[論文レビュー] Radiation Risks and Mitigation in Electronic Systems

Benjamin Todd, Sławosz Uznański|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Radiation Effects in Electronics参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、CERNの大型ハドロン衝突型加速器のような高エネルギー物理学環境を想定し、電子システムにおける放射線誘発故障を体系的に軽減する手法を提示している。放射線効果、環境的条件、および商業用市販部品（COTS）を用いた検証済み設計手順について述べ、ハイ・リタニティ・LHCアップグレード用の放射線耐性電源コンバータ制御システムを通じて実証している。

ABSTRACT

Electrical and electronic systems can be disturbed by radiation-induced effects. In some cases, radiation-induced effects are of a low probability and can be ignored; however, radiation effects must be considered when designing systems that have a high mean time to failure requirement, an impact on protection, and/or higher exposure to radiation. High-energy physics power systems suffer from a combination of these effects: a high mean time to failure is required, failure can impact on protection, and the proximity of systems to accelerators increases the likelihood of radiation-induced events. This paper presents the principal radiation-induced effects, and radiation environments typical to high-energy physics. It outlines a procedure for designing and validating radiation-tolerant systems using commercial off-the-shelf components. The paper ends with a worked example of radiation-tolerant power converter controls that are being developed for the Large Hadron Collider and High Luminosity-Large Hadron Collider at CERN.

研究の動機と目的

• 高エネルギー物理学における高信頼性・安全を要する電子システムに生じる放射線誘発故障を是正すること。
• 加速器環境に特有の主要な放射線効果（全イオン化線量、不整合損傷、1回イベント効果など）を特定・特徴づけること。
• 商業用市販部品（COTS）を用いた実用的で検証済みの放射線耐性システム設計手順を開発すること。
• ハイ・リタニティ・LHC用の放射線耐性電源コンバータ制御システムという実例を通じて、その手法を実証すること。
• 放射線環境に長期間さらされる状況において、カスタム部品や放射線耐性部品への依存を最小限に抑えつつ、システムの信頼性と安全性を確保すること。

提案手法

• 全イオン化線量（TID）、不整合損傷（DD）、1回イベント効果（SEE）（特に1回イベントの誤動作（SEU）やラッチアップを含む）といった主要な放射線効果を特定・分類する。
• CERNの加速器周辺のような高エネルギー物理学施設に一般的に見られる放射線環境を特徴づける。
• 期待される放射線レベル下で部品の適正性を評価するために、COTS部品の放射線試験とスクリーニングを活用した設計手法を提案する。
• 冗長性、誤り検出・訂正（EDAC）、シールド、放射線耐性データに基づく部品選定といった緩和技術を適用する。
• 環境ストレススクリーニング（ESS）、放射線試験、加速器環境を模擬した条件下での機能検証を含む段階的検証プロセスを用いる。
• ハイ・リタニティ・LHC用電源コンバータ制御の事例研究を通じて、COTSベースの電子機器に放射線耐性設計原則を統合する手法を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー物理学環境における電子システムに影響を及ぼす主な放射線誘発故障メカニズムは何か？
• RQ2 信頼性を損なわず、放射線環境に耐える商業用市販部品（COTS）の使用法は何か？
• RQ3 安全を要する電子システムにおける放射線耐性を保証する体系的設計・検証手順は何か？
• RQ4 高輝度加速器用途における電源コンバータ制御に効果的な具体的な放射線緩和戦略は何か？
• RQ5 実際の加速器環境下で、実用的な試験およびシミュレーション手法を用いて放射線耐性を検証・検証する方法は何か？

主な発見

• 加速器の放射線場にさらされた電子部品において、全イオン化線量（TID）と不整合損傷（DD）は顕著な長期的劣化機構である。
• 1回イベント効果（SEE）（SEU やラッチアップを含む）は、特に高速デジタル回路においてシステム機能に深刻なリスクをもたらす。
• 適切な選定、放射線スクリーニング、および冗長性・誤り検出メカニズムの実装により、COTS部品を放射線耐性化できる。
• 提案された設計・検証手順により、ハイ・リタニティ・LHC用の放射線耐性電源コンバータ制御の開発が成功裏に達成された。
• 事例研究により、完全なカスタム放射線耐性部品を用いずに、安全を要するシステムにおいても放射線耐性を実現可能であることが示された。これによりコストと複雑さが低減された。
• 環境および放射線試験による検証により、最終設計がCERN加速器インfra構造の要件を満たす平均故障間隔と安全基準を満たしていることが確認された。