Способ защиты электронной аппаратуры от радиоактивных излучений и устройство для реализации способа защиты электронных устройств от радиоактивных излучений
Группа изобретений относится к способу и устройству защиты электронной аппаратуры от радиоактивных излучений. Технический результат заключается в увеличении надежности защиты электронной аппаратуры от радиоактивных излучений за счет прогнозирования и гарантированного предотвращения его активной работы. Согласно способу осуществляют контроль радиационной обстановки и превентивное отключение электронной аппаратуры при наступлении порога риска его повреждения от ионизирующего излучения, при этом мониторинг мощности дозы ионизирующего излучения предусматривает анализ спектра ионизирующего излучения, анализ рисков выхода из строя электронной аппаратуры при пиковых нагрузках ионизирующего излучения, а также формирование информационных сигналов предупреждения и аварийных сигналов на отключение электронной аппаратуры при наступлении порога риска его повреждения. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.
Заявляемая группа изобретений относится к встроенным средствам защиты от излучения, они могут быть использованы, в устройствах связи - коммуникаторах, в технике атомной энергетики и предназначенной для ликвидации последствий радиационных катастроф, а также в составе бортовой радиоэлектронной аппаратуры аэрокосмических комплексов для защиты в «последнюю минуту» от разрушения или приведения в неработоспособное состояние при воздействии альфа, бета, гамма и нейтронного излучений, а так же солнечной радиации, электромагнитного импульса (ЭМИ).
Современное электронное оборудование работает, как правило, под управлением процессоров, имеет электронные аналоговые и цифровые системы управления и коммуникаций на основе микропроцессоров, электронную память и другие электронные дискретные компоненты, составляющие единое целое сложного электронного организма. Все эти электронные устройства и их компоненты имеют слабые места разной степени надёжности по работоспособности, особенно при воздействии на эти устройства в целом и их отдельные компоненты в частности – ионизирующего излучения (далее ИИ) природного и техногенного характера.
На земле воздействие ИИ может быть, как из земных недр или окружающих источников радиации природного характера, так и от техногенных источников ИИ – урановые рудники, зоны ЧС техногенных катастроф с участием радионуклидов, как АЭС Чернобыль, Фукусима и другие.
На околоземной орбите, включая гражданскую авиацию и в открытом космосе – спутниковые группировки, космические полёты при освоении планет и астероидов преимущественное влияние на электронную аппаратуру и её отдельные компоненты происходит от Космической радиации.
В любом случае источники ионизирующего излучения могут отрицательно влиять на функционирование электронных приборов. Соответственно, для разных применений необходима стойкость к воздействующим факторам и разным уровням воздействия ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение называется ионизирующим, потому что выделение в объеме вещества энергии при торможении прилетающих частиц ионизирует вещество. У каждого материала своя энергия, необходимая для ионизации и создания электронно-дырочной пары. Для кремния это 17 эВ, для его оксида - 3.6 эВ, для арсенида галлия - 4.8 эВ. Также прилетевшая частица может не ионизировать атом, а “сдвинуть” его с правильного места в кристаллической решетке (в кремнии для этого нужно передать атому 21 эВ). Созданные в веществе электронно-дырочные пары могут по-разному влиять на электрические и физические свойства и на поведение электрической схемы. Радиационные эффекты могут проявляться как эффекты полной поглощенной дозы, эффекты мощности дозы, эффекты, вызванные попаданием одиночных частиц, и эффекты смещения.
Известны защитные устройства для электронной аппаратуры в комбинации с встроенным вспомогательным оборудованием.
Известно защитное устройство для электронной аппаратуры, представляющей собой сотовый телефон, в котором используется отдельно выполненное командное устройство в виде футляра для мобильного телефона, предназначенное для преобразования электрического сигнала, поступающего с электронного блока после срабатывания охранного датчика, в механическое воздействие посредством электромеханического узла на клавишу сотового телефона для подачи сигнала тревоги, представляющего собой вызов абонента с помощью функции сотового телефона «быстрый вызов», при возможности использования GSM связи с функцией «блокирование всех входящих» (RU №102282).
Известно защитное устройство для электронной аппаратуры, представляющей собой Известен способ защиты от заряженных частиц космической радиации (патент РФ №2406661 опубликован 20.12.2010) путем создания защитного статического электрического или магнитного поля между двумя вложенными друг в друга замкнутыми несоприкасающимися поверхностями, пространство между которыми заполнено материалом для поглощения заряженных частиц: например жидкий водород, вода или полиэтилен. Конструкция такого защитного средства может быть создана только вокруг космического аппарата , ограничивающего внутреннюю поверхность.
Недостатками указанных известных защитных устройств для электронной аппаратуры являются низкая надежность в условиях воздействия радиации, узость функциональных возможностей, не обеспечивающих контроль и информацию о радиационной обстановке
Известны способ и устройство для защиты интегральных микросхем от воздействия радиации, устройство содержит детектор излучений, усилитель сигналов детектора, блок выдачи команд управления питанием, блок включения опережающей защиты, вторичный источник питания, силовой импульсный транзистор, первый и второй резисторы, при этом выход детектора излучений соединен с входом усилителя сигналов детектора, выход которого соединен с входом блока выдачи команд управления питанием, первый выход которого соединен с управляющим входом вторичного источника питания, первый выход последнего соединен с первым выходом устройства и коллектором силового импульсного транзистора, второй выход блока выдачи команд управления питанием соединен с управляющим входом блока включения опережающей защиты, общая шина которого соединена с общей шиной вторичного источника питания, вторым выходом устройства и эмиттером силового импульсного транзистора, база которого через первый резистор соединена с выходом блока включения опережающей защиты, между базой и эмиттером транзистора подключен второй резистор, питающая сеть подключена к входу питания вторичного источника питания и к входу питания блока включения опережающей защиты.. (RU №2322757).
Известны способ и устройство защиты радиоэлектронной аппаратуры при воздействии на нее импульсного ионизирующего излучения, содержащее детектор импульсного ионизирующего излучения, отличающееся тем, что содержит буферный каскад - эмиттерный повторитель и формирователь импульсов - одновибратор, а в качестве детектора импульсного ионизирующего излучения используется коллекторный р-n переход n-p-n транзистора при закороченных эмиттере с базой (RU №2589350).
Известны способ и устройство для защиты электронной аппаратуры, Устройство защиты цифровых микросхем, состоящее из измерительного резистора, установленного в шину питания цифровых микросхем, компаратора, подключенного входом к измерительному резистору, а выходом к входу управления источником питания цифровых микросхем, отличающееся тем, что в него введены форсирующий транзистор, запирающий диод, времязадающая RC цепь, состоящая из резистора и конденсатора, и МДП транзистор, при этом выход компаратора подключен к базе форсирующего транзистора, коллектор которого через запирающий диод подключен к времязадающей RC цепи и к затвору МДП транзистора, сток которого подключен к входу управления источником питания цифровых микросхем. (RU № 2405247, прототип),
Недостатки известных защитных устройств электронной аппаратуры обусловлены недостаточной надежностью из-за не полного исключения нарушения их работоспособности под воздействием излучений, присутствующих в окружающем пространстве. В известных устройствах блок сопряжения не осуществляет формирование сигналов о достижении критериев радиационной стойкости защищаемой электронной аппаратуры, причем дозиметр, т.е. средства контроля уровня излучения, пригоден только для измерения докритических уровней излучения и не работает при критических дозах, и не является радиационностройким в смысле ГОСТ 18298-79 «Радиационная стойкость изделия - Свойство аппаратуры, комплектующих элементов и материалов выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах установленных норм во время, и после действия ионизирующего излучения».
При высоких уровнях радиации возможно нарушение работоспособности интегральных схем, электронной аппаратуры ввиду насыщения p-i-n диода дозиметр-радиометр-спектрометра и следующей за ним схемы обработки сигнала.
Неразрушающие эффекты при критических дозах излучения. К ним относятся сбои в разного рода запоминающих элементах (кэш-памяти, регистровых файлах, конфигурационной памяти ПЛИС и т.д.), переходные процессы в комбинационной логике и в аналоговых схемах. Главная особенность этого вида эффектов — они не приводят к физическому разрушению микросхемы и могут быть исправлены программно или аппаратно. Более того, переходные процессы исправляются сами по себе через какое-то время (вопрос в том, насколько оно велико). Основной практический интерес представляют сбои в массивах памяти — просто потому, что они составляют львиную долю всех сбоев в силу большого количества памяти в современных микроэлектронных системах.
Разрушающие эффекты при критических дозах излучения. К ним относятся тиристорный эффект и разнообразные, но, к счастью, редкие эффекты типа пробивания затвора или лавинного выгорания транзистора. Их отличительная черта — то, что они могут необратимо разрушать элемент микросхемы, причем, в случае с тиристорным эффектом чип можно сохранить, если своевременно сбросить питание. Разрушающие эффекты представляют серьезную опасность для некоторых видов флэш-памяти и для приборов с высокими напряжениями и плотностями тока, самыми важными из которых являются силовые ключи. Стойкость силовых ключей электронной аппаратуры к разрушающим одиночным эффектам может сильно зависеть от приложенного к ним напряжения. В результате работающая незащищенная электронная аппаратура может необратимо повреждаться при критических дозах излучения, так как не осуществляет формирование команды на отключение, перезагрузку или резервное копирование данных в условиях воздействия высоких (критических) уровней излучения.
В таких условиях наблюдаются эффекты, связанные с воздействием радиации и, как правило, безвозвратно нарушающие нормальное функционирование полупроводниковой аппаратуры, в частности:
Снижение коэффициента усиления,
Изменение порогового напряжения,
Возникновение неконтролируемых токов утечки,
Тиристорный эффект.
Технической проблемой, разрешаемой с помощью заявляемой группы изобретений, является создание радиационноустойчивого, т.е. надежного, защитного устройства электронной аппаратуры и расширение, тем самым арсенала защитных устройств электронной аппаратуры и их функциональных возможностей.
Технический результат использования данной группы изобретений, связанных единым творческим замыслом, состоит в увеличении надежности защиты электронной аппаратуры от радиоактивных излучений и функционирования беспроцессорного защитного устройства электронной аппаратуры за счет прогнозирования и гарантированного предотвращения его активной работы, устранения сбоев в условиях воздействия высоких уровней излучения (радиации) благодаря анализу спектра ионизирующего излучения рабочей среды электронной аппаратуры и формированию команд на предупреждение и на отключение с учетом выявленного спектра и мощности излучения, перезагрузку или резервное копирование данных защищаемой электронной аппаратурой для предотвращения ее выхода из строя, а также гарантированного восстановления нормального его функционирования при прекращении высоких уровней радиационного воздействия.
Сущность изобретения в части способа заключается в том, что способ защиты электронной аппаратуры от радиоактивных излучений, при котором осуществляют контроль радиационной обстановки предусматривающий мониторинг спектрального состава и мощности дозы нескольких видов ионизирующего излучения в рабочей среде защищаемой электронной аппаратуры, преобразование ионизирующего излучения в соответствующий мощности его дозы сигнал для прогнозирования безотказной работы электронной аппаратуры при полученных дозах ионизирующего излучения и превентивное отключение электронной аппаратуры при наступлении порога риска его повреждения от ионизирующего излучения с последующим его включением в благоприятной обстановке, причем мониторинг мощности дозы ионизирующего излучения предусматривает анализ спектра ионизирующего излучения, анализ рисков выхода из строя электронной аппаратуры при пиковых нагрузках ионизирующего излучения, а также формирование информационных сигналов предупреждения и аварийных сигналов на отключение электронной аппаратуры при наступлении порога риска его повреждения от ионизирующего излучения.
Предпочтительно, при прогнозировании безотказной работы электронной аппаратуры выполняется резервное копирование критических данных, а превентивное отключение питания электронной аппаратуры производят при дальнейшем возрастании мощности дозы ионизирующего излучения.
Предпочтительно, производят преобразование ионизирующего излучения в соответствующий мощности его дозы электрический сигнал.
Предпочтительно, производят непрерывный или периодический систематический контроль радиационной обстановки с помощью дозиметра-радиометра-спектрометра на основе полупроводникового детектора излучения.
Предпочтительно, производят мониторинг мощности дозы, по меньшей мере, трех видов ионизирующего излучения из группы:
- гамма лучи;
- поток нейтронов;
- поток протонов;
- поток электронов;
- рентгеновские лучи;
- электромагнитный импульс.
Предпочтительно, для формировании сигналов предупреждения и аварийных сигналов оценивают возможность возникновения эффектов, связанных с воздействием ионизирующего излучения из группы: снижение коэффициента усиления, изменение порогового напряжения, возникновение неконтролируемых токов утечки, тиристорный эффект.
Предпочтительно, определяют местоположения в пространстве источника ионизирующего излучения по гео-координатам GPS/ГЛОНАСС или межпланетарной космической навигации, а также высоты над уровнем моря или относительно других базовых ориентиров.
В частных случаях реализации формируют информационные сигналы об энергетических характеристиках источников ионизирующего излучения и визуализируют на экране или во флэш-памяти электронной аппаратуры мощность дозы, эквивалентной дозы, наименование изотопа и пространственные гео-координаты на фото и/или видеоизображении источника ионизирующего излучения.
Сущность изобретения в части устройства состоит в том, что устройство для реализации защиты электронных устройств от радиоактивных излучений, содержит корпус, в котором размещены полупроводниковые средства контроля радиационной обстановки предусматривающего мониторинг спектрального состава и мощности дозы нескольких видов ионизирующего излучения в рабочей среде защищаемой электронной аппаратуры, соединенные через усилитель с блоком сопряжения, выход которого выполнен с возможностью подключения к процессору электронной аппаратуры, имеющей блок питания со средствами включения/выключения последнего, причем средства контроля радиационной обстановки включают радиационностойкие элементы тестирования критических значений, а блок сопряжения содержит радиационностойкий пороговый модуль, выполненный с возможностью формирования сигналов о достижении параметрами излучения значений порога риска выхода из строя защищаемой электронной аппаратуры, при этом пороговый модуль выполнен с возможностью подключения своими выходами к процессору защищаемой электронной аппаратуры, а также к средствам включения/выключения блока питания защищаемой электронной аппаратуры, и выполнен с возможностью формирования на своих выходах приоритетных командных сигналов средствам включения/выключения блока питания и приоритетных информационных сигналов предупреждения процессору защищаемой электронной аппаратуры.
Предпочтительно, пороговый модуль выполнен с параллельно включенными беспроцессорными пороговыми элементами, соединенными входами с элементами тестирования с нормируемыми уровенями радиации, выполненными с возможностью тестирования значений показателей из группы: альфа, бета, гамма и нейтронного излучений, а также солнечной радиации для формирования потенциальных или импульсных информационных сигналов об энергетических характеристиках источников ионизирующего излучения из группы: мощность, доза, эквивалентная доза ионизирующего излучения, и с возможностью хранения информации об обнаруженном уровне указанных характеристик.
Предпочтительно, пороговые элементы порогового модуля выполнены в виде компараторов.
Предпочтительно, устройство выполнено с возможностью монтажа в защищаемую электронную аппаратуру.
Предпочтительно, устройство выполнено компактного встраиваемого исполнения, преимущественно, для программируемого мобильного устройства-коммуникатора, содержащего детектор излучения, представляющий собой p-i-n диод, в котором в слаболегированном полупроводнике кремнии созданы высоколегированные р и n – области, а также интерфейс управления и передачи данных, калибратор, преобразователь напряжения, и интегральную микросхему, включающую: последовательно связанные зарядно-чувствительный усилитель, усилитель-формирователь, спектрометр на основе амплитудно-цифрового преобразователя и компараторов, и микропроцессор, связанный с интерфейсом управления и передачи данных, который выполнен с возможностью подключения к шинам информации и питания мобильного устройства, при этом к микропроцессору подключены калибратор и преобразователь напряжения, соединенный с детектором излучения, подключенным к зарядно-чувствительному усилителю.
Предпочтительно, устройство снабжено компактным корпусом и выполнено с возможностью оперативной установки в мобильное устройство-коммуникатор из группы: смартфон, планшетный компьютер, ноутбук и снабжен автономными средствами питания, при этом его интегральная микросхема выполнена бескорпусной.
На фиг.1 изображена принципиальная блок-схема для реализации защиты электронных устройств от радиоактивных излучений в составе коммуникатора с дозиметром-радиометром-спектрометром («DO-RA»), На фиг.2 - блок схема включения порогового модуля устройства защиты электронных устройств от радиоактивных излучений.
Устройство защиты электронной аппаратуры от излучения, представленное на примере аппаратуры устройства-коммуникатора (например, мобильный, сотовый телефон, смартфон, планшетный компьютер, ноутбук, средства дальней космической связи) содержит корпус 16 (изображен условно), в котором размещен процессор 1. К процессору 1 подключены блок 2 памяти, монитор 3, средства 4 звуковой сигнализации, клавиатура 5, блок 6 питания, навигационное устройство 9 систем GPS и ГЛОНАС, приемопередающее устройство (приемопередатчик Wi-Fi/GPRS) 15. Мобильное радиоустройство снабжено последовательно связанными между собой полупроводниковым средством контроля уровней излучения, присутствующего в окружающей среде в виде дозиметра-радиометра-спектрометра 8 радиоактивного излучения при докритическом уровне радиации, операционным электронным усилителем 7 и блоком 10 сопряжения, подключенным к процессору 1 для взаимодействия с помощью последнего с остальными вышеуказанными элементами устройства. Дозиметр-радиометр-спектрометр 8 радиоактивного излучения служит для мониторинга и контроля окружающей пользователя среды на предмет радиационной безопасности его органов, систем и в целом для его здоровья, включая анализ и учёт рисков заболевания отдельных органов при избыточном ионизирующем излучении.
Дозиметр-радиометр-спектрометр 8 - чувствительный элемент, осуществляющий преобразование явлений, вызываемых радиоактивными (ионизирующими) излучениями при докритическом уровне радиации в электрический или другой сигнал. Дозиметр-радиометр-спектрометр 8 выполнен в виде твердотельного полупроводникового p-i-n диода, в котором в слаболегированном полупроводнике кремнии созданы высоколегированные р и n – области. Дозиметр-радиометр-спектрометр 8 радиоактивного излучения выполнен с возможностью измерения альфа, бета, гамма и нейтронного излучения, а также солнечной радиации.
Процессор 1 оснащен программным обеспечением для как для реализации функций радиоустройства связи, так и для контроля, накопления сведений и сигнализации о допустимой, предельной и недопустимой дозе облучения, определения величины фона радиоактивного излучение, формирования графиков состояния органов и систем человека в зависимости от накопленной дозы облучения, формирования рекомендаций для профилактики, в зависимости от накопленной дозы радиоактивного облучения, а также вывода на монитор 3 соответствующих информационные графических, табличных, текстовых визуальных сообщений, которое состоит из четырех режимных программных модулей, условно показанных на чертеже:
- информационный модуль 11 "Дозиметр"
- информационный модуль 12 "Радиометр"
-информационный модуль 13 "Воздействие на отдельные человеческие органы"
- информационный модуль 14 "Уровень солнечной радиации".
Блок 10 сопряжения снабжен радиационностойким пороговым модулем 17, выполненным с возможностью формирования сигналов о достижении параметрами излучения значений критериев радиационной стойкости электронной аппаратуры коммуникатора, при этом пороговый модуль 17 снабжен входными радиационностойкими элементами 18,19,20 тестирования значений параметров излучения и подключен выходами к процессору 1, а также к средствам (исполнительным устройствам) 24,25,26 включения/выключения электро питания, которые входят, как правило, в состав блока 6 питания.
Модуль 17 выполнен с возможностью формирования на своих выходах командных сигналов исполнительным устройствам 24,25,26 включения/выключения блока 6 питания и информационных сигналов предупреждения процессору 1, выполненному с возможностью обеспечения приоритетной отработки сигналов порогового модуля 17.
Пороговый модуль 17 выполнен с параллельно включенными беспроцессорными пороговыми элементами 21,22,23 в виде компараторов, параллельно соединенными входами с элементами 18,19,20 тестирования, являющимися средством контроля критических уровней излучения, присутствующего в окружающей среде, т.е. значений показателей из группы: альфа, бета, гамма и нейтронного излучений, а так же солнечной радиации для формирования информационных сигналов об энергетических характеристиках источников ионизирующего излучения из группы: мощность, доза, эквивалентная доза ионизирующего излучения, и с возможностью хранения информации об обнаруженном уровне указанных характеристик.
Элементы 18,19,20 тестирования повторяют структуры полупроводниковых аппаратов, в которых наблюдается эффекты, связанные с воздействием радиации и нарушающие нормальное функционирование полупроводниковых приборов:
Для каждого элемента 18,19,20 тестирования (тестовой структуры) нормируется уровень радиации, в зависимости от условий применения устройства. Пороговый модуль 17, в который включены пороговые элементы 21,22,23, связан, как с исполнительными устройствами 24,25,26 включения/выключения блока 6 питания, так и с процессором 1 коммуникатора.
Процессор 1 выполнен с программным обеспечением для визуальной или звуковой или голосовой, с помощью средств 4, сигнализации о допустимой, предельной и недопустимой дозе облучения в часовом, дневном, недельном, месячном, годовом интервале.
Клавиатура 5 содержит дополнительные клавиши (не обозначены) для управления работой в режиме дозиметра и/или радиометра и/или спектрометра.
Реализация функций дозиметра или радиометра определяется программой процессора 1, причем схема, как дозиметра, так и радиометра, образуется дозиметр-радиометр-спектрометром 8, блоком 10 сопряжения, усилителем 7 и всей совокупностью оборудования мобильного радиоустройства. Оборудование (17 - 23) устройства защиты электронной аппаратуры от излучения может быть размещено внутри корпуса 16 коммуникатора или в съемно-надевном кожухе (не изображено).
Способ защиты электронной аппаратуры от радиоактивных излучений реализуется устройством для реализации защиты электронных устройств от радиоактивных излучений в составе коммуникатора следующим образом.
При реализации способа защиты электронной аппаратуры от радиоактивных излучений осуществляют контроль радиационной обстановки предусматривающий мониторинг спектрального состава и мощности дозы нескольких видов ионизирующего излучения в рабочей среде защищаемой электронной аппаратуры, преобразование ионизирующего излучения в соответствующий мощности его дозы сигнал для прогнозирования безотказной работы электронной аппаратуры при полученных дозах ионизирующего излучения и превентивное отключение электронной аппаратуры при наступлении порога риска его повреждения от ионизирующего излучения с последующим его включением в благоприятной обстановке. Мониторинг мощности дозы ионизирующего излучения предусматривает анализ спектра ионизирующего излучения, анализ рисков выхода из строя электронной аппаратуры при пиковых нагрузках ионизирующего излучения, а также формирование информационных сигналов предупреждения и аварийных сигналов на отключение электронной аппаратуры при наступлении порога риска его повреждения от ионизирующего излучения.
При прогнозировании безотказной работы электронной аппаратуры выполняется резервное копирование критических данных, а превентивное отключение питания электронной аппаратуры производят при дальнейшем возрастании мощности дозы ионизирующего излучения.
Производят преобразование ионизирующего излучения в соответствующий мощности его дозы электрический сигнал.
Производят непрерывный или периодический систематический контроль радиационной обстановки с помощью дозиметра-радиометра-спектрометра на основе полупроводникового детектора излучения.
Производят мониторинг мощности дозы, по меньшей мере, трех видов ионизирующего излучения из группы:
- гамма лучи;
- поток нейтронов;
- поток протонов;
- поток электронов;
- рентгеновские лучи;
- электромагнитный импульс.
Для формировании сигналов предупреждения и аварийных сигналов оценивают возможность возникновения эффектов, связанных с воздействием ионизирующего излучения из группы: снижение коэффициента усиления, изменение порогового напряжения, возникновение неконтролируемых токов утечки, тиристорный эффект.
Определяют местоположения в пространстве источника ионизирующего излучения по гео-координатам GPS/ГЛОНАСС или межпланетарной космической навигации, а также высоты над уровнем моря или относительно других базовых ориентиров.
Формируют информационные сигналы об энергетических характеристиках источников ионизирующего излучения и визуализируют на экране или во флэш-памяти электронной аппаратуры мощность дозы, эквивалентной дозы, наименование изотопа и пространственные гео-координаты на фото и/или видеоизображении источника ионизирующего излучения.
Реализация способа с помощью устройства, приведенного на фиг.1,2 состоит в следующем.
При включении устройства в работу активизируется навигационное устройство 9, приемопередатчик 15 и дозиметр-радиометр-спектрометр 8. Устройство 9 принимает координаты систем GPS/ГЛОНАСС и фиксирует их в блоке 2 памяти. Устройство-коммуникатор в целом функционирует с питанием от блока 6 обычным образом, кроме того, дозиметр-радиометр-спектрометр 8 под воздействием радиационного излучения формирует сигналы, которые усиливаются усилителем 7, преобразуются блоком 10 сопряжения, подвергаются обработке процессором 1 с определением допустимой, предельной и недопустимой дозе облучения в часовом, дневном, недельном, месячном, годовом интервале, определением величины фона радиоактивного излучение, формированием графиков состояния органов и систем человека в зависимости от накопленной дозы облучения, формированием рекомендаций для профилактики, в зависимости от накопленной дозы радиоактивного облучения, а так же текущим параметрами солнечной радиации и фиксирует их в блоке 2 памяти. Далее эти данные предаются через приемопередатчик 15 (Wi-Fi/GPRS) на централизованный, например стационарный, сервер обработки данных провайдера мобильной связи, накапливаются, обрабатываются и предоставляются, например, участникам акции "Наш Радиоактивный Мир". Участники акции «Наш Радиоактивный Мир» - добровольные владельцы прибора DO-RA и сервиса GPS/ГЛОНАС по картированию территорий и ареалов заражения радиоактивными элементами распада.
В случае активации радиоустройства и нажатия соответствующих кнопок на клавиатуре 5 производится вывод на один и тот же монитор 3 соответствующих информационных визуальных сообщений, как о текстовых сообщениях и пропущенных звонках, так и вышеперечисленных сведений о радиационной обстановке, включая солнечную радиацию.
В ходе нормального активного сеанса связи, протекающего в условиях допустимого уровня воздействия излучения окружающей среды, аппаратура порогового модуля 17 не участвует, находясь в режиме ожидания.
Одни и те же средства 4 звуковой сигнализации информируют пользователя о входящих сигналах на радиочастоте, поступивших на процессор 1, и, при достижении порогового значения - о допустимой предельной и/или недопустимой дозе облучения в заранее установленном программно часовом, дневном, недельном, месячном, годовом интервале. Информация об уровне экспозиционной дозы ионизирующего излучения выводится на одном и том же мониторе 3 радиоустройства в виде числового значения в таких единицах, как например, мкР/час или мкЗв/час. Эти единицы могут пересчитываться, корректироваться и выводиться на экран монитора 3 в системе мер и величин, принятых в стране пребывания пользователя.
Устройство 9 реализует навигационными средствами (не изображены) определение местоположения в пространстве на базе систем GPS/ГЛОНАС.
Навигационные средства для определения местоположения в пространстве на базе систем GPS/ГЛОНАС с помощью устройства 9 и процессора 1 выводят на один и тот же монитор 3 сведения о местонахождении радиоустройства.
Элементы 18,19,20 тестирования, как правило, повторяют структуры полупроводниковых аппаратов, в которых наблюдается эффекты, связанные с воздействием радиации и нарушающие нормальное функционирование полупроводниковых приборов:
Для каждого элемента 18,19,20 тестирования (тестовой структуры) нормируется уровень радиации - значения критериев показателей альфа, бета, гамма и нейтронного излучений, а так же солнечной радиации, в зависимости от условий применения устройства. Пороговый модуль 17, в который включены пороговые элементы 21,22,23, связан, как с исполнительными устройствами 24,25,26 включения/выключения блока 6 питания, так и с процессором 1 коммуникатора. Пороговый модуль 17 может формировать два типа сигналов в зависимости от уровня радиации: сигналы предупреждения и аварийные сигналы. При уровнях радиации, близких к критическим, на процессор 1 коммуникатора выдаются сигналы предупреждения, по которым выполняются команды по защите информации. При критическом уровне радиации выдаются управляющие команды устройствам 24,25,26 включения/выключения блока 6 питания, обеспечивающие защиту основной электронной аппаратуры функционирования связи коммуникатора по цепям питания, например, аварийное отключение. Пороговый модуль осуществляет перевод электронной аппаратуры коммуникатора в дежурный режим ожидания, с последующей активацией при отсутствии критического уровня излучения.
При этом исполнительные устройства 24,25,26 включения/выключения блока 6 выполняется радиационно-стойким (вплоть до использования электромагнитных реле). Сам пороговый модуль 17 представляет собой, по сути, компаратор, не содержит процессоров (т.е. приборов, наиболее чувствительных к излучениям) и может быть выполнено на элементах с повышенной радиационной стойкостью.
Пороговый модуль 17 осуществляет сравнение значений входных величин (сигналов) с заданной величиной — порогом срабатывания, т.е. значениями критериев радиационной стойкости электронной аппаратуры коммуникатора. Выходной сигнал у может принимать только одно из двух значений — 0 или 1 и связан с входными сигналами xi соотношениями
где λi - коэффициент усиления регистрируемых величин, xi (i = 1, 2,..., n), λ0 - порог срабатывания.
При этом радиация на месте эксплуатации электронной аппаратуры коммуникатора контролируется по всем необходимым параметрам при различных уровнях, вплоть до критического. Пороговый модуль 17 обеспечивает приоритетную передачу сигналов в условиях приближения и достижения параметрами ионизирующего излучения значений критериев радиационной стойкости электронной аппаратуры коммуникатора, а процессор 1 коммуникатора обеспечивает приоритетную отработку сигналов порогового модуля 17.
В результате, в заявляемой группе изобретений для защиты электронной аппаратуры коммуникатора с высокой надежностью реализуются следующие возможности, обеспечивающие разрешение технической проблемы и достижение технического результата.
Мониторинг мощности дозы ионизирующего излучения в рабочей среде эксплуатации электронной аппаратуры.
Анализ спектра ионизирующего излучения рабочей среды электронной аппаратуры.
Анализ рисков выхода из строя электронной аппаратуры при близких к пороговым пиковых нагрузках ионизирующего излучения.
Прогнозирование безотказной работы электронной аппаратуры при обнаружении близких к пороговым нагрузках значениях ионизирующего излучения.
Обнаружение и превентивное временное отключение (предотвращение работы), перезагрузку или резервное копирование данных электронной аппаратуры при наступлении порога риска его разрушающего или неразрушающего повреждения в условиях достижения параметрами ионизирующего излучения значений критериев радиационной стойкости электронной аппаратуры, с последующим включением в благоприятной обстановке. В частности, случае сбоя в массивах памяти, наступления вероятности повреждения силовых ключей, наступления вероятности тиристорного эффекта, защищаемый аппарат можно сохранить, если быстро сбросить питание.
1. Способ защиты электронной аппаратуры от радиоактивных излучений, при котором осуществляют контроль радиационной обстановки, предусматривающий мониторинг спектрального состава и мощности дозы нескольких видов ионизирующего излучения в рабочей среде защищаемой электронной аппаратуры, преобразование ионизирующего излучения в соответствующий мощности его дозы сигнал для прогнозирования безотказной работы электронной аппаратуры при полученных дозах ионизирующего излучения и превентивное отключение электронной аппаратуры при наступлении порога риска его повреждения от ионизирующего излучения с последующим его включением в благоприятной обстановке, отличающийся тем, что мониторинг мощности дозы ионизирующего излучения предусматривает анализ спектра ионизирующего излучения, анализ рисков выхода из строя электронной аппаратуры при пиковых нагрузках ионизирующего излучения, а также формирование информационных сигналов предупреждения и аварийных сигналов на отключение электронной аппаратуры при наступлении порога риска его повреждения от ионизирующего излучения.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при прогнозировании безотказной работы электронной аппаратуры выполняется резервное копирование критических данных, а превентивное отключение питания электронной аппаратуры производят при дальнейшем возрастании мощности дозы ионизирующего излучения.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производят преобразование ионизирующего излучения в соответствующий мощности его дозы электрический сигнал.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производят непрерывный или периодический систематический контроль радиационной обстановки с помощью дозиметра-радиометра-спектрометра на основе полупроводникового детектора излучения.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производят мониторинг мощности дозы по меньшей мере трех видов ионизирующего излучения из группы:
- гамма-лучи;
- поток нейтронов;
- поток протонов;
- поток электронов;
- рентгеновские лучи;
- электромагнитный импульс.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования сигналов предупреждения и аварийных сигналов оценивают возможность возникновения эффектов, связанных с воздействием ионизирующего излучения из группы: снижение коэффициента усиления, изменение порогового напряжения, возникновение неконтролируемых токов утечки, тиристорный эффект.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют местоположения в пространстве источника ионизирующего излучения по гео-координатам GPS/ГЛОНАСС или межпланетарной космической навигации, а также высоты над уровнем моря или относительно других базовых ориентиров.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формируют информационные сигналы об энергетических характеристиках источников ионизирующего излучения и визуализируют на экране или во флэш-памяти электронной аппаратуры мощность дозы, эквивалентной дозы, наименование изотопа и пространственные гео-координаты на фото и/или видеоизображении источника ионизирующего излучения.
9. Устройство для реализации защиты электронных устройств от радиоактивных излучений по любому из пп. 1-8, содержащее корпус, в котором размещены полупроводниковые средства контроля радиационной обстановки предусматривающего мониторинг спектрального состава и мощности дозы нескольких видов ионизирующего излучения в рабочей среде защищаемой электронной аппаратуры, соединенные через усилитель с блоком сопряжения, выход которого выполнен с возможностью подключения к процессору электронной аппаратуры, имеющей блок питания со средствами включения/выключения последнего, отличающееся тем, что средства контроля радиационной обстановки включают радиационно-стойкие элементы тестирования критических значений, а блок сопряжения содержит радиационно-стойкий пороговый модуль, выполненный с возможностью формирования сигналов о достижении параметрами излучения значений порога риска выхода из строя защищаемой электронной аппаратуры, при этом пороговый модуль выполнен с возможностью подключения своими выходами к процессору защищаемой электронной аппаратуры, а также к средствам включения/выключения блока питания защищаемой электронной аппаратуры, и выполнен с возможностью формирования на своих выходах приоритетных командных сигналов средствам включения/выключения блока питания и приоритетных информационных сигналов предупреждения процессору защищаемой электронной аппаратуры.
10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что пороговый модуль выполнен с параллельно включенными беспроцессорными пороговыми элементами, соединенными входами с элементами тестирования с нормируемыми уровнями радиации, выполненными с возможностью тестирования значений показателей из группы: альфа, бета, гамма и нейтронного излучений, а также солнечной радиации для формирования потенциальных или импульсных информационных сигналов об энергетических характеристиках источников ионизирующего излучения из группы: мощность, доза, эквивалентная доза ионизирующего излучения, и с возможностью хранения информации об обнаруженном уровне указанных характеристик.
11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что пороговые элементы порогового модуля выполнены в виде компараторов.
12. Устройство по любому из пп. 9-11, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью монтажа в защищаемую электронную аппаратуру.
13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что оно выполнено компактного встраиваемого исполнения, преимущественно, для программируемого мобильного устройства-коммуникатора, содержащего детектор излучения, представляющий собой p-i-n-диод, в котором в слаболегированном полупроводнике кремнии созданы высоколегированные р- и n-области, а также интерфейс управления и передачи данных, калибратор, преобразователь напряжения, и интегральную микросхему, включающую: последовательно связанные зарядно-чувствительный усилитель, усилитель-формирователь, спектрометр на основе амплитудно-цифрового преобразователя и компараторов, и микропроцессор, связанный с интерфейсом управления и передачи данных, который выполнен с возможностью подключения к шинам информации и питания мобильного устройства, при этом к микропроцессору подключены калибратор и преобразователь напряжения, соединенный с детектором излучения, подключенным к зарядно-чувствительному усилителю.
14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что оно снабжено компактным корпусом и выполнено с возможностью оперативной установки в мобильное устройство-коммуникатор из группы: смартфон, планшетный компьютер, ноутбук и снабжен автономными средствами питания, при этом его интегральная микросхема выполнена бескорпусной.
