автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Методы и средства имитационных испытаний элементов вычислительной техники и автоматики на воздействие импульсов проникающего излучения

Для служебного пользования э„ 000002

Иа правах рукописи

МЕЛЬНИКОВ Михаил Михайлович

УДК [681.2.001.4:620.192.67+551.521.64} (035)

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИМИТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И АВТОМАТИКИ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСОВ ПРОНИКАЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

А в т о р е ф с р я т диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕ113Л 199Г)

Работа выполнена в Пензенском государственной техническом университете.

Научный руководитель — заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Вашкевич Н. П.

Офниналы'мс оппоненты: доктор, технических наук, профессор Чижу-хин Г. Н.; кандидат те\к:(ческих на; к, дш'енг Лебедев В. П.

Ведущая организация; Пензенский научно-исследовательский институт матемагпчеекп.ч машин.

Защита диссертации состоится «_5_» ^г.^слДу^__ 1995 г.,

в ^ ^ _часов, па заседании диссертационного совета Д 063.18.02 Пензенского государственного технического университета по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 2._» МР-г-^уо! 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. т. п., профессор

А. И. Годунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуадьяость проблемы. Повышение качества элементов . вычислительной техники (ВТ) и автоматики требует проведения. всех вцдов их испытаний на стадиях проектирования и производства во всем диапазоне эксплуатационных условий. Важное место в ряда' внешних воздействующих факторов (ВВФ) в соответствии с ГОСТ 21964-76 занимает класс радиационных ВВФ, в котором в отдельную группу выделены воздействия проникающих излучений (рентгеновского и гамма-квантов). При облучении устройств ВТ и автоматики мощными импульсами проникающего излучении (ПИ) элементы, входящие в них, могут подвергаться воздействию интенсивных ударных импульсов (УИ) с длительностью порядка 100 не, которые при определенных условиях способны вызывать существенные изменения элекзричеекпх характеристик элементов, а также их разрушение.

Испытание элементов на воздействие УИ с подобными параметрами может быть выполнено как на испытательном оборудовании, действие которого основано на вепосредствсгагом продуцировании ПИ, так и на оборудовании, позволяющем отдельно имитировать термомеханические воздействия импульсов ПИ. - Наиболее перспективным, но малоизученным методом имитации термомеханическгос воздействий ПИ является метод, основанный на использовании лазерной техники, отличающейся относительно низкой стоимостью, технологичностью и экологической чистотой. Однако внедрение его в практику испытаний элементов ВТ и автоматики требует проведения дополнительных исследований его особенностей п возможностей с учетом специфики построения этих элементов, разработки специализированных испытательных комплексов и программно-алпарз'пщх средств для них, опыта проектирования и использования которых в настоящее время не существует.

Целью работы является разработка струхауры комплекса для проведения имитационных испытаний элементов ВТ и автоматики на термомеханические воздействия импульсов

проникающего излучения и его программно-аппаратного обеспечения, позволяющего управлять им и контролировать основные параметры режимов нагружения элементов при испытаниях, разработка методики генерации испытательных ударных импульсов наносекундного диапазона длительности, имитирующих термомеханичеекце воздействия проникающих излучений, разработка моделей элементов ВТ и автоматики, описывающих процессы их нагружения при испытаниях, дающие возможность более глубоко исследовать особенности их функционирования в условиях, воздействия мощных импульсов проникающего излучения.

Для достижения поставленной цели в диссертационной рабоге формулируются и решаются следующие зпдачи:

разработка, математической модели, позволяющей оценивать параметры УИ в элементах ВТ и автоматики при облучешш их импульсами ПИ различной интенсивности;

разработка методики генерации испытательных УИ, имитирующих термомеханические воздействия ПИ;

разработка математических моделей элементов ВТ и автоматики, описывающих процессы их нагружения при испытаниях;

разработка, структуры лазерного испытательного комплекса и его программно-аппаратного обеспечения, позволяющего управлять им и контролировать основные параметры режимов нагружения элементов при испытаниях.

Методы яссяедопавзя основаны на использовании теории цифровой обработки сигналов, методов математической статистики, оптики, акустики, теории термоупругости и ударных волн.

Научная новязва состоит в развитии методов и средств имитационных испытаний элементов. ВТ и автоматики на термомехашпеские воздействия импульсов проникающего излучения, связанных с * разработкой и использованием лазерного испытательного оборудования и его программно-аппаратного обеспечения, получении математичесхих моделей элементов ВТ и автоматики, описывающих процессы их нагружения при испытаниях, экспериментальном определении

прочности элементов при воздействии на них ударных импульсов наносекундного диапазона длительности, позволяющих оценивать их устойчивость к термомеханическим воздействиям импульсов проникающего Излучения.

В результате проведенных исследований достигнуто следующее:

1. Предложена математическая модель для оценки параметров УИ в элементах ВТ и автоматики при облучении их импульсами ПИ.

2. Предложена методика генерации стабильных испытательных импульсов. V

3. Предложены математические модели элементов ВТ и автоматики, описывающие процессы их нагружрния при воздействии УИ с длительностью порядка 100 не.

4. Обоснована и разработана структура; лазерного испытательного комплекса и его щкираммно-аппаратного обеспечения.

5. Разработаны основные устройства для управления лазерной испытательной установкой и контроля режимов нагружения элементов ВТ и автоматики при испытаниях.

Практическая пенпоегь работы заключается в том, что:

1. Разработана и реализована программа математической, модели, описывающей параметры УИ в элементах ВТ и автоматики прз* облучении их импульсами ПИ.

2. Разработан и реализован пакет программ выбора режимов испытаний элементов ВТ и автоматики на лазерной испытательной установке.

3. Создана база данных свойств материалов, используемых при проектировании и изгото&лешш типовых элементов ВТ и автоматики, позволяющая повысить эффективность процесса подготовки кспытагай и обработки полученных результатов.

. 4. Разработана методика генерации стабильных испытательных УИ, имитирующих термомеханические воздействия импульсов ПИ на элементы ВТ и автоматики.

5. Предложен способ расчета напряжений, возникающих в элементах ВТ и автоматики при воздействии на них УИ длительностью порядка 100 не.

6. Разработаны и опробованы в реальных условиях работы основные компоненты программно-аппаратного обеспечения лазерного испытательного комплекса.

7. Проведены испытания типовых элементов ВТ и автоматики на ударную прочность при воздействии! на них УИ с длительностью порядка 100 не, позволяющие оценить их устойчивость к термомеханичесхим воздействиям импульсов ПИ.

Достоверность полученных результатов подтверждается теоретическими : расчетами, моделированием и экспериммпадьными исследованиями.

Основные положения и выводы диссертационной работы, а также разработанное программно-аппаратное обеспечение внедрены на предприятии НПО "ЦИРКОН" г. Пензы.

По теме диссертации опубликовано 16' работ.

Основные положения диссертационной работы докладывались и оосуэдались на:

Всесоюзной научно-технической конференции "Современные технолопш микроэлектроники ", г. Зеленоград, 1973 г.;

Областном семинаре "Микропроцессоры в системах контроля и управления", ППИ, ПДНТП, г. Пенза, 1984 г.;

2-ом российско-кзггайском симпозиуме по проблемам материаловедения, г. Сиань, 1994 г.;

Мевдукародной научно-технической конференции "Новые 1шформационные технолопш к системы", Пензенский государственный технический университет, г. Пенза, 1994 г.;

Сашсг - Петербургской международной конференции "Региональная информатика - 95", Сашсг- Петербург, 15 - 18 мая 1995 г.;

Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и студентов Пензенского политехнического института, г. Пенза, 1974 -1978 гг., 1994 г., 1995 г. '

Объем и структура работы. Диссертационная работа содержит 167 страниц основного текста (введение, четыре главы, заключение, список использованных литературных источников), а также приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель п основные задачи работы, ее научная новизна и практическая ценность.

Первая глаез имеет обзорный характер. ХВ ней по результатам анализа основных эффектов, вызываемых в поглощающих материалах элементов и устройств ВТ и автоматики импульсами ПИ, делается вывод о том, тпо термомеханические возмущения, возбуждаемыепри их радиационном нагреве, могут представлять собой УИ с джггелъкостыо порядка 100 не и амплитудами до нескольких ГПа. Такие нагрузки могут существенно изменять электрические характеристики атсментов, а также приводить к их разрушению. Самым слабым звеном элементов ВТ и автоматики при этом оказываются пленочные структуры к слои металлизащш, уровни ударной прочности которых в условиях воздействия У И наносекундиого диапазона длительности в настоящее время не исатедозалм.

С целью определения тхеточгшков УИ, способных вызывать разрушения элементов,' проведен анализ решения краевой задачи термоупругости для элемента, облучаемого импульсом ПИ пр51моуголыгай формы, и состоящего из тонкого металлического слоя (пленки или слоя металлизации) толщиной /г, находящегося в идеальном контакте с подложкой или кристаллом элемента, не поглощающим ПИ. Показано, что для поглощения ПИ в слое по закону Бугера-Ламберта:

/ =/0ех1>(-^), (1)

где

/0 - плотность мощности ПИ на поверхности! слоя, Вт/см2;

' 1} - коэффициент поглощения ПИ в материале пленки,

м-1; . . .

и вьшеишешш условия:

(2)

что всегда справедливо для пленочных и полупроводгаисовых элементов ВТ и аогоматаки, продольную компоненту- тензора налрязссшш в слое можно представить в следующем внде:

= £ ап[сов (-—) — 1]£1п(—) —

1 в=0 ап сп

(3)

О ап ап

ГДе

г - (ЗЯ+ 1ц )а (4)

£{ т}Соъ (р)И; (5)

4«^*.; (б)

си

2 .. . . (2л-н)с

т— - безразмерные координата и время; . я

, // - коэффициенты Л яме материала елок, Н / М ; ОС , - коэффициент линейного. температурного

расширения материала'слоя, град"1;

•г0 - длительность дашульсэ Пй, с;

Р - угол падения ПИ к нормали поверхности

слоя, 1рад.;

су -удельная теплоемкость материала слоя,

Дзк/м3-грзд;

С/ - продольная скорость звука в материале слоя,

м/с.

Оценка амплитуды УИ на границе слоя (Z - h), выполненного из хрома, проведенная с использованием выражения (3):

pa = \¿-mxwsf), , (8)

ГЦе

Ра - амплитуда УИ, Па;

Wsü - плотность энергии ПИ на поверхности слоя, Дж/см2. .

позволяет сделать вывод о том, что даже при плотностях энергии ПИ порядка нескольких. Дж / см", oui не превышает десятой доли M Па. Поэтому • УИ, способ-<¿s кичьтать разрушения элементов, могут генерироваться только míe тонкого поглощающего слоя, и метод испытания элементов, при котором УИ ввода пся извне предстаплчется допустимом.

По результатам анализа технических: возможностей существующих методоз и средств испытаний элементов ВТ л автоматики на воздействие импульсов ЛИ сделан вывод о точ, что самым перспективным, но , малоизученным методом имитации их термомеханических воздействий является метод имитации с использованием лазерной техники, внедрение которого требует создания специализированных ли-".ерш:х испытательных комплексов и их программно-аппаратного' обеспечения, опыта разработки которого в настоящее время не существует.

Во второй глп;:е разрабатывается мстоцта. лазерной генерацшг стабильных испытательных импульсов, имитирующее термомехшшчеекке воздействия ПИ.

По результатам проведештош теоретического анализа моделей генерации УИ при различных режимах лазерного облучишя делается в?.;под о том, что они, давая качественно правильное описание поколения УИ во npcv.ei пг, не позволяют даже по порядку величины определить их алнг.ппуда л временные параметры. Поэтому экспериментальное исследование условий генерации стабильных У И с

контролируемыми параметрами имеет большое значение для техники проведения имитационных испытают элементов ВТ и автоматики на термомеханические воздействия импульсов ПИ.

По результатам анализа существующих способов лазерной генерации УИ сделан вывод о том, что достаточные для испытаний амплитуды УИ достигаются при воздействии лазерных импульсов на металлические мишени, покрытые слоем прозрачной конденсированной среды (ПКС) с толщиной, превышающей пространственную протяже!/ность импульса.

По результатам проведенного сравнительного анализа акустических характеристик различных доступных видов • прозрачных веществ (вода, спирт, масла, эпоксидная смола) сделан вывод о целесообразности использования в качестве ПКС эпоксидной смолы, так как она обеспечивает наибольший коэффициент светопвдравлического усиления. Полученный вывод подтвержден экспериментально.

Обоснован выбор алюминия в качестве материала мишени, обусловленный максимальным согласованием его акустического импеданса с импедансом кварцевого пьезоэлектрического датчика, используемого для регистрации

В результате обобщения экспериментального материала получена зависимость амплитуды УИ от интенсивности лазерного импульса для случая облучения мишени из А1, покрытой слоем эпоксидной смолы:

УИ.

о

»

(9)

ще

I - интенсивность лазерного импульса, Вт / см

^«-ЮМПа; с = 29-Ю-7 МПа-см2 /Вт, .

которая позволяет в диапазоне йнгенсивностей:

Ю7 Вт/см2 </<5107 Вт/см2

(10)

отрывающих напряжений, возникающие на границах пленочных структур и слоев металлизации, и дает возможность автоматизировать наиболее трудоемкие операции процесса испытания элементов ВТ и автоматики на ударную прочность в условиях воздействия на них УИ наносекундного диапазона длительности, имитирующих термомеханические воздействия импульсов ПИ. .

В заключении перечислены основные результаты диссертации.

В приложении приведены акты о внедрении диссертационной работы, технические характеристики разработанных устройств и основных компонент программного обеспечения лазерного испытательного комплекса, а также результаты испытаний типовых элементов ВТ и автоматики на ударную прочность.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена модель, позволяющая оценить механические напряжения, возникающие в элементах ВТ и автоматики при облучении их. импульсами ПИ различной интенсивности.

2. Предложены математические модели элементов ВТ и автоматики, позволяющие определить напряжения, возникающие в них при испытаниях.

3. Разработана методика лазерной генерации стабильных УИ для имитации термомеханических воздействий импульсов ПИ.

4. Разработана общая структура лазерного испытательного комплекса я основных . компонент его программно-аппаратного обеспечения.

5. Разработаны основные программно-аппаратные средства лазерного испытательного комплекса, функционирующего под управлением 1ВМ РС.

6. Проведен анализ составляющих погрешности измерения параметров УИ с помощью кварцевого пьезоэлектрического датчика.

\

7. Разработаны и реализованы пакеты программ, для IBM PC и однокристальной микроЭВМ К1816ВЕ51, позволяющие выполнять дистанционное управление лазерной испытательной установкой, контролировать основные параметры режимов нагружения элементов при испытаниях, производить предварительный выбор режимов испытаний и обработку результатов, полученных в ходе их проведения.

8. С помощью разработанных методических, аппаратных и программных средств лазерного испытательного комплекса экспериментально определены пороги разрушения типовых элементов ВТ и автоматики, которые могут был использованы для оценки их радиационной устойчивости » термомеханическим воздействиям импульсов ПИ.

ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1 Мельников М.М., Скляров Н.Е., Соловьев В.В Автоматизированная подсистема оперативного контроля i управления процессом лазерной сварки. - В кн.: Автоматизациз конструкторского проектирования РЭА и ЭВА: Межвуз. сб науч. тр., г. Пенза, 1977, с. 31-33.

2. Сапожков К.Л., Мельников М.М., Тешлер В.М. Скляров Н.Е. Применение лазерной сварка в технолога микросхем. - В кн.: Современные технолога микроэлектроники. Тезисы докладов на 8-ой научно-технич конф. по микроэлектронике, г. Москва, МИЭТ. 1978, с.56.

3. Исследование возможностей использования лучевьг методов для выполнения энергоемких технологически операций. Отчет о НИР № 750198697 ПИИ, г. Пенза, 1978 г.

4. Володин А.К., Ковалевский Л.В., Мечников М.М. Мирецкий И.Ю. Программируемое устройство сопряжения!- ] кн.: Тезисы докладов к. областному семинар "Микропроцессоры в системах контроля и управления". ПШ: ГЩНТП, г. Пенза, 1984 г., с. 47-49.

5. Володин А.К., Ковалевский Л.В., Мельников М.М Мирецкий И.Ю. "Микропрограммное устройство управлешш'

Авторское свидетельство СССР № 1176328, кл. G05 F, выдано в 1984 г.

6. Володин А.К., Ковалевский Л.В., Мельников М.М., Мирецкий Й.Ю. Программируемый мультиплексный канал ликро-ЭВМ "Элекгроника-60".- В сб.: Вопросы радиоэлектроники, сер.ЭВТ, 1984 вып. 10, с. 29-35.

7. Информатизация Пензенского региона. Разработка концепции формирования информационной системы Пензенского региона и создание областной транспортной сети передачи данных. Эскизно-технический проект. Отчет о НИР, г. Пенза, 1993 г.

8. Yepishin I.J., Melnikov М.М. Automated design of multilayer materials special destination. International Conference of Science and Tecnology "New information technologies and systems", 5. Penza, 1994 pp. 155 - 156.

9. Епишин И.Г., Мельников. М.М. Экспериментальное определение- адгезионной прочности тонкопленочных и фольговых изделий электронной техники при воздействии лазерных импульсов наносекундной длительности. - В кн.: Тезисы докладов на . Международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии и системы". Пензенский государственный технический университет, г. Пенза, 1994, с. 154.

10. Епишин И .Г., Мельников. М.М. Лазерный метод моделирования воздействия прошгкиюшего иатучения на тонкопленочные и фольговые изделия электронной техники. -В кн.: Тезисы докладов на Международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии и системы Пензенский государственный технический университет, г. Пенза, 1994, с. 152.

11. Yepishin I.J., Melnikov М.М., Janushkevich Automated design of Multilayer materials that Work under Exposure to Radiation. The 2-nd Russian-Chinese sirnposium of Materials Study, s. Sian. 1994, pp. 151-152. .

.12. Мельников. М.М. Метод расчета механически напряжений - в тонкопленочных и фольговых изделиях электронной . техники при воздействия лазерных импульсов

наносекундной длительности. - В кн.: Тезисы докладов ш Международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии и. системы". Пензенский государственный технический университет, г. Пенза, 1994, с 157.

13. Золотарев С.Н., Дятлов Л.Е., Коннов H.H. Мельников М.М. Программное обеспечение системь: централизованного контроля и диагностики аппаратура передачи сети связи. .- В кн.: Тезисы докладов ш Международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии и системы". • Пензенский государственный технический университет, г. Пенза, 1994, с

154. ■•■.-.:.

14. Коннов H.H., Кучин A.B., Мельников М.М.. Назаров В.М. . Система централизованного, контроля к диагностики аппаратуры передачи региональной сета связи. - Б кн.: Тезисы докладор на Международной научно-технической конференции "Новые информационные технологии и системы". Пензенский государственный технический университет, г. Пенза, 1994, с. 154.

15. Информатизация Пензенского региона. Исследование и анализ проблем практической реализации концепции региональной информационной системы. Отчет с НИР, книга 1, г. Пенза, 1994 г.

16. Золотарев С.Н., Коннов H.H., Кучин A.B., Мельников М.М.,. Назаров В.М. Россия, Г. Пенза, АО "Связьинформ", ГОТУ. Принципы построения системы централизованного контроля и диагностики аппаратуры ДСП. Секция 3. Санкт - Петербургская международная конференция "Региональная информатика - 95". Санкт - Петербург, 15 - 1S мая 1995 г., с. 34-35.

/W7