[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种系统性方法，用于减轻高能物理环境（如欧洲核子研究中心大型强子对撞机）中辐射引起的电子系统故障。该方法概述了辐射效应、环境条件，并通过高亮度-大型强子对撞机升级项目中的辐射耐受型电源转换器控制系统，展示了使用商用现成（COTS）元器件的经验证设计流程。

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.

研究动机与目标

• 解决高能物理应用中对高可靠性和安全性至关重要的电子系统因辐射引起的故障问题。
• 识别并表征加速器环境中相关的主要辐射效应，如总电离剂量、位移损伤和单粒子效应。
• 开发一种实用且经验证的流程，用于使用商用现成（COTS）元器件设计辐射耐受系统。
• 通过一个实际案例——高亮度-大型强子对撞机的辐射硬化型电源转换器控制系统——展示该方法。
• 在高辐射环境中实现长期系统可靠性和安全性，同时最大限度减少对定制或辐射硬化元器件的依赖。

提出的方法

• 识别并分类关键辐射效应：总电离剂量（TID）、位移损伤（DD）和单粒子效应（SEE），包括单粒子翻转（SEU）和闩锁效应。
• 表征高能物理设施中典型的辐射环境，如欧洲核子研究中心粒子加速器附近的环境。
• 提出一种设计方法，利用COTS元器件的辐射测试与筛选，评估其在预期辐射水平下的适用性。
• 应用冗余、错误检测与纠正（EDAC）、屏蔽以及基于辐射耐受数据的元器件选型等缓解技术。
• 采用分步验证流程，包括环境应力筛选（ESS）、辐射测试以及在模拟加速器条件下的功能验证。
• 通过高亮度-大型强子对撞机电源转换器控制系统的案例研究，将辐射硬化设计原则整合到COTS基电子系统中。

实验结果

研究问题

• RQ1 高能物理环境中电子系统的主要辐射诱导故障机制是什么？
• RQ2 如何在不牺牲系统可靠性的前提下，可靠地在高辐射环境中使用商用现成（COTS）元器件？
• RQ3 何种系统化设计与验证流程可确保安全关键电子系统具备辐射耐受性？
• RQ4 在高亮度加速器应用中，针对电源转换器控制，哪些具体的辐射缓解策略是有效的？
• RQ5 如何通过实际测试与仿真方法，在真实加速器条件下验证和确认辐射耐受性？

主要发现

• 总电离剂量（TID）和位移损伤（DD）是暴露于加速器辐射场的电子元器件中显著的长期退化机制。
• 单粒子效应（SEE），包括单粒子翻转（SEU）和闩锁效应，对系统功能构成关键风险，尤其在高速数字电路中。
• 通过精心选型、辐射筛选以及实施冗余和错误检测机制，COTS元器件可实现辐射耐受。
• 所提出的系统设计与验证流程成功实现了高亮度-大型强子对撞机辐射耐受型电源转换器控制系统的开发。
• 案例研究证明，可在不使用全定制辐射硬化元器件的前提下，实现安全关键系统的辐射耐受，从而降低开发成本与复杂性。
• 通过环境与辐射测试的验证表明，最终设计满足欧洲核子研究中心加速器基础设施对平均故障间隔时间与安全标准的要求。