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【研究室プロジェクト】雑用基板 放射線耐性試験(TID試験)

2017-06-23

研究室プロジェクトで開発している深宇宙探査機の雑用基板の放射線耐性試験(TID試験)を行なってきました.

また通算被曝量が上がってしまった...w

1.そういえば,いままでいろんなところで被曝してきたなぁ...

今回,2日間にわたってTID試験を行なってきたわけですが,振り返ってみると割りと被曝してました.

閃ウラン鉱

高校生のときは,所属していた部活で閃ウラン鉱をつかって実験していました.

おそらく線量は微々たるものですが,お手製のガイガカウンタにはかなり反応していました.

薬さじの上に閃ウラン鉱をおき,それにガイガカウンタの検出口を5 mm程度まで近づけると,200カウント/分くらいは軽く超えてた気がします.

⽇本原⼦⼒研究開発機構⼤洗研究開発センター

たしか,2015年の夏だったと思います.

ここにある高温工学試験研究炉(HTTR)の原子炉格納容器の内部に実は入ったことがあるんですよね.

 

さらにここでは,アメリシウムなどを燃料に混ぜて⾼レベル放射性廃棄物を減らす研究を行っていて,鉛ガラスの小窓のついたセルがたくさん並んでいるところも見学しました.

 

被曝した,被曝した.

東京⼤学原⼦⼒専攻 実験用原子炉「弥生」

東大の実験用原子炉の管制室に入ったことがあります.

この時も多少被曝したかな.なんか誓約書書かされた記憶あるし.

 

実を言うと,前期教養学部時代,僕は核融合関連の単位を取りまくっていて,核融合関連で8単位持ってるんですよねw

東京工業大学. コバルト照射実験施設

そして今回.の施設でTID試験をしてきました.

100 Gy/hなどの出力のガンマ線が出せ,まともに浴びると5秒で致死量だそうですw

2.衛星開発における放射線耐性

前置きが長くなりましたが,衛星開発における放射線耐性についてまとめておきます.

宇宙空間は放射線にあふれています.有名どこだと,ヴァン・アレン帯とかかな.

ってわけで,放射線耐性が重要なわけです.

TID - Total Ionizing Dose

今回はこっちの試験.

によると,

Total Ionizing Doseの略。トータルドーズ。 宇宙放射線は衛星に様々な影響をもたらします。エネルギーの強い粒子が単発で作用するSEEのほかに、 放射線の蓄積がデバイス故障をもたらす場合もあります。こちらの効果は総照射線量(=Total Ionizing Doze)によって決まり、 これによるデバイスの故障をトータルドーズ効果とも呼びます。

だそう.

定常的に素子が放射線に晒されると,素子特性が徐々に劣化するそうです.

今回の試験でも,リーク電流などでマイコンの使用電流も増加していきました.

あと,マルチプレクサなどのスイッチング回路もイカれましたね.

SEE - Single Event Error

こちらもによると,

Single Event Errorの略。シングルイベント。宇宙空間で動作する人工衛星は、放射線に常に晒された状態にあります。 放射線にも粒子の種類や持っているエネルギーの違いがあり、それぞれ衛星にもたらす効果も異なります。 SEEは、強いエネルギーを持った単一の放射線粒子が衛星の電子機器に衝突した際に起こすエラーの総称です。 SEEの中には、半導体内部にショートを起こすSEL、ビットの0と1を反転させるSEU、デバイスの永久破壊をもたらすSEBなどがあります。

宇宙用デバイスはSEEに対して強い設計がなされていますが、非常に高価なのが難点です。中須賀研究室では、 一般機器で使われているような安価で高性能のデバイスを用いているため、衛星がSEEを頻繁に起こす可能性があります。 そのため、放射線試験による耐宇宙性能評価や、設計レベルでのSEE対策がたいへん重要となっています。

 

SEL

Single Event Latch upの略。 SEEのひとつで、CMOS構造を持つデバイスをショートさせる効果をもたらします。 強い放射線粒子がデバイス内部にサイリスタと呼ばれる構造を作りだし、意図せずそこに電流が流れ続けてしまいます。 結果、動作不良を起こしたり、そのまま放置すると熱破壊を起こす場合もあります。

 

SEU

Single Event Upsetの略。 SEEのひとつで、RAM等に対して起こることが知られています。 放射線がデバイス内部に保持されたビット(1/0情報)を反転させてしまい、プログラムの挙動や センサデータの取得値などに悪影響をもたらします。

SEUは動作周波数が高く、集積密度の高いデバイスほど頻繁に起こる傾向があります。 中須賀研究室の衛星で使われるCPUもワンチップマイコンから高性能なFPGAに移行しており、 SEUへの対策はもはや必須といえます。

 

SEB

Single Event Burn outの略。 SEEのひとつで、おもにMOSFETで生じることが知られています。 電荷を帯びた放射線粒子がMOSFET内部の寄生npnトランジスタを動作させることで、最悪の場合永久破壊に至ることがあります。

だそう.

3.実験風景

細かいことは言えないので,写真の公開許可がでたの試験場の風景を載せておきます.

実験場
照射室

照射室内部の様子です.中央に供試体の基盤があり,奥の円筒から線源であるコバルト60が出てきます.

鉛ブロック

照射室内に設置するけど放射線をあてたくないものは,これでシールドします.

照射中
ログ取得
鉛ガラスとマニピュレータ

鉛ガラス越しに照射室をのぞき,マニピュレータで外部から照射するわけですね.

手元のガイガカウンタを鉛ガラスへ向けてみましたが,若干自然線量よりも高かったです.

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5.出典サイト

Nano-JASMINE. 用語解説. Retrieved June 22, 2017, from http://www.space.t.u-tokyo.ac.jp/nanojasmine/word.html
東京工業大学. コバルト照射実験施設. Retrieved July 3, 2017, from http://www.ric.titech.ac.jp/ric/top_cobalt.html

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