Avaliação dos Efeitos da Radiação Ionizante em Aviônicos
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- Rafael César
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1 Avaliação dos Efeitos da Radiação Ionizante em Aviônicos INSTITUTO DE ESTUDOS AVANÇADOS / DCTA Eng. Adriane C. M. Prado Ago/ Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 568 de
2 Avaliação dos Efeitos da Radiação Ionizante em Aviônicos Introdução; Efeitos na eletrônica; Efeitos da radiação; A radiação no interior da aeronave; SEE na análise de segurança; Cálculo da taxa de SEE; Medida da seção de choque; Desenvolvimento de testes no IEAv; Conclusões; Trabalhos futuros Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 569 de
3 Radiação cósmica Introdução Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 570 de
4 Introdução O ambiente de radiação aeronáutica; Tanto o ser humano quanto a aeronave e seus dispositivos estão inseridos neste ambiente Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 571 de
5 Introdução A taxa de dose é alterada devido ao ciclo solar, clima espacial, latitude geomagnética e aumenta significativamente com a altitude Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 572 de
6 Introdução Equipamentos são susceptíveis ao fenômeno Single Event Effect (SEE) produzidos principalmente por nêutrons. Principal efeito é o Single Event Upset (SEU) que ocorre quando uma partícula ionizante atinge uma célula de um circuito digital, podendo provocar a mudança de um registro lógico (bit flip) alterando a informação armazenada na célula Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 573 de
7 Introdução Outros efeitos: Multiple Bit Upset (MBU). Single Event Functional Interrupt (SEFI) Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 574 de
8 Motivação Falhas em instrumentação embarcada - Concorde monitores de radiação e ativação de 1988 a SPE monitorados - Mais de um upset por vôo em k SRAM s no Boeing E-3 AWACS e no NASA ER Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 575 de
9 Motivação Falhas em instrumentação embarcada - Experimento Saab CUTE (component upset test equipment) mostrou upset a cada 200h de vôo em SRAM de 4 Mbit. 2% deles foram multiple-bit upsets (MBU s) -Incidente com um Boeing em A causa mais provável das avarias foi um SEE no sistema inercial da aeronave, comprometendo o piloto automático Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 576 de
10 Motivação Falhas em instrumentação embarcada Relatório de investigação de incidentes relata que a provável causa do incidente com o Airbus A em 2008 foi um SEE, evidenciando a necessidade de estudos nesta área. (ATSB, AUSTALIAN TRANSPORT SAFETY BUREAU. Aviation Occurrence Investigation. Relatório Segurança de Transporte, AO Austrália, p) Entre outros Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 577 de
11 Motivação Aumento do fluxo e altitude do transporte aéreo; Aumento da taxa de dose devido à radiação cósmica em função da altitude; Instrumentação eletrônica embarcada sensível a efeitos da radiação; Presença de anomalia magnética (AMAS); Poucas medidas na região da AMAS; Nenhum grupo com experiência significativa em avaliação de SEE em aviônicos na América Latina Necessidade de desenvolvimento da ferramenta experimental e metodologia específicas para avaliação de SEE em aviônicos em nossa região Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 578 de
12 Introdução Estudos nesta área são recentes e emergentes. Devido ao crescente impacto destes efeitos em equipamentos eletrônicos de bordo é importante para a indústria aeronáutica nacional e para os organismos nacionais de homologação de produtos aeronáuticos e de normatização de segurança de voo que se estabeleça no país: Uma metodologia certificada de testes de componentes e sistemas aviônicos compatíveis com as recomendações internacionais. A capacitação de recursos humanos para operacionalizar e aplicar tais testes Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 579 de
13 Efeitos na eletrônica Cumulativos Depende da dose acumulada Estocásticos Efeito probabilístico Total Ionization Dose TID Potencialmente diversos componentes Permanent SEE s SEL, SEB,... CMOS, MOSFETs Displacement Damage DD Componentes ópticos, etc. Transient SEE s SEU, MBU Circuitos operacionais, memórias Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 580 de
14 Efeitos da Radiação O nêutron não ioniza o meio material, mas pode causar efeitos SEE: Por nêutrons rápidos. (E > 100 kev) Por nêutrons térmicos. (E 0,025 ev) Outras partículas que podem causar algum efeito nos sistemas embarcados em aeronaves são: prótons e píons Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 581 de
15 Efeitos da Radiação O nêutron não ioniza o meio material, mas pode causar efeitos SEE: Por nêutrons rápidos: quando, por reações nucleares, produz emissão de fragmentos ionizantes, ou quando produz núcleos de recuo que ionizam o meio Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 582 de
16 n + B He + Li Efeitos da Radiação Por nêutrons térmicos: contaminantes presentes na microeletrônica ( 10 B e 235 U) se fissionam na absorção da partícula. n+ 10 B 4 He+ 7 Li Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 583 de
17 A Radiação no interior da Aeronave Fluxo de nêutrons térmicos (E média 0,025eV) dentro da aeronave: De 1 a 2 vezes maior que o fluxo de nêutrons de alta energia (> 10 Mev). 10 vezes maior que no exterior da aeronave Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 584 de
18 SEE na análise de Segurança Na análise de segurança de voo é necessário avaliar os efeitos SEE nos dispositivos embarcados. Esta análise deve utilizar métodos que estão de acordo com as práticas aeroespaciais contidas nas normas ARP4754, ARP4761, e nas recomendações técnicas da FAA AC E e AC A Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 585 de
19 Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 586 de
20 SEE na análise de Segurança Existem sistemas de redundância e monitoramento continuo de equipamentos embarcados, porém são utilizados apenas em computadores de bordo e dispositivos críticos. Um exemplo destes dispositivos de redundância é o TMR (Triple Modular Redundancy) Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 587 de
21 Cálculo da taxa esperada de SEE R = E E max σ ( E). φ( E). de lim R: Taxa esperada de SEE σ é a seção de choque para o tipo de SEE Ø é o espectro de nêutrons Emax é a energia máxima de distribuição de energia dos nêutrons Elim é a energia limiar do nêutron para ocorrência do SEE Esta informação é Determinar a seção de choque: difícil de se obter! Utilizar dados existentes de testes com dispositivos semelhantes. Realizar o teste no dispositivo de interesse Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 588 de
22 Medida da seção de choque SEE Experimento para obtenção da seção de choque: Irradiação com feixes monoenergéticos de nêutrons em diferentes valores de energia. N( E) σ ( E) = N(E) é o número total de SEE observados ϕ( E) ϕ( E) = φ t Irradiação utilizando aceleradores de partículas. durante a irradiação; φ é a fluência total de nêutrons do experimento; t é o tempo de irradiação. σ = Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 589 de lim E E max σ ( E) φ( E) de lim E E max φ( E) de
23 Cálculo da taxa de SEE Quando a distribuição em energia do fluxo de nêutrons de uma instalação é a mesma, ou muito similar, à distribuição de energia dos nêutrons nas altitudes de voo: R = σ φ total Instalações de nêutrons para realização de testes SEE Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 590 de
24 Desenvolvimento de teste no IEAv Teste em memórias para verificar a ocorrência de bit flips: fluxo de nêutrons rápidos de 1,778x10³ n/cm².s plataforma de teste construída no IEAv Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 591 de
25 Desenvolvimento de teste no IEAv Control Room CPU with TCP/IP Experiment Room TCP/IP Oscilloscope Mother Board ADSP-BF537 Daughter Board Placa mãe: responsável pela configuração do teste e por toda lógica de controle, leitura e escrita da memória a ser testada (4x) Source 241Am/Be SRAM Shielding (4x) Source 241Am/Be Placa filha: oferecer flexibilidade a placa mãe para realizar vários testes em diversos modelos de memória. Neutrons Radiation Irradiated environment Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 592 de
26 Desenvolvimento de teste no IEAv Seção de choque calculada pela equação: σ ( E) = ϕ N( E) ϕ( E) ( E) = φ t φ = 1, n / cm 2 s Tempo de Irradiação (s) Bit flip Seção de choque (cm²) ,86 x ,94 x ,34 x ,96 x ,49 x ,18 x ,56 x ,98 x ,40 x ,09 x ,50 x ,05 x Média 4,42 x ,49 x Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 593 de
27 Desenvolvimento de teste no IEAv R = σ φ total φtotal = 6000n / cm². s Valor estipulado pela IEC TS 62396, para altitudes típicas de voo 4 R = 2,65 10 / h Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 594 de
28 Desenvolvimento de teste no IEAv Teste com caráter didático: Não atende requisitos da IEC: espectro de energia acima de 10 MeV para simular o ambiente aeronáutico. Espectro de nêutrons do experimento com energia média de 4,18 MeV Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 595 de
29 Conclusão Efeitos da radiação em componentes são um assunto emergente e devem ser considerados em projetos de sistemas de segurança em voo. São necessários mais estudos nesta área. Órgãos regulamentadores da aviação civil exterior já se mostraram interessados neste assunto. Assim é necessário que no Brasil se criem competências em testes com componentes eletrônicos embarcados Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 596 de
30 Conclusão Este trabalho contribui para o conhecimento deste campo no Brasil: Revisão dos processos de engenharia que identificam e classificam os sistemas embarcados com relação à tolerância à radiação. Resultados de ensaios preliminares com intuito de criar uma metodologia para teste de susceptibilidade SEE Indica uma necessidade de estudos adicionais a respeito da energia de corte para efeitos de SEE induzidos por nêutrons. É importante a capacitação em análises e ensaios destes efeitos em aviônicos para qualificar o dispositivo para o uso na aeronave Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 597 de
31 Trabalhos Futuros Implantar metodologia de teste no Brasil utilizando: Gerador de nêutrons de alta energia 14,1 MeV a ser instalado no IEAv Nêutrons térmicos no reator do IPEN IEA-R1 Instalações no exterior Com isto pretende-se criar capacitação para testes no Brasil Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 598 de
32 Obrigada pela atenção! Anais do 6º Simpósio de Segurança de Voo (SSV 2013) Direitos Reservados - Página 599 de
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