ويطرح الإشعاع أحد أكثر التحديات فساداً في موثوقية وأداء المكونات الإلكترونية المنشورة في الفضاء الجوي والنظم الفضائية، وخلافاً للبيئات الأرضية، حيث يوفر الغلاف الجوي والمجال المغنطيسي قدراً كبيراً من الحماية، وتُعرض المركبات الفضائية والطائرات ذات السعة العالية باستمرار للجسيمات المتشددة التي يمكن أن تُحطّم أو تعطل أجهزة النُّهُج المتعلقة بالتخفيض الإشعاعي، وتُقيّم بدقة آثارها من خلال تطبيق استراتيجيات الاختبارات الإلكترونية.

بيئة الإشعاع في الفضاء

إن بيئة الإشعاع الفضائي معقدة ومتغيرة، تتألف من جزيئات من مصادر متعددة ذات طاقات مختلفة، وتدفقات، وتكوينات، ويجب تصميم المكونات الإلكترونية للفضاء الجوي بحيث تتلاءم مع الآثار التراكمية لهذه البيئة على مدى عمر البعثة، والمصادر الرئيسية الثلاثة للإشعاع هي أشعة الكونية المجرية، والظواهر الجسيمية الشمسية، والأحزمة المشعة المحصورة، وكلها تنطوي على مخاطر مختلفة وتتطلب تقييماً مناسباً.

Gaactic Cosmic Rays (GCRs)

(أ) الأشعة الكونية المجرية هي جسيمات شديدة الحماس، وهي أساساً بروتونات ونواة ذرية مأهولة بالكامل (من الهيليوم وحتى الحديد)، وهي نابعة من مخلفات الظواهر الخارقة وغيرها من المصادر الفلكية خارج نظامنا الشمسي، وتولد المواد الكيميائية طاقات تتراوح بين عشرات الأشعة المميتة وما بعد 10 [FevenLT:0](19) [FLT:](أ)

أحداث الجسيمات الشمسية

إن أحداث الجسيمات الشمسية هي انفجارات متفرقة من البروتونات والأيون المثقلة بالشعلات الشمسية أو حقن الكتلة الإكليلية، حيث أن طيف الطاقة عادة ما يصل إلى ذروته بين 10 و100 مي في الدي في، ولكن التدفق يمكن أن يكون مرتفعا للغاية خلال الأحداث الكبيرة، مما يتسبب في تراكم كبير من الجرعات المؤينة في فترة قصيرة، كما أن المواد الوسيطة للكهرباء تسهم في أضرار التشرد، ولا سيما في الخلايا الشمسية والتصورات البصرية.

حزام الإشعاع المصفوف

وتُحمّل أفخاخ الأرض المغنطيسية جسيمات (في معظمها من الإلكترونيات والبروتونات) في منطقتين مكتظتين بالدونات يعرفان بأحزمة فان ألين، ويحتوي الحزام الداخلي، الذي يتراوح بين 000 1 و 000 6 كيلومتر، على بروتونات عالية الطاقة تسبب أضرارا كبيرة في الـ TID وتشرد، ويحتوي الفول الخارجي من 000 13 إلى 000 40 كيلومتر على كربونات ذات الفلورية منخفضة

آليات الأضرار الإشعاعية في المكونات الإلكترونية

ويلحق الإشعاع أضراراً بشبه الموصلات من خلال ثلاث آليات أساسية: الآثار الإجمالية للجرعة المؤينة، والآثار الوحيدة للحدث، والأضرار الناجمة عن التشرد (D.)، وتؤثر كل آلية على مختلف المناطق المادية وأنواع الأجهزة، وكثيراً ما تتفاعل وتعقد التنبؤات بالموثوقية.

مجموع الجرعة المُؤقتة

وعندما تمر الجسيمات العازلة عبر طبقات أكسيد الأوكسيد (مثل أكسيد البوابات في أمواج البوليستر أو أكسيد العزلة في دوائر متكاملة)، فإنها تخلق أزواجاً للثقوب الكهربائية، وتصبح الوصلات الكهربائية محاصرة في أكسيد النيتروز، وتنشئ شحنة إيجابية صافية على مر الزمن، وتتحول هذه القطع من الوصلات إلى مستويات أعلى من الوصلات، وتزيد من آثار التسرب.

آثار المغامرات الوحيدة

وتشكّل هذه النظم حالات انقطاع فوري بسبب جسيم واحد من الجسيمات النشطة (عادة ما يكون وزنه ثقيل أو مرتفع الطاقة) تُلقي رسوماً كافية في عقد حساس لتغيير حالة الدائرة، وتشمل أكثر أنواعها شيوعاً ما يلي:

  • Single-Event Upset (SEU): ] A bit turn in memory, register, or latch. SEUs are soft errors that can be corrected through error detection and correction (EDAC) or re-initialization.
  • Single-Event Latch-up (SEL): ] A particle triggers a parasitic thyristor structure in CMOS ICs, causing a low-impedance path between power and ground that can lead to thermal runaway if not interrupted by current limiting or power cycling.
  • Single-Event Burnout (SEB) and single-Event Gate Rupture (SEGR): ] High-power devices like power MOSFETs can undergo destructive failure when a particle triggers a parasitic bipolar transistor or ruptures the gate oxide.
  • Single-Event Transient (SET): ] A temporary voltage spike that propagates through combinational logical and may be latched into downstream registers, causing errors.

ويتطلب التخفيف من آثار تغير المناخ تصميماً دقيقاً، واستخدام حلقات الحراسة، وتشريد ثلاثي من الوحدات، وأحياناً تطبيق عوامل تقديرية على عمليات الفولط.

أضرار التشرد

وعندما تضرب مادة عالية الطاقة (لا سيما النيوترونات أو البروتونات أو الأيون الثقيلة) البطاطا شبه الموصلات، فإنها يمكن أن تزيل الذرات من مواقعها، وتخلق شواغر وتداخلات، وتزيد هذه العيوب من كثافة مراكز إعادة التوحيد وتخفض عمر ناقلات الأقليات، مما يبطل أداء أجهزة تحويل الصور ذات المقياس الثنائي (BJT).

منهجيات الاختبار والتصنيف

ويتطلب تقييم الأثر الإشعاعي مزيجا من الاختبارات التجريبية، والمحاكاة، والتحليل على مستوى المنظومة، ويكفل التميز الدقيق في ظل ظروف خاضعة للمراقبة أن تفي العناصر بمتطلبات خاصة بالبعثة، وفيما يلي المنهجيات الرئيسية التي يستخدمها مهندسو الفضاء الجوي وأخصائيو الآثار الإشعاعية.

اختبار الإشعاع مع مسرعات الجسيمات

(ب) اختبارات الاختبارات الاختبارية في مرافق مثل اختبارات " تكساس " (E-ID) (Se-B)

المحاكاة والنمذجة

(ب) تساعد الأدوات الحاسوبية على التنبؤ بالآثار الإشعاعية دون الحاجة إلى الوصول إلى حزم الجسيمات لكل تصميم مكرر.() وتُعدّ نماذج محاكاة التكنولوجيا للتصميم الحاسوبي المضاف إلى أداة بعد إضراب جسيمات، وتوفر نظرة متعمقة إلى الاستجابة الخاصة بالمركبات والمتطوّرة.() وتُحسب رموز النقل الإشعاعي في مونت كارلو مثل جينت4 أو FLUKA في شكل نماذج لقياس مستويات الانبعاثات المحتوية على غازات مُعقّدة.

بيانات المدارات والرصد الداخلي

ولتحقق الاختبارات الأرضية، يحمل العديد من المركبات الفضائية مراقبين للإشعاعات وأجهزة للكشف عن الأخطاء التي تسجل تعرض هذه المركبات والتدفئة في جميع أنحاء البعثة، ويحتفظ NASA غودارد للفضاء ووكالة الفضاء الأوروبية بقواعد بيانات عن الهالات التي تستخدم في نماذج محطات الإشعاع ذات القيمة الحقيقية.

استراتيجيات التخفيف من الإشعاعات للالكترونيات الفضائية الجوية

وتجمع خطة قوية لتخفيف الإشعاع بين اختيار العناصر وتصميم الدوائر، والتحميل، والتسامح إزاء خطأ البرامجيات، والهدف هو إبقاء معدل فشل النظام دون عتبة موثوقية البعثة، مع تحقيق التوازن بين التكلفة والكتلة والأداء، كما أن الاستراتيجيات التالية تستخدم عادة.

العناصر المبردة الإشعاعية (راد - هارد)

وتُصنَّع الأجهزة الإلكترونية المحتوية على الرواسب باستخدام عمليات متخصصة (مثلاً، الموصلات البسيطية أو الموصلات الصوتية) التي تؤدي في جوهرها إلى الحد من الحساسية لدى جهاز التفريغ والتصنيف، وتشمل تقنيات " الضبط " (المعدات الدقيقة) استخدام مترجمات للبوابة المتطورة لأجهزة الحركة، خلايا منطقية متطورة(100)

انتقاء المواد والشحن

فالدروع السالبة باستخدام مواد مثل الألومنيوم أو التنتالوم أو البوليثيلين يقلل الجرعة الفعالة للالكترونيات، غير أن الدرع الثقيل يضيف الكتلة التي تكون في أقساط في المركبات الفضائية، وتستكشف البحوث الأخيرة استخدام المواد المركبة ذات المحتوى الهيدروجيني العالي (مثلا، البوليثيلين المتطور أو البوليدوبيد البوروني) لتحسين النيوبوترون والبروتون في الدروع.

إعادة التكرار وإصلاحية الأخطاء

كما أن التكرار الثلاثي المكرر هو أسلوب كلاسيكي يعمل فيه ثلاث دوائر متطابقة، ويقرر معظم الناخبين الناتج، ويخفف معدل التراكم من اليورانيوم المضغوط والفولط المتطورة، ويزيد من الطاقة والمساحة بحوالي ٣، أما بالنسبة للذاكرة، وكشف الأخطاء والتصحيحات (مثلاً، تكديس هامنغ، وريد سولومون) فهي عملية مستاءة.

البرامجيات والتقنيات على مستوى المنظومة

ويمكن للبرمجيات المتحملة للفشل أن تكتشف وتسترد من هذه الأجهزة دون إعادة تشغيل الأجهزة، كما يمكن للمراقبين أن يفحصوا التوقيتات الدورية، وإجراءات الاسترداد المأمونة أن يسمحوا لنظام إعادة ضبط النفس إذا اكتشف خطأ. ويمكن قراءة الذاكرة المُحدَّدة في إطار برامجيات FPGA القائمة على نظام الرصد الدولي وتصحيحها باستخدام جهاز التحكم الأساسي الناعم، وهذه النُهج أساسية عند استخدام مكونات ثاني أكسيد الكربون في محطات الأشعة العالية.

الاتجاهات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الدفع الذي لا يكلل بالأداء العالي وانخفاض التكلفة هو توجيه الاهتمام إلى المواد شبه الموصلية المتقدمة وتقنيات التصلب الجديدة، كما أن أجهزة التعبئة الواسعة النطاق مثل قنبلة السيليكون ونيتريد الغاليوم التي تعرض على نحو آخر لمعدلات الارتداد المتطاة في المدارات المتسلسلة، والتي تبين وجود معدلات تخلفية في المدارات المتطايرة، لا يمكن استخدامها في عمليات تحويل الطاقة وتصويب.

وثمة مجال واعد آخر هو استخدام رصد الإشعاعات في الموقع لتمكين التخفيف من آثاره التكيفية، فعلى سبيل المثال، يمكن للمركبات الفضائية أن تتحول إلى تردد أو تطاير أكثر قوة عند مرورها عبر نظام الفضاء الجوي أو أثناء ذخيرة شمسية، مع الجمع بين العبوات المتقدمة التي تدمج طبقات الدرع مباشرة في كومة الرقائق، فإن هذه الابتكارات ستتيح للأجهزة الإلكترونية الفضائية الجوية في المستقبل تحقيق أداء أكبر من حيث الضبط مع الحفاظ على الموثوقية اللازمة للبعثات.

خاتمة

وتقييم أثر الإشعاع على المكونات الإلكترونية للفضاء الجوي هو تخصص متعدد الجوانب يخلط بين الفيزياء الأساسية شبه الموصلات وبين الهندسة العملية وتخطيط البعثات، ومن بيئة الجسيمات القاسية التي تتسع فيها المساحة العميقة إلى أحزمة مدار أرضي منخفض، تشكل كل منطقة تهديدات متميزة يجب أن تتميز عن طريق الاختبارات والنماذج الدقيقة، وتتطلب مجموعة من الجرعات المؤينة، والآثار الوحيدة المميزة لتخفيف حدة، وتضرر كل من العناصر الدروعة أو المعطلة.

ومع توسع استكشاف الفضاء ليشمل بعثات أطول أجلاً وبيئة أكثر تحدياً، يجب على الصناعة أن تواصل تطوير مواد جديدة وأساليب اختبار وتقنيات تصميم، إذ أن البرامج الجارية مثل نظم الإنقاذ [الشراكات الإلكترونية والتغليف] [الشراكات الإلكترونية] ، وبرامج وكالة الفضاء الأوروبية توفر باستمرار قاعدة بيانات النجاح [المكونات الفضائية].