Ce legătură are fizica particulelor cu siguranța aviației? Understand article
Articolul de față a fost adaptat după un articol de la ILL News.
Zborul la înălțime: știați că razele cosmice pot interfera cu sistemele aeronavei? Aflați cum oamenii de știință de la ILL lucrează împreună cu Airbus Avionics pentru a îmbunătăți siguranța zborurilor.
Efectele evenimentelor singulare (SEE), care sunt provocate în principal de neutroni, pot fi responsabile pentru o serie de erori minore în echipamentele aviatice. Prin urmare, SEE-urile trebuie luate în calcul în timpul proiectării sistemelor aviatice pentru a se asigura că nu vor afecta fiabilitatea și siguranța aeronavei.
Razele cosmice și calculatoarele
Razele cosmice sunt particule de energie înaltă care se deplasează prin spațiu. Ele sunt emise de stele precum soarele nostru, dar particulele cu energia cea mai mare provin din afara sistemului solar, și se presupune că provin din supernove sau chiar din galaxii îndepărtate. Aceste particule constau în mare parte din protoni (89%), din atomi de heliu (10%) și din nuclee mai grele (1%).[1] Când astfel de particule se ciocnesc cu particulele de aer din atmosfera Pământului, ele produc o cascadă de particule ionizate și de neutroni.
Atunci când aceste particule se ciocnesc cu elemente din semiconductorii utilizați în microcipuri sau în microprocesoare, ele pot provoca efecte de evenimente singulare (SEE) capabile să determine ‘inversări de biți’ care modifică valoarea unor poziții din codul binar folosit la codificarea datelor în sistemele de calcul. Acestea se numesc erori ’soft’ deoarece microcipul în sine nu este deteriorat; informațiile stocate sunt alterate, dar ele pot fi totuși rescrise. Însă SEE-urile pot determina funcționări greșite în sistemele electronice, iar acestea pot duce la probleme serioase dacă interferează cu funcționarea unui sistem electronic critic.
Radiația provenită de la razele cosmice crește odată cu altitudinea. Putem măsura acest fapt cu ajutorul unui contor Geiger atunci când urcăm pe munte sau când zburăm. Cu cât mergem mai sus, cu atât indicația aparatului Geiger este mai mare, deși aceasta arată doar componenta de particule ionizate din cadrul razelor cosmice, nu și neutronii. În consecință, înțelegem că navele spațiale și chiar aeronavele sunt vulnerabile, iar un SEE ar putea fi foarte periculos dacă determină o eroare în sistemele de management al zborului aeronavei. Din fericire, de cele mai multe ori, SEE-urile nu sunt o problemă, datorită unei redundanțe prevăzute în circuitele electronice.
Semiconductori și SEE: dezvoltare sincronă
Fluxurile de neutroni existente la altitudini de croazieră sunt de aproximativ 300 de ori mai mari decât cele de la nivelul mării, iar interacțiunile dintre neutronii termici și izotopul Bor-10 (10B) existent în materialele semiconductoare generează o particulă alfa și un ion de litiu capabil să declanșeze erori ușoare în sistemele avionice. Aceste „efecte de evenimente singulare” (SEE) au constituit o preocupare pentru aviatică încă de la sfârșitul anilor 1980, când au început să se manifeste pentru prima dată în sistemele electronice ale aeronavelor; ele fuseseră observate anterior doar în sateliții artificiali care orbitează în jurul planetei. Pe măsură ce funcționalitatea sistemelor electronice aviatice s-a extins, aeronavele au inclus microprocesoare și dispozitive de memorie cu semiconductori tot mai multe și tot mai complexe, astfel că SEE-urile au trebuit să fie tot mai mult luate în calcul la proiectarea echipamentelor electronice din aeronave, pentru a evita impactul asupra fiabilității și siguranței.
Spre finalul anilor 1990, neutronii termici, sau neutronii liberi cu mișcare relativ lentă, nelegați într-un nucleu atomic, au devenit o sursă de erori ‘soft’ deoarece sticla borofosfosilicată (BPSG) a fost utilizată la producerea dielectricilor din memoriile SRAM și DRAM. Acest lucru s-a datorat faptului că izotopul 10B tinde să capteze neutronii termici din razele cosmice.[2] După introducerea acestor dielectrici BPSG, rata de erori ‘soft’ s-a multiplicat dintr-o dată cu opt. Ceva mai recent, producătorii de circuite integrate au eliminat BPSG, ceea ce a condus la diminuarea erorilor ‘soft’ induse de neutroni termici. Însă problema neutronilor termici a reapărut în dispozitivele logice și de memorie moderne sub-65nm din cauza contaminării cu 10B din conectorii de tungsten sau din regiunile de tip p din elementele semiconductoare.[3,4]
În anul 2019, compania Airbus Avionics a lansat un proiect nou pentru analizarea riscurilor asociate cu particulele de neutroni termici pentru echipamentele electronice din aviatică. Calificarea SEE pentru componentele care urmează să fie utilizate în echipamentele aeronavelor se bazează pe caracterizarea secțiunilor transversale, adică pe probabilitatea de interacțiune atât cu neutronii termici, cât și cu neutronii de energie mai mare (deja binecunoscuți). Simulările au arătat că radiațiile cu neutroni termici pot crește semnificativ datorită termalizării neutronilor de înaltă energie în timpul coliziunilor cu atomii de hidrogen din combustibil, din bagaje sau din pasageri, dar fenomenul este foarte dificil de prezis folosind modele teoretice.
Singura modalitate de a estima fluxurile reale de neutroni termici din interiorul unei aeronave este de a efectua măsurători directe în timpul zborurilor efectuate la altitudinea de croazieră. În 2021, Institutul Laue-Langevin (ILL), un institut de cercetare destinat științei și tehnologiei neutronilor, a devenit parte a proiectului Airbus Avionics: ILL a furnizat aparatele detectoare de neutroni termici pentru folosire la bord, punându-și totodată la dispoziție experiența sa tehnică privind detectoarele de neutroni termici. Proiectarea, dezvoltarea și implementarea detectoarelor foarte avansate se află în centrul activității ILL, și toate cele patruzeci de instrumente științifice de înaltă performanță realizate de ILL necesită detectoare cu specificații tehnice unice. Detectorul de neutroni ILL instalat într-o aeronava Airbus de test a fost constituit din contoare proporționale cilindrice 3He. Sunt 24 de contoare în total, montate pe 2 blocuri a câte 12 contoare fiecare. Blocurile au fost conectate împreună, iar pentru citirea datelor s-au conectat un amplificator de încărcare și un analizor multi-canal. Spectrele de pulsuri au fost achiziționate timp de câte zece minute și înregistrate pe un calculator.
© ILL
Au fost planificate peste 30 de ore de teste în zbor, la o altitudine de 12 km – unde fluxul de neutroni este de aproximativ 300 de ori mai mare decât la nivelul mării. Primele zboruri au decolat în noiembrie 2021, iar campania de cercetare a continuat până în prima jumătate a anului 2022.
Datele înregistrate au furnizat o definire precisă a mediului cu neutroni termici, ajutând astfel Airbus Avionics să evalueze impactul neutronilor termici asupra echipamentelor electronicelor de nouă generație și să minimizeze riscurile pentru toate proiectele viitoare ale Airbus Avionics
O plimbare montană pentru validarea conceptului
Deoarece contoarele proporționale conțin fire subțiri de anod la tensiune înaltă, acestea pot fi sensibile la vibrații. Era deci important să se demonstreze că sistemul de la bordul unei aeronave Airbus va rămâne eficient în detectarea fluxurilor de neutroni termici și atunci când este mișcat sau perturbat în alt mod.
Institutul Laue-Langevin este situat la poalele Alpilor francezi, astfel că o simplă călătorie cu mașina până la stațiunea de schi Chamrousse din apropiere a fost suficientă pentru a testa robustețea instalației mobile și pentru a confirma că ea continuă să înregistreze intensitatea în creștere a fluxurilor de neutroni termici, așa cum era ea de așteptat în timpul unei creșteri de altitudine de 1500 m.
Această colaborare este rezultatul anilor de experimente derulate de experții de la Institutul Laue Langevin, din Grenoble, Franța, pentru diviza de cercetare și dezvoltare din cadrul Airbus Avionics. Instrumentele ILL au fost utilizate pentru a evalua și a minimiza riscul de afectare a tehnologiile semiconductoare de ultimă generație de către neutronii termici. Măsurătorile inițiale au permis grupului Airbus Avionics să intre în contact cu experții în știința și tehnologia neutronilor de la ILL, și să obțină astfel o mai bună înțelegere a competențelor și serviciilor lor în domeniul neutronilor termici.
Ambele părți celebrează acum succesul unui parteneriat care demonstrează felul în care colaborarea dintre cercetarea academică și cea industrială poate aduce beneficii tuturor: pe parcursul proiectului industria se dezvoltă cu ajutorul competențelor academice, creând în același timp un domeniu nou de aplicare pentru cercetarea academică și pentru know-how.
References
[1] Un articol despre razele cosmice pe web-site-ul CERN: https://home.cern/science/physics/cosmic-rays-particles-outer-space
[2] Vázquez-Luque A et al. (2013) Neutron Induced Single Event Upset Dependence on Bias Voltage for CMOS SRAM With BPSG. IEEE Transactions on Nuclear Science 60: 4692–4696. doi: 10.1109/TNS.2013.2283532
[3] Fang YP, Oates A (2014) Thermal Neutron-Induced Soft Errors in Advanced Memory and Logic Devices IEEE Transactions on Device and Materials Reliability 14: 583–586. doi: 10.1109/TDMR.2013.2287699
[4] Gasiot G et al. (2015) Muons and thermal neutrons SEU characterization of 28nm UTBB FD-SOI and Bulk eSRAMs. IEEE International Reliability Physics Symposium 2C.2.1–2C.2.5 doi: 10.1109/IRPS.2015.7112677
Resources
- Vizionați un film scurt despre razele cosmice și problemele evenimentelor singulare
- Învățați despre cum razele cosmice pot afecta circuitele electronice prin acest videoclip foarte captivant și foarte detaliat.
- Aflați cum ne-ar putea sugera ‘furtunile’ magnetice să obținem o stocare mai bună și mai rapidă a datelor: Chandran A (2023) Information revolution: how ultra-short bursts of light could help us improve data storage. Science in School 62.
- Folosiți un mic acvariu pentru a construi o cameră pentru detectarea particulelor încărcate electric: Barradas-Solas F, Alameda-Meléndez P (2010) Bringing particle physics to life: build your own cloud chamber. Science in School 14: 36–40.
- Citiți un articol despre viața la ILL: Wildes A (2011) Life in the line of fire. Science in School 19: 10–12.
Institutions
