МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ И РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Electromagnetic (EMR) and ionizing (IR) radiation are one of the main destabilizing factors which affect functional equipment of space-rocket, aviation and ground-based complexes. Therefore, the direction of physical materials science, associated with the development of new materials and technologies for high-efficiency electromagnetic and radiation protection is of current interest. In the Scientific and Practical Materials Research Center of the National Academy of Sciences of Belarus new materials and technological processes for the formation of electromagnetic and radiation protection of the devices packages and elements of a wide range of purposes have been developed. A constant magnetic field and a powerful electromagnetic pulse are the most difficult variants for protection against EMR. Symmetric and gradient multilayer film structures are the promising materials for solving this problem. Thus, experimental results on the investigation of the efficiency of electromagnetic shields based on the structures of the system (Fe–Co–Ni)/Cu in a constant magnetic field, low-frequency and pulsed EMR are considered. It is shown that while choosing materials for magnetostatic shields, the main magnetic characteristics and the role of the inhomogeneity of the magnetic field in the shield volume and the nonlinearity of the magnetic permeability should be considered. It is concluded about the high efficiency of attenuation of microsecond duration pulsed magnetic fields by the gradient structures, which are 58÷40 dB at the magnetic field strengths of 1.25÷12.0 kA/m, respectively. A composite material based on the tungsten-copper system is proposed for electronic components and integrated circuits protection from the effects of IR. It is demonstrated that radiation shields based on it provide the effective protection against electron- and proton radiation with energies up to 2 MeV and up to 500 MeV, respectively. The practical application results of developed materials and technologies are given.Электромагнитные (ЭМИ) и ионизирующие (ИИ) излучения являются одними из основных дестабилизирующих факторов, воздействующих на функциональное оборудование ракетно-космических, авиационных и наземных комплексов. В связи с этим направление физического материаловедения, связанное с созданием новых материалов и технологий для высокоэффективной электромагнитной и радиационной защиты, является актуальным. В Научно-практическом центре Национальной академии наук Беларуси по материаловедению разработаны новые материалы и технологические процессы формирования электромагнитной и радиационной защиты на корпусах приборов и элементов широкого спектра назначения. Наиболее сложными вариантами для защиты от ЭМИ являются постоянное магнитное поле и мощный электро- магнитный импульс. Перспективные материалы для решения данной проблемы – многослойные пленочные структуры симметричного и градиентного типов. В связи с этим рассмотрены экспериментальные результаты по исследованию эффективности электромагнитных экранов на основе структур системы (Fe–Co–Ni)/Cu в постоянном магнитном поле, низкочастотном и импульсном ЭМИ. Показано, что при выборе материалов для магнитостатических экранов следует учитывать как основные магнитные характеристики, так и роль неоднородности магнитного поля в объеме экрана и нелинейность магнитной проницаемости. Сделан вывод о высокой эффективности ослабления градиентными структурами импульсных магнитных полей микросекундной длительности, составляющих 58÷40 дБ при значениях напряженностей магнитных полей 1,25÷12,0 кА/м соответственно. Для защиты электронных компонентов и интегральных микросхем от воздействия ИИ предложен композиционный материал на основе системы вольфрам–медь. Показано, что радиационные экраны, изготовленные на его основе, эффективно защищают от электронного и протонного излучений с энергиями до 2 МэВ и до 500 МэВ соответственно. Приведены результаты практического применения разработанных материалов и технологий.

Multilayer film shields for the protection of PMT from constant magnetic field

This is the Published Version made available with the permission of the publisher.Photomultiplier tubes (PMTs) are widely used in physical experiments as well as in applied devices. PMTs are sensitive to magnetic field, so creation of effective magnetic shields for their protection is very important. In this paper, the results of measurements of shielding effectiveness of multilayer film magnetic shields on PMT-85 are presented. Shields were formed by alternating layers of a material with high magnetic permeability (Ni-Fe) and high electric conductivity—Cu. The maximum number of bilayers reached 45. It is shown that in weak magnetic fields up to 0.5 mT, the output signal amplitude from PMT-85 does not change for all used multilayer shields. In strong magnetic field of 2–4 mT, the output signal amplitude decrease with 10%–40% depending from the number of layers in the shield. The Pulse distribution of PMT-85 in magnetic field 0.2–4 mT slightly changed in the range 1.1%–1.3% for the case when the number of layers do not exceed 10 and practically did not change for a shield with 45 double layers

Multilayer film shields for the protection of PMT from constant magnetic field

This is the Published Version made available with the permission of the publisher.Photomultiplier tubes (PMTs) are widely used in physical experiments as well as in applied devices. PMTs are sensitive to magnetic field, so creation of effective magnetic shields for their protection is very important. In this paper, the results of measurements of shielding effectiveness of multilayer film magnetic shields on PMT-85 are presented. Shields were formed by alternating layers of a material with high magnetic permeability (Ni-Fe) and high electric conductivity—Cu. The maximum number of bilayers reached 45. It is shown that in weak magnetic fields up to 0.5 mT, the output signal amplitude from PMT-85 does not change for all used multilayer shields. In strong magnetic field of 2–4 mT, the output signal amplitude decrease with 10%–40% depending from the number of layers in the shield. The Pulse distribution of PMT-85 in magnetic field 0.2–4 mT slightly changed in the range 1.1%–1.3% for the case when the number of layers do not exceed 10 and practically did not change for a shield with 45 double layers

Оптимизация излучающей катушки программно-аппаратного комплекса для исследования эффективности экранирования низкочастотного электромагнитного излучения

Optimization of the radiation coil of the hardware-software complex for studying the effectiveness of shielding of low-frequency electromagnetic radiation will make it possible to assess the effectiveness of shielding coatings at a higher level. This fact will make it possible to develop coatings with improved characteristics. The purpose of this work was to determine the optimal characteristics of the emitting coil which will ensure its stable operation and magnetic field strength in the frequency range up to 100 kHz.The parameters of the manufactured samples, such as inductance (L), active (R) and total resistance (Z), were obtained using an MNIPI E7-20 emittance meter. In practice, the coils with the optimal parameters calculated theoretically were connected to a current source and amplifier. To detect electromagnetic radiation, a multilayer inductor connected to a UTB-TREND 722-050-5 oscilloscope was used as a signal receiver.The results of measurements showed that the resistance of multilayer coils is approximately 1000 times higher than that of single-layer coils. Also, for multilayer coils, an avalanche-like increase in total resistance is observed starting from a frequency of 10 kHz, while for single-layer coils there is a uniform increase in total resistance over the entire frequency range up to 100 kHz.The paper presents results of research on the correlation of the performance of single-layer and multilayer inductors depending on their parameters in the frequency range from  20 Hz  to  100 kHz. Values of the voltage required to provide the magnetic field strength of 1, 5, 20 Oe at 25 Hz and 100 kHz have been calculated. After analyzing the data obtained, the optimal parameters of the inductor were found which ensure stable performance in the frequency range up to 100 kHz.Оптимизация излучающей катушки программно-аппаратного комплекса для исследования эффективности экранирования низкочастотного электромагнитного излучения позволит на более качественном уровне оценивать эффективность экранирующих покрытий. Данный факт даст возможность разрабатывать покрытия с улучшенными характеристиками. Целью данной работы являлось определение оптимальных характеристик излучающей катушки, которые обеспечат её стабильную работу и напряжённость магнитного поля в частотном диапазоне до 100 кГц.Параметры изготовленных образцов, такие как индуктивность, активное и общее сопротивление, были получены, используя измеритель иммитанса МНИПИ E7-20. На практике катушки с оптимальными параметрами, вычисленными теоретически, были подключены к источнику и усилителю тока. Для детектирования электромагнитного излучения в качестве приёмника сигнала использовалась многослойная катушка индуктивности, подключённая к осциллографу UTB-TREND 722-050-5.Результаты измерений показали, что сопротивление многослойных катушек приблизительно в 1000 раз больше сопротивления однослойных. Также у многослойных катушек наблюдается лавинообразный рост общего сопротивления, начиная с частоты 10 кГц, в то время как у однослойных катушек происходит равномерный рост общего сопротивления на всём диапазоне частот до 100 кГц. Представлены результаты исследований корреляции рабочих характеристик  однослойных  и многослойных  катушек  индуктивности  в  зависимости  от  их  параметров  в  частотном  диапазоне от 20 Гц до 100 кГц. Рассчитаны значения напряжения, необходимого для обеспечения напряжённости магнитного поля 1, 5, 20 Э при 25 Гц и 100 кГц. Проанализировав полученные данные, найдены оптимальные параметры катушки индуктивности, обеспечивающие стабильные рабочие характеристики в диапазоне частот до 100 кГц

Efficiency of Magnetostatic Protection Using Nanostructured Permalloy Shielding Coatings Depending on Their Microstructure

The effect of microstructure on the efficiency of shielding or shunting of the magnetic fluxby permalloy shields was investigated in the present work. For this purpose, the FeNi shieldingcoatings with different grain structures were obtained using stationary and pulsed electrodeposition.The coatings’ composition, crystal structure, surface microstructure, magnetic domain structure, andshielding efficiency were studied. It has been shown that coatings with 0.2–0.6μm grains have adisordered domain structure. Consequently, a higher value of the shielding efficiency was achieved,but the working range was too limited. The reason for this is probably the hindered movement of thedomain boundaries. Samples with nanosized grains have an ordered two-domain magnetic structurewith a permissible partial transition to a superparamagnetic state in regions with a grain size of lessthan 100 nm. The ordered magnetic structure, the small size of the domain, and the coexistenceof ferromagnetic and superparamagnetic regions, although they reduce the maximum value ofthe shielding efficiency, significantly expand the working range in the nanostructured permalloyshielding coatings. As a result, a dependence between the grain and domain structure and theefficiency of magnetostatic shielding was found

Влияние габаритных параметров цилиндрического экрана на эффективность экранирования

Study of dimensional parametersʼ influence on shielding properties of cylindrical shields will allow to optimise the fusion process, as well as to reduce production costs by reducing the material used. The purpose of this work was to compare results of theoretical calculation of shielding effectiveness of an infinite cylindrical shield with the data obtained in real conditions.A cylindrical Ni-Fe shield was synthesised by electrochemical deposition with length of 32 cm, diameter of 4.5 cm and shielding thickness of ≈ 100 µm. The cylinder length was then reduced from 32 cm to 6 cm in 4 cm increments and for each cylinder length shielding effectiveness was measured using three-coordinate Helmholtz field-forming system.The measurement results show that the calculation of shielding effectiveness of infinite cylindrical shield is valid for cylinder lengths l ≥ 18–20 cm. Shielding effectiveness is markedly reduced at values of l ˂ 15 cm.Analysis of data obtained allowed to conclude that it is necessary to determine the correction factor when calculating a cylindrical screen shielding efficiencyИзучение влияния габаритных параметров на экранирующие свойства цилиндрических экранов позволит оптимизировать процесс синтеза, а также снизить затраты на производство, за счёт уменьшения используемого материала. Целью данной работы было сравнение результатов теоретического расчёта эффективности экранирования бесконечного цилиндрического экрана и данных, полученных в реальных условиях.Методом электрохимического осаждения был синтезирован цилиндрический экран Ni-Fe, длина которого составила 32 см, диаметр 4,5 см, толщина экранирующего покрытия составила≈ 100 мкм. Затем длина цилиндра уменьшалась от 30 до 6 см с шагом в 4 см, для каждой длины цилиндра была измерена эффективность экранирования с помощью полеобразующей системы трёхкоординатных катушек Гельмгольца.Результаты измерений показали, что расчёт эффективности экранирования бесконечного цилиндрического экрана справедлив при длине цилиндра l ≥ 18–20 см. При значениях l ˂ 15 см эффективность экранирования заметно снижается.Анализ полученных данных позволил сделать вывод о необходимости определения поправочного коэффициента при расчётах эффективности экранирования цилиндрического экрана

ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИ ОСАЖДЕННЫХ ПЛЕНОК НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗО И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ

Modern semiconductor devices and microchips are sensitive to the effects of ionizing radiation. Nevertheless, they are widely used in military and space technology, in the nuclear industry. At the same time, a number of technological, circuit and software solutions are used to reduce the effects of radiation exposure. The most preferable method is one based on using shields, due to its low cost and excellent radiation properties of shield’s materials. Recently, special attention has been paid to the study of multilayer structures. Experimental samples of Ni-Fe alloys and multilayer Ni-Fe/Cu structures with different chemical composition were obtained by electrochemical deposition. The dependence of chemical composition variation from deposition conditions was determined. Ni-Fe alloys crystal structure was studied using X-ray diffraction. Shielding properties of Ni-Fe/Cu multilayer structures were investigating on linear accelerator ELA-4 under 4 MeV electron irradiation. Silicon p-MOSFETs were used as test structures. Evaluation of electron flow weakening effectiveness was performed by current-voltage characteristics changing – threshold voltage of pMOS-transistors, which were located behind shields based on NiFe/Cu multilayered structures and without shields. It was found that increasing number of Ni-Fe layers within the same total thickness leads to maximum shielding efficiency.Современные полупроводниковые приборы и микросхемы чувствительны к воздействию ионизирующих излучений. Тем не менее они широко применяются в военной и космической технике, в ядерной индустрии. При этом используется ряд технологических, схемотехнических и программных решений, уменьшающих последствия радиационного воздействия. Наиболее предпочтительным решением является выбор метода на основе использования экранов, поскольку он экономичнее и определяется радиационными свойствами используемых для изготовления экранов материалов. В последнее время особое внимание уделяется исследованию многослойных структур, так как при прохождении излучений через эти материалы возможно значительное ослабление эффектов радиационного воздействия, что имеет значительный научный и прикладной интерес. Методом электролитического осаждения получены экспериментальные образцы покрытий сплавов NiFe и многослойных структур NiFe/Cu с различным химическим составом. Установлены зависимости изменения химического состава от условий осаждения. Методом рентгеновской дифракции проведены исследования кристаллической структуры. Покрытия характеризуются гранецентрированной кубической решеткой, с увеличением концентрации железа параметр элементарной ячейки увеличивается. Эффективность радиационной защиты многослойных структур NiFe/Cu оценивалась при облучении электронами с энергией 4 МэВ на линейном ускорителе ЭЛУ-4. В качестве тестовых структур использовались кремниевые МОП-транзисторы. Эффективность ослабления электронного потока была оценена по изменению вольтамперных характеристик: порогового напряжения для МОП транзисторов, расположенных за экранами на основе многослойных структур NiFe/Cu, и без экранов. Установлено, что с ростом количества слоев при сохранении суммарной толщины эффективность экранирования увеличивается, что позволяет создавать высокоэффективные экраны при сопоставимых массогабаритных параметрах.

Эффективность магнитостатического экранирования цилиндрическими оболочками

Research and calculations results have been demonstrated that the dependence of the efficiency of magnetostatic shielding for shells with different thickness have a maximum whose position shifts with increasing thickness of the shielding cover in the area of higher fields. Positions of the peaks on the curve Э=Э(Н) and μ=μ(Н) do not coincide with each other. It is difficult to interpret in terms of the shunting model. The results can be explained by nonlinear nature of the distribution of the magnetic permeability witnin the thickness of the shields. The analytical calculations of the average permeability of cylindrical shells with varying thickness were carrying out depending on the strength of the external static magnetic field. It is shown that the courses of the experimental Э=Э(Н) and calculated μ0=μ0(Н) dependencies correlate with position of maximum.В результате проведенных исследований и расчетов показано, что зависимости эффективности экранирования от напряженности магнитного поля в экранах с разной толщиной имеют максимумы, положения которых смещаются с ростом толщины экранирующего покрытия в область больших полей. Положения максимумов на кривых зависимостей Э = Э(Н) и μ = μ(Н) не совпадают друг с другом, что сложно интерпретировать в рамках модели шунтирования. Полученные результаты объяснены нелинейным характером распределения магнитной проницаемости по толщине экрана. Проведены аналитические расчеты усредненной магнитной проницаемости конечных цилиндрических оболочек различной толщины в зависимости от напряженности внешнего статического магнитного поля. Ход экспериментальных Э = Э(н) и рассчитанных μ0=μ0(Н) зависимостей, показывает, что положения максимумов коррелируют между собой

Ослабление потоков электронов радиационных поясов Земли защитными экранами на основе композита W-Cu

For decreasing the radiation effects of the cosmic environment on the electronic components of spacecraft, local protection shields are used. They are manufactured on the basis of materials with high density and large atomic numbers (tungsten, tantalum, the W-Cu composite etc.) and then integrated into the ceramic-and-metal package of electronic components with an insufficient level of radiation resistance. On the basis of the Monte Carlo approach we considered the methods of decreasing the level of the dose absorbed by the crystals of active elements if using the radiation shields based on the W-Cu composite in hybrid metal cases under the action of electrons of a circular orbit with an inclination angle of 30° and an altitude of 8000 km. The electron spectra at the maximum and minimum solar activity were obtained using OMERE 5.3 software. It was established that an increase in the mass thickness of the base and cover of cases with shields up to 1.67 g / cm2 makes it possible to reduce the dose load by 3.5–3.7 times at the minimum and by 3.9–4.1 times at the maximum of solar activity. The optimization of protection by lowering the upper layer of the W-Cu composite to the base to a height of 1.2 mm reduces the absorbed dose by 6.8–9.3 times at the minimum and by 7.6–10.7 times at the maximum solar activity.Для снижения дозовых нагрузок на электронную компонентную базу космических аппаратов от потоков электронов и протонов радиационных поясов Земли применяются экраны локальной радиационной защиты. Такие экраны изготовляют на основе материалов с большим порядковым номером и высокой плотностью (вольфрам, тантал, композит W-Cu и др.), а затем интегрируют в металлокерамические корпуса электронных компонентов с недостаточным уровнем радиационной стойкости. Методом Монте-Карло рассмотрены способы снижения уровня поглощенной дозы кристаллами активных элементов с помощью экранов радиационной защиты на основе композита W-Cu в гибридных металлических корпусах при воздействии электронов круговой орбиты с углом наклонения 30° и высотой 8000 км. Спектры электронов при максимуме и минимуме солнечной активности были получены с помощью программы OMERE 5.3. Установлено, что увеличение массовой толщины основания и крышки корпусов экранами до значения 1,67 г/см2 позволяет снизить дозовую нагрузку в 3,5–3,7 раза при минимуме и 3,9–4,1 раза при максимуме солнечной активности. А оптимизация защиты путем опускания верхнего слоя композита W-Cu к основанию до высоты 1,2 мм уменьшает значение поглощенной дозы в 6,8–9,3 раза при минимуме и 7,6–10,7 раза при максимуме солнечной активности