1.3. Проникающая радиация

Состав, свойства проникающей радиации изучить по учебнику [1; с.35...38, 190... 191]. Количественные пара­метры проникающей радиации можно определить по формулам:

поток нейтронов:

(4)

мощность экспозиционной дозы гамма-излучения равна:

(5)

общая формула экспозиционной дозы имеет вид:

(6)

при этом:

и окончательно:

где q - кт;

R - расстояние от центра взрыва, м.

Под радиационной стойкостью изделия (РЭА) в соответствии с ГОСТ 18298 - 79 понимается "свойство аппаратуры, комплектующих элементов и материалов выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах норм во время и после действия ионизирующего излучения".

Проникающая радиация ядерного взрыва может вы­звать радиационные повреждения материалов и элементов радиоэлектронной техники. Эти повреждения могут быть обратимыми и необратимыми [9].

Обратимые (временные) повреждения представляют собой изменения, возникающие одновременно с началом облучения, сохраняющиеся в период облучения и практи­чески исчезающие после прекращения действия ионизи­рующего излучения или его резкого ослабления.

Обратимые изменения являются, как правило, след­ствием ионизации материалов и окружающей среды. Об­ратимые изменения проявляются в увеличении концен­трации носителей токов, приводящей к возрастанию то­ков утечки и снижению сопротивления в изоляционных, полупроводниковых, проводящих материалах и газовых промежутках. В результате этих изменений уменьшаются напряжения зажигания у газоразрядных приборов, воз-

12

растает анодный ток у электровакуумных приборов, уменьшается сопротивление резисторов, возрастают об­ратные токи у полупроводниковых приборов, увеличива­ются (за счет дополнительного радиационного разогрСЕ,;) сопротивления обмоток трансформаторов, электродвига­телей. Обратимые изменения могуг привести к временной или полной потере работоспособности аппаратуры. На­пример, при интенсивной радиации может произойти ошибочное срабатывание триггерных схем и т.п.

Необратимые (остаточные) повреждения представ­ляют собой изменения, возникающие одновременно с на­чалом облучения, увеличивающиеся с ростом поглощен­ной энергии излучения и сохраняющиеся частично или полностью после прекращения облучения.

Необратимые изменения (повреждения) являются следствием изменения структуры материалов. В органи­ческих материалах происходит преобразование "молекул, сопровождающееся химическими реакциями, вызываю­щими необратимые изменения природы вещества.

Кроме того, последствиями влияния проникающей радиации на органические материалы могут быть измене­ния молекулярных связей - деструкция и сшивание. При деструкции происходит разрыв основных цепей молекул полимера, что может привести к изменению их свойств: размягчению, уменьшению прочности на разрыв, сниже­нию температуры плавления, увеличению растворимости. Процесс сшивания в полимерах приводит к созданию поперечных связей, а следовательно, к образованию раз­ветвленных молекул. Вследствие сшивания молекул мо­жет происходить возрастание твердости и хрупкости, по­вышение температуры плавления, уменьшение раствори-

мости, увеличение плотности, В неорганических материа­лах (в том числе и полупроводниковых) необратимые из­менения объясняются в основном нарушением структуры кристаллической решетки вещества, т.е. образованием в нем дефектов.

Необратимые изменения могут привести к ряду не­желательных последствий: к полной или частичной поте­ре работоспособности радиоэлектронных элементов (уст­ройств): уменьшению срока службы, срока хранения, снижению термо- и влагостойкости, механической проч­ности, надежности и т.п.

Проникающая радиация может привести к образова­нию в материалах радиоактивных примесей, которые в дальнейшем будут являться источниками ионизирующих излучений и некоторое время могуг изменять электриче­ские параметры, а также затруднять ремонт и эксплуата­цию аппаратуры. Активность этих примесей может про­должаться месяцами и даже годами. Наибольшую наве­денную радиоактивность приобретают устройства, эле­менты которых в своем составе имеют бор, марганец, кадмий и др.

Стекло под действием проникающей радиации меня­ет спектральные характеристики и механическую проч­ность. Повышенной стойкостью обладают свинцовые и фосфатные стекла, менее стойки - силикатные и особенно боратпые стекла. Изменение оптической прозрачности стекол может снизить чувствительность фотоэлементов. Влияние ионизирующих излучений на радио­электронную аппаратуру может быть снижено за счет отдельных мероприятий.Это [9J: применение радиационно-стойких элементов, материалов, пассивных экранов или ак-

14

тивной защиты от воздействия потоков заряженных час­тиц; использование в схемах обратных связей, нелиней­ных элементов и сдвоенных элементов, параметры кото­рых под воздействием радиации изменяются в противо­положных направлениях: уменьшение чувствительности переключающих схем к изменению амплитуды входных сигналов, напряжений источников питания и смещения; снижение питающего анодного напряжения и увеличение отрицательного напряжения на сетке в газоразрядных приборах дискретного действия, находящихся в ждущем режиме; применение схем, блокирующих избыточные то­ки напряжения и мало критичных к изменениям электри­ческих параметров элементов; применение различных устройств, выключающих радиоэлектронные схемы на время воздействия импульсной радиации и различного рода изолирующих покрытий, не проводящих ток при об­лучении; увеличение расстояния между элементами, на­ходящимися под электрической нагрузкой, снижение ра­бочих напряжений на них.

Анализ радиационной стойкости материалов и эле­ментов радиоэлектронной аппаратуры в условиях воздей­ствия гамма- и нейтронного излучений показывает, что аппаратура может давать отказы при потоках нейтронов К)'⁶- I0¹⁷ на квадратный метр, при мощности поглощен­ной дозы гамма-излучения 10⁵ - 10⁷ Р/с [9]. Изменение параметров элементов и аппаратуры может произойти и при меньших значениях проникающей радиации. При оп­ределении радиусов зон поражения радиоэлектронной ап­паратуры в качестве граничных значений приняты:

10¹⁷ н/м² - по нейтронному потоку;

10⁶ Р - по поглощенной дозе гамма-излучения;

15

10⁷ Р/с - по мощности поглощенной дозы гамма-излучения.

При воздействии проникающей радиации у людей может возникнуть лучевая болезнь первой, второй или третьей степени [ 1, 10].

1.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬС

Электромагнитный импульс (ЭМИ) представляет со­бой мощное кратковременное электромагнитное излуче­ние, возникающее в результате образования потоков бы­стрых электронов при ядерном взрыве. Потоки электро­нов создаются при взаимодействии гамма-излучения ядерного взрыва с атомами газов. Основными параметра­ми ЭМИ являются: время действия, максимачьная напря­женность электрического или магнитного поля (амплиту­да импульса), частотный спектр, ЭМИ действует в тече­ние десятков миллнсе'кунд, создавая напряженность элек­трического поля до десятков киловольт на метр при ши­роком частотном спектре (от 10 кГц до 100 МГц). Верти­кальную составляющую электрического поля ЭМИ, соз­даваемую при ядерном взрыве, можно определить по формуле [5]:

(9)

к - расстояние от центра взрыва, км.

Горизонтальная составляющая примерно в 500 раз меньше вертикальной, что следует учитывать при проек­тировании РЭА.

ЭМИ ядерного взрыва во многом аналогичен грозо-

вому разряду, но протекает примерно в 50 раз быстрее.

Поражающее действие ЭМИ в приземной области и на земле происходит за счет сосредоточения его энергии (наведения электродвижущей силы и создания электриче­ских токов) в длинных металлических сооружениях - ли­ниях связи, линиях электропередачи, антеннах, рамочных и каркасных конструкциях, - в результате чего разрушает­ся электронное и другое чувствительное к электрическому току оборудование. Наведенное напряжение при взрыве боеприпаса в ! мегатонну может достигать значительных величин (см. табл.2).

Таблица 2

Вт устройства	Величина наве­денного напряже­ние	Расстояние от центра взрыва до устройства
Антенны и воз­душные линии	10 кВ 50 кВ	3,3 км 1,7 км
Подземные ка­бельные линии	10 кВ 50 кВ	2,4 км 0,9км

Опасен ЭМИ и для аппаратуры, размещенной в лета­тельных аппаратах. Металлическая оболочка самолета или ракеты является внешним экранирующим слоем элек­тронного оборудования бортовых систем, но одновремен­но является и своеобразной антенной для "перехвата" ЭМИ. Когда аэрокосмическое средство оказывается в зо­не действия ЭМИ, на его оболочке развиваются токи, особенно мощные на резонансных частотах. Создается вторичное излучение, генерируемое внутри системы. Это излучение в некоторых случаях оказывается более опас­ным для аппаратуры, чем излучение первичного ЭМИ.

i7

Энергия ЭМИ проникает внутрь самолета или ракеты также через отверстия, швы, стыки между металлически­ми покрытиями. Внутри летающих объектов металличе­ские рамки и пластины даже малых размеров (около од­ного квадратного сантиметра) могут концентрировать энергию ЭМИ в количестве, достаточном для поврежде­ния микросхем. Эти обстоятельства следует учитывать при создании современных устройств, так как применяе­мые в настоящее время полупроводниковые системы вы­ходят из строя при малых энергиях.

Например, для комплементарных металл-оксидных полупроводниковых структур разрушающая энергия со­ставляет 10"⁶ Дж. Однако для диодов Зенера (полупровод­никовых стабилитронов) эта энергия равна 0,01 Дж, а для силового транзистора - 10 Дж.

Под воздействием напряжений, наведенных ЭМИ. могут возникать следующие повреждения [11]:

• выход из строя полупроводниковых приборов;

• поломка подвижных частей электромеханических реле малой мощности;

н перегорание плавких вставок, включенных в линии для защиты аппаратуры от перегрузок;

• сгорание угольных разрядников;

и непредвиденное зажигание газоразрядных прибо­ров;

• нарушение изоляции элементов аппаратуры, под­ ключенной к воздушным и наземным линиям;

в пробой конденсаторов;

в вывод из строя входных каскадов радиоприемных

устройств;

» нарушение элементов памяти ЭВМ;

18

• внесение искажений в сообщения, передаваемые по линиям связи.

Основа действия защитных устройств от ЭМИ долж­на заключаться в исключении доступа наведенных токов к чувствительным узлам защищаемого оборудования. Для защиты аппаратуры от ЭМИ применяют [9, 11]:

• экранирование линий связи;

т заключение оборудования целиком или отдельных его узлов в защитные токопроводящие заземленные экраны;

• использование двухпроводных, хорошо изолиро­ ванных от земли линий;

s установку малоинерционных разрядников и плав­ких вставок;

• использование разрядников с небольшим порогом зажигания;

и надежное заземление аппаратуры. Стоимость защиты электрооборудования от ЭМИ может составлять 10-15% общей стоимости. Защите от ЭМИ подлежат: я системы управления и связи; а энергосистемы (их системы управления);

• электронно-вычислительные машины и линии свя­ зи между ними;

я космические летательные аппараты;

• радиоэлектронное оборудование самолетов и ракет, Человек подвергается опасности в районе действия

ЭМИ только в случае непосредственного контакта с токо-проводящими предметами.

Проявление ЭМИ впервые было отмечено в 196% г., когда при взрыве водородного заряда мощностью 1,4 Мт

на высоте 100 км над островом Джонстон, на Гавай­ских островах (г. Гонолулу), на расстоянии 1300 км от места взрыва выключилось освещение, сработала охран­ная сигнализация, перегорели предохранители многих электроустановок.

По мнению американских специалистов, атомный взрыв мощностью 10-20 мегатонн на высоте 320 км вызо­вет сильное действие ЭМИ на площади, охватывающей всю территорию США, а также часть Мексики и Канады. Атомный взрыв в несколько мегатонн над Бискайским за­ливом на высоте 300 км охватит действием ЭМИ практи­чески всю Западную Европу.