книги из ГПНТБ / Логинов, И. Л. Инженерно-технические мероприятия, повышающие устойчивость электротехнического и радиоэлектронного оборудования к поражающим факторам ядерного взрыва учебное пособие

= Pa + Pp. Нагрев тела, определяется количеством поглощен­

ного тепла, а последнее находится при равных прочих усло­

виях в прямой зависимости от поглощающей способности ма­ териала.

Способность материала поглощать и отражать световую энергию характеризуется коэффициентами поглощения и

отражения. Для некоторых материалов коэффициенты погло­

Большое влияние на поглощение световой энергии оказы­

вает теплопроводность и теплоемкость материала. Для неко­

торых материалов коэффициенты по теплопроводности (λ) и

Поглощение тепла телом тем больше, чем больше отноше­

ние λ cv. В нашем случае, как видно из табл. 7, наибольшее

отношение характерно для алюминия. Поэтому алюминиевые

толстые пластины будут прогреваться на наибольшую глуби­

ну, а тонкие будут иметь наиболее высокую температуру.

31

§ 7. Применение теплостойких комплектующих изделий

При проектировании электротехнического оборудования

для объектов, которые могут подвергаться воздействию высо­

ких температур, необходимо предусматривать монтаж обору­

дования из теплостойких изделий.

Теплостойкость — это способность материалов, элементов кратковременно или длительно выдерживать воздействие вы­ соких температур, а также резких изменений температур

(теплоударов). Теплостойкость материалов, элементов опре­

деляют началом существенных изменений их свойств или па­

раметров, обусловленных различными физико-химическими процессами. Для каждого типа электротехнического, радио­

электронного оборудования существуют наиболее уязвимые

в тепловом отношении места. В полупроводниковых прибо­

рах таким местом являются упоминавшиеся выше р-п пере­ ходы, в электронных лампах — определенные области анодов,

катодов и баллонов, в трансформаторах — центральные об­ ласти обмоток и т. д. Допустимые температуры для тех или

иных изделий, элементов и узлов определяются физическими свойствами материалов, применяемых для изготовления обо­ рудования. Свойства эти различны для различных материа­ лов, поэтому изделия, изготовленные из них, по своей тепло­

стойкости различны. В табл. 8 приведены допустимые темпе­

Из табл. 8 видно, что кремниевые полупроводниковые прибо­ ры и проволочные резисторы обладают более высокой тепло­

стойкостью. Изоляционные материалы, используемые в ра­ диотехнической и электротехнической промышленности, раз­

деляются на классы «нагревостойкости» в соответствии

с ГОСТ 8865-70 [11].

Предельно-допустимые температуры для различных элек­ троизоляционных материалов даны в табл. 9.

32

Указанные в таблице температуры — предельно-допустимые

для электроизоляционных материалов при их длительном

использовании в электрических машинах, трансформаторах и аппаратах, работающих в нормальных эксплуатационных

условиях. При воздействии светового излучения создаются

резкие изменения температуры, которые будут кратковремен­

но выходить за пределы табличных значений. Продолжитель­ ность воздействия светового излучения ориентировочно мож­

но определить из соотношения:

t=γ^q, с,

где q — мощность взрыва в килотоннах.

В течение нескольких секунд могут быть созданы перегре­

вы электроизоляции, что может привести к электрическому

пробою и к частичному или полному выходу из строя элемен­ тов и узлов электротехнического или радиоэлектронного обо­

рудования. Чтобы исключить пробой, температуры в наиболее

нагретых местах изоляции не должны превышать указанных

в таблице предельно-допустимых значений.

Для металлов характерным поражающим фактором явля­ ется оплавление и потеря прочности, для дерева, каучука и

других материалов — обугливание, тление и горение. Оплав­ ление и обугливание следует ожидать в том случае, когда

вычисленная температура по формуле (23) будет превышать

температуру плавления или обугливания.

§8. Использование вентилирующих устройств

итеплоизолирующих материалов

Не всегда удается обеспечить нормальный тепловой ре­

рудования подбором соответствующих /по теплостойкости изделий и узлов. В этом случае применяют теплоизолирую­

щие материалы и вентилирующие устройства.

В настоящее время широко применяются теплоизолирую­

щие материалы и вентилирующие устройства,, особенно на

судах, самолетах, ракетах и других объектах. Они позволяют

повысить огнестойкость конструкций объектов и осуществить

теплоизоляцию электротехнического и радиоэлектронного оборудования. Среди теплоизолирующих материалов нашли широкое применение асбоперлит, асбоцемент, вермикуліто­

бетон, асбостекло и др. Стальная переборка с односторонней изоляцией из асбоперлита толщиной 20 мм выдерживает

30-минутное испытание на огнестойкость, переборка с двух­

сторонней изоляцией той же толщины имеет предел огнестой­ кости более часа. Под пределом огнестойкости понимается

время, в течение которого не образуется сквозных трещин,

конструкция не теряет своей несущей способности и не на­ гревается до температур порядка 200oC на противоположной

стороне.

Хорошими теплоизоляционными свойствами обладает

асбоцемент, вермикулитобетон, асбостекло. При соответствую­

щей толщине изоляции конструкции способны выдерживать

стандартное испытание не менее часа. В последние годы был

получен ряд новых теплоизоляционных материалов. Среди

них особый интерес представляют пенопласты заливочного типа, получаемые на месте применения. Преимущество их со­

стоит в том, что цзоляция поверхности механизирована, чем

повышается качество изоляции и ее теплофизические показа­

тели [6]. Лучшим из них оказался пенопласт ФРП-1, изготав­ ливаемый на основе феноло-формальдегидной смолы и при­

меняемый на судах. Он получается на месте производства изоляции путем смешения двух жидких компонентов — ре­ зольной смолы марки ФРВ-1А и продукта ВАГ-3 (отвердите­

ля). Затем полученная композиция заливается с помощью специальной установки в полости изолируемого пространства.

При этом смесь вспенивается и отвердевает. По стойкости

пенопласт ФРП-1 отнесен к группе трудносгораемых мате­

риалов. От пламени газовой горелки (∕=2000oC), направлен­

ного на образец, он не воспламеняется.

Вентилирующие устройства [12] позволяют охлаждать оборудование за счет подачи в него холодного воздуха. Для

осуществления естественной вентиляции в корпусе выполня­

ются отверстия, решетки или жалюзи. Тепловая энергия, вы-

34

делающаяся внутри аппарата, конвекцией передается проте­ кающему через него воздуху и уносится из аппарата в окру­ жающую среду внешней поверхностью корпуса (рис. 12).

В герметических закрытых корпусах для интенсификации

теплообмена между деталями и корпусом могут устанавли­

жима, применяют принудительную вентиляцию.

ГЛАВА 3

ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ, ПОВЫШАЮЩИЕ УСТОЙЧИВОСТЬ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО И РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ПРОНИКАЮЩЕЙ РАДИАЦИИ

§ 9. Характер воздействия проникающей радиации на электротехническое и радиоэлектронное оборудование

и требования, предъявляемые к нему

Проникающая радиация состоит из потоков гамма-кван­

тов и нейтронов. Поток гамма-квантов представляет собой

электромагнитное излучение, распространяющееся со скоро­

стью света. Поток нейтронов представляет собой нейтронное излучение, распространяющееся со скоростью 20000 км/с. Вследствие различия в скорости распространения в опреде­ ленную точку пространства быстрее достигают гамма-кванты,

а затем нейтроны [7]. Поэтому на оборудование вначале бу-

дет воздействовать гамма-излучение. Когда уровень потока гамма-квантов снизится, начинает действовать поток нейтро­

нов (рис. 14).

Характер воздействия гамма-излучения на электротехни­ ческое и радиоэлектронное оборудование отличается от ха­ рактера воздействия нейтронного излучения. Гамма-излуче­

ние вызывает, в основном, ионизацию и возбуждение атомов и молекул того материала, из которого состоит оборудование.

Нейтронное излучение взаимодействует с ядрами атомов и

вызывает нарушение структуры вещества [8].

Рис. 14. Качественная картина изменения плотности потока нейтронов и гамма-кван­ тов с течением времени:

/-—изменения плотности гамма-квантов; 2 — изменения плотности потока нейтронов

По причине ионизации и нарушения структуры происхо­

дит радиационный разогрев, в некоторых материалах возни­

кают химические процессы, в результате электрофизические

характеристики материалов становятся иными, меняются фи­

зические и химические свойства. Радиационный разогрев

является следствием преобразования поглощенной части

энергии проникающей радиации в тепло. Это тепло может распространяться неравномерно, отчего возникают градиен­

ты температуры, приводящие к термическим напряжениям между различными элементами и слоями изделия. Работа

оборудования становится более жесткой, облегчающей созда­

ние условий для изменения параметров материалов. Химиче­

ские процессы характерны для органических полимерных ма­

териалов (силикон, полистирол, тефлон и др.). В результате

нарушения связей образуются свободные радикалы, которые

36

являются инициаторами химических реакции с выделением

газов и некоторых веществ. Это ведет к изменению физиче­

ских и химических свойств их и, следовательно, к нарушению

эксплуатационных параметров. В неорганических диэлектри­ ках и металлах под действием ионизации и возбуждения ато­

окисления, увеличивается скорость коррозии. Таким образом,

могут возникать как обратимые, так и необратимые измене­

ния в материалах. Обратимые изменения являются след­ ствием ионизации их и окружающей среды, необратимые —

следствием изменения структуры вещества.

Изменение электрофизических характеристик у разных материалов также неодинаково. Если заметные изменения

электрических параметров у некоторых материалов наблюда­

ются при больших потоках нейтронов (ІО20 н/см2), то у ди­ электриков, применяемых в качестве оснований резисторов,

в конденсаторах и т. д., электропроводность появляется уже

при низких дозах облучения (10 Р/с), что ведет к увеличению токов утечки [8]. C увеличением токов утечки свойства ди­ электриков теряются, а элементы с такими'диэлектриками пе­

рестают выполнять свои функции.

Характер воздействия проникающей радиации на рези­

сторы, конденсаторы и другие элементы оборудования опре­ деляется комплексным изменением свойств материалов,

используемых в данном изделии. Наиболее подвержены дей­

ствию проникающей радиации полупроводниковые приборы. Гамма-излучение вызывает в них, как правило, кратковре­

менные изменения величин обратных токов и токов утечки.

Нейтронное излучение нарушает электронно-дырочные пере­

ходы и создает необратимые изменения в полупроводниках.

Величины нейтронных потоков, при которых германиевые и

кремниевые низкочастотные транзисторы еще могут рабо­ тать [4], равны IO11 н/см2, а при потоках IO13 н/см2 — указан­

ные транзисторы выходят из строя. Мощности дозы, при ко­ торых у данных транзисторов начинаются обратимые изме­ нения, определяются величиной 26 А/кг (IO5 Р/с).

Для резисторов характерно изменения величины сопро­

тивления под действием проникающей радиации. Наиболее

существенные изменения наблюдаются у высокоомных непро­ волочных сопротивлений. При потоке нейтронов IO13 н/см2 и

мощности дозы гамма-излучения 258 А/кг (IO6 Р/с) умень­

шение величины высокоомных сопротивлений достигает 70%.

37

По окончанию действия проникающей радиации время вое*

становления сопротивления составляет 0,1—0,3 с. Более вы­

сокой радиационной стойкостью обладают проволочные ре­

зисторы, в которых практически не наблюдается изменений

параметров при облучении до потоков IO18 н/см2.

Из конденсаторов наиболее чувствительны к облучению

бумажные [10]. Проведенные испытания показали, что бу­

мажные конденсаторы, нежелательно использовать при до­

зах, превышающих 2,58 ∙ IO4 Кл/кг и при потоках нейтронов

IO14 н/см2.

В процессе испытаний выяснилось, что с ростом поглощен­ ной дозы излучения емкость конденсатора уменьшается.

Однако емкость у лавсановых и триацетатных конденсаторов

увеличивалась. Наибольшую радиационную стойкость имеют конденсаторы с неорганическим диэлектриком. Изменение их емкости не превосходит долей или единиц процентов при по­ токе нейтронов IOie н/см2.

Достаточно высокой радиационной стойкостью обладают

электровакуумные приборы (электронные лампы, электрон­

но-лучевые трубки и т. д.). Остаточные изменения парамет­

ров у всех электровакуумных приборов при потоках нейтро­ нов порядка IO15 н/см2 не превышают допустимых по техни­

ческим условиям норм.

Радиационная стойкость схем и узлов электротехническо­

го и радиоэлектронного оборудования зависит от стойкости

комплектующих изделий, а также от особенностей схемных

решений. Более реальная оценка радиационной стойкости

схем и узлов может быть дана по результатам их облучения

в целом. Это связано с тем, что при оценке радиационной стойкости изделия по радиационной стойкости отдельных узлов трудно учесть влияние на нее отдельных переходов и схемных особенностей.

В.электрических машинах, вследствие ионизации изоля­ ционного материала, понижается напряжение пробоя, может

нарушаться нормальная работа из-за ионизации воздуха в районе коллекторных колец.'

Чтобы избежать выхода из строя электротехнического и

радиоэлектронного оборудования под действием проникаю­

щей радиации раньше, чем произойдет разрушение его от

ударной волны оно должно удовлетворять определенным тре­ бованиям. Берем за основу расчета параметры ударной вол­

ны как основного поражающего фактора наземного (надвод­ ного) и воздушного взрывов. Хотя проникающая радиация

38

действует и не так далеко, но есть объекты, которые имеют высокую ударостойкость и на небольших расстояниях от центра взрыва могут подвергаться действию проникающей радиации. К таким объектам могут быть отнесены убежища, транспортные суда и другие объекты. На таких объектах ра­ диационная стойкость электротехнического и радиоэлектрон­ ного оборудования должна обеспечить их функционирование на расстояниях, на которых корпусная часть объектов полу­

чает средние разрушения. Определим дозу D3 захватного гам­

ма-излучения, дозу Dock осколочного гамма-излучения и по­

ток нейтронов Ф, на этих расстояниях (табл. 2) при мощности

наземного (надводного) взрыва 10 кд и IO3 кт при нормаль­

ной плотности атмосферы [4, 7] по формулам:

где R— расстояние до центра взрыва, м; q — мощность

взрыва, кт.

По этим формулам рассчитаны величины доз и потоков

Величины, указанные в таблице, и определяют те предель­

ные значения, которые должно выдерживать для данной уда­ ростойкости электротехническое и радиоэлектронное обору-

39

дование. Таблица показывает, что на транспортных судах электротехническое и радиоэлектронное обооудование может

подвергаться опасным воздействиям проникающей радиации,

при которых незащищенное оборудование может давать сбои в работе. На остальных объектах, указанных в таблице, электротехническое и радиоэлектронное оборудование под­

вергаться опасным воздействиям не будет.

К инженерным мероприятиям, позволяющим повысить ра­ диационную стойкость электротехнического и радиоэлектрон­

ного оборудования, относятся:

—подбор воздушных промежутков между электродами,

шинопроводами и токоведущими частями, обеспечивающих работу в заданных пределах;

—применение радиационностойких комплектующих изде­

лий;

—использование специальных схем, компенсирующих н отводящих дополнительные токи, возникающие в цепях;

—применение схем и устройств, которые менее критичны

кпоявлению дополнительной утечки токов;

—заполнение изоляционными материалами воздушных

промежутков схем;

—применение экранов, ослабляющих проникающую ра­ диацию;

—выбор конструкций и покрытий, облегчающих дезакти­ вацию.

§10. Подбор воздушных промежутков между электродами

ишинопроводами

Под действием ионизирующих излучений в воздухе проис­ ходит образование свободных носителей зарядов — положи­ тельных ионов и электронов. Часть носителей зарядов, обра-. зованных за счет ионизации, будут уходить на электроды или

шинопроводы, а часть будут рекомбинировать в междуэлек-

тродном промежутке. Возникает ток утечки, который может

достигать значительной величины.

В работе [13] приводится формула для определения тока

утечки в воздушном промежутке:

кость воздушного промежутка, см; к+ — подвижность положи-

40