Desde 6 de setembro de 2017,
houve 4 flashes poderosos no Sol , um deles recebeu uma pontuação de X9.3, o que o torna o mais poderoso nos últimos 12 anos. Georgy Goncharov, pesquisador líder do Observatório Pulkovo,
aconselhou : "Se você tem a oportunidade hoje, amanhã, depois de amanhã, de não pilotar um avião, não navegar em um submarino, não dirigir, você deve usá-lo." Sergei Bogachev, Diretor Científico do Laboratório de Astronomia de Raios-X do Sol,
objetou a ele: "... Isso é um absurdo. O fato é que a radiação dura dos foguetes é completamente inibida na atmosfera da Terra. O ar praticamente não permite a radiação de raios-x, e a altura a que a radiação chega. causada por surtos do Sol - cerca de 30 quilômetros ... Não é perigoso voar em aviões, mas navegar em submarinos e mais ainda ... Existem alguns relatos na história, dos quais não posso julgar a verdade, sobre casos de falta de energia de "É claro que tudo isso afeta as comunicações sem fio, comunicações por satélite e comunicações que usam o reflexo da ionosfera da Terra, porque as propriedades da ionosfera mudam durante as explosões solares".
Talvez não haja perigo, ou pelo menos esse perigo é muito exagerado? Vejamos o que diz respeito às partículas nucleares individuais (VLFs) - nêutrons e prótons e núcleos de átomos de elementos químicos com carga elétrica. Espero que meu artigo dissipe as dúvidas de alguns e a paranóia de outros.
Considere dois casos semelhantes relacionados especificamente a viagens aéreas:
1) O Boeing 777 da empresa Aeroflot, voando de Moscou para Bangcoc em 1º de maio de 2017, ao se aproximar do aeroporto de Suvannapum, caiu em uma área de forte turbulência. Como resultado, 27 passageiros ficaram feridos, incluindo crianças
[1] .
2) Em 2008, o avião de passageiros da Qantas, voando de Cingapura para Perth (Austrália), subitamente começou a declinar acentuadamente e "mergulhou" 210 metros em 23 segundos. Cerca de um terço dos passageiros sofreu ferimentos tão graves que o comandante da aeronave decidiu se desviar do curso e embarcar no aeroporto mais próximo.
[2]Fig. 1 Rotas mais curtas de Moscou a Bangcoc e de Cingapura a PerthEsses casos têm muito em comum:
- passageiros feridos da aeronave, que começaram a tremer ou houve um declínio acentuado;
- Ambos os casos ocorreram perto do equador.
Mas as explicações para esses incidentes são fundamentalmente diferentes. No primeiro caso, o motivo foi chamado de
"turbulência no céu claro" (TNW) , no segundo - o efeito de uma única partícula (provavelmente um nêutron) no computador de bordo, o que afetou a operação do piloto automático. Ambos os fenômenos são tratados há muitos anos, e a base de componentes eletrônicos da eletrônica de bordo passa por testes caros.
"Se algo parece um pato, nada como um pato e grasna como um pato, então provavelmente é um pato." Se os efeitos são os mesmos e a probabilidade de uma única partícula nuclear entrar na área sensível de um dispositivo micro (ou nano) eletrônico medindo apenas 10 mm X 10 mm é
"extremamente pequena" , talvez use o aparelho de barbear da Occam e explique o que está acontecendo mais " razões terrenas?
Antecedentes
Mesmo entre os desenvolvedores experientes de equipamentos de rádio-eletrônicos (REA) para o espaço, pode-se ouvir: “Nossos dispositivos voam desde a década de 1960 - e não conhecíamos nenhum dos seus TZZ (partículas carregadas pesadas), e tudo estava bem. E agora você é! - veio com ".
O fato de que o espaço e, em particular, a atividade solar afetam os dispositivos eletrônicos, as pessoas aprenderam há relativamente tempo. Já em setembro de 1859, ocorreu na literatura um
evento chamado de tempestade solar ou o Evento de Carrington em homenagem ao astrônomo britânico que observou a ejeção de massa coronal (CME). Eles dizem que as luzes do norte foram observadas em todo o mundo, não apenas no norte, mas também nas latitudes correspondentes ao Caribe. Acima das montanhas rochosas, as luzes brilhantes do norte acordaram os garimpeiros, que começaram a preparar o café da manhã, pensando que era de manhã. Era tão leve que à noite era possível ler o jornal
[3] . Agora é difícil fornecer características numéricas exatas para esse evento, no entanto, as estimativas estão na literatura e mostram que o próximo grande evento (tempestade solar) de 1989, o maior desde o início da Era Espacial, foi até três vezes mais fraco no
índice Dst No entanto, bastava que, por exemplo, um transformador em Salem
1 , Massachusetts, EUA, se transformasse nisso:
Fig. 2 Transformador após a tempestade solar de 1989Como no século anterior, em 1989, ocorreram falhas em larga escala na rede elétrica da América do Norte e nas auroras até a latitude do México e a ilha de Grand Cayman. Falhas nas comunicações de rádio de alta frequência em todo o mundo e, é claro, interrupções na operação da espaçonave foram adicionadas
[4] .
Para as causas naturais que levaram a anomalias do clima espacial, a humanidade adicionou outras artificiais: desde 1958, os Estados Unidos conduzem 3 explosões nucleares de alta altitude a altitudes de 200 a 500 km (potência - 1 quiloton). Em 9 de julho de 1962, os americanos, como parte do projeto
Starfish Prime , detonaram uma bomba atômica de 1,45 megaton a 400 km acima do Atol Johnston, no Pacífico. No Havaí (a 1.500 km da explosão), cerca de 300 luminárias, televisões, rádios e outros aparelhos eletrônicos estavam fora de serviço. Um brilho no céu pode ser observado por mais de 7 minutos. E em outubro de 1962, na área de Novaya Zemlya, dois dispositivos nucleares de alta altitude já foram explodidos pelos soviéticos
[5] . Como resultado, um terço dos satélites disponíveis em órbita baixa, incluindo 24 de novembro de 1962,
2 - o primeiro satélite comercial de telecomunicações "Telstar 1" (Telstar 1), lançado em órbita no dia seguinte à explosão nuclear americana de alta altitude, falhou.
Louise Bucker, acionista da AT&T de 78 anos, examina o modelo de satélite de comunicações Telstar em escala real no Bell Laboratories da AT&T em setembro de 1961. A Telstar 1 falhará devido a explosões nucleares em grandes altitudes em um ano e 2 meses ( Fonte foto ).Observe que os
fatores marcantes nesses eventos não eram partículas nucleares individuais (VLF), mas o pulso eletromagnético e a dose acumulada de radiação ionizante . Onde estão os notórios VLB?
Os VLF (nêutrons e partículas carregadas: prótons e núcleos) vêm do espaço ou são formados na atmosfera como resultado de reações nucleares em duas direções principais - do Sol (SCR, raios cósmicos solares) e de fora do Sistema Solar (GCR, raios cósmicos galácticos) . Existem muitos elementos leves (prótons, partículas alfa), muito poucas partículas pesadas (consulte a
seção sobre a probabilidade de uma falha ).
Uma descrição da interação do vento solar com os cinturões de radiação da Terra e o VLF - com a área sensível do semicondutor ocuparia muito espaço (quero enviar mais informações imediatamente para a seção
"O que ler?" ), Portanto vou me limitar a considerações gerais. Uma partícula carregada com energia
E , caindo na região semicondutora, dá sua energia à ionização, isto é, a formação de pares elétron-buraco, que, na presença de um campo elétrico, não "colapsam" (não recombinam), mas são espacialmente separados. Elétrons e orifícios têm mobilidade diferente
[6] , de modo que uma carga em excesso é formada na região ativa do semicondutor. O pulso de corrente resultante pode alterar o estado do elemento de armazenamento - nesse caso, falando de uma falha do tipo SEU (Single Event Upset). A característica da eficiência de ionização é a transferência linear de energia, LET (transferência de energia linear, LET), expressa em MeV * cm2 / mg: LET =
onde ro é a densidade do silício.
O VLF entra em cena em 1975, quando um artigo de Binder et al. Da Hughes Aircraft Company
3 é publicado
[7] . O artigo analisa os resultados experimentais e substancia o efeito de partículas únicas nos elementos de armazenamento.
Em 1979, eles descobriram algo completamente inesperado não no espaço, mas na Terra: na memória da Intel 2107 16-kb DRAM, ocorreram falhas incompreensíveis de partículas alfa. De onde vieram essas partículas dentro do gabinete? Verificou-se que a fonte de partículas alfa eram impurezas (da ordem de várias ppm) de urânio e tório nos materiais da caixa, produzidos na nova fábrica construída na década de 1970 no rio Green, no Colorado: uma antiga mina de urânio estava perto do leito do rio
[8] ! O artigo da Intel, TC May e MH Woods, que descreve esse efeito
[9], foi citado mais de 430 vezes
4 .
Obviamente, eu queria ver se os componentes eletrônicos da espaçonave estavam dispersos e era possível verificar se havia muitas partículas, por exemplo, na região da chamada
Anomalia Magnética do Atlântico Sul (SAA) 5 . E tais estudos foram realizados usando os satélites britânicos UoSAT-1, -2
[11] e -3
[12] , lançados respectivamente em 1981, 1984 e 1990. Nos dispositivos instalados, em particular, os chips de memória da Harris e Hitachi: HM-6564, HM-6564, 6264-LP, 6116-L. Todas as informações críticas foram defendidas por Hamming (12, 8)
[11] . Na fig. A Figura 4 mostra os resultados de uma análise de falha dos componentes eletrônicos instalados no UoSAT-2. Algumas falhas na URSS, o resto - no Brasil.
Fig.4 Resultados da análise de falhas em eletrônicos instalados no UoSAT-2, a partir de 1988 [11]E aqui estão os resultados do mesmo UoSAT-2, apresentado dois anos depois:
Fig. 5 Resultados da análise de falhas na eletrônica UoSAT-2 a partir de 1990 [12]Vê-se claramente que de 1988 a 1990 algo aconteceu - algo por causa do qual o número de falhas aumentou acentuadamente (inclusive na área da AAA). E isso é algo que você pode adivinhar, a tempestade de 1989.
Avaliação de probabilidade
Obviamente, as falhas dos satélites são constantemente registradas, e principalmente durante as explosões solares. A tempestade é um fenômeno muito desagradável, mas raro. Na área dos EAU, você pode tentar não voar ou voar raramente. Vamos avaliar a probabilidade da ocorrência de um "evento", ou seja, falha ou recusa leve (recuperável) da VLF em um microcircuito em pé a bordo de uma nave espacial voando acima ou sob cinturões de radiação.
Como mencionado acima, prótons, partículas alfa e núcleos pesados vêm do Sol (SCR) e de fora do Sistema Solar (GCR). A atividade de nossa estrela é cíclica: no máximo solar, o maior número de partículas chega até nós, no mínimo - o menor. Ao mesmo tempo, o máximo de atividade solar reduz os fluxos externos (na forma de GCR). Fig. 6 ilustra os ciclos de atividade solar:
Fig.6 Atividade cíclica do sol [12]A fluência (fluxo integral de prótons por cm
2 ) de prótons cresce no máximo solar e diminui no mínimo solar.
Quais partículas voam mais - leves ou pesadas? Energia alta ou baixa? Lembre-se da definição de transferência linear de energia (LET, veja acima). Acontece que essa quantidade não é constante para um determinado íon, mas é uma função não linear de sua energia: existe um máximo de dependência (o "pico de Bragg") e, quanto mais pesado o íon, maior será sua LET máxima. Nesse caso, quanto mais rápido o íon (maior sua energia), menor o LET e, portanto, menor a carga alocada na área sensível do dispositivo, menor a chance de falha ou falha. Acontece que a coisa mais perigosa para o dispositivo não é um aumento na energia de íons, mas, pelo contrário, uma energia mais baixa correspondente ao valor máximo de LET. Ao entrar no circuito integrado, por exemplo, do lado das camadas de metalização, o íon perde energia, enquanto o LET cresce, o que significa que perde energia ainda mais rapidamente - é obtido um tipo de mecanismo de feedback positivo.
Se a energia com a qual o íon "voa" para o circuito integrado é muito pequena, o íon simplesmente não atinge a região ativa (para os transistores), mas fica preso na metalização. Se a energia da “entrada” for grande o suficiente, o íon “furará” o circuito integrado, praticamente não emitindo carga nele. Mas com uma energia suficientemente alta, há uma chance de o íon nocautear um átomo de silício ou algo mais pesado (por exemplo, tungstênio), e o núcleo de recolhimento resultante pode simplesmente alcançar a região ativa e levar a um mau funcionamento ou falha. Esse mecanismo é especialmente importante do ponto de vista da resistência aos efeitos dos prótons, dos quais existem muitos, geralmente de alta energia: o LET intrínseco do próton máximo é inferior a 1 MeV * cm
2 / mg e essas partículas são perigosas apenas para normas de projeto muito pequenas (inferiores a 65 nm), mas Devido à alta energia do próton recebido, uma cascata inteira de partículas secundárias pode se formar, muitas das quais terão valores LET
6 bastante altos.
Algo semelhante acontece frequentemente na atmosfera na forma de
EAS - chuveiros de ar extensos que cobrem vários km
2 da superfície da Terra. A Fig. 7 mostra esquematicamente o desenvolvimento deste processo. "Somente" nêutrons, elétrons, pósitrons e mésons atingem a superfície da Terra, o que não prejudicou os microcircuitos "antigos" (com grandes padrões de design), mas agora eles podem causar um mau funcionamento na memória moderna ou no microprocessador que está no seu smartphone ( se houver energia suficiente para voar através do casco)
[13] .
Fig. 7 Chuva de uma partícula cósmica primáriaA dependência de LET em energia é ilustrada na Fig. 8)
Fig. 8 A dependência do LET da energia (de acordo com [14])Quanto à composição dos raios cósmicos, prevalecem as partículas com um baixo valor de LET e, na região do LET correspondente ao ferro (cerca de 30 MeV * cm
2 / mg), o fluxo diminui acentuadamente (Fig. 9 e 10).
Fig. 9 Dependência do fluxo de partículas integral em LET (de acordo com [15])
Fig. 10 A prevalência de núcleos de elementos pesados em raios cósmicos (de acordo com [16])É bastante difícil entender pelas figuras acima se é muito ou pouco. Robert Ecoffet, do CNES, fornece as seguintes estimativas. Para que uma partícula com LET 30 MeV * cm
2 / mg voe 1 cm
2 , são necessários 30 anos, 60 MeV * cm
2 / mg - cerca de 300 anos, 100 MeV * cm
2 / mg - cerca de 3 milhões de anos
[ 17]) .
Isso significa redundância e requisitos "paranóicos" especificados nas especificações técnicas para o desenvolvimento da moderna base de componentes eletrônicos
7 ?
Mito ou não um mito?
Não, não é. E aqui está o porquê:
1) Os tempos dados por Ekoffe estão relacionados à detecção de partículas. Existem muitos desses "detectores" no espaço: todos são circuitos integrados instalados no equipamento de bordo (tente somar suas áreas).
2) Como observado acima, a falha pode ocorrer não apenas na partícula primária, mas também na partícula secundária, cuja LET será suficiente para falha e falha.
E não há dúvida de que existe uma partícula com energia suficiente no espaço. Então, em 15 de outubro de 1991, no local de teste de Dagway, em Utah, com a ajuda de um detector de raios cósmicos "Fly's Eye Cosmic Ray Detector", uma partícula de energia de alta energia foi detectada - 3x10
8 TeV
8 . Esta partícula foi apelidada de
"Oh-meu-Deus" (
partícula " Oh, meu Deus!") E, desde então, pelo menos 15 desses eventos foram registrados.
O mencionado é confirmado por falhas constantemente observadas na sonda, que podem ser encontradas, por exemplo,
neste site .
Quanto à superfície da Terra, aqui no fundo da radiação natural existem partículas suficientes que podem levar a um mau funcionamento (embora não falhem): os VLSI modernos usam codificação resistente ao ruído incorporada para memórias internas, não apenas para corrigir erros decorrentes de razões tecnológicas, mas também para aparar falhas causadas pela VLF, não importa de onde elas venham (do ambiente circundante, do caso ou de outras fontes). Este é um problema real para supercomputadores
[18] . Além disso, vários autores consideram o NLF (principalmente partículas alfa) como fontes de catástrofes de veículos não tripulados, que, devido a uma falha, não conseguem reconhecer corretamente um sinal de trânsito ou pedestre
[19] .
Provavelmente existem apenas duas perguntas:
1) Como distinguir uma falha do VLF de uma falha causada por outro motivo?
2) Como as coisas vão dar errado com a VLF com o desenvolvimento de micro e nanoeletrônica: será melhor ou pior?
Não há resposta universal para a primeira pergunta: uma análise das causas da falha geralmente envolve considerar circunstâncias como a presença ou ausência de uma erupção solar, fonte de partículas alfa na carcaça, condições de radiação em órbita, resistência a descargas eletrostáticas, etc. O veredicto “falha do SNF” é emitido em aproximadamente 30% a 45% dos casos
[20] .
A resposta para a segunda pergunta é a seguinte. Por um lado, uma diminuição nos padrões de design leva a um aumento no número de múltiplas falhas, ou seja, mau funcionamento está piorando. Por outro lado, foi adquirida uma experiência considerável ao lidar com falhas no nível do hardware e no microcircuito, para que os desenvolvedores estejam prontos para tal deterioração.
Conclusões
Como acontece com frequência, ambos os especialistas estão certos, cujas palavras são dadas no início do artigo: contradições aparentes se devem ao fato de serem discutidos vários aspectos relacionados às explosões solares. De fato, a radiação de raios-x do espaço não atinge a superfície da Terra. Mas o VLF gerado por partículas espaciais, em primeiro lugar, representa uma ameaça real para as aeronaves e, em segundo lugar, eles podem gerar EASs que atingem a superfície da Terra na forma de nêutrons, elétrons e mésons que podem causar falhas no VLSI moderno. Além disso, fortes explosões solares do tipo de evento Carrington podem danificar até as redes elétricas. Eventos muito mais fracos levam a efeitos visíveis, e estes não são eventos de longa data que se tornaram lendários: 29/10/2003 - apagão em Malmö (Suécia) devido ao superaquecimento do transformador, eventos de emergência nos EUA e na África do Sul;
Setembro de 2005 - desconexão em muitas partes da América do Norte e uma queda acentuada na precisão da navegação por satélite por GPS ...Além disso, a Natureza surpreende constantemente, e o exemplo da partícula "oh meu Deus" nos faz seguir Hamlet de Shakespeare para exclamar: "Há muita coisa no mundo amigo de Horácio, com o qual nossos sábios nem sonhavam!Agradecimentos
O autor agradece a G.A. Protopopov - o chefe do setor da filial da OJSC "ORKK" - "NII KP" por ajuda com materiais.O que ler?
1) Previsão avançada para garantir as comunicações através do espaço - o site do programa da União Européia sobre clima espacial e suas pesquisas.2) Física dos efeitos da radiação que afetam a eletrônica no espaço pela amartology3) Microeletrônica para o espaço e forças armadas por BarsMonster4) K. Tapero, V. Ulimov, A. Chlenov. Efeitos da radiação em circuitos integrados de silício para aplicações espaciais .Anotações
1 Onde houve uma famosa caça às bruxas .2 Algumas funcionalidades do Telstar 1 foram restauradas inicialmente, mas em 21 de fevereiro de 1963, o satélite foi completamente perdido.3 Lembra do filme “O Aviador” sobre Howard Hughes, dirigido por Martin Scorsese com Leonardo DiCaprio no papel-título?4 De acordo com a Web of Science .5 O papel do AAA como principal fonte de radiação ionizante em órbitas não polares baixas foi confirmado pela comparação dos fluxos de prótons medidos durante a missão espacial Mercury-Atlas 7 (o dispositivo foi lançado em 24 de março de 1962), com os dados da missão Mercury-Atlas 8 (o dispositivo foi lançado em 3 de outubro de 1962). , Duas semanas antes do início da crise do Caribe) [10] .6 Si e Al têm um máximo de cerca de 15 MeV * cm 2 / mg, portanto, para os circuitos integrados de silicone não atingirem falhas para todos os íons com LET menor que 15 MeV * cm 2 / mg é um grande sucesso, o que significa que os prótons provavelmente falharão ou falharão. insignificante (novamente, se não estamos lidando com padrões de design muito pequenos, que serão discutidos mais adiante).7 Por exemplo, a ausência de uma falha catastrófica no efeito do tiristor quando exposto a partículas com LET de pelo menos 60 MeV * cm 2 / mg.8 É como se o detector registrasse um beisebol de 142 gramas voando a uma velocidade de 93,6 km / h.Literatura
[1] "Notícias" da RIA[2] "Partículas alienígenas do espaço sideral estão causando estragos de baixo grau em dispositivos eletrônicos pessoais" por David Salisbury[3] Você deveria ter ouvido falar sobre o evento de Carrington[4] Região superativa AR: 5395 do CICLO SOLAR-22.[5] V.S. Pershenkov. A história da cooperação EUA-Rússia no campo da resistência à radiação de sistemas eletrônicos. Anais do NIISI RAS. Volume 7, No. 2, pp. 114-117. 2017 (impresso)[6] Mensageiro, GC; "Cobrança de carga nos nós de junção das trilhas de íons", IEEE Transactions on Nuclear Science, Volume: 29, Edição: 6, Ano de publicação: 1982, Página (s): 2024 - 2031.[7] D. Binder, et al., "Anomalias de satélites de raios cósmicos galácticos", IEEE Trans. Nucl. Sci. Vol. 22, n. 6, pp. 2675-2680, dez. 1975.[8] JF Ziegler, HW Curtis, HP Muhlfeld, CJ Montrose, et al., Experimentos da IBM em falhas leves em eletrônica de computadores (1978-1994). IBM 1. RES. DESENVOLVER. Vol. 40 NO. 1 DE JANEIRO DE 1996.[9] TC May e MH Woods, "Erros macios induzidos por partículas alfa emmemórias dinâmicas ", IEEE Trans. Electron Dev., Vol. 26, n. 1, pp. 2-9, 1979[10] Robert G. Richmond. DOSIMETRIA DE RADIAÇÃO PARA O PROGRAMA GÊMEOS. Nota técnica da NASA, 1972.[11] Jeff W. Ward. OBSERVAÇÕES DAS TRANSFERÊNCIAS DE MEMÓRIA DE UM ÚNICO EVENTO NO SATÉLITE UOSAT-2. 2ª Conferência da Utah Stale University sobre pequenos satélites, Logan, Utah. 8-21, 1988.[12] C Underwood, E Daly, R. Harboe-Sorensen, ”Observação e análise de fenômenos de perturbação de evento único a bordo do satélite UOSAT-2”, Anais do ESA Space Environment Workshop, ESTEC, Ott 1990.[13] A. Akkerman, J. Barak e Nir M. Yitzhak, "Papel da dispersão elástica de prótons, múons e elétrons na indução de perturbações em eventos únicos", IEEE Trans. em nucl. Sci., 2017.[14] J. Barth, “Modelando Ambientes de Radiação Espacial”, Notas do Curso Breve de 1997 da Conferência de Efeitos de Radiação Nuclear e Espacial do IEEE.[15] Henry B. Garrett. Interações com o ambiente da espaçonave. Curso de curta duração IEEE NSREC 2011.[16] PR Meyer, R. Ramaty e R. Webber, "Raios Cósmicos - Astronomia com Partículas Energéticas", em Physics Today. vol. Outubro de 1974.[17] Robert Ecoffet, 2º RADECS “LET workshop”, UCL, B, 25-01-07.[18] Marc Snir, et al., “Addressing Failures in Exascale Computing”, relatam um workshop organizado pelo Institute for Computing Sciences de 4 a 11 de agosto de 2012 em Park City, Utah.[19] Paolo Rech. Como lidar com a radiação: avaliação e mitigaçãode erros de software das GPUs. Conferência de Tecnologia GPU. 6 de abril de 2015 - San José, CA.[20] Curso curto de 2015 NSREC, secção IV.