EP1031997B1 - Electronic system for operating under radiation, method for designing such a system and implementing the same for driving a mobile robot - Google Patents

Electronic system for operating under radiation, method for designing such a system and implementing the same for driving a mobile robot Download PDF

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EP1031997B1
EP1031997B1 EP00400473A EP00400473A EP1031997B1 EP 1031997 B1 EP1031997 B1 EP 1031997B1 EP 00400473 A EP00400473 A EP 00400473A EP 00400473 A EP00400473 A EP 00400473A EP 1031997 B1 EP1031997 B1 EP 1031997B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
components
group
shielding
shield
radiation
Prior art date
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Application number
EP00400473A
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German (de)
French (fr)
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EP1031997A1 (en
Inventor
Jean-Marc Alexandre
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F7/00Shielded cells or rooms
    • G21F7/06Structural combination with remotely-controlled apparatus, e.g. with manipulators
    • G21F7/065Remotely manipulated machinery
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F7/00Shielded cells or rooms
    • G21F7/06Structural combination with remotely-controlled apparatus, e.g. with manipulators
    • G21F7/066Remotely manipulated tools

Definitions

  • the present invention relates to a system electronic operating under irradiation, in particular X or gamma, a method of designing such a system, intended to operate this system under irradiation, while having components "Vulnerable", that is to say, intrinsically unfit for operate under this irradiation, and the application of this process to the control of a mobile robot.
  • Vulnerable circuits are defined as electronic circuits that support only one or a few hundred kRad, typically in form of gamma or neutron irradiation as they are meeting in nuclear engineering. Generally, these circuits have a very high degree of integration (defined by the English term VLSI (Very Large Scale Integration ”) and in CMOS technology, although these characteristics are not limiting.
  • VLSI Very Large Scale Integration
  • the invention is therefore mainly developed for the design of control systems for nuclear environment, which are currently the most efficient electronic systems working in this environment. That's why they are taken as an example for the description of an achievement preferred. But we do not leave the framework of the invention by applying it to any other system electronics, since its complexity makes it advantageous the use of "vulnerable" components to ambient irradiation.
  • control system is not considered here in the very restricted sense often used in nuclear engineering, in particular because of very rudimentary performances allowed in known art, and some examples of which are provided below.
  • control system is used in the broader sense that it has in automatic, to know: its purpose is to gather information on the system to be ordered, process them if necessary (eg by digital filtering, correction of non-linearity), apply to them one or more laws of digital control which may include modes of autonomous functioning capable of taking decision, manage the controls of the amplifiers power associated with the actuators, ensure Security functions and manage, in case of failure partial, degraded modes of operation.
  • a such order may also be able to communicate with an information transmission device, according to the possibilities of various work configurations (multiplexing, wireless transmission, or any other way).
  • a first category includes systems of command that can match the definition above, but can not support in practice more than some kRad, exceptionally a few dozen kRad.
  • Embedded electronics consists of a controller standard consisting of a microcontroller board and commercial dimmers. Orders are transmitted by an umbilical cord.
  • the control system is conventional, close to industrial type controls, but its resistance to radiation does not exceed 1 to 10 kRad.
  • a second category includes systems of very simplified order, unable to match the definition above, but can support in practice dozens of kRad or more hundreds of kRad if they do not have of electronics and if their order is deported to the end of a wire-to-wire connection.
  • An example is the mobile robot "Oscar", for which all the signals are transmitted by wire to a wire large diameter umbilical in front of the dimensions of the robot, and whose length is necessarily limited.
  • RD 500 Assisted Remote Manipulator
  • Systems of this second category can perform advanced, high-performance functions, nor be autonomous and secure, since the security presupposes the existence of degraded modes or redundancies, than the ability to operate autonomously.
  • Some components have a housing designed for resist against ionizing radiation, but it This is a light armor against the SEUs ("Single Event Upsets ”) encountered by the satellites, which are accidental collisions with particles extremely energetic, can cause destruction local microcomponent. Their effectiveness against gamma radiation is derisory, even if it is reinforced by an extra metal screen because the cumulative dose of gamma radiation that a satellite is relatively weak (about 100 kRad for its entire lifetime) and does not constitute a goal for the designer. The skilled person knows whereas, despite the common name of "radiations ionizing ", this is actually a different problem of those encountered in the nuclear industry.
  • the shielding against ionizing radiation is consisting of a thick heavy metal blanket (by example of lead or denial for radiation gamma), since the attenuation provided by this shielding depends on the atomic mass of the material.
  • the curves attenuation show that the thickness must exceed several centimeters for the armor to be significant, and that this thickness increases very quickly as one increases the dose of permissible radiation.
  • to shield with lead the control of a traveling crane in operation on a French industrial site (managed by a PLC Programmable Industrial), it was necessary to resort to a shielding about one tonne of lead, which required an expensive overdimensioning of the bridge structure.
  • This shield has been calculated to allow the order to support 1 MRad. The order has, moreover, had to be replaced every year, imposing a capital the costly installation that the operator has given up this solution and installed a remote command in non-irradiated area, with wire to wire connection.
  • Hardening is essentially about replace the MOS circuits with their equivalents, when they exist, in hardened technology (SOS, SOI, DMILL, etc ).
  • SOS, SOI, DMILL, etc the three technologies SOS, SOI and DMILL remain poorly distributed commercially, hence a supply of poor components, both in terms of product diversity in terms of performance.
  • products hardened currently available have features and performance corresponding to a technological delay of the order of 20 years compared to the components uncured: they do not have access memory random, and their features and instruction sets are hardly compatible with a system of command as defined above.
  • the hardening of the electronics is more in addition difficult to achieve as the dose irradiation to bear growing.
  • the document [5] passed a threshold of about 1 kRad (low limit of conventional electronics under irradiation), the cost of hardening increases with dose rate in proportions that do not allow to consider reaching or exceeding 1 MRad.
  • a radio-controlled machine must be able, in case of transmission problem, make a decision autonomous (eg return to the previous position loss of communication).
  • Another well-known example consists in introducing, via an airlock, a mobile robot into a nuclear power plant after an accident that resulted in the leakage of nuclear material inside the building. We know how to introduce the robot, but respect of sealing forbids him to transmit the cable controls. The robot must then must move autonomously towards one of these points, which is currently impossible to achieve.
  • the present invention relates to a system electronic operating under irradiation, in particular X or gamma, a method of designing such a system and its preferential application to a control system mobile robot operating under this irradiation.
  • Step II which leads to choose preferably functions that are functionally very rich, consequence of limiting the features to be ensured by the other components of the system. This facilitates use of techniques other than shielding for ensure their protection.
  • Step III involves the parameters that dimension the protection.
  • the armor itself is carried out according to the state of the art, in particular with relates to the material that needs to be adapted to the nature radiation considered.
  • Step IV mentions a list of components the most vulnerable by first taking into account their technology, then their degree of integration.
  • a experienced person or with the help of information from constructor can establish a first hierarchy in the ability of the components to tolerate a certain dose irradiation.
  • Step V defines components for be selectively protected, which are components performing and rich of functions for which he is impossible to find, in the industrial ranges usual radiation-resistant equivalents.
  • the typical example is a microcontroller in technology CMOS with very high integration (VLSI), including on a single "chip" semiconductor: CPU, memories, inputs / outputs, watchdog, etc. retains from the list in the previous paragraph that the components, starting with the most vulnerable, who can be implemented in the volume defined in paragraph III.
  • the components that must be physically very close to these components as example the clock quartz of a microcontroller or decoupling capacitor (s), are associated with them and are a priori retained in the same way. Nevertheless we does not depart from the scope of the invention by giving up protect these ancillary components.
  • Step VI constitutes a validation of components selected in the previous step, considering the constraints related to the functioning of electronics: in particular, the number and the band passing signals to circulate between components intended to be selectively protected by shielding and those intended not to be. However, we strive for these second components to improve their tolerance to radiation by any other as shielding (see step VIII).
  • Stage VII involves the realization of the means protection or shielding.
  • a realization preferential shielding consists of two half-shells secured by screws, arranged so as to minimize their impact on the protection of components. Connections with the second set of components can advantageously be carried out by a flexible circuit board, which follows a chicane which is provided the shield at its entry / exit, to avoid the radiation penetration.
  • Step VIII mentions techniques of other than shielding, for example methods of managing the operation of these components by redundancy and / or optimization of tensions as described in documents [1] and [2], allowing to significantly lengthen their lifetime.
  • Another example is the use of chronograms of sequence of actions (in particularly at the logic level) whose temporal ranges are wide enough to make their operation tolerant towards temporal drifts that may result from irradiation.
  • a privileged application of the invention constituted by a control system command for mobile robot able to operate in a irradiated medium, and having to support 1 MRad.
  • Step I Control System Functions
  • the microcontroller and the converter analog / digital are in low CMOS technology consumption and low noise but their technology the makes it very fragile to radiation. These two components have no insensitive or insensitive equivalent to radiation.
  • Step III Determining the available volume
  • Step IV Classification of components by vulnerability
  • Step V Components to be protected
  • microcontroller and converters analog / digital must be protected. At these components should be added as additional elements to be located nearby, a clock quartz and decoupling capacitors.
  • Step VI "First components" compatible with the volume
  • the volume available for protection is not enough to house the microcontroller and the analog / digital converters even using hybridization techniques.
  • Step III Determining the available volume
  • Step IV Classification of components by vulnerability
  • Step V Components to be protected
  • Step VI "First components" compatible with the volume
  • the microcontroller and the converter analog are each implanted on a circuit board multilayers.
  • Each of these printed circuits is connected to unshielded components by a circuit board flexible, the other end of which is a card interface of an electronic bay.
  • the shield consists of two half-shells of Denal, weighing together 10kg, and whose shape exterior approaches a flattened sphere. Size shielding is calculated by making the ratio between the dose to be achieved (1 MRad) and withstand under irradiation the most vulnerable component.
  • the report for the control system is a 50 factor of protection. We knows that 35 mm of lead brings a factor of 10 attenuation for cobalt 60 irradiation. gets the same result with 24 mm Denial. We retains a nearly spherical 10 kg armor having 60 mm lead radius, or 42 mm radius in Denial. This last value makes it possible to guarantee the first components to irradiation, with good safety margin.
  • Step VII Realization of the protected ensemble
  • the first set of first components is implanted on two multilayer printed circuits, but it is not beyond the scope of the invention using a only printed circuit board. These two printed circuits communicate each with an interface card, belonging to the second set of components.
  • step VI The calculations in step VI and the experience with the implementation of techniques complementary measures mentioned in step VIII to check that the system is likely to meet the specifications.
  • Validation tests under irradiation are first done on the first set of first components, with its shield. Then a test under irradiation of the complete system makes it possible to check the compliance of the entire system.
  • Figure 3 schematizes the system 20, showing on the one hand the various electronic cards interfaces respectively with full or nothing 31, all-or-nothing outputs 32, inputs 33 analog (connected to the flexible printed circuit 25), of analog outputs 34, of the interface 35 (connected to serial data transmission line), and the bus processor management interface card 37 (connected to the flexible printed circuit 23), as well as arrows 38 in double line representing traffic information between these various cards.
  • She shows also the power supply card 36 which provides the voltages required for the interfaces 31, 32, 33, 34, 35 and 37, as well as to module 21 via the circuits flexible prints 23 and 25.
  • FIG. 4A represents a microcontroller 40, a quartz 41 and a decoupling capacitor 42, mounted on a printed circuit 24 and connected by a flexible printed circuit 23 to the interface card 33, illustrated in Figure 3.
  • the clock quartz 41 and the power decoupling capacitor 42 must be connected as close as possible to the microcontroller 40.
  • Figure 4B shows a converter analog / digital 43, a decoupling capacitor 44 and an external voltage reference 45, mounted on a printed circuit 26 and connected by a printed circuit flexible 25 to the interface card 37, illustrated on the Figure 3.
  • the voltage reference circuit 45 and the supply decoupling capacitor 44 must be connected as close as possible to the analog / digital converter 43.
  • Figures 5A and 5B show an example of implementation of the shielding. 22.
  • This consists of two half-shells 50 and 51, which provide the protection components 40, 41, 42, 43, 44, 45.
  • These two half-shells constitute an armor, that one strives here to make isotropic for the attenuation of gamma rays.
  • the passage of flexible printed circuits 23 and 25, in shield input / output, has a baffle 52 preventing radiation from reaching directly said components.
  • Figure 5B shows schematically a top view of the two half-shells 50 and 51, held together by the screws 53, 54.
  • Figure 6 schematizes functionally the information exchange between components selectively shielded in the shield 22 and the rest of the system via interface cards 33 and 37.
  • a logic implanted on the interface card 37 relays the data signals, address and order according to a conventional scheme for a man of art through a classic 38 processor bus (background of basket).
  • a logic 70 of address decoding and data exchange On this bus 38 is connected a logic 70 of address decoding and data exchange.
  • This logic 70 controls the selection logic of a input among N of an analog multiplexer 72 of the type N: 1, connected to the N analog inputs via preamplifiers / conditioners 73, all made in technologies known as resistant.
  • the microcontroller program 40 command successively the conversion of analog input signals, by successive selection of these by means of multiplexer 72, then retrieves the result of this analog / digital conversion via the same logic of command 70 and the processor bus 38.
  • FIGS. 7A and 7B show a mode of mechanical embodiment of the invention.
  • a frame 90 made by a metal plate, is attached a frame 91, which constitutes the physical support of the system 20, with a motherboard 92 whose circuit printed vehicle signals the bus 38 as well as the analog lines attacking the 73 conditioners, and supply lines from map 36.
  • the motherboard 92 On the motherboard 92 are connected interface cards 37 of the processor bus, the card 33 which comprises the analog multiplexing assembly 70 to 73, and the other cards 31, 32, 34, 35 36 not detailed on this figure.
  • 95 cards are command cards non-detailed engines.
  • the shield 22 consists of a kind of recessed sphere 100 in Denial, composed of two half-shells 50 and 51, from which the printed circuits emerge 23 and 25 connected to cards 33 and 37.
  • This sphere 100 is held by two tori 98 in elastomer, made integral with a recessed plate 96 and four balusters 97.
  • the chosen elastomer is polyurethane.
  • the sphere 100 is thus placed on a first torus 98 made of elastomer, whose inner radius is chosen so that it does not come in contact with the support plane where this first torus rests 98, even at its maximum crash.
  • a second torus 98 identical is placed above the sphere 100.
  • This damping system ensures the maintenance of the whole on the frame 90, while ensuring the damping of the movements of the sphere 100 in case shock (for example in the event of a fall) or vibrations in the direction perpendicular to the plane of the frame 90.
  • This unit 10 and this computer 13 are interconnected by a fast link 15 of data transmission.
  • unit 10 is expected to reflexes such as emergency stop in case anomalies such as an excess of current consumed by a engine, or degraded operating modes, or autonomous.
  • reflexes such as emergency stop in case anomalies such as an excess of current consumed by a engine, or degraded operating modes, or autonomous.
  • the invention is applicable to any electronic system before operate under irradiation.
  • systems other than controls sensors intelligent or teletransmission systems.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Description

Domaine techniqueTechnical area

La présente invention concerne un système électronique fonctionnant sous irradiation, notamment X ou gamma, un procédé de conception d'un tel système, destiné à faire fonctionner ce système sous irradiation, tout en comportant des composants « vulnérables », c'est-à-dire intrinsèquement inaptes à fonctionner sous cette irradiation, et l'application de ce procédé à la commande d'un robot mobile.The present invention relates to a system electronic operating under irradiation, in particular X or gamma, a method of designing such a system, intended to operate this system under irradiation, while having components "Vulnerable", that is to say, intrinsically unfit for operate under this irradiation, and the application of this process to the control of a mobile robot.

Bien que l'unité de mesure légale pour les doses de radiations intégrées par les composants soit le Gray (Gy), les hommes de métier et la plupart des documents de référence expriment cette grandeur dans l'ancienne unité : le Rad. Dans la suite on utilisera donc cette seconde unité. Il est toutefois rappelé que : 100 Rad = 1 Gy.Although the legal unit of measure for doses of radiation incorporated by the components either Gray (Gy), tradesmen and most reference documents express this magnitude in the old unit: the Rad. In the following we will use so this second unit. However, he is reminded that: 100 Rad = 1 Gy.

On entend par circuits "vulnérables" des circuits électroniques qui ne supportent qu'une ou que quelques centaines de kRad, typiquement sous forme d'irradiations gamma ou neutronique telles qu'on les rencontre en ingénierie nucléaire. Généralement, ces circuits sont à très haut degré d'intégration (définis par le terme anglais VLSI (« Very Large Scale Integration ») et en technologie CMOS, bien que ces caractéristiques ne soient pas limitatives. Vulnerable circuits are defined as electronic circuits that support only one or a few hundred kRad, typically in form of gamma or neutron irradiation as they are meeting in nuclear engineering. Generally, these circuits have a very high degree of integration (defined by the English term VLSI (Very Large Scale Integration ") and in CMOS technology, although these characteristics are not limiting.

Ces circuits "vulnérables" sont les seuls à pouvoir réaliser des fonctions très complexes. On peut citer comme exemples des microcontrôleurs, des processeurs spécialisés dans le traitement de signaux ("Digital Signal Processor"), des ASICs ("Application Specific Integrated Circuits") ou des mémoires de grande capacité. Ils sont particulièrement adaptés à la réalisation de systèmes de commande embarqués sur télémanipulateurs de haute technologie ou sur robot mobile.These "vulnerable" circuits are the only ones can perform very complex functions. We can examples of microcontrollers, processors specialized in signal processing ("Digital Signal Processor"), ASICs ("Application Specific Integrated Circuits ") or big capacity. They are particularly adapted to the implementation of embedded control systems on high-technology or robot remote manipulators mobile.

L'invention est donc principalement développée pour la conception de systèmes de commande pour environnement nucléaire, qui sont actuellement les systèmes électroniques les plus performants travaillant dans cet environnement. C'est pourquoi ils sont pris comme exemple pour la description d'une réalisation privilégiée. Mais on ne sort pas du cadre de l'invention en l'appliquant à tout autre système électronique, dès lors que sa complexité rend avantageux l'usage de composants "vulnérables" à l'irradiation ambiante.The invention is therefore mainly developed for the design of control systems for nuclear environment, which are currently the most efficient electronic systems working in this environment. That's why they are taken as an example for the description of an achievement preferred. But we do not leave the framework of the invention by applying it to any other system electronics, since its complexity makes it advantageous the use of "vulnerable" components to ambient irradiation.

L'expression "système de commande" n'est pas considérée ici dans le sens très restreint souvent utilisé en ingénierie nucléaire, notamment en raison des performances très rudimentaires autorisées dans l'art connu, et dont quelques exemples sont fournis ci-après. Dans la suite, système de commande est utilisé dans le sens plus large qu'il a en automatique, à savoir : il a pour objet de recueillir des informations sur le système à commander, les traiter si besoin est (par exemple par filtrage numérique, par correction de non-linéarité), leur appliquer une ou plusieurs lois de commande numérique pouvant comporter des modes de fonctionnement autonomes aptes à des prises de décision, gérer les commandes des amplificateurs de puissance associés aux actionneurs, assurer des fonctions de sécurité et gérer, en cas de défaillance partielle, des modes de fonctionnement dégradés. Une telle commande peut aussi être apte à communiquer avec un dispositif de transmission d'informations, selon les possibilités des diverses configurations de travail (multiplexage, transmission hertzienne, ou tout autre moyen).The term "control system" is not considered here in the very restricted sense often used in nuclear engineering, in particular because of very rudimentary performances allowed in known art, and some examples of which are provided below. In the following, control system is used in the broader sense that it has in automatic, to know: its purpose is to gather information on the system to be ordered, process them if necessary (eg by digital filtering, correction of non-linearity), apply to them one or more laws of digital control which may include modes of autonomous functioning capable of taking decision, manage the controls of the amplifiers power associated with the actuators, ensure Security functions and manage, in case of failure partial, degraded modes of operation. A such order may also be able to communicate with an information transmission device, according to the possibilities of various work configurations (multiplexing, wireless transmission, or any other way).

Etat de la technique antérieureState of the art

Dans l'art connu, les systèmes électroniques, travaillant sous une telle irradiation et comportant de tels composants vulnérables sont essentiellement les systèmes de commande pour robots mobiles ou engins téléopérés. Ils peuvent être répartis en deux catégories, selon la dose de rayonnement qu'ils supportent.In the known art, electronic systems, working under such irradiation and with such vulnerable components are essentially the control systems for mobile robots or machines remotely operated. They can be divided into two categories, depending on the radiation dose they support.

Une première catégorie comporte des systèmes de commande pouvant correspondre à la définition ci-dessus, mais ne pouvant supporter en pratique plus de quelques kRad, exceptionnellement quelques dizaines de kRad.A first category includes systems of command that can match the definition above, but can not support in practice more than some kRad, exceptionally a few dozen kRad.

On peut citer comme exemple le robot mobile d'intervention « Andros », construit par Remotech, USA. L'électronique embarquée se compose d'un contrôleur standard constitué d'une carte microcontrôleur et de variateurs du commerce. Les commandes sont transmises par un cordon ombilical. Le système de commande est conventionnel, proche des commandes de type industriel, mais sa tenue aux radiations ne dépasse pas 1 à 10 kRad.An example is the mobile robot intervention "Andros", built by Remotech, USA. Embedded electronics consists of a controller standard consisting of a microcontroller board and commercial dimmers. Orders are transmitted by an umbilical cord. The control system is conventional, close to industrial type controls, but its resistance to radiation does not exceed 1 to 10 kRad.

Une seconde catégorie comporte des systèmes de commande très simplifiés, ne pouvant correspondre à la définition ci-dessus, mais pouvant supporter en pratique plusieurs dizaines de kRad, voire plusieurs centaines de kRad s'ils ne comportent pratiquement pas d'électronique et si leur commande est déportée à l'extrémité d'une liaison fil à fil.A second category includes systems of very simplified order, unable to match the definition above, but can support in practice dozens of kRad or more hundreds of kRad if they do not have of electronics and if their order is deported to the end of a wire-to-wire connection.

Un exemple est constitué par le robot mobile d'intervention « Oscar », pour lequel tous les signaux de commande sont transmis fil à fil par un cordon ombilical de diamètre important devant les dimensions du robot, et dont la longueur est nécessairement limitée.An example is the mobile robot "Oscar", for which all the signals are transmitted by wire to a wire large diameter umbilical in front of the dimensions of the robot, and whose length is necessarily limited.

Un autre exemple est constitué par le télémanipulateur assisté «RD 500» utilisé sur le site de La Hague dans les années 1990 : tous les signaux de commande sont transmis fil à fil par un cordon ombilical, et la commande proprement dite est déportée en zone non irradiée.Another example is the Assisted Remote Manipulator "RD 500" used on site of La Hague in the 1990s: all the signals of control are transmitted wire to wire by a cord umbilical, and the command itself is deported in non-irradiated area.

Plus généralement, cette seconde catégorie de systèmes de commande très simplifiés vise uniquement à :

  • acquérir une ou plusieurs mesures,
  • éventuellement les traiter de façon rudimentaire par un filtrage analogique simple (du premier ordre), ou dans le meilleur des cas par une numérisation sous 8 bits avec des temps de conversion longs (supérieurs à 10µs),
  • transmettre cette (ou ces) mesure(s) selon un protocole séquentiel figé, quand ce n'est pas directement fil à fil, ce qui pose alors le problème d'un cordon ombilical pénalisant par son diamètre, son poids, ou tout simplement son existence même (il rend impossible le franchissement d'un sas),
  • envoyer des consignes vers les amplificateurs de puissance qui n'appartiennent pas à proprement parler au système de commande.
More generally, this second category of very simplified control systems only aims at:
  • acquire one or more measures,
  • possibly treat them in a rudimentary way by simple (first-order) analog filtering, or in the best case by an 8-bit digitization with long conversion times (greater than 10 μs),
  • transmit this (or these) measure (s) according to a fixed sequential protocol, when it is not directly wire to wire, which poses then the problem of an umbilical cord penalizing by its diameter, its weight, or quite simply its existence itself (it makes impossible the crossing of an airlock),
  • send instructions to power amplifiers that do not belong to the control system as such.

Les systèmes de cette seconde catégorie ne peuvent réaliser des fonctions évoluées, performantes, ni être autonomes et sûrs, la sûreté supposant en effet l'existence de modes dégradés ou de redondances, ainsi que l'aptitude au fonctionnement autonome.Systems of this second category can perform advanced, high-performance functions, nor be autonomous and secure, since the security presupposes the existence of degraded modes or redundancies, than the ability to operate autonomously.

Il n'existe actuellement aucune solution permettant de faire fonctionner sous irradiation un système de commande tel que défini ci-dessus. La preuve en a été fournie dans le document référencé [3] qui mentionne le projet d'un robot mobile destiné à intervenir sur le site de Tchernobyl. Le cahier des charges demandait une tenue à 1 MRad et la solution retenue correspond à la seconde catégorie précitée, dans son expression la plus rudimentaire : absence totale d'électronique embarquée, toute l'électronique est déportée fil à fil par un cordon ombilical.There is currently no solution to operate under irradiation a control system as defined above. The proof has been provided in the referenced document [3] which mentions the project of a mobile robot intended to to intervene on the Chernobyl site. The notebook charges required a holding at 1 MRad and the solution retained corresponds to the second category mentioned above, in his most rudimentary expression: absence total on-board electronics, all electronics is deported wire to wire by an umbilical cord.

La réponse de l'homme de l'art est décrite dans le document référencé [4], au chapitre 4 consacré à la stratégie de conception. Elle ne comporte que quatre solutions :

  • A - le blindage des composants ou de l'équipement,
  • B - le choix de la localisation de l'équipement,
  • C - l'utilisation d'un équipement tolérant aux radiations déjà disponible commercialement,
  • D - la mise au point d'un équipement tolérant aux radiations.
  • The response of those skilled in the art is described in the document referenced [4], in Chapter 4 devoted to the design strategy. It has only four solutions:
  • A - the shielding of components or equipment,
  • B - the choice of the location of the equipment,
  • C - the use of radiation tolerant equipment already commercially available,
  • D - the development of a radiation tolerant equipment.
  • En pratique, elle se limite le plus souvent au blindage ou à la localisation déportée de l'électronique. On va ci-dessous examiner chacune de ces solutions :In practice, it is usually limited to shielding or remote location of electronics. Below we will examine each of these solutions:

    solution A, concernant le blindage :solution A, concerning the shielding:

    Certains composants ont un boítier conçu pour résister contre les rayonnements ionisants, mais il s'agit d'un blindage léger contre les SEUs ("Single Event Upsets") rencontrés par les satellites, qui sont des collisions accidentelles avec des particules extrêmement énergétiques, pouvant causer la destruction locale d'un microcomposant. Leur efficacité contre les rayonnements gamma est dérisoire, même si on la renforce par un écran métallique supplémentaire, car la dose cumulée de radiations gamma que doit supporter un satellite est relativement faible (environ 100 kRad pour toute sa durée de vie) et ne constitue pas un objectif pour le concepteur. L'homme du métier sait que, malgré l'appellation commune de "rayonnements ionisants", il s'agit en fait d'un problème différent de ceux rencontrés dans l'industrie nucléaire.Some components have a housing designed for resist against ionizing radiation, but it This is a light armor against the SEUs ("Single Event Upsets ") encountered by the satellites, which are accidental collisions with particles extremely energetic, can cause destruction local microcomponent. Their effectiveness against gamma radiation is derisory, even if it is reinforced by an extra metal screen because the cumulative dose of gamma radiation that a satellite is relatively weak (about 100 kRad for its entire lifetime) and does not constitute a goal for the designer. The skilled person knows whereas, despite the common name of "radiations ionizing ", this is actually a different problem of those encountered in the nuclear industry.

    Dans le domaine de l'industrie nucléaire, le blindage contre les rayonnements ionisants est constitué d'une épaisse couverture de métal lourd (par exemple du plomb ou du Dénal pour un rayonnement gamma), puisque l'atténuation apportée par ce blindage dépend de la masse atomique du matériau. Les courbes d'atténuation montrent que l'épaisseur doit dépasser plusieurs centimètres pour que le blindage soit significatif, et que cette épaisseur augmente très rapidement à mesure que l'on augmente la dose de rayonnement admissible. Ainsi, pour blinder au plomb le contrôle commande d'un pont roulant en fonctionnement sur un site industriel français (géré par un Automate Programmable Industriel), il a fallu recourir à un blindage d'environ une tonne de plomb, qui a nécessité un surdimentionnement coûteux de la structure du pont. Ce blindage a été calculé pour permettre à la commande de supporter 1 MRad. La commande a, de plus, dû être remplacée tous les ans, imposant une immobilisation de l'installation si coûteuse que l'exploitant a renoncé à cette solution et installé une commande déportée en zone non irradiée, avec liaison fil à fil.In the field of the nuclear industry, the shielding against ionizing radiation is consisting of a thick heavy metal blanket (by example of lead or denial for radiation gamma), since the attenuation provided by this shielding depends on the atomic mass of the material. The curves attenuation show that the thickness must exceed several centimeters for the armor to be significant, and that this thickness increases very quickly as one increases the dose of permissible radiation. So, to shield with lead the control of a traveling crane in operation on a French industrial site (managed by a PLC Programmable Industrial), it was necessary to resort to a shielding about one tonne of lead, which required an expensive overdimensioning of the bridge structure. This shield has been calculated to allow the order to support 1 MRad. The order has, moreover, had to be replaced every year, imposing a capital the costly installation that the operator has given up this solution and installed a remote command in non-irradiated area, with wire to wire connection.

    Cette solution de blindage, qui apparaít trop pesante pour un équipement lourd, le serait infiniment plus pour un engin mobile dont le poids est toujours critique, en particulier si on envisage de lui faire gravir un escalier en caillebotis pour intervenir dans une centrale nucléaire à la suite d'un éventuel incident technique. Outre son effet direct, le poids d'un blindage représente aussi un problème incontournable lorsqu'on examine l'énergie potentielle mise en jeu lors d'un choc, d'une chute ou de la descente d'une marche. Soit par exemple un blindage d'une tonne, dont on a vu qu'il est notoirement insuffisant, si l'engin mobile descend brutalement une marche de 10 cm, et que l'énergie correspondante mgh est absorbée par un dispositif élastique de raideur k, s'écrasant d'un cm, on peut écrire : mgh = ½ Fx, où F= kx, avec x=10-2 m et h = 10-1 m, alors : F = 2.10 8 N, ce qui correspond à une accélération de 2.10 5 g.This shielding solution, which seems too heavy for heavy equipment, would be infinitely more for a mobile machine whose weight is always critical, especially if it is planned to make him climb a slatted staircase to intervene in a nuclear power plant at the same time. following a possible technical incident. In addition to its direct effect, the weight of a shield is also an unavoidable problem when considering the potential energy involved during a shock, a fall or the descent of a step. For example, a one-ton shield, which has been known to be insufficient, if the mobile machine suddenly descends a step of 10 cm, and the corresponding energy mgh is absorbed by an elastic stiffness device k , crashing by one cm, we can write: mgh = ½ Fx, where F = kx, with x = 10 -2 m and h = 10 -1 m, then: F = 2.10 8 N, which corresponds to an acceleration of 2.10 5 g.

    On voit clairement que la suspension d'une telle masse (système de commande + blindage) placée sur un engin mobile devient un problème insoluble en pratique.It is clear that the suspension of a such mass (control system + shielding) placed on a mobile machine becomes an insoluble problem in convenient.

    Solution B, concernant la localisation déportée de l'électronique :Solution B, concerning the remote location of electronics:

    Par définition, elle est contraire au problème posé qui consiste à faire fonctionner un système de commande sous irradiation.By definition, it is contrary to the problem posed to operate a system of control under irradiation.

    • Solution C, recourant à un équipement tolérant aux radiations, disponible dans le commerce : • Solution C, using commercially available radiation tolerant equipment:

    Par définition, elle est contraire au problème posé qui consiste à faire fonctionner sous irradiation un véritable système de commande, dans le sens défini ci-dessus, alors que les systèmes commercialement disponibles sont beaucoup trop rudimentaires pour répondre au problème posé.By definition, it is contrary to the problem posed to operate under irradiation a real control system, in the defined sense above, while commercially available are far too rudimentary for to answer the problem.

    • Solution D, visant à concevoir un système de commande durci : • Solution D, aimed at designing a hardened control system:

    Le durcissement consiste essentiellement à remplacer les circuits MOS par leurs équivalents, lorsqu'ils existent, en technologie durcie (SOS, SOI, DMILL, etc...). Cependant les trois technologies SOS, SOI et DMILL restent peu diffusées commercialement, d'où une offre de composants pauvres, aussi bien en terme de diversité de produits qu'en terme de performances. A titre d'exemple pour les microcontrôleurs, les produits durcis actuellement disponibles ont des fonctionnalités et des performances correspondant à un retard technologique de l'ordre de 20 ans par rapport aux composants non durcis : ils ne possèdent pas de mémoire à accès aléatoire, et leurs fonctionnalités et jeux d'instructions sont difficilement compatibles avec un système de commande tel que défini ci-dessus. Leur tenue à l'irradiation est d'environ 300 kRad, soit une amélioration d'un facteur 10 environ par rapport à un composant standard, un peu plus par rapport à un modèle particulièrement vulnérable. Seule se démarque la technologie DMILL qui permet d'atteindre 10 MRad. Néanmoins, elle ne permet pas la réalisation de mémoire réinscriptibles. En outre l'offre commerciale est extrêmement limitée et nécessite, pour sa mise en oeuvre, le développement d'ASICs, ce qui impose des contraintes incompatibles en pratique avec la réalisation d'une commande de robot mobile.Hardening is essentially about replace the MOS circuits with their equivalents, when they exist, in hardened technology (SOS, SOI, DMILL, etc ...). However the three technologies SOS, SOI and DMILL remain poorly distributed commercially, hence a supply of poor components, both in terms of product diversity in terms of performance. AT example for microcontrollers, products hardened currently available have features and performance corresponding to a technological delay of the order of 20 years compared to the components uncured: they do not have access memory random, and their features and instruction sets are hardly compatible with a system of command as defined above. Their dress the irradiation is about 300 kRad, ie one improvement by a factor of about 10 compared to a standard component, a bit more compared to a model particularly vulnerable. Only technology stands out DMILL that achieves 10 MRad. However, it does not allow the realization of memory rewritable. In addition, the commercial offer is extremely limited and requires, for its the development of ASICs, which imposes incompatible constraints in practice with the realization of a mobile robot control.

    Le durcissement de l'électronique est de plus en plus difficile à réaliser à mesure que la dose d'irradiation à supporter croít. En outre, comme le montre le document [5], passé un seuil d'environ 1 kRad (limite basse de l'électronique conventionnelle sous irradiation), le coût du durcissement croít avec le débit de dose dans des proportions ne permettant pas d'envisager d'atteindre ou de dépasser 1 MRad. The hardening of the electronics is more in addition difficult to achieve as the dose irradiation to bear growing. In addition, as the shows the document [5], passed a threshold of about 1 kRad (low limit of conventional electronics under irradiation), the cost of hardening increases with dose rate in proportions that do not allow to consider reaching or exceeding 1 MRad.

    Pour conclure, les systèmes de commande actuels n'offrent donc que des fonctions rudimentaires, exécutées à faible cadence, sans possibilité d'améliorer significativement ni leurs performances ni leur fiabilité. La cadence d'acquisition des informations des capteurs est si faible qu'elle interdit toute possibilité de retour d'effort, qui serait pourtant indispensable pour l'exécution de certaines tâches en téléopération.To conclude, the current control systems therefore only offer rudimentary functions, performed at low speed, without possibility significantly improve neither their performance nor their reliability. The rate of acquisition of sensor information is so weak that it forbids any possibility of return of effort, which would be essential for the execution of certain tasks in teleoperation.

    Le niveau d'autonomie conféré par de telles commandes est très faible : on peut parler en pratique de systèmes téléopérés. Or bien des applications nucléaires ne peuvent se contenter d'une téléopération. Un engin radiocommandé, par exemple, doit pouvoir, en cas de problème de transmission, prendre une décision autonome (par exemple revenir à la position précédant la perte de communication). Un autre exemple bien connu consiste à introduire, via un sas, un robot mobile dans une centrale nucléaire après un accident ayant abouti à la fuite de matière nucléaire à l'intérieur du bâtiment. On sait introduire le robot, mais le respect de l'étanchéité interdit de lui transmettre les commandes par câble. Le robot doit donc alors impérativement se déplacer de manière autonome vers l'un de ces points, ce qui est actuellement impossible à réaliser.The level of autonomy conferred by such orders is very low: we can speak in practice teleoperated systems. But many applications can not be satisfied with teleoperation. For example, a radio-controlled machine must be able, in case of transmission problem, make a decision autonomous (eg return to the previous position loss of communication). Another well-known example consists in introducing, via an airlock, a mobile robot into a nuclear power plant after an accident that resulted in the leakage of nuclear material inside the building. We know how to introduce the robot, but respect of sealing forbids him to transmit the cable controls. The robot must then must move autonomously towards one of these points, which is currently impossible to achieve.

    Cet état de l'art peut se résumer au récent projet de construction d'un robot mobile "Pioneer" pour intervention sur le site de Tchernobyl. Le cahier des charges imposait de supporter une dose cumulée de 1 MRad. Aucune industrie, aucun laboratoire de recherche n'a pu proposer un système de commande embarqué répondant au besoin. Dans le dispositif actuellement à l'étude, toutes les consignes seront ramenées en fil à fil vers un poste de commande déporté.This state of the art can be summed up in the recent project to build a mobile robot "Pioneer" for intervention on the Chernobyl site. The notebook charges required to support a cumulative dose of 1 MRad. No industry, no research laboratory could not offer an embedded control system responding to the need. In the device currently at the study, all the instructions will be brought back to wire to a remote control station.

    La présente invention a pour objet un système électronique fonctionnant sous irradiation, notamment X ou gamma, un procédé de conception d'un tel système et son application préférentielle à un système de commande de robot mobile fonctionnant sous cette irradiation.The present invention relates to a system electronic operating under irradiation, in particular X or gamma, a method of designing such a system and its preferential application to a control system mobile robot operating under this irradiation.

    Exposé de l'inventionPresentation of the invention

    La présente invention concerne un procédé de conception de systèmes électroniques aptes à fonctionner sous irradiation, qui comporte les étapes suivantes :

  • I. énumérer l'ensemble des fonctions que doit réaliser le système.
  • II. déterminer les composants électroniques aptes à réaliser physiquement ces fonctions, en accordant la préférence aux modèles ayant le plus fort taux d'intégration.
  • III. déterminer le volume de composants qu'il est possible de protéger par des moyens de protection dénommés blindage, en tenant compte de la dose d'irradiation que doit supporter le système, du poids maximal admissible, du matériau choisi pour ce blindage, ainsi que de la distance à laquelle les composants sélectivement protégés par ce blindage pourront être des autres composants non blindés.
  • IV. établir une liste des composants les plus vulnérables en tenant compte d'abord de leur technologie, puis de leur degré d'intégration, en associant à chacun de ces composants les composants qui doivent être implantés à leur proximité immédiate, s'il en existe, et en plaçant en premier le composant le plus vulnérable, puis en second celui dont la vulnérabilité est un peu moins élevée, et ainsi de suite, éventuellement en plaçant plusieurs circuits de vulnérabilités identiques.
  • V. sélectionner à partir de la liste de l'étape précédente, un ensemble de composants, en commençant par les composants les plus vulnérables, en limitant cet ensemble aux composants qui peuvent, de par leurs dimensions, être implantés dans le volume défini lors de l'étape III.
  • VI. éxaminer si les composants de cet ensemble peuvent réaliser des fonctions cohérentes, et ne communiquer avec le reste du système que par un nombre raisonnable de fils, qui transmettent des signaux aptes à parcourir sans être altérés la distance prévue à l'étape III entre les composants sélectivement protégés et les autres composants ; si toutes ces conditions ne sont pas simultanément remplies, modifier par itération la liste des composants pour obtenir ce résultat, sans excéder le volume défini à l'étape III ; si toutes ces conditions sont simultanément remplies, aller à l'étape suivante, l'ensemble de composants ainsi obtenu étant dénommé "premier ensemble de premiers composants", et les autres composants étant dénommés "second ensemble de seconds composants".
  • VII. concevoir l'implantation physique du premier ensemble de premiers composants, concevoir le blindage, constitué d'au moins un matériau absorbant pour les rayonnements, disposé autour de ce premier ensemble de composants, et concevoir, entre le premier ensemble de composants et le second, des moyens de connexion agencés pour ne pas former de chemin de pénétration pour les rayonnements ambiants.
  • VIII. concevoir l'implantation physique du second ensemble de composants, évaluer la dose de rayonnements qu'ils auront effectivement à supporter, et si nécessaire, utiliser une technique complémentaire pour améliorer leur aptitude au fonctionnement sous irradiation par une technique autre que le blindage.
  • IX. évaluer si la solution au problème posé est obtenue ou non : si elle n'est pas obtenue, modifier les paramètres de l'étape III (poids et nature du matériau du blindage, dose maximale d'irradiation acceptable, distance entre le premier ensemble de composants et le second), et réitérer le processus à partir de cette étape III ; si oui considérer que la partie de conception pure est achevée, et éventuellement lancer la partie expérimentale de l'étape X.
  • X. valider la conception en réalisant un prototype conforme aux étapes de conception ci-dessus, au moins en ce qui concerne le premier ensemble de composants, mis en place dans ses moyens de protection (blindage), et effectuer des essais d'irradiation ; si ces essais ne sont pas conformes aux spécifications, modifier les paramètres de l'étape III (poids et nature du matériau du blindage, ou éventuellement dose maximale d'irradiation acceptable), et réitérer le processus à partir de cette étape III, cette étape X étant facultative.
  • The present invention relates to a method for designing electronic systems capable of operating under irradiation, which comprises the following steps:
  • I. list all the functions that the system must perform.
  • II. determine the electronic components capable of physically performing these functions, giving preference to the models having the highest integration rate.
  • III. determine the volume of components that can be protected by shielding means, taking into account the irradiation dose to be borne by the system, the maximum permissible weight, the material chosen for the shielding, and the distance at which the components selectively protected by this shielding may be other unshielded components.
  • IV. establish a list of the most vulnerable components, taking into account first of all their technology, then their degree of integration, by associating with each of these components the components that must be implanted in their immediate vicinity, if they exist, and by first placing the most vulnerable component, then second the vulnerability of which is a little lower, and so on, possibly by placing several identical vulnerability circuits.
  • V. select from the list of the previous step, a set of components, starting with the most vulnerable components, limiting this set to the components that can, by their dimensions, be implanted in the volume defined during step III.
  • VI. examine whether the components of this set can perform coherent functions, and communicate with the rest of the system only by a reasonable number of wires, which transmit signals able to travel without being altered the distance provided in step III between the components selectively protected and other components; if all these conditions are not simultaneously fulfilled, iteratively modifies the list of components to obtain this result, without exceeding the volume defined in step III; if all these conditions are simultaneously fulfilled, go to the next step, the set of components thus obtained being referred to as "first set of first components", and the other components being referred to as "second set of second components".
  • VII. designing the physical layout of the first set of first components, designing the shielding, consisting of at least one absorbent material for the radiation, arranged around this first set of components, and designing, between the first set of components and the second, connecting means arranged to not form a penetration path for ambient radiation.
  • VIII. conceive the physical implantation of the second set of components, evaluate the dose of radiation that they will actually have to bear, and if necessary, use a complementary technique to improve their ability to operate under irradiation by a technique other than shielding.
  • IX. evaluate whether the solution to the problem posed is obtained or not: if it is not obtained, modify the parameters of step III (weight and nature of the shielding material, acceptable maximum irradiation dose, distance between the first set of components and the second), and repeat the process from this step III; if yes consider that the pure design part is completed, and possibly start the experimental part of step X.
  • X. validate the design by producing a prototype in accordance with the design steps above, at least as regards the first set of components, installed in its shielding means, and perform irradiation tests; if these tests do not conform to the specifications, modify the parameters of step III (weight and nature of the shielding material, or possibly the maximum acceptable irradiation dose), and repeat the process from this step III, this step X being optional.
  • On ne sort pas de l'invention en réalisant certaines étapes de manière implicite et plus ou moins simultanée, mais remplissant de fait la même fonction. C'est notamment le cas des étapes IV, V, VI qu'une personne expérimentée peut effectuer "au juger", sans nécessairement découper son travail en étapes élémentaires, comme il a été fait ici par souci de clarté. De même, on ne sort pas du cadre de l'invention si on n'effectue pas l'étape X.We do not leave the invention realizing some steps implicitly and more or less simultaneous, but in fact fulfilling the same function. This is particularly the case for steps IV, V, VI experienced person can perform "to judge" without necessarily cut his work into stages elementary, as it has been done here for the sake of clarity. Similarly, it is not beyond the scope of the invention if you do not do step X.

    L'étape II, qui conduit à choisir de préférence des circuits fonctionnellement très riches, a pour conséquence de limiter les fonctionnalités à assurer par les autres composants du système. Ceci facilite le recours à d'autres techniques que le blindage pour assurer leur protection.Step II, which leads to choose preferably functions that are functionally very rich, consequence of limiting the features to be ensured by the other components of the system. This facilitates use of techniques other than shielding for ensure their protection.

    L'étape III fait intervenir les paramètres qui dimensionnent la protection. Le blindage lui même est réalisé selon l'état de l'art, notamment en ce qui concerne le matériau qui doit être adapté à la nature des rayonnements considérés. Step III involves the parameters that dimension the protection. The armor itself is carried out according to the state of the art, in particular with relates to the material that needs to be adapted to the nature radiation considered.

    L'étape IV mentionne une liste des composants les plus vulnérables en tenant compte d'abord de leur technologie, puis de leur degré d'intégration. Une personne expérimentée ou s'aidant des informations du constructeur, peut établir une première hiérarchie dans l'aptitude des composants à tolérer une certaine dose d'irradiation. Toutefois, si l'on veut être rigoureux et tenir compte des différences de comportement des circuits selon l'énergie des rayonnements, leur intensité et leur répartition dans le temps, il est particulièrement avantageux d'effectuer des essais.Step IV mentions a list of components the most vulnerable by first taking into account their technology, then their degree of integration. A experienced person or with the help of information from constructor, can establish a first hierarchy in the ability of the components to tolerate a certain dose irradiation. However, if one wants to be rigorous and take into account differences in the behavior of circuits according to the energy of the radiation, their intensity and their distribution over time, it is particularly advantageous to carry out tests.

    L'étape V définit des composants destinés à être sélectivement protégés, qui sont des composants performants et riches de fonctions pour lesquels il est impossible de trouver, dans les gammes industrielles usuelles, des équivalents résistants aux radiations. L'exemple type est un microcontrôleur en technologie CMOS à très haute intégration (VLSI), comportant sur une seule « puce » de semi-conducteur : unité centrale, mémoires, entrées/sorties, chien de garde, etc.... On ne retient de la liste du paragraphe précédent que les composants, en commençant par les plus vulnérables, qui peuvent être implanté dans le volume défini au paragraphe III. Les composants qui doivent être physiquement très proches des ces composants, comme par exemple le quartz d'horloge d'un microcontrôleur ou des condensateur(s) de découplage, leurs sont associés et sont a priori retenus de la même manière. Néanmoins on ne sort pas du cadre de l'invention en renonçant à protéger ces composants annexes. Step V defines components for be selectively protected, which are components performing and rich of functions for which he is impossible to find, in the industrial ranges usual radiation-resistant equivalents. The typical example is a microcontroller in technology CMOS with very high integration (VLSI), including on a single "chip" semiconductor: CPU, memories, inputs / outputs, watchdog, etc. retains from the list in the previous paragraph that the components, starting with the most vulnerable, who can be implemented in the volume defined in paragraph III. The components that must be physically very close to these components, as example the clock quartz of a microcontroller or decoupling capacitor (s), are associated with them and are a priori retained in the same way. Nevertheless we does not depart from the scope of the invention by giving up protect these ancillary components.

    S'il est impératif de protéger plus de composants que ce que le blindage peut contenir, il existe deux autres possibilités qui peuvent être mise en oeuvre tout en restant conforme à l'invention :

    • combiner ces composants par voie d'implantation ou d'« hybridation » (montage compact de puces électroniques) pour les protéger par un unique blindage,
    • affecter à la protection contre le rayonnement plusieurs blindages renfermant des composants sélectivement protégés.
    If it is imperative to protect more components than the shield can contain, there are two other possibilities that can be implemented while remaining in accordance with the invention:
    • combine these components by implantation or "hybridization" (compact assembly of electronic chips) to protect them by a single shielding,
    • assign to the radiation shield several shields containing selectively protected components.

    Il peut exister des difficultés pour évacuer la chaleur générée par le fonctionnement de ces composants. Dans ce cas, on ne sort pas de l'invention en incorporant entre ces composants et le blindage un produit électriquement isolant mais thermiquement conducteur, afin d'évacuer la chaleur par le blindage.There may be difficulties in evacuating the heat generated by the operation of these components. In this case, we do not leave the invention by incorporating between these components and the shielding a electrically insulating but thermally conductor, in order to evacuate the heat through the shielding.

    L'étape VI constitue une validation des composants sélectionnés à l'étape précédente, en envisageant les contraintes liées au fonctionnement de l'électronique : notamment, le nombre et la bande passante des signaux devant circuler entre les composants destinés à être sélectivement protégés par blindage et ceux destinés à ne pas l'être. Néanmoins, on s'efforce pour ces seconds composants d'améliorer leur tolérance aux rayonnements par toute autre technique que le blindage (voir étape VIII).Step VI constitutes a validation of components selected in the previous step, considering the constraints related to the functioning of electronics: in particular, the number and the band passing signals to circulate between components intended to be selectively protected by shielding and those intended not to be. However, we strive for these second components to improve their tolerance to radiation by any other as shielding (see step VIII).

    L'étape VII comporte la réalisation des moyens de protection ou blindage. Une réalisation préférentielle du blindage est constituée de deux demi-coques solidarisées par des vis, disposées de manière à minimiser leur incidence sur la protection des composants. Les connections avec le second ensemble de composants peuvent avantageusement s'effectuer par un circuit imprimé souple, qui suit une chicane dont est pourvu le blindage à son entrée/sortie, pour éviter la pénétration des rayonnements.Stage VII involves the realization of the means protection or shielding. A realization preferential shielding consists of two half-shells secured by screws, arranged so as to minimize their impact on the protection of components. Connections with the second set of components can advantageously be carried out by a flexible circuit board, which follows a chicane which is provided the shield at its entry / exit, to avoid the radiation penetration.

    Dans un mode de réalisation avantageux ce blindage est relié au reste du système :

    • mécaniquement par une suspension amortissante,
    • électriquement par des connexions suffisamment souples pour prendre en compte les déplacements dus à cette suspension mécanique.
    In an advantageous embodiment this shielding is connected to the rest of the system:
    • mechanically by a damping suspension,
    • electrically by sufficiently flexible connections to take into account the displacements due to this mechanical suspension.

    L'étape VIII mentionne des techniques de protection autres que le blindage, par exemple des procédés de gestion du fonctionnement de ces composants par redondances et/ou optimisation des tensions d'alimentation tels que décrits dans les documents [1] et [2], permettant d'allonger significativement leur durée de vie. Un autre exemple est l'utilisation de chronogrammes d'enchaínement des actions (en particulier au niveau de la logique) dont les fourchettes temporelles sont suffisamment larges pour rendre leur fonctionnement tolérant vis à vis des dérives temporelles qui peuvent résulter de l'irradiation.Step VIII mentions techniques of other than shielding, for example methods of managing the operation of these components by redundancy and / or optimization of tensions as described in documents [1] and [2], allowing to significantly lengthen their lifetime. Another example is the use of chronograms of sequence of actions (in particularly at the logic level) whose temporal ranges are wide enough to make their operation tolerant towards temporal drifts that may result from irradiation.

    Brève description des dessinsBrief description of the drawings

    • La figure 1 est un organigramme retraçant les diverses étapes du procédé de l'invention,Figure 1 is a flowchart depicting the various steps of the process of the invention,
    • le figure 2 représente schématiquement le système électronique de l'invention,Figure 2 schematically represents the electronic system of the invention,
    • la figure 3 est un schéma synoptique de l'interface représentée sur la figure 2, qui dans la réalisation décrite comporte plusieurs cartes électroniques montées dans une baie,Figure 3 is a block diagram of the interface shown in Figure 2, which in the described embodiment has several cards mounted in a bay,
    • les figures 4A et 4B représentent une implantation de l'ensemble des premiers composants,Figures 4A and 4B show a implementation of all the first components,
    • les figures 5A et 5B représentent deux vues en coupe du blindage, montrant de profil l'ensemble des premiers composants illustrés sur les figures 4A et 4B,Figures 5A and 5B show two views in section of the armor, showing in profile all first components illustrated in FIGS. 4A and 4B,
    • la figure 6 schématise fonctionnellement les échanges d'information entre les composants sélectivement protégés dans le blindage 22 et le reste du système, via les cartes d'interface 33 et 37,Figure 6 schematizes functionally the information exchange between components selectively shielded in the shield 22 and the rest of the system, via interface cards 33 and 37,
    • les figures 7A et 7B illustrent un mode de réalisation mécanique de l'invention ; la figure 7A montrant l'agencement général et la figure 7B montrant un montage mécanique amortisseur de chocs et/ou vibrations pour la partie blindée,FIGS. 7A and 7B illustrate a mode of mechanical realization of the invention; Figure 7A showing the general arrangement and Figure 7B showing a shock absorber mechanical mounting and / or vibrations for the armored part,
    • la figure 8 situe le système de commande selon l'invention dans le contexte global de son utilisation.Figure 8 shows the control system according to the invention in the overall context of its use.
    Exposé détaillé d'un mode de réalisation particulierDetailed presentation of a particular embodiment

    Dans la suite de la description on considère, à titre d'exemple, une application privilégiée de l'invention constituée par un système de contrôle commande pour robot mobile apte à fonctionner dans un milieu irradié, et devant supporter 1 MRad.In the rest of the description, we consider As an example, a privileged application of the invention constituted by a control system command for mobile robot able to operate in a irradiated medium, and having to support 1 MRad.

    L'application du procédé de l'invention, décrite ci-dessous, est faite conformément à l'organigramme de la figure 1, retraçant les diverses étapes du procédé de conception. Si ce procédé aboutit au terme d'une première itération à un résultat incompatible avec les paramètres initiaux, une seconde itération est alors entreprise après modification de ces paramètres.The application of the process of the invention, described below, is made in accordance with the flowchart in Figure 1, tracing the various steps of the design process. If this process succeeds after a first iteration to a result incompatible with the initial parameters, a second iteration is then undertaken after modification of these parameters.

    Première itérationFirst iteration Etape I - Fonctions du système de contrôle commandeStep I - Control System Functions

    La liste des fonctions à réaliser pour la commande envisagée comporte les cinq familles suivantes :

    • acquisition de mesures capteur et traitement analogique ou numérique, par exemple :
      • six mesures analogiques de courant moteur,
      • deux mesures analogiques de température,
      • une mesure analogique de courant batterie,
      • une mesure analogique de mesure de référence de tension,
      • dix entrées TOR de conformité commande relais (TOR :Tout Ou Rien),
      • cinq entrées TOR divers ;
    • envois de commandes, par exemple :
      • six commandes analogiques de moteur,
      • dix sorties TOR de commande de relais,
      • cinq sorties TOR annexes ;
    • communication via un lien série « full duplex » avec le poste de commande :
      • interprétation des messages reçus,
      • émission de messages,
      • contrôle de la conformité des messages ;
    • contrôle du fonctionnement du robot :
      • contrôle des actions du robot,
      • interprétation de la mesure des capteurs de sécurité,
      • gestion de modes de sécurité (thermique,
      sur courant moteur, dérives de mesure) ;
    • gestion de mode dégradé ou de mode autonome (perte de communication, actions autonome...).
    The list of functions to be performed for the proposed order includes the following five families:
    • acquisition of sensor and analog or digital processing measurements, for example:
      • six analog motor current measurements,
      • two analog temperature measurements,
      • an analog battery current measurement,
      • an analog measurement of voltage reference measurement,
      • ten relay command compliant digital inputs (Discrete: All or Nothing),
      • five different digital inputs;
    • shipments of orders, for example:
      • six analog motor controls,
      • ten relay control digital outputs,
      • five separate digital outputs;
    • communication via a "full duplex" serial link with the control station:
      • interpretation of messages received,
      • sending messages,
      • checking the conformity of messages;
    • control of the operation of the robot:
      • control of the actions of the robot,
      • interpretation of the measurement of the safety sensors,
      • management of security modes (thermal,
      motor current, measuring drifts);
    • management of degraded mode or autonomous mode (loss of communication, autonomous actions ...).

    Etape II - Composants électroniques du systèmeStep II - Electronic Components of the System

    L'analyse fonctionnelle du contrôleur du robot conduit à rechercher des composants comportant :

    • amplificateurs de ligne ("driver" en anglais), décodage d'adresse, logique trois états,
    • convertisseur analogique/numérique, filtres analogiques, amplificateurs analogiques,
    • convertisseurs numérique/analogique,
    • composants logiques TOR, relais.
    The functional analysis of the robot controller leads to search for components comprising:
    • line amplifiers ("driver"), address decoding, three-state logic,
    • analog / digital converter, analog filters, analog amplifiers,
    • digital-to-analog converters,
    • discrete logic components, relays.

    Le choix des composants électroniques à proprement parler est orienté vers les composants ayant le plus fort taux d'intégration possible, soit :

    • un contrôleur 40 (comportant le processeur, une mémoire de code, une mémoire RAM ("Random Access memory"), un circuit UART ("Universal Asynchronous Receiver Transmitter"), un gestionnaire de bus, un chien de garde, et des performances élevées en rapidité de calcul),
    • un convertisseur analogique/numérique 43 (incluant référence de tension, échantillonneur/bloqueur, logique fonctionnant en mode trois états, signaux de contrôle, performances élevées en termes de résolution et de temps d'acquisition),
    • des amplificateurs opérationnels (filtrage et amplification),
    • des convertisseurs numérique/ analogiques incluant une référence de tension,
    • des composants logiques TTL (amplificateurs de ligne, décodage d'adresse, logique trois états, composants logiques TOR) de type ALS,
    • des composants passifs,
    • des relais électromécaniques.
    The choice of the actual electronic components is oriented towards the components with the highest possible integration rate, namely:
    • a controller 40 (comprising the processor, a code memory, a RAM ("Random Access memory"), a UART ("Universal Asynchronous Receiver Transmitter") circuit, a bus manager, a watchdog, and high performance in speed of calculation),
    • an analog / digital converter 43 (including voltage reference, sampler / blocker, logic operating in tri-state mode, control signals, high performance in terms of resolution and acquisition time),
    • operational amplifiers (filtering and amplification),
    • digital-to-analog converters including a voltage reference,
    • TTL logic components (line amplifiers, address decoding, three-state logic, discrete logic components) of the ALS type,
    • passive components,
    • electromechanical relays.

    Le microcontrôleur et le convertisseur analogique/numérique sont en technologie CMOS à faible consommation et faible bruit, mais leur technologie les rend très fragiles aux radiations. Ces deux composants n'ont pas d'équivalent insensible ou peu sensible au rayonnement.The microcontroller and the converter analog / digital are in low CMOS technology consumption and low noise but their technology the makes it very fragile to radiation. These two components have no insensitive or insensitive equivalent to radiation.

    Pour les autres composants, on retient dans la mesure du possible des composants en technologie bipolaire ou JFET aptes à supporter une irradiation gamma.For the other components, we retain in the possible components of technology bipolar or JFET capable of withstanding irradiation gamma.

    La démarche proposée dans le procédé de l'invention va à l'encontre de celle de l'homme de l'art qui utiliserait des composants peu sophistiqués de préférence durcis. Dans l'invention, on accepte de réaliser des fonctions (liées au processeur et ses périphériques) qui n'existent qu'en technologie MOS, très sensible aux radiations. L'homme de l'art utiliserait au mieux des composants en technologie durcie (SOI, SOS) pour réaliser ces fonctions. Or il n'existe pas de microcontrôleur industriel durci ayant un niveau d'intégration équivalent à ceux des technologies CMOS classiques, et qui pourrait assurer l'ensemble de ces fonctions. Les conséquences seraient alors de plusieurs ordres :

    • le niveau de dose tolérable reste inférieur à 300 kRad pour la plupart des composants durcis (donnée imposée par les besoins du marché spatial, sans intérêt pour le nucléaire), ce qui revient à dire que le problème posé ne pourrait être résolu ;
    • même avec une durée de vie n'excédant pas le tiers de la durée de vie spécifiée, les performances générales du système seraient inférieures de plusieurs ordres de grandeur, c'est-à-dire de dix fois à plus de cent fois selon le paramètre considéré : puissance de calcul du processeur, taille de la mémoire, débit des liaisons séries, temps de cycle processeur, vitesse du bus.
    The approach proposed in the process of the invention runs counter to that of those skilled in the art who would use unsophisticated components preferably hardened. In the invention, it is accepted to perform functions (related to the processor and its peripherals) that exist only in MOS technology, very sensitive to radiation. Those skilled in the art would best use hardened technology components (SOI, SOS) to perform these functions. However, there is no hardened industrial microcontroller having an integration level equivalent to those of conventional CMOS technologies, and which could provide all of these functions. The consequences would then be of several kinds:
    • the tolerable dose level remains below 300 kRad for most hardened components (data dictated by the needs of the space market, with no interest for nuclear power), which means that the problem posed can not be solved;
    • even with a service life not exceeding one-third of the specified life, the overall system performance would be several orders of magnitude less, ie, ten times to more than a hundred times depending on the parameter. considered: computing power of the processor, size of the memory, flow of the serial links, processor cycle time, bus speed.

    Etape III - Détermination du volume disponibleStep III - Determining the available volume

    Pour la détermination du volume utile, les paramètres sont :

    • le poids maximal admissible pour le blindage : par exemple 10 kg ;
    • le matériau : par exemple pour le rayonnement gamma considéré, on choisit le Dénal, alliage de tungstène ; lors de l'étape III le plomb et le Dénal sont envisagés pour apprécier l'intérêt du Dénal par rapport au plomb, mais on ne fera pas d'itération avec le plomb pour ne pas alourdir inutilement l'exposé ;
    • la dose d'irradiation tolérable : par exemple 1 MRad ;
    • la distance entre les deux ensembles de composants : par exemple moins de 2 dm.
    For the determination of the useful volume, the parameters are:
    • the maximum permissible weight for the shielding: for example 10 kg;
    • the material: for example for the gamma radiation considered, the Denal, tungsten alloy is chosen; during step III lead and Denal are considered to appreciate the interest of the Dénal compared to lead, but it will not be iterated with lead so as not to unnecessarily burden the presentation;
    • the tolerable irradiation dose: for example 1 MRad;
    • the distance between the two sets of components: for example less than 2 dm.

    On en déduit par exemple la possibilité de protéger un volume limité à : (1 = 20 mm) × (L = 20 mm) × (h = 10 mm). For example, the possibility of protecting a volume limited to: (1 = 20 mm) × (L = 20 mm) × (h = 10 mm).

    Etape IV - Classification des composants par vulnérabilitéStep IV - Classification of components by vulnerability

    Les connaissances théoriques, enrichies par l'expérience, ont conduit à la liste suivante :

    • convertisseur analogique numérique : 20 kRad,
    • microcontrôleur : environ 50 kRad,
    • convertisseur numérique/analogique : >1 MRad,
    • amplificateur opérationnel : >1MRad,
    • composants logiques TTL : >1MRad en respectant des règles de mise en oeuvre (voir étape VIII),
    • composants passifs : environ 100 MRad,
    • relais : > 1MRad.
    Theoretical knowledge, enriched by experience, led to the following list:
    • analog digital converter: 20 kRad,
    • microcontroller: about 50 kRad,
    • digital-to-analog converter:> 1 MRad,
    • operational amplifier:> 1MRad,
    • TTL logical components:> 1MRad respecting implementation rules (see step VIII),
    • passive components: about 100 MRad,
    • relay:> 1MRad.

    Etape V - Composants à protégerStep V - Components to be protected

    Le microcontrôleur et les convertisseurs analogique/numérique doivent être protégés. A ces composants il convient d'ajouter, comme éléments annexes devant être implantés à proximité, un quartz d'horloge et des condensateurs de découplage.The microcontroller and converters analog / digital must be protected. At these components should be added as additional elements to be located nearby, a clock quartz and decoupling capacitors.

    Etape VI - « Premiers composants » compatibles avec le volume impartiStep VI - "First components" compatible with the volume

    Le volume disponible pour la protection n'est-pas suffisant pour loger le microcontrôleur et les convertisseurs analogique/numérique, même en utilisant les techniques d'hybridation.The volume available for protection is not enough to house the microcontroller and the analog / digital converters even using hybridization techniques.

    Le processus repart à l'étape II.The process starts again at stage II.

    Seconde itérationSecond iteration Etape II - Composants électronique du systèmeStep II - Electronic Components of the System

    On limite le nombre de convertisseurs analogique/numérique à un seul composant et on introduit un multiplexeur analogique, et une logique de sélection qui permet d'augmenter le nombre de voies d'acquisition analogique. Ce choix se fait au détriment du temps d'acquisition total des mesures, mais peut être compensé par un mécanisme logiciel d'acquisition en temps masqué.We limit the number of converters analog / digital to a single component and we introduce an analog multiplexer, and a logic of selection which makes it possible to increase the number of acquisition channels analog. This choice is at the expense of time total acquisition of the measures but can be offset by a software mechanism of acquisition in masked time.

    La nouvelle liste des composants électroniques est la suivante :

    • un microcontrôleur de la Société Siemens,
    • un convertisseur numérique/analogique,
    • un multiplexeur analogique de la Société Analog Devices,
    • des amplificateurs opérationnels (filtrage et amplification),
    • six convertisseurs numérique/ analogiques,
    • des composants logiques en technologie TTL (amplificateurs de ligne, décodage d'adresse, logique trois états, composants logiques TOR, logique de sélection),
    • composants passifs,
    • relais électromécaniques.
    The new list of electronic components is as follows:
    • a microcontroller from Siemens,
    • a digital to analog converter,
    • an analog multiplexer from Analog Devices,
    • operational amplifiers (filtering and amplification),
    • six digital to analog converters,
    • logical components in TTL technology (line amplifiers, address decoding, three-state logic, discrete logic components, selection logic),
    • passive components,
    • electromechanical relays.

    Etape III - Détermination du volume disponibleStep III - Determining the available volume

    Le résultat est identique à celui de l'itération précédente, soit : (1 = 20 mm) × (L = 20 mm) × (h = 10 mm). The result is identical to that of the previous iteration, ie: (1 = 20 mm) × (L = 20 mm) × (h = 10 mm).

    Etape IV - Classification des composants par vulnérabilitéStep IV - Classification of components by vulnerability

    • microcontrôleur : environ 50 kRad,microcontroller: about 50 kRad,
    • convertisseur analogique numérique : 20 kRad,analog digital converter: 20 kRad,
    • multiplexeur analogique >1 MRad,analog multiplexer> 1 MRad,
    • convertisseur numérique/analogique : >1 MRad,digital-to-analog converter:> 1 MRad,
    • amplificateur opérationnel : >1 MRad,operational amplifier:> 1 MRad,
    • composants logiques TTL : >1 MRad en respectant des règles de mise en oeuvre,TTL logical components:> 1 MRad in respecting the rules of implementation,
    • composants passifs : environ 100 MRad,passive components: about 100 MRad,
    • relais : >1 MRad.relay:> 1 MRad.
    Etape V - Composants à protégerStep V - Components to be protected

    Un microcontrôleur et un convertisseur analogique/numérique, tous deux encapsulés selon la technologie CMS, c'est-à-dire des composants pour montage en surface. On leur associe comme éléments annexes un quartz et des condensateurs de découplage. Le multiplexeur n'est pas compris parmi les composants protégés.A microcontroller and a converter analog / digital, both encapsulated according to CMS technology, that is, components for surface mount. We associate them as elements a quartz and decoupling capacitors. The multiplexer is not included among the components protected.

    Etape VI - « Premiers composants » compatibles avec le volume impartiStep VI - "First components" compatible with the volume

    Le microcontrôleur et le convertisseur analogique sont implantés chacun sur un circuit imprimé multicouches. Chacun de ces circuits imprimés est relié aux composants non blindés par un circuit imprimé souple, dont l'autre extrémité est une carte d'interface d'une baie électronique.The microcontroller and the converter analog are each implanted on a circuit board multilayers. Each of these printed circuits is connected to unshielded components by a circuit board flexible, the other end of which is a card interface of an electronic bay.

    Les signaux circulant dans ces circuits imprimés souples sont :

    • les alimentations,
    • un bus multiplexé propre au microcontrôleur (0-5V, 20 MHz),
    • les signaux de commandes et de données propres au convertisseur (0-5V, 20 MHz),
    • le signal d'entrée analogique du convertisseur (+/-10V,300Hz max).
    The signals flowing in these flexible printed circuits are:
    • the power supplies,
    • a multiplexed bus specific to the microcontroller (0-5V, 20 MHz),
    • converter-specific command and data signals (0-5V, 20 MHz),
    • the analog input signal of the converter (+/- 10V, 300Hz max).

    La bande passante et la sensibilité de mesure permettent un déport de quelques décimètres des premiers composants par rapport aux seconds composantsBandwidth and measurement sensitivity allow an offset of some decimetres first components with respect to the second components

    Le blindage est constitué de deux demi-coques de Dénal, pesant ensemble 10kg, et dont la forme extérieure se rapproche d'une sphère aplatie. La taille du blindage est calculée en faisant le rapport entre la dose à atteindre (1 MRad) et la tenue sous irradiation du composant le plus vulnérable. Le rapport pour le système de commande est un facteur 50 de protection. On sait que 35 mm de plomb apportent un facteur 10 d'atténuation pour une irradiation au cobalt 60. On obtient le même résultat avec 24 mm de Dénal. On retient un blindage quasi sphérique de 10 kg ayant 60 mm de rayon en plomb, ou 42 mm de rayon en Dénal. Cette dernière valeur permet de garantir la tenue des premiers composants à l'irradiation, avec une bonne marge de sécurité. The shield consists of two half-shells of Denal, weighing together 10kg, and whose shape exterior approaches a flattened sphere. Size shielding is calculated by making the ratio between the dose to be achieved (1 MRad) and withstand under irradiation the most vulnerable component. The report for the control system is a 50 factor of protection. We knows that 35 mm of lead brings a factor of 10 attenuation for cobalt 60 irradiation. gets the same result with 24 mm Denial. We retains a nearly spherical 10 kg armor having 60 mm lead radius, or 42 mm radius in Denial. This last value makes it possible to guarantee the first components to irradiation, with good safety margin.

    Etape VII - Réalisation de l'ensemble protégéStep VII - Realization of the protected ensemble

    Le premier ensemble de premiers composants est implanté sur deux circuits imprimés multicouches, mais on ne sort pas du cadre de l'invention en utilisant un seul circuit imprimé. Ces deux circuits imprimés communiquent chacun avec une carte d'interface, appartenant au second ensemble de composants.The first set of first components is implanted on two multilayer printed circuits, but it is not beyond the scope of the invention using a only printed circuit board. These two printed circuits communicate each with an interface card, belonging to the second set of components.

    Etape VIII - Réalisation de l'électronique de l'ensemble non protégéStep VIII - Realization of the electronics of the unprotected whole

    Cette étape met en oeuvre d'autres techniques pour garantir la tenue sous irradiation de l'électronique non protégée, parmi lesquelles :

    • des chronogrammes d'enchaínement des actions (au niveau de la logique TTL) tolérants vis-à-vis de dérives temporelles,
    • un fonctionnement dynamique de la logique TTL trois états géré par le microcontrôleur pour minimiser le courant de fuite en phase bloquée,
    • une compensation logicielle de la dérive sous irradiation de la mesure du convertisseur analogique/numérique par mesure de tensions de référence connues.
    This step uses other techniques to guarantee the resistance under irradiation of unprotected electronics, among which:
    • timing sequences of actions (at the level of TTL logic) tolerant vis-à-vis temporal drifts,
    • a dynamic operation of the three-state TTL logic managed by the microcontroller to minimize the phase-locked leakage current,
    • a software compensation of the drift under irradiation of the measurement of the analog / digital converter by measurement of known reference voltages.

    Etape IX - Conformité du systèmeStep IX - System Compliance

    Les calculs de l'étape VI et l'expérience concernant la mise en oeuvre des techniques complémentaires mentionnées à l'étape VIII permettent de vérifier que le système est susceptible de satisfaire aux spécifications. The calculations in step VI and the experience with the implementation of techniques complementary measures mentioned in step VIII to check that the system is likely to meet the specifications.

    Etape X - Essai de validationStep X - Validation test

    Les essais de validation sous irradiation sont d'abord effectués sur le premier ensemble de premiers composants, muni de son blindage. Puis un test sous irradiation du système complet permet de vérifier la conformité de l'ensemble du système.Validation tests under irradiation are first done on the first set of first components, with its shield. Then a test under irradiation of the complete system makes it possible to check the compliance of the entire system.

    A l'issue des différentes étapes du procédé de l'invention illustrées sur l'organigramme de la figure 1, on obtient par exemple le système électronique décrit ci-après. On suppose dans ce qui suit qu'il s'agit d'un système de commande de robot mobile qui est décrit à titre de réalisation privilégiée.At the end of the various stages of the process of the invention illustrated on the flow diagram of the figure 1, we obtain for example the electronic system described below. It is assumed in the following that this is a mobile robot control system that is described as a preferred embodiment.

    La figure 2 illustre l'architecture générale d'un système électronique 10, qui est constitué :

    • d'un système d'interfaces 20 (comportant plusieurs cartes), équipé de composants résistants ou durcis ou tolérants,
    • d'un module 21 comportant des composants industriels standards, protégé par un blindage 22, et relié au système d'interfaces 20 par un circuit imprimé souple 23, 25,
    • d'une ligne 15 de transmission série de données,
    • de connexions avec le robot 11 (commandes de moteurs, retour d'informations capteurs),
    • d'une ligne 16 d'alimentation en énergie.
    FIG. 2 illustrates the general architecture of an electronic system 10, which consists of:
    • an interface system 20 (with several cards), equipped with resistant or hardened or tolerant components,
    • a module 21 comprising standard industrial components, protected by a shield 22, and connected to the interface system 20 by a flexible printed circuit 23, 25,
    • a serial data transmission line 15,
    • connections with the robot 11 (motor commands, feedback of sensors),
    • a power supply line 16.

    La figure 3 schématise le système 20, montrant d'une part les diverses cartes électroniques d'interfaces respectivement dotées d'entrées tout ou rien 31, de sorties tout ou rien 32, d'entrées analogiques 33 (reliées au circuit imprimé souple 25), de sorties analogiques 34, de l'interface 35 (relié à une ligne 15 de transmission série de données), et de la carte d'interface 37 de gestion du bus processeur (reliée au circuit imprimé souple 23), ainsi que des flèches 38 en trait double représentant la circulation des informations entre ces diverses cartes. Elle montre aussi la carte d'alimentation électrique 36 qui fournit les tensions nécessaires aux interfaces 31, 32, 33, 34, 35 et 37, ainsi qu'au module 21 via les circuits imprimés souples 23 et 25.Figure 3 schematizes the system 20, showing on the one hand the various electronic cards interfaces respectively with full or nothing 31, all-or-nothing outputs 32, inputs 33 analog (connected to the flexible printed circuit 25), of analog outputs 34, of the interface 35 (connected to serial data transmission line), and the bus processor management interface card 37 (connected to the flexible printed circuit 23), as well as arrows 38 in double line representing traffic information between these various cards. She shows also the power supply card 36 which provides the voltages required for the interfaces 31, 32, 33, 34, 35 and 37, as well as to module 21 via the circuits flexible prints 23 and 25.

    La figure 4A représente un microcontrôleur 40, un quartz 41 et un condensateur de découplage 42, montés sur un circuit imprimé 24 et reliés par un circuit imprimé souple 23 à la carte d'interface 33, illustrée sur la figure 3. Le quartz d'horloge 41 et le condensateur 42 de découplage d'alimentation doivent être reliés au plus près du microcontrôleur 40.FIG. 4A represents a microcontroller 40, a quartz 41 and a decoupling capacitor 42, mounted on a printed circuit 24 and connected by a flexible printed circuit 23 to the interface card 33, illustrated in Figure 3. The clock quartz 41 and the power decoupling capacitor 42 must be connected as close as possible to the microcontroller 40.

    La figure 4B représente un convertisseur analogique/numérique 43, un condensateur de découplage 44 et une référence de tension externe 45, montés sur un circuit imprimé 26 et reliés par un circuit imprimé souple 25 à la carte d'interface 37, illustrée sur la figure 3. Le circuit de référence de tension 45 et le condensateur découplage d'alimentation 44 doivent être reliés au plus près du convertisseur analogique/numérique 43.Figure 4B shows a converter analog / digital 43, a decoupling capacitor 44 and an external voltage reference 45, mounted on a printed circuit 26 and connected by a printed circuit flexible 25 to the interface card 37, illustrated on the Figure 3. The voltage reference circuit 45 and the supply decoupling capacitor 44 must be connected as close as possible to the analog / digital converter 43.

    Les figures 5A et 5B représentent un exemple de réalisation du blindage 22. Celui-ci est constitué de deux demi-coques 50 et 51, qui assurent la protection des composants 40, 41, 42 , 43, 44, 45. Ces deux demi-coques constituent un blindage, que l'on s'efforce ici de rendre isotrope pour l'atténuation des rayons gamma. Le passage des circuits imprimés souples 23 et 25, en entrée/sortie du blindage, présente une chicane 52 empêchant les rayonnements d'atteindre directement lesdits composants. La figure 5B représente schématiquement une vue de dessus des deux demi-coques 50 et 51, maintenues entre elles par les vis 53, 54.Figures 5A and 5B show an example of implementation of the shielding. 22. This consists of two half-shells 50 and 51, which provide the protection components 40, 41, 42, 43, 44, 45. These two half-shells constitute an armor, that one strives here to make isotropic for the attenuation of gamma rays. The passage of flexible printed circuits 23 and 25, in shield input / output, has a baffle 52 preventing radiation from reaching directly said components. Figure 5B shows schematically a top view of the two half-shells 50 and 51, held together by the screws 53, 54.

    La figure 6 schématise fonctionnellement les échanges d'information entre les composants sélectivement protégés dans le blindage 22 et le reste du système, via les cartes d'interface 33 et 37.Figure 6 schematizes functionally the information exchange between components selectively shielded in the shield 22 and the rest of the system via interface cards 33 and 37.

    Le microcontrôleur 40 et le convertisseur analogique/numérique 43 sont montés sur des circuits imprimés spécifiques 24 et 26. Ils sont reliés à des interfaces appartenant au second ensemble de composants par les circuits imprimés souples 23 et 25 qui véhiculent :

    • les alimentations 63,
    • le bus d'adresses et de données 64 propre au microcontrôleur 40,
    • les signaux de commande et de données 65 propres au convertisseur 43,
    • le signal d'entrée analogique 66 du convertisseur 43.
    The microcontroller 40 and the analog-to-digital converter 43 are mounted on specific printed circuits 24 and 26. They are connected to interfaces belonging to the second set of components by the flexible printed circuits 23 and 25 which convey:
    • the power supplies 63,
    • the address and data bus 64 specific to the microcontroller 40,
    • the control signals and data 65 specific to the converter 43,
    • the analog input signal 66 of the converter 43.

    Une logique, implantée sur la carte d'interface 37, relaie les signaux de données, d'adresse et de commande selon un schéma conventionnel pour un homme de l'art via un bus processeur 38 classique (fond de panier). A logic implanted on the interface card 37, relays the data signals, address and order according to a conventional scheme for a man of art through a classic 38 processor bus (background of basket).

    Sur ce bus 38 est connectée une logique 70 de décodage d'adresse et d'échange de données. Cette logique 70 commande la logique de sélection d'une entrée parmi N d'un multiplexeur analogique 72 du type N : 1, reliée aux N entrées analogiques via des préamplificateurs/conditionneurs 73, tous réalisés dans des technologies connues comme résistantes. Via le bus processeur 38 et la logique de commande 70, le programme du microcontrôleur 40 commande successivement la conversion des signaux d'entrées analogiques, par sélection successive de ceux-ci au moyen du multiplexeur 72, puis récupère le résultat de cette conversion analogique/numérique via la même logique de commande 70 et le bus processeur 38.On this bus 38 is connected a logic 70 of address decoding and data exchange. This logic 70 controls the selection logic of a input among N of an analog multiplexer 72 of the type N: 1, connected to the N analog inputs via preamplifiers / conditioners 73, all made in technologies known as resistant. Via the bus processor 38 and the control logic 70, the microcontroller program 40 command successively the conversion of analog input signals, by successive selection of these by means of multiplexer 72, then retrieves the result of this analog / digital conversion via the same logic of command 70 and the processor bus 38.

    Les figures 7A et 7B représentent un mode de réalisation mécanique de l'invention. Sur un bâti 90, réalisé par une plaque métallique, est fixé un châssis classique 91, qui constitue le support physique du système 20, doté d'une carte-mère 92 dont le circuit imprimé véhicule les signaux du bus 38 ainsi que les lignes analogiques attaquant les conditionneurs 73, et les lignes d'alimentation issues de la carte 36. Sur la carte mère 92 sont connectées les cartes 37 d'interface de gestion du bus processeur, la carte 33 qui comporte l'ensemble de multiplexage analogique 70 à 73, et les autres cartes 31, 32, 34, 35 36 non détaillées sur cette figure. Les cartes 95 sont des cartes de commande de moteurs non détaillées.FIGS. 7A and 7B show a mode of mechanical embodiment of the invention. On a frame 90, made by a metal plate, is attached a frame 91, which constitutes the physical support of the system 20, with a motherboard 92 whose circuit printed vehicle signals the bus 38 as well as the analog lines attacking the 73 conditioners, and supply lines from map 36. On the motherboard 92 are connected interface cards 37 of the processor bus, the card 33 which comprises the analog multiplexing assembly 70 to 73, and the other cards 31, 32, 34, 35 36 not detailed on this figure. 95 cards are command cards non-detailed engines.

    Le blindage 22 est constitué d'une sorte de sphère évidée 100 en Dénal, composée des deux demi-coquilles 50 et 51, dont émergent les circuits imprimés souples 23 et 25 reliés aux cartes 33 et 37. Cette sphère 100 est maintenue par deux tores 98 en élastomère, rendus solidaires par une plaque 96 évidée et quatre colonnettes 97. L'élastomère choisi est du polyuréthane.The shield 22 consists of a kind of recessed sphere 100 in Denial, composed of two half-shells 50 and 51, from which the printed circuits emerge 23 and 25 connected to cards 33 and 37. This sphere 100 is held by two tori 98 in elastomer, made integral with a recessed plate 96 and four balusters 97. The chosen elastomer is polyurethane.

    La sphère 100 se trouve ainsi posée sur un premier tore 98 en élastomère, dont le rayon intérieur est choisi de manière à ce que celle-ci ne vienne pas au contact du plan d'appui où repose ce premier tore 98, même à son écrasement maximal. Un second tore 98 identique est placé au-dessus de la sphère 100. Ces deux tores assurent la suspension principalement selon l'axe vertical. Pour assurer aussi la suspension selon les deux autres directions orthogonales, deux autres jeux de tores peuvent être ajoutés selon ces axes.The sphere 100 is thus placed on a first torus 98 made of elastomer, whose inner radius is chosen so that it does not come in contact with the support plane where this first torus rests 98, even at its maximum crash. A second torus 98 identical is placed above the sphere 100. These two tori ensure the suspension mainly according to the vertical axis. To ensure also the suspension according to the other two orthogonal directions, two more Toroid sets can be added along these axes.

    Ce système amortisseur assure le maintien de l'ensemble sur le bâti 90, tout en assurant l'amortissement des mouvements de la sphère 100 en cas de choc (par exemple en cas de chute) ou de vibrations selon la direction perpendiculaire au plan du bâti 90.This damping system ensures the maintenance of the whole on the frame 90, while ensuring the damping of the movements of the sphere 100 in case shock (for example in the event of a fall) or vibrations in the direction perpendicular to the plane of the frame 90.

    Cette réalisation permet ainsi d'éviter que, dans des limites d'accélérations prédéterminées, la masse de la sphère ne transmette au bâti 90 et au châssis des efforts mettant en danger l'intégrité mécanique de l'ensemble.This realization thus makes it possible to avoid that within predetermined accelerating limits, the mass of the sphere does not transmit to the frame 90 and chassis efforts putting integrity at risk mechanics of the whole.

    La figure 8 situe le système de commande selon l'invention dans le contexte global de son utilisation pour commander un robot mobile ou un dispositif de téléopération. Le schéma représente un système complet de commande, divisé en deux ensembles :

    • une unité 10 localisée au voisinage immédiat du robot 11, et soumise au flux de radiations (milieu irradié 12),
    • un ordinateur 13 au contact de l'opérateur 14, localisé en milieu non hostile.
    FIG. 8 locates the control system according to the invention in the overall context of its use for controlling a mobile robot or a teleoperation device. The diagram represents a complete control system, divided into two sets:
    • a unit 10 located in the immediate vicinity of the robot 11, and subjected to the flow of radiation (irradiated medium 12),
    • a computer 13 in contact with the operator 14, located in a non-hostile environment.

    Cette unité 10 et cet ordinateur 13 sont interconnectés par une liaison rapide 15 de transmission de données.This unit 10 and this computer 13 are interconnected by a fast link 15 of data transmission.

    L'unité 10 permet d'assurer cycliquement :

    • la scrutation des différents capteurs du robot (positions, vitesses, retour d'efforts),
    • l'envoi des données des capteurs à l'ordinateur 13,
    • la réception des consignes calculées par l'ordinateur 13,
    • la transmission pour exécution de ces consignes aux modules d'électronique de puissance reliés aux actionneurs du robot (moteurs).
    The unit 10 makes it possible to ensure cyclically:
    • the scanning of the various sensors of the robot (positions, speeds, force feedback),
    • sending the data of the sensors to the computer 13,
    • the reception of the instructions calculated by the computer 13,
    • the transmission for executing these instructions to the power electronics modules connected to the actuators of the robot (motors).

    En outre on attend de l'unité 10 des actions réflexes telles que l'arrêt d'urgence en cas d'anomalies comme un excès de courant consommé par un moteur, ou des modes de fonctionnement dégradé, voire autonomes. La réalisation de telles fonctionnalités, connues de l'homme de l'art, ne fait pas partie de l'invention.In addition, unit 10 is expected to reflexes such as emergency stop in case anomalies such as an excess of current consumed by a engine, or degraded operating modes, or autonomous. The realization of such features, known to those skilled in the art, is not part of the invention.

    De façon plus générale, l'invention est applicable à tout système électronique devant fonctionner sous irradiation. On peut citer, comme systèmes autre que les commandes, les capteurs intelligents ou les systèmes de télétransmission. More generally, the invention is applicable to any electronic system before operate under irradiation. We can mention, as systems other than controls, sensors intelligent or teletransmission systems.

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  • Claims (11)

    1. Process for designing an electronic system able to operate under irradiation, characterized in that it comprises the following stages:
      I. Enumerating all the functions to be implemented by the system;
      II. determining the electronic components able to physically implement these functions whilst giving preference to models having the larger scale integration;
      III. determining the volume of components which can be protected by protection means referred to as shielding, whilst taking account of the radiation dose to be withstood by the system, the maximum permitted weight of the material chosen for said shielding, as well as the distance at which components selectively protected by said shielding could be from other, unshielded components;
      IV. establishing a list of the most vulnerable components, whilst firstly taking account of their technology, then their degree of integration, whilst associating with each of these components the components which have to be installed in their immediate vicinity, if existing, and whilst firstly positioning the most vulnerable component, then that whose vulnerability is slightly less high and so on, optionally placing several identical vulnerability circuits;
      V. selecting on the basis of the list of the preceding stage, a group of components, commencing with the most vulnerable components and limiting said group to components which, by their very dimensions, can be installed in the volume defined in stage III;
      VI. examining whether the components in said system can implement coherent functions and only communicate with the remainder of the system by a reasonable number of wires, which transmit signals able to pass through without deterioration the distance stipulated in stage III between the selectively protected components and the other components; if all these conditions are not simultaneously fulfilled, codifying by iteration the list of components in order to obtain this result, but without exceeding the volume defined in stage III; if all these conditions are simultaneously fulfilled pass to the following stage, the group of components obtained in this way being called the "first group of first components" and the other components being called the "second group of second components";
      VII. designing the physical installation of the first group of first components, designing the shielding, constituted by at least one radiation-absorbing material, positioned around said first group of components, and designing between the first group of components and the second, connection means arranged so as not to form a penetration path for ambient radiation;
      VIII.designing the physical installation of the second group of components, evaluating the radiation dose which they have to withstand and, if necessary, using a complimentary procedure for improving their suitability for operating under irradiation by a technique other than shielding;
      IX. evaluating whether the solution to the set problem is in fact obtained; if it is not obtained, modifying the parameters of stage III and repeating the process as from stage III.
    2. Process according to claim 1, comprising a subsequent stage:
      X. validating the design by producing a prototype in accordance with the preceding design stages, at least with regards to the first group of components, installed and fitted in its protection means, and performing irradiation tests; if said tests are not in accordance with the specifications, the parameters of stage III are modified and the procedure is repeated as from stage III.
    3. Electronic system able to operate under irradiation, characterized in that it comprises:
      a first group of components incorporating components which are intrinsically very vulnerable to such radiation, and possibly a few associated elements which must be physically installed in their immediate vicinity, called the first group (21) of first components, protected against said radiation by protection means (22) known as shielding,
      a second group (20) of second components, which are less vulnerable than the first and not protected by shielding,
      connection means (23, 25) between said two assemblies arranged so as not to form a penetration path for ambient radiation.
    4. System according to claim 3, wherein the shield (22) is constituted by two half-shells (50, 51) protecting said components (40, 41, 42, 43, 44, 45).
    5. System according to claim 3, wherein the first group (21) of first components also incorporates at least one microcontroller (40) located within a shield (22).
    6. System according to claim 3, wherein the first components located within a shield (22) are connected to an interface card (20) by a flexible printed circuit (23) along a baffle (52) provided at the input/output of the shield.
    7. System according to claim 3, wherein the first group (21) of first components comprises a microcontroller (40) and an analog/digital converter (43) located within a shield (22) and connected to interfaces, across a baffle in the shield, via flexible integrated circuits carrying:
      supplies (63),
      a multiplexed bus (64) belonging to the microcontroller (40),
      control and data signals (65) belonging to the converter (43),
      the analog input signal (66) of the converter (43).
    8. System according to claim 3, wherein the first group (21) of first components is mechanically connected to the remainder of the system by a mechanical suspension (96, 97, 98).
    9. System according to claim 8, wherein said mechanical suspension is ensured by elastomer cores (98).
    10. System according to any one of the claims 3 to 9, wherein between the first group of first components and the shield is incorporated an electrically insulating, but thermally conductive product, in order to remove via the shield the heat generated by the operation of the electronic components.
    11. Application of the process according to claim 1 to the electronic control of a mobile robot.
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