ESTUDO DO EFEITO DA RADIAÇÃO EM CIRCUITOS ELETRÔNICOS

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1 Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XVI ENCITA / 2011 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 19 de outubro de 2011 ESTUDO DO EFEITO DA RADIAÇÃO EM CIRCUITOS ELETRÔNICOS João Paulo De Podestà Uchôa de Aquino Instituto Tecnológico de Aeronáutica Bolsista PIBIC-CNPq Correio eletrônico: joaoppua@gmail.com Prof. Dr. Osamu Saotome Instituto Tecnológico de Aeronáutica Correio eletrônico: osaotome@ita.br Lídia Hissae Shibuya Instituto Tecnológico de Aeronáutica Correio eletrônico: lishibuya@uol.com.br Resumo. Um componente eletrônico deve continuar em perfeito funcionamento quando da exposição à radiação. Este enfoque é de vital importância num projeto aeroespacial e a utilização de componentes eletrônicos com especificações técnicas extremamente rigorosas pode encarecer, e muito, o projeto. Neste âmbito, a concepção inicial do presente trabalho foi estudar o efeito da radiação em componentes eletrônicos, componentes esses de fácil acesso comercial, e avaliar a intensidade da radiação a que estará submetido os equipamentos do satélite ITASAT. Há um esforço por parte da agência espacial brasileira (AEB) em desenvolver satélites de pequeno porte e há também uma proposta de acesso rápido e barato ao espaço no Projeto ITASAT. Sendo assim, o intuito deste estudo é direcionar os experimentos e a linha de pesquisa à realidade do Projeto ITASAT. Portanto, o enfoque deste projeto, em primeira instância, dáse no efeito da radiação que estará presente na trajetória do satélite universitário ITASAT-1, em especial a radiação ionizante, em circuitos eletrônicos que fazem parte de seu computador de bordo. Palavras chave: Efeito da Radiação, Circuitos Eletrônicos, Radiação, Radiação ionizante, ITASAT, Spenvis 1. Introdução Dentre os vários fatores que definem o sucesso de uma missão espacial encontra-se a predição e prevenção de eventuais problemas técnicos. Tais problemas advêm tanto de fatores internos (falha de um software, por exemplo), quanto de externos (temperaturas extremas, ausência de gravidade, radiação, etc). A hostilidade do ambiente espacial é, portanto, fator determinante para o sucesso, ou não, da missão espacial e precisa ser levada em consideração na elaboração e desenvolvimento da missão. Neste âmbito, é imprescindível a utilização de componentes eletrônicos que suportem o nível de radiação a que são expostos no espaço e continuem em perfeito estado de funcionamento, pelo menos no tempo previsto da missão, livre de eventuais falhas. Precisa-se então prever o comportamento de circuitos eletrônicos quando da exposição à radiação e confirmar se determinado componente está apto ou não para ser utilizado em uma determinada missão espacial. Há ainda um grande desafio a ser enfrentado por técnicos e engenheiros: um projeto espacial necessita elevada especificação técnica em seus componentes eletrônicos e, portanto, torna-se extremamente caro e inacessível. A concepção de acesso rápido e barato ao espaço nasce, no Brasil, com a criação do Projeto ITASAT, que objetiva unir professores e estudantes em prol do desenvolvimento do setor aeroespacial, em especial no que se refere a satélites de pequeno porte. Neste aspecto, alinha-se a linha de pesquisa do presente trabalho com a realidade do Projeto ITASAT : prever os efeitos da radiação em componentes eletrônicos não qualificados para aplicações espaciais. Há uma série de circuitos eletrônicos que fazem parte de um satélite. Surge a necessidade de especificar um determinado dispositivo, ou sistema, que será o objeto de estudo. Neste âmbito, toma-se o computador de bordo e seus componentes como sendo o principal enfoque dos experimentos. O tempo de missão do satélite universitário ITASAT-1, bem como sua trajetória, já estão definidos. Tal fato implica uma passagem por diferentes ambientes radioativos ao longo de sua órbita. Como então prever o nível de exposição radioativa do satélite universitário? Eis que surge a necessidade de utilização de um software capaz de prever não só os mais diversos tipos de radiação como também a intensidade da radiação dada num determinado local do espaço e num determinado intervalo de tempo. Disponível gratuitamente na internet, fez-se uso do software SPENVIS (Space Environment Information System) para predição dos mais variados tipos de radiação. O software SPENVIS é uma ferramenta de fácil utilização que provê informações acerca do ambiental espacial e seus efeitos em sistemas espaciais. Desenvolvido pelo Instituto Belga de Aeronomia Espacial (Belgian Institute for Space Aeronomy), o programa conta com vasta informação geral acerca do ambiente espacial e também possui modelos

2 de ambientes espaciais para as mais diversas órbitas, que suportam a confiabilidade do programa. Sendo assim, o presente trabalho terá como suporte a utilização deste software. Dado o principal tipo de radiação a que o satélite estará exposto, faz-se necessário prever o comportamento de dispositivos eletrônicos não qualificados para aplicações espaciais. Sendo assim, é imprescindível expor tais circuitos a uma série de experimentos para prever e propor soluções no que tange a eventuais falhas de operação, enfoque dado a estudos futuros. 2. A Radiação A radiação é originária, na maioria das vezes, no núcleo de átomos (por exemplo: urânio, rádio, polônio). Ela se apresenta de duas maneiras: na forma de partícula (partículas alfa e beta, por exemplo) ou na forma de energia (radiação gama e raio-x, por exemplo). Por se dar de diferentes maneiras, temos diferentes origens e comportamentos. Dependendo do tipo e da energia envolvida no processo radioativo, temos três principais efeitos causados pela radiação em componentes eletrônicos: efeito da dose total ionizante (TID), efeito do deslocamento de átomos pela radiação nãoionizante (NIEL), efeito de evento único (SEE). Tais efeitos podem ser tanto de caráter temporário quanto de caráter permanente, ocasionando perda parcial ou completa dos componentes eletrônicos do circuito [1] [3]. Os danos devidos ao efeito TID são causados pela geração de pares elétron-lacuna, resultantes da ação ionizante da radiação. A ionização do material alvo ocorre por fótons, elétrons, prótons e íons energéticos pesados. Estas cargas podem gradualmente modificar o desempenho de um componente eletrônico, de acordo com a energia ionizante total absorvida [2]. O efeito NIEL ocorre quando partículas de alta energia (principalmente prótons) colidem com um átomo de uma estrutura cristalina e este, por sua vez, recua da sua condição estrutural. Como o átomo é deslocado da sua posição original, este produz uma vacância. Para recuos atômicos de alta energia, poderão ser produzidos aglomerados de defeitos em decorrência de um efeito em cascata. O efeito de evento único se dá quando uma única partícula ionizante de alta energia atravessa um material, gerando pares de elétron-lacuna ao longo do seu caminho, com o número de lacunas e de elétrons iguais. É causado principalmente por prótons de energia elevada e raios cósmicos, especificamente íons pesados de origem solar ou galáctica. O SEE é não cumulativo e localizado. Pode gerar tanto erros transientes quanto destruição total do circuito. No ambiente espacial, podemos ter diferentes tipos de radiação apresentadas em diversas concentrações. Perto do planeta Terra temos uma região que merece destaque: os cinturões de Van Allen, conforme Figura1. Situados entre órbitas baixa (LEO) e geossíncrona (GEO) tem-se uma alta concentração de radiação, formando anéis com centro no equador. O 1º cinturão localiza-se entre 1500 e 5000 km de altitude, contendo prótons altamente energéticos provenientes do decaimento de nêutrons produzidos quando raios cósmicos vindos do espaço exterior colidem com átomos e moléculas da atmosfera terrestre. O 2º cinturão localiza-se entre e km de altitude e contém partículas eletricamente carregadas, de origem tanto atmosférica quanto solar. Os cinturões de Van Allen foram, por muito tempo, fontes de mistério e causaram o insucesso de diversas missões espaciais. Figura1: Cinturões de Van Allen Um fenômeno interessante associado a esses cinturões acontece na região próximo ao Atlântico Sul. A Anomalia Magnetica do Atlântico Sul (AMAS) é uma região onde a parte mais interna do cinturão de Van Allen tem a máxima aproximação com a superfície da Terra. Tem-se que a uma dada altitude, a intensidade da radiação é mais alta nesta região do que em outras.

3 3. O Projeto ITASAT com o auxílio do software SPENVIS A nível do Projeto ITASAT, sua trajetória se dá a uma altitude de aproximadamente 600km. Sua missão tem início em 2012/2013 e está previsto um total de 14 órbitas ao redor da Terra. Com o auxílio do software SPENVIS, é possível prever o nível de radiação presente neste intervalo de tempo e nesta trajetória especificada. No programa SPENVIS, a órbita gerada é originária da trajetória do satélite ITASAT-1, que tem duração de 1 ano. Para efeitos de simulação, colocou-se como início da missão o dia 21/Abril/2012. Também, a altitude foi especificada como uma órbita circular de 600km de raio e a inclinação (ângulo entre o plano de órbita e o plano do equador, medidos no nó ascendente na direção de movimento orbital) de 98,5. Introduzindo estes parâmetros no programa, obteve-se a Figura2, que apresenta a altitude, latitude, longitude e a hora local em relação ao tempo de órbita terrestre do satélite. Figura2: Parâmetros da órbita em função do tempo gerados pelo SPENVIS Observa-se certo tipo de oscilação na altitude realizada pela trajetória do satélite. Tal fato, aliado à aproximação ou afastamento das regiões polares (regiões que apresentam elevada concentração de radiação), influencia diretamente na exposição à radiação. A oscilação da altitude observada no gráfico é devido à especificação da órbita do satélite (dada como circular) e à geometria terrestre (achatada nos pólos). Esta oscilação pode ser melhor observada na Figura3: quanto mais próximo da região da linha do Equador menor a altitude.

4 Figura3: Mapa terrestre da órbita do satélite Conforme mencionado anteriormente, os efeitos ocasionados pela radiação ocorrem, principalmente, por partículas com energia elevada. Em especial, os prótons podem causar tanto efeitos de ionização quanto danos por deslocamento e os elétrons danos por ionização. Sendo assim, para a órbita do satélite, utilizando o modelo AP-8 para o próton, o modelo AE-8 para o elétron e atividade solar máxima, obtemos os seguintes gráficos através do SPENVIS: Figura4: Fluxo de prótons aprisionados em função do tempo orbital gerado pelo SPENVIS

5 Figura5: Fluxo de elétrons aprisionados em função do tempo orbital gerado pelo SPENVIS São observados vários picos, tanto de elétrons quanto de prótons presos. Isto indica picos de exposição à radiação, podendo causar os efeitos acima citados. Estes picos podem ser melhor visualizados pelo gráfico das figuras Figura6 e Figura7, que dão o fluxo de prótons e elétrons aprisionados no mapa terrestre. Figura6: Fluxo de prótons aprisionados

6 Figura7: Fluxo de elétrons aprisionados São observadas faixas e regiões que apresentam maior concentração de partículas. Estas regiões são de extremo importância devido a intensidade de radiação existente. Ocorre uma grande concentração de prótons e elétrons na região do Atlântico Sul, que pode ser explicado pela Anomalia Magnética do Atlântico Sul (AMAS), conforme mencionado anteriormente. Dada a intensidade de radiação existente nestas regiões da órbita do satélite, os efeitos da radiação são potencialmente perigosos ao sucesso da missão. Tais efeitos podem ser evitados, pelo menos parcialmente, pela blindagem dada pela estrutura do satélite. Os prótons aprisionados podem ter energias acima de 500MeV e uma blindagem típica atenua prótons com energias abaixo de 10MeV. A energia máxima de elétrons aprisionados é aproximadamente 7MeV e, embora neste nível energético as interações eletrônicas não sejam importantes para o efeito de evento único (SEE), devem ser consideradas na determinação dos efeitos de dose total. A blindagem modifica o ambiente de radiação dentro do veículo espacial por meio da alteração da energia e concentrações de partículas penetrantes. A quantidade de energia perdida por uma partícula que atravessa a blindagem depende da espessura do material. A seguir são fornecidas informações a respeito da dose total ionizante em função da espessura da blindagem de alumínio, dadas pelo software SPENVIS. Uma blindagem típica de um veículo espacial varia na faixa de 2mm a 6,5mm. Figura5: Efeito da dose total ionizante em função da espessura da blindagem de alumínio gerado pelo SPENVIS O gráfico obtido apresenta a dose total acumulada (expressa em rad(al)) durante o período da missão espacial acima especificado. Para pequenas espessuras de alumínio, ambos os elétrons e prótons contribuem para a dose total

7 absorvida. Entretanto, para espessuras de alumínio maiores que 5mm, a contribuição de elétrons para a dose total é desprezível. Apesar da blindagem alterar o ambiente de radiação dentro do satélite, ela pode também criar partículas secundárias que atravessam essa camada. Por exemplo, a radiação bremsstrahlung sob a forma de raios-x é emitida como elétrons energéticos desacelerados na blindagem. O gráfico acima leva em consideração o efeito da radiação bremsstrahlung, porém sua contribuição para a dose total absorvida é desprezível para qualquer espessura de alumínio. 4. Conclusões A radiação interfere diretamente no funcionamento de dispositivos eletrônicos. Em missões espaciais é fator determinante e merece extrema atenção por parte dos técnicos e engenheiros para não causar maiores problemas. Ressalta-se aqui a importância do presente estudo em missões espaciais. É importante salientar também a predição do nível de exposição da radiação no ambiente espacial. Por mais que o circuito esteja blindado, ou seja, de extrema confiabilidade, um eventual vento solar pode trazer um determinado tipo de radiação, com alto poder de penetração, capaz de destruir de forma parcial ou completa o dispositivo eletrônico, causando a falha na missão espacial. O software SPENVIS apresenta-se como ferramenta aliada na predição da intensidade de radiação existente na órbita do satélite. Os dados adquiridos são de extrema importância neste tipo de análise e servem de base para predizer possíveis problemas de percurso na missão espacial. Pôde-se assim estimar a dose total ionizante absorvida durante todo o tempo da missão. Porém, por se tratar de um software que faz aproximações da realidade, não se pode confiar totalmente nos seus dados. O ambiente espacial, por vezes, apresenta fenômenos extraordinários, as quais são de difícil predição, e merecem extrema cautela. A utilização de componentes eletrônicos não qualificados para aplicações espaciais ainda necessita maiores estudos no que tange ao seu funcionamento quando expostos a diferentes níveis de radiação por diferentes períodos de tempo. Sendo assim, faz sentido a realização de uma bateria de testes expondo o circuito a diferentes níveis de radiação, ponto de partida para a continuidade deste estudo. 3. Agradecimentos Agradeço ao meu orientador, prof. Dr. Osamu Saotome, que prontamente me atendeu, motivando-me com sábios conselhos e mostrando-me o caminho a ser percorrido nesta empreitada científica. Agradeço à minha família, pelo amor, suporte e carinho que sempre me deram. Por fim, mas não menos importante, ao CNPq que é um grande agente de mudança no mundo científico, incentivando jovens universitários a seguirem a pesquisa científica. 4. Referências [1] HOLMES-SIEDLE, ANDREW and ADAMS, LEN. Handbook of Radiation Effects. Oxford University Press, [2] ARRUDA, TAMARA MENEZES. Influência da Radiação em circuitos eletrônicos. ITA, 2006 (Tese de mestrado) [3] SROUR, JOSEPH R. and MCGARRITY, JAMES M.. Radiation Effects on Microelectronics in Space. Invited Paper, Proceedings of the IEEE, vol.76. NO 11, november [4] PEASE, RONALD L., JOHNSTON, ALLAND H. and AZAREWICZ, JOSEPH L.. Radiation Testing of Semiconductor Devices for Space Electronics. Invited Paper, Proceedings of the IEEE, vol.76. NO 11, november [5] acessado em ago/2011 [6] acessado em ago/2011