Układy elektroniczne będące częścią misji kosmicznych są narażone na działanie promieniowania jonizującego, które może powodować występowanie błędów lub nawet trwałe uszkodzenie całego systemu. Z tego powodu ważne jest dobranie elementów o odpowiedniej odporności radiacyjnej. W NCBJ przeprowadzono testy układów mających działać w polskim mikrosatelicie EagleEye.

W zależności od warunków misji, takich jak wysokość orbity, czas trwania, czy aktywność słoneczna, projektanci satelity muszą wybrać elementy o odpowiedniej odporności radiacyjnej. W przypadku układów przeznaczonych specjalnie do tego celu, tzw. rad-tolerant czy rad-hard, testy odporności są przeprowadzane przez samego producenta.

Coraz częściej jednak przy projektowaniu wykorzystuje się zwyczajne podzespoły dostępne komercyjnie (commercial off-the-shelf, COTS), gdzie sprawdzenie odporności systemu na promieniowanie jonizujące zwykle pozostaje po stronie projektantów satelity. W tym celu rozwijane są jednocześnie nowe metody testowania komponentów. Mogą one wykorzystywać różne rodzaje i źródła promieniowania (protony, neutrony, elektrony, promieniowanie X, a także mieszane pola promieniowania), jak również dotyczyć elementów o różnej złożoności (od pojedynczych podzespołów układu elektronicznego do testów modułów, czy wręcz całego satelity).

Celem najnowszych badań opublikowanych w specjalnym numerze czasopisma naukowego Electronics, a wykonanych przez zespół pod kierunkiem dr inż. Tomasza Rajkowskiego z Zakładu Elektroniki i Systemów Detekcyjnych NCBJ, było przeprowadzenie testów wpływu całkowitej dawki jonizującej (total ionising dose, TID) na układy będące częścią polskiego mikrosatelity EagleEye oraz określenie istotności tego typu testów w procesie kwalifikacji radiacyjnej satelity. Dodatkowo, badania miały sprawdzić powtarzalność wyników przy małej liczbie próbek oraz wskazać nie tylko, czy dane układy są wystarczająco odporne na dawkę promieniowania, na którą będą narażone w przestrzeni kosmicznej, lecz także które podzespoły mogą być szczególnie narażone na uszkodzenie systemu oraz czy można je zastąpić bardziej wytrzymałymi odpowiednikami.

Badanymi układami były komputery pokładowe, układy kontroli wysokości i orbity, a także układy odpowiadające za sterowanie baterią satelity. Podzespoły poddano działaniu wiązki wysokoenergetycznego promieniowania X pochodzącej z liniowego akceleratora elektronów. „Mimo, że spodziewana dawka, jaką przyjmą układy satelity w trakcie 3-letniej misji to około 5 krad, czyli 50 Gy*, napromienianie przeprowadziliśmy aż do wartości 20 krad, sprawdzając poprawność działania układów co 2,5 krad” – opowiada dr inż. Tomasz Rajkowski. „Tak duża dawka względem spodziewanej zwiększa wiarygodność wyników, zwłaszcza związaną z niewielką liczbą badanych próbek – po 2 układy każdego typu. Dodatkowo, po zakończonym napromienianiu, procedura obejmowała także wielogodzinne wyżarzanie analizowanych komponentów, zarówno w temperaturze pokojowej jak i w temperaturze 80 °C, co w wielu przypadkach powodowało przywrócenie utraconych funkcjonalności”.

Wyniki badań wskazały, że większość poważnych błędów występowała dopiero po przekroczeniu dawki 17,5 krad, czyli ponad 3-krotnie większej od przewidywanej dla misji satelity EagleEye. Co więcej, część komponentów, która wykazywała uszkodzenia poniżej tej dawki, została od razu wymieniona na bardziej odporne i w kolejnych testach podobne błędy nie pojawiły się aż do maksymalnej dawki 20 krad. „W większości przypadków, wykonane badania umożliwiły nam zidentyfikowanie podzespołów szczególnie wrażliwych na działanie promieniowania jonizującego podczas misji kosmicznej i zastąpienie ich bardziej wytrzymałymi odpowiednikami” – komentuje dr inż. Rajkowski. „Co więcej, o ile już wcześniej wiedzieliśmy, że obserwowalność parametrów komponentów może być mocno ograniczona podczas testów całych systemów, w trakcie naszych badań mogliśmy to zauważyć w bardziej szczególnych przypadkach, np. układów zasilania z pętlą sprzężenia zwrotnego. Układy te zaczynają pracować wadliwie pod wpływem promieniowania – wiemy wówczas, że któryś z elementów w pętli nie działa, ale bez rozłączania tej pętli trudno jest stwierdzić który”.

Z tego względu, badania naukowców podkreśliły, że poza sprawdzaniem całych układów, co z uwagi na koszty i dodatkową trudność w obserwacjach zwykle ogranicza się do niewielkiej liczebności próbek, przydatne okazują się komplementarne testy pojedynczych elementów, gdzie możliwe jest uzyskanie dużo większej statystyki, a samo przygotowanie testu jest dużo prostsze. Z drugiej strony, określenie poziomu wiarygodności uzyskiwanego dzięki testom dużej liczby złożonych układów (a nie pojedynczych elementów) jest ciekawym wyzwaniem badawczym, które może też znaleźć zastosowanie w opracowaniu procedur testowych, np. dla dużych konstelacji satelitarnych. Tego typu prace również zostały niedawno rozpoczęte w NCBJ w ramach grantu NCN MINIATURA-7.

Badaniami zajmował się zespół naukowców NCBJ oraz pracowników Creotech Instruments S.A., twórców mikrosatelity EagleEye, a także dr inż. Sławosz Uznański, astronauta projektowy Europejskiej Agencji Kosmicznej, który ma zostać drugim Polakiem w kosmosie. Dr inż. Uznański również zajmuje się zagadnieniami odporności radiacyjnej elektroniki i od lat wspiera badania m. in. układów projektowanych przez twórców EagleEye.

Pełne wyniki badań są dostępne w publikacji:

Rajkowski T, Pustułka P, Bieda M, Ślasa S, Kazaniecki M, Myszka K., Szczygielski M, Iwaszkiewicz J, Traczyk K., Tarenko K., et al. System-Level Total Ionizing Dose Testing of Satellite Subsystems: EagleEye Microsatellite Case Study. Electronics. 2024; 13(1):122. https://doi.org/10.3390/electronics13010122

* Informacje uzupełniające:

Gy (grej) - jednostka dawki pochłoniętej, która określa ilość energii promieniowania (w dżulach) pochłoniętej przez kilogram materii (1 Gy = 1 J/kg). Dla porównania, typowe zdjęcie rentgenowskie odpowiada dawce rzędu pojedynczych mGy.

rad - historyczna jednostka dawki pochłoniętej, 1 rad = 0,01 Gy.