोरी प्रदान करने के लिए संभावित प्रत्याशी माना जाता है। भौतिक सिद्धांत और शुरुआती परीक्षण बताते हैं कि एमआरएएम आयनीकरण-प्रेरित डेटा हानि के लिए अतिसंवेदनशील नहीं है।[14]

संधारित्र -आधारित डायनेमिक रैंडम एक्सेस मेमोरी को अधिकांशतः अधिक बीहड़ (लेकिन बड़ा, और अधिक महंगा) स्टेटिक रैंडम एक्सेस मेमोरी द्वारा परिवर्तित कर दिया जाता है।

वाइड ऊर्जा अंतराल के साथ सब्सट्रेट का विकल्प, जो इसे गहरे स्तर के दोषों के लिए उच्च सहनशीलता देता है; उदाहरण, सिलिकन कार्बाइड या गैलियम नाइट्राइड।

रेडियोधर्मिता के विरुद्ध पैकेज का विकिरण परिरक्षण, नंगे उपकरण के संकट को कम करने के लिए।[15]

डिप्लेटेड बोरॉन (बोरॉन-11) (केवल आइसोटोप बोरॉन-11 से मिलकर) के उपयोग से चिप को स्वयं (न्यूट्रॉन से) बचाना बोरोफॉस्फोसिलिकेट ग्लास पैसिवेशन (रसायन विज्ञान) में चिप की रक्षा करना, स्वाभाविक रूप से प्रचलित बोरॉन-10 रेडी न्यूट्रॉन कैप्चर के रूप में और अल्फा क्षय से निकलता है (ऊर्जावान न्यूट्रॉन और प्रोटॉन बनाने वाली नरम त्रुटि कॉस्मिक किरणें देखें)।

बढ़े हुए विकिरण प्रतिरोध प्रदान करने के लिए विशेष प्रक्रिया नोड का उपयोग किया गया।[16] नई विकिरण कठोर प्रक्रियाओं की उच्च विकास व्यय के कारण, 2016 तक सबसे छोटी "ट्रू" रेड-हार्ड (आरएचबीपी, रेड-हार्ड बाई प्रोसेस) प्रक्रिया 150 nm है, चूंकि, रेड-हार्ड 65 nm एफपीजीए उपलब्ध थे जो "ट्रू" रेड-हार्ड प्रक्रियाओं (आरएचबीडी, रेड-हार्ड बाय डिज़ाइन) में उपयोग की जाने वाली कुछ विधियों का उपयोग करते थे।[17] 2019 तक 110 एनएम रेड-हार्ड प्रोसेस उपलब्ध हैं।[18]

सामान्य से अधिक ट्रांजिस्टर प्रति सेल (जो 4T या 6T है) के साथ एसआरएएम सेलों का उपयोग, जो उच्च विद्युत् की उपभोग और प्रति सेल आकार के व्यय पर एसईयू के लिए सेलों को अधिक सहिष्णु बनाता है।[19][17]

एज-लेस सीएमओएस ट्रांजिस्टर का उपयोग, जिसमें अपरंपरागत भौतिक लेआउट के साथ अपरंपरागत भौतिक निर्माण होता है।[20]


तार्किक

ईसीसी मेमोरी (ईसीसी मेमोरी) दूषित डेटा की जांच करने और संभावित रूप से सही करने के लिए अनावश्यक बिट्स का उपयोग करती है। चूँकि विकिरण का प्रभाव स्मृति सामग्री को तब भी हानि पहुँचाता है जब प्रणाली आरएएम तक नहीं पहुँच रही होती है, मेमोरी स्क्रबिंग परिपथ को निरंतर आरएएम को स्वीप करना; डेटा पढ़ना, डेटा त्रुटियों के लिए अनावश्यक बिट्स की जांच करना, फिर आरएएम में किसी भी संशोधन को वापस लिखना चाहिए।

अतिरेक (इंजीनियरिंग) तत्वों का उपयोग प्रणाली स्तर पर किया जा सकता है। तीन अलग-अलग माइक्रोप्रोसेसर बोर्ड स्वतंत्र रूप से गणना के उत्तर की गणना कर सकते हैं और उनके उत्तरों की तुलना कर सकते हैं। अल्पसंख्यक परिणाम उत्पन्न करने वाली कोई भी प्रणाली पुनर्गणना करेगी। लॉजिक को इस तरह जोड़ा जा सकता है कि यदि एक ही प्रणाली से बार-बार त्रुटियाँ होती हैं, तो वह बोर्ड बंद हो जाता है।

निरर्थक तत्वों का उपयोग परिपथ स्तर पर किया जा सकता है।[21] इसके परिणाम (ट्रिपल मॉड्यूलर अतिरेक) को निरंतर निर्धारित करने के लिए बिट को तीन बिट्स और प्रत्येक बिट के लिए अलग वोटिंग लॉजिक से परिवर्तित किया जा सकता है। यह चिप डिजाइन के क्षेत्र को 5 गुना बढ़ा देता है, इसलिए इसे छोटे डिजाइनों के लिए आरक्षित किया जाना चाहिए। लेकिन वास्तविक समय में विफल-सुरक्षित होने का इसका द्वितीयक लाभ भी है। एकल-बिट विफलता (जो विकिरण से असंबंधित हो सकती है) की स्थिति में, मतदान तर्क देखरेख घड़ी का सहारा लिए बिना सही परिणाम देना प्रचलित रखेगा। तीन अलग-अलग प्रोसेसर प्रणाली के बीच प्रणाली लेवल वोटिंग को सामान्यतः तीन प्रोसेसर प्रणाली के बीच वोट करने के लिए कुछ परिपथ-लेवल वोटिंग लॉजिक का उपयोग करने की आवश्यकता होती है।

कठोर लैच का उपयोग किया जा सकता है।[22]

वॉचडॉग टाइमर प्रणाली का हार्ड रीसेट तब तक करेगा जब तक कि कुछ अनुक्रम निष्पादित नहीं किया जाता है जो सामान्यतः इंगित करता है कि प्रणाली जीवित है, जैसे ऑनबोर्ड प्रोसेसर से लेखन ऑपरेशन। सामान्य ऑपरेशन के समय, टाइमर को समाप्त होने से रोकने के लिए सॉफ़्टवेयर नियमित अंतराल पर वॉचडॉग टाइमर को लिखता है। यदि विकिरण प्रोसेसर को अनुचित विधि से संचालित करने का कारण बनता है, तो यह संभावना नहीं है कि सॉफ्टवेयर वॉचडॉग टाइमर को साफ करने के लिए ठीक से कार्य करेगा। वॉचडॉग अंततः समय समाप्त हो जाता है और प्रणाली को हार्ड रीसेट करने के लिए विवश करता है। इसे विकिरण ठोस करने के अन्य विधियों को अंतिम उपाय माना जाता है।

सैन्य और अंतरिक्ष उद्योग अनुप्रयोग

विकिरण-कठोर और विकिरण सहिष्णु घटकों का उपयोग अधिकांशतः सैन्य और एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिसमें पॉइंट-ऑफ-लोड (पीओएल) अनुप्रयोग, उपग्रह प्रणाली विद्युत् आपूर्ति, स्टेप डाउन स्विचिंग नियामक, माइक्रोप्रोसेसर, एफपीजीए, सम्मिलित हैं।[23] एफपीजीए विद्युत् स्रोत, और उच्च दक्षता, कम वोल्टेज सबप्रणाली विद्युत् की आपूर्ति करते हैं।

चूंकि, सभी सैन्य-ग्रेड घटक विकिरण कठोर नहीं होते हैं। उदाहरण के लिए, यूएस एमआईएल-एसटीडी-883 में कई विकिरण-संबंधी परीक्षण सम्मिलित हैं, लेकिन एकल घटना लैचअप आवृत्ति के लिए कोई विनिर्देश नहीं है। फोबोस-ग्रंट अंतरिक्ष जांच इसी तरह की धारणा के कारण विफल हो सकती है।[13]

अंतरिक्ष अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले विकिरण कठोर इलेक्ट्रॉनिक्स का व्यापार आकार 2021 में $2.35 बिलियन होने का अनुमान लगाया गया था। नए अध्ययन में अनुमान लगाया गया है कि यह वर्ष 2032 तक लगभग $4.76 बिलियन तक पहुंच जाएगा।[24]


दूरसंचार के लिए परमाणु कठोरता

दूरसंचार में, परमाणु कठोरता शब्द के निम्नलिखित अर्थ हैं:

1) किसी दिए गए परमाणु वातावरण में किसी प्रणाली, सुविधा, या उपकरण के प्रदर्शन को किस सीमा तक कम करने की आशा की अभिव्यक्ति,

2) प्रणाली या इलेक्ट्रॉनिक घटक के भौतिक गुण जो ऐसे वातावरण में जीवित रहने की अनुमति देगा जिसमें परमाणु विकिरण और विद्युत चुम्बकीय पल्स (ईएमपी) सम्मिलित है।

टिप्पणियाँ

  1. परमाणु कठोरता या तो संवेदनशीलता या भेद्यता के संदर्भ में व्यक्त की जा सकती है।
  2. अपेक्षित प्रदर्शन निम्नीकरण की सीमा (जैसे, आउटेज समय, डेटा खो जाना, और उपकरण क्षति) को परिभाषित या निर्दिष्ट किया जाना चाहिए। पर्यावरण (जैसे, विकिरण स्तर, अधिक दबाव, चरम वेग, अवशोषित ऊर्जा, और विद्युत तनाव) को परिभाषित या निर्दिष्ट किया जाना चाहिए।
  3. प्रणाली या घटक की भौतिक विशेषताएं जो परमाणु हथियार द्वारा बनाए गए किसी दिए गए वातावरण में उत्तरजीविता की परिभाषित डिग्री की अनुमति देंगी।
  4. परमाणु कठोरता निर्दिष्ट या वास्तविक परिमाणित पर्यावरणीय स्थितियों और भौतिक मापदंडों, जैसे कि चरम विकिरण स्तर, अधिक दबाव, वेग, अवशोषित ऊर्जा और विद्युत तनाव के लिए निर्धारित की जाती है। यह डिज़ाइन विनिर्देशों के माध्यम से प्राप्त किया जाता है और इसे परीक्षण और विश्लेषण तकनीकों द्वारा सत्यापित किया जाता है।


रेड-हार्ड कंप्यूटर के उदाहरण

See also: मार्स रोवर्स पर एम्बेडेड कंप्यूटर प्रणाली की तुलना

यह भी देखें

संदर्भ

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पुस्तकें और रिपोर्ट्स

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बाहरी संबंध

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