DE102010010716A1 - Verfahren zum Testen der Empfindlichkeit elektronischer Bauteile durch Teilchen- und Photonenstrahlen mittels Laser-Plasma-Wechselwirkung - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Testen der Empfindlichkeit elektronischer Bauteile und Schaltungen gegenüber Teilchen- und Photonenstrahlen mit Hilfe von Laser-Plasma-Wechselwirkung, bei dem aufgrund der Flexibilität der facettenreichen Wechselwirkung mehrere Arten von Strahlung wie Elektronen-, Protonen-, Ionen-, Neutronen- sowie Photonenstrahlen sowie Kombinationen dieser Strahlungsarten in weiten Parameterbereichen erzeugt werden können, die relevant sind für den Einsatz elektronischer Bauteile im Weltall, etwa Satelliten, in großen Flughöhen oder in Einrichtungen, die mit radioaktiven Substanzen arbeiten wie etwa Atomkraftwerken. Es sind dabei relevante Strahlungs-Parameterbereiche zugänglich, die mit herkömmlicher Beschleunigertechnologie bisher nicht oder nur eingeschränkt zugänglich waren. Aufgrund der vergleichsweisen Kompaktheit des Verfahrens lassen sich Strahlungstests auch in kleineren Labors zu vergleichsweise geringen Kosten durchführen.

Description

• Elektronische Bauteile wie Computerchips, Random Access Memory (RAM), Transistoren, Solarzellen etc. sind empfindlich gegenüber Teilchenstrahlen, wie etwa Strahlen aus Elektronen, Ionen, Protonen, Neutronen und anderen Elementarteilchen, aber auch gegenüber Photonenstrahlen wie etwa Röntgenstrahlen. Solche Strahlungsarten können im Weltraum und in hohen Flughöhen verstärkt in hoher Intensität auftreten. Die Vielfältigkeit der Strahlungsarten ist darauf zurückzuführen, dass es viele verschiedene Quellen von Weltraumstrahlung gibt, denen höchst unterschiedliche Mechanismen der Erzeugung und Beschleunigung zugrunde liegen können. Jedes Raumschiff, jede Sonde, jedes Flugzeug und vor allem auch jeder Satellit (im folgenden: Flugkörper) ist mit zahlreichen solcher elektronischen Bauteile ausgestattet. Diese Bauteile sind von fundamentaler Bedeutung für die Funktionsfähigkeit der Flugkörper. Es ist bekannt, dass die verschiedenen Arten von Weltraumstrahlen potentiell große Gefahren für diese elektronischen Komponenten darstellen, die für Fehlfunktionen sorgen und bis hin zum Totalausfall führen können. Aus diesem Grund werden elektronische Bauteile vor der Verwendung im Flugkörper auf ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber verschiedener Arten von Strahlung getestet. Dabei reicht es nicht aus, ein bestimmtes Bauteil einmalig zu testen, sondern es ist wichtig, aufgrund von Schwankungen in der Produktionsqualität sogar jede einzelne Produktions-Charge vor dem Einsatz in einem neuen Flugkörper-Exemplar neu zu testen. Bislang geschieht das mit Hilfe von Strahlung aus dem Zerfall radioaktiver Materialien und mit dem Stand der Technik entsprechenden Teilchenbeschleunigern, die meist auf Radiofrequenz-Kavitäten beruhen. Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung und Computerisierung sowie der zunehmenden Anzahl und Komplexität von Missionen steigt die Nachfrage nach Strahlzeit für solche Testreihen immer weiter an. Zudem werden aufgrund der komplexer werdenden Missionsprofile und gestiegener Sicherheitsbedürfnisse die Einflüsse von Einzeleffekten (Single Event Effects, SEE) immer wichtiger. Die Strahlzeit and Testeinrichtungen, an denen man solche Effekte untersuchen kann, wird daher immer teurer. Es gibt darüber hinaus wichtige und gefährliche Arten von Strahlung im Weltall, die mit herkömmlichen Beschleunigersystemen im Labor gar nicht oder nur unzureichend emuliert werden kann. Weiterhin sind die bislang verwendeten Beschleunigersysteme meist auf eine bestimmte Strahlungsart spezialisiert, so dass für umfassende Tests mit ein- und demselben Bauteil mehrere Testeinrichtungen durchlaufen werden müssen.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, mit Hilfe von fokussierten Laserstrahlen Photonen und Elementarteilchen wie Elektronen, Protonen, Neutronen, aber auch Ionen zu beschleunigen und so in einem kompakten und preisgünstigen Aufbau teilweise bislang unzugängliche Strahlungsarten für Tests elektronischer Bauteile im Hinblick auf ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber verschiedenen Arten von Strahlung zur Verfügung zu stellen, und zum anderen eine alternative Methode zur Produktion von bisher nur mit vergleichsweise komplexen und teuren Verfahren zugängliche Strahlungsarten, die bislang bereits zu Tests von Strahlungsempfindlichkeit genutzt werden, bereitzustellen. Dabei steht sowohl die Flexibilität des Verfahrens, mit dem an einer einzigen experimentellen Einrichtung viele verschiedene Strahlungsarten herstellen können, als auch das Alleinstellungsmerkmal im Vordergrund, verschiedene Arten von potentiell gefährlicher, im Weltall vorkommender Strahlung zu generieren, die mit herkömmlicher Beschleunigertechnologie nicht zugänglich sind.
• Da herkömmliche Beschleuniger typischerweise mit beschleunigenden Kavitäten im Radiofrequenz-Bereich arbeiten, um die Teilchen beschleunigenden elektrischen Felder in der Größenordnung von typischerweise einigen zehn Megavolt pro Meter zu erzeugen, benötigt man zum Erreichen hoher Teilchenenergien lange Beschleunigungsstrecken, die bis zu vielen Kilometern lang sein können und daher sehr kosten- und wartungsintensiv sind. Im Gegensatz dazu sind die beschleunigenden Felder bei Laser-Plasma-Beschleunigern um Größenordnungen höher und können bis hin zu Teravolt pro Meter betragen, so dass entsprechend die Beschleunigungsstrecken typischerweise maximal bis in dem Zentimeter-Bereich reichen. Solche Beschleuniger sind daher kompakt (table-top) und können sehr viel kosteneffektiver gebaut und betrieben werden als herkömmliche Beschleunigersysteme. Zusätzlich ist der Beschleunigungsprozess bei Laser-Plasma-Beschleunigern ein anderer, so dass beispielsweise Teilchenstrahlen mit exponentiellen Energieverteilungen produziert werden können, die so auch zumeist im Weltraum vorkommen. Es können darüber hinaus auch gleichzeitig verschiedene Teilchenstrahlen, beispielsweise Elektronen- und Protonenpulse erzeugt werden. Auch dies ist ein in der Natur im Weltraum vorkommender Vorgang, der oft sogar dominiert. Herkömmliche Teilchenbeschleuniger sind im Gegensatz dazu darauf meist ausgerichtet, jeweils nur eine einzelne Teilchensorte mit monoenergetischer Energie zu erzeugen. Der Wechsel zu anderen Teilchensorten, beispielsweise von Elektronen zu Protonen, ist meist unmöglich oder nur sehr schwierig. Laser-Plasma-Beschleunigung ist also in vielen relevanten Strahlungsbereichen herkömmlicher Beschleunigungstechnologie nicht nur im Hinsicht auf die Effektivität und Kosten überlegen, sondern können darüber hinaus auch Strahlungs- und Wechselwirkungsarten untersuchen, zu denen man bislang nicht in der Lage war.
• Den grundsätzlichen Aufbau des vorliegenden Verfahrens zeigt . Ein Hochleistungs-Laserpuls mit Pulsdauern im Bereich von einigen Nanosekunden bis wenigen Femtosekunden, Repetitionsraten von MHz bis hin zu Einzelschüssen und Energien vom Mikrojoule bis kJ-Bereich wird in Vakuumkammern auf ein Targetmaterial auf eine Fläche von einigen Millimetern bis hin zum sub-Mikrometerbereich fokussiert. Das Targetmaterial kann entweder fest, flüssig oder gasförmig sein oder sich bereits im Plasmazustand befinden. Im Fokus wird durch verschiedenste Mechanismen Laserlicht absorbiert und in Form von geladenen Teilchen wie Elektronen, Protonen, Ionen und Photonenstrahlen, aber teilweise auch Neutronen in Richtung des Laserpulses und/oder zur Targetnormalen auf der Targetrück- aber auch Vorderseite beschleunigt und emittiert. Die so erreichbaren Teilchenenergien können je nach Bedarf wenige Elektronenvolt bis hin zu Gigaelektronenvolt betragen. Die zu testenden elektronischen Bauteile und/oder Schaltungen werden dann entweder im Vakuum selbst oder hinter der Wand der Vakuumkammer der so erzeugten Strahlung ausgesetzt, wobei dann eventuelle Fehlfunktionen und/oder Schädigungen registriert werden können. Die Prüflinge können entweder passiv oder aktiv betrieben werden. Die durch entsprechende Wahl der Wechselwirkungsparameter können etwa Teilchenart, Energie, Divergenz, Strahldauer und Dosis der erzeugten Strahlung kontrolliert werden. Beispielsweise lassen sich bei der Verwendung von festen Targetmaterialien, auf die der Laserpuls einwirkt, Elektronen- und Protonenstrahlen mit hoher Divergenz und hoher Ladung erzeugen, die dazu genutzt werden können, zu testende Bauteile großflächig zu bestrahlen. Die Einstellung der lokalen Dosis kann dabei sowohl durch Wahl der Laser- und Targetparameter gewählt werden, als auch durch einfache Variation der Entfernung der Testkomponente vom Laserfokus beziehungsweise Target. Die maximal erreichbare Dosis kann um Größenordnungen höher sein als mit herkömmlichen Beschleunigern erreichbar ist, so dass selbst extremste Strahlungseinwirkungen, die im Weltall vorkommen können, mit Hilfe der vorliegenden Erfindung untersucht werden können.
• Zu den mit dem Verfahren als Gegenstand der vorliegenden Erfindung untersuchbaren Strahlungsarten gehören unter anderem energetische, zum Teil relativistische Strahlen von Elektronen und/oder Protonen, wie sie etwa in den die Erde und auch andere Planeten umgebenden Strahlungsgürteln vorkommen. Es können aber auch extrem dichte Teilchenschauer, die zum Beispiel in den Sekundär-Streuprozessen wechselwirkender kosmischer Strahlung gebildet werden, erzeugt werden. Solche Dichten können auch mit den stärksten auf konventioneller Technik beruhenden Schwerionen-Teilchenbeschleunigern nicht erzeugt werden. Mit dem vorliegenden Verfahren lassen sich daher diese Aspekte der Sekundärstrahlung teilweise deutlich besser untersuchen. Aber auch die immer wichtiger werdenden Einzeleffekte lassen sich mit der vorliegenden Erfindung untersuchen. Ein wichtiger Einzeleffekt ist zum Beispiel der so genannte Single Event Upset (SEU). Hierbei fällt ein sehr energiereiches geladenes Teilchen in das elektronische Bauteil wie etwa einen Transistor ein, und erzeugt dort Ladungsträger in Form von Elektronen und Elektronenlöchern, die dann zum Source und Drain wandern und so einen Stromfluss hervorrufen können, der groß genug sein kann, um irrtümlich ein Signal zu erzeugen, das dann in den angeschlossenen Schaltkreisen für Fehlfunktionen und/oder permanente Schädigungen sorgen kann. Solche energiereichen Teilchen (meist Protonen oder Ionen) können entweder direkt erzeugt werden, oder aber durch laser-plasma-beschleunigte, weitgehend monoenergetische, hochrelativistische Elektronenbündel emuliert werden. Da diese Elektronenbündel deutlich, oft um Größenordnungen kürzer als herkömmliche Elektronenstrahlen sein können, sind selbst bei relativ geringer Gesamtladung die von ihnen erzeugten transversalen elektrischen Felder extrem groß und können selbst die Ionisationsschwelle von Materie überwinden. Da sie auf sehr geringe transversale Ausdehnungen im Mikrometer-Bereich fokussiert sein können und in Materie teilweise sehr hohe Reichweiten haben, verhalten Sie sich beim Einfall in elektronische Bauteile ganz ähnlich wie hochenergetische kosmische Teilchen, und sorgen für die gefährliche Bildung von positiven und negativen Ladungsträgern (siehe ).

Claims (1)

1. Verfahren zum Testen der Empfindlichkeit elektronischer Bauteile gegenüber Teilchen- und Photonenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Strahlung Laser-Plasma-Beschleunigung zum Einsatz kommt, dadurch gekennzeichnet, (a) dass sich durch Variation der Wechselwirkungsparameter wie Laserpulsenergie, -dauer, -fokusgröße, -wellenlänge, -pulsform sowie Variation des Targetmaterials in Form von Aggregatzustand fest, flüssig, gasförmig sowie plasmaförmig, aber auch Targetdicke, -dichte, -material, -zusammensetzung, -struktur und -form sich verschiedenste Arten von Teilchenstrahlen wie Elektronen, Protonen, Ionen, Neutronen sowie Photonen erzeugen lassen, (b) dass durch Wahl der Laser-Plasma-Wechselwirkungsparameter sich Energie, Dauer, Divergenz und Ladung der Teilchen- oder Photonenstrahlen in weiten Bereichen einstellen lassen, (c) dass gleichzeitig Kombinationen von Elektronen-, Protonen-, Ionen-, Neutronen- sowie Photonenstrahlen zur Einwirkung auf den Prüfling erzeugt werden können, (d) dass Strahlendosen erzeugt werden können, die um Größenordnungen höher sind als die mit herkömmlichen Beschleunigern erreichbaren, (e) dass die Strahlendosis in weiten Bereichen durch Wahl der Wechselwirkungsparameter, sowie durch Variation des Abstands des zu prüfenden Bauteils beziehungsweise der Schaltung in weiten Bereichen einstellbar ist, (f) dass je nach Wahl der Wechselwirkungsparameter und des Abstands des Prüflings vom Target sich im einen Extremfall beispielsweise große Flächen bis hin zu vielen Quadratzentimetern homogen bestrahlen lassen, oder im anderen Extremfall extrem kleine Bereiche im Quadratmikrometerbereich oder darunter punktgenau beschießen lassen, um so punktuell ortsaufgelöst Strahlungsempfindlichkeit zu testen, (g) dass je nach Wahl der Wechselwirkungsparameter und des Abstands des Prüflings vom Target sich im einen Extremfall beispielsweise große Flächen bis hin zu vielen Quadratzentimetern homogen bestrahlen lassen, oder im anderen Extremfall mikroskopisch kleine Bereiche im Quadratmikrometerbereich oder darunter punktgenau beschießen lassen, um so punktuell ortsaufgelöst Strahlungsempfindlichkeit zu testen, (h) dass sich mit dem vorliegenden Verfahreb Strahlungen mit exponentieller Energieverteilung, wie sie so auch im Weltall vorkommt, erzeugen lassen, (i) dass die hochdichten Sekundärteilchenschauer, wie sie etwa bei Streuprozessen von Teilchen kosmischer Energie erzeugt werden, realistischer als bisher emuliert werden können, (j) dass aufgrund der Kompaktheit des vorliegenden Verfahrens Strahlungstests auch in kleineren Labors und zu teilweise vergleichsweise geringen Kosten durchführen lassen, (k) dass sich aufgrund der Vielseitigkeit des Verfahrens verschiedene Arten von Strahlungstests in einem einzigen Labor durchführen lassen, (l) dass mit dem beschriebenen Verfahren praxisrelevante Strahlungsregime zugänglich sind, die mit herkömmlichen Beschleunigern bislang nicht zugänglich sind, (m) dass die elektronischen Prüflinge während der Tests entweder passiv oder aktiv beschaltet gefahren werden können, (n) dass neben neben dem Einsatz im Weltall auch Strahlungsempfindlichkeit von Bauteilen zum Einsatz in großen Flughöhen wie etwa in Flugzeugen getestet werden kann, (o) dass neben neben dem Einsatz im Weltall oder in großen Flughöhen auch Strahlungsempfindlichkeit von Bauteilen zum Einsatz in mit radioaktiven Substanzen arbeitenden Einrichtungen wie etwa Atomkraftwerken getestet werden kann.

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