Translator(s): Mircea Băduț
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.
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.
Stânga: Detectoarele portabile de neutroni pentru aeronavă, constând din două blocuri cu câte 12 contoare proporționale cilindrice. Dreapta: Recipiente mari de apă sunt folosite pentru a termaliza neutronii cosmici și pentru a crește astfel rata de neutroni detectați în timpul testului de laborator (înainte de experimentul real din avion).
© 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
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.
