CC BY
176
УДК 681.586.5: 621.372.8
С.В. Перминов*, А.Г.Пивкин**, А.В.Архипов***, Назарова И.Т. ***, Ю.С. Капранов****
S.V. * Perminov, A.G. Pivkin **, A.V. Arkhipov, *** Nazarova I.T. ***, Y.S. Kapranov ****
*Московский государственный университет леса, **ООО «НИИВТ-Русичи-Фарма», *** Пензенский государственный университет, ****ФГУП НИИ прецизионного приборостроения
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ИОНИЗИРУЮЩИХ
ИЗЛУЧЕНИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Experimental studies of cell fiber-optic communication systems for resistance to
space ionizing radiation
При финансовой поддержке Министерства образования и науки в виде гранта
Представлены результаты экспериментальных исследований элементов волоконнооптических систем передачи информации космического базирования на моделирующих установках. Целью эксперимента являлось получение данных по стойкости элементов волоконно-оптических систем передачи информации к воздействию ионизирующих излучений космического пространства.
The results of experimental studies of the fiber-optic communication systems for space-based simulator. The aim of the experiment was to obtain data on the durability of the fiber-optic communication systems to ionizing radiation of space.
Ключевые слова: волоконно-оптические системы, результаты экспериментальных исследований, стойкость, качество передачи информации
Keywords: fiber-optic system, the results of experimental studies, durability, quality of information transfer
Совершенствование аппаратуры на борту космических аппаратов (КА), расширение ее номенклатуры и функциональных возможностей позволяет расширить задачи, решаемые КА в процессе полета. В этих условиях весьма актуальной становится задача предварительной обработки крупных информационных массивов непосредственно на борту КА. Предварительная обработка научной, телеметрической и командной информации
непосредственно в процессе полета позволяет существенно снизить нагрузку на каналы связи «КА - Земля» и обеспечить получение на Земле высококачественной информации с малым количеством ошибок. Тенденция роста объема, разнообразия и значимости информации, получаемой в процессе полета КА, вызвана объективной необходимостью решения множественных задач, возложенных на космические средства [1, 2].
Расширение объемов задач, решаемых современными КА при одновременном увеличении срока активного существования (САС) КА,
2
требуют разработки новых подходов к организации бортовых систем информационного обмена. Одним из способов увеличения САС КА является применение волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСПИ). Средой передачи сигнала в этих системах служат волоконно-оптические кабели (ВОК).
При внедрении ВОСПИ на борту КА следует учитывать влияние на элементы ВОСПИ негативных факторов космического полета. В процессе эксплуатации бортовых ВОСПИ отдельные элементы системы передачи информации, а также волоконно-оптический тракт (ВОТ) подвержены деградации под действием тех или иных факторов космического пространства (ФКП).
Основную роль в снижении качества передачи информации по ВОСПИ в условиях космического пространства играют радиационные эффекты за счет воздействия на элементы ВОСПИ протонов космических лучей и электронов, входящих в состав корпускулярного излучения Солнца и захваченных магнитным полем Земли.
В условиях космического полета каждый из структурных элементов бортовой ВОСПИ подвергается воздействию ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП). В условиях длительного космического полета поглощенные дозы излучения могут достигать весьма значительных величин - десятков и даже сотен миллионов рад [3]. Такие поглощенные дозы представляют крайнюю опасность не только для электронного оборудования КА, но и для конструкционных материалов. Применительно к элементам ВОСПИ это означает, что будет происходить деградация p-n перехода в излучателе оптического передатчика, что приведет к снижению уровня излучаемой оптической мощности, а затем и к полному фатальному разрушению за счет тепловых процессов. Для ВОК и всего ВОТ, созданного на его основе, воздействие ионизирующих излучений (ИИ) приведет к увеличению потерь, связанных с радиационно-наведенным поглощением света на центрах окраски, обусловленных возбуждением атомов примесей и образованием экситонов Винье-Мотта [2]. При воздействии ИИ на фотоприемные устройства (ФПУ) ожидается падение чувствительности собственно фотодетектора ФПУ и сбои в работе последующих каскадов усиления. Ожидается резкое возрастание уровня собственных шумов фотодетектора за счет генерации неосновных носителей заряда в обедненной области, стимулированных излучением.
С целью уточнения стойкости бортовых ВОСПИ к воздействию ИИ КП проведен ряд экспериментов на моделирующих установках.
В качестве моделирующей установки при исследовании реакции экспериментальной ВОСПИ и отдельных ее элементов на воздействие ИИ использовался импульсный твердотопливный ядерный реактор на быстрых нейтронах БАРС-4, который предназначен для моделирования воздействия гамма - нейтронного импульса при исследовании радиационной стойкости элементов РЭА и ЭРИ. Параметры моделирующей установки подробно даны в работе [4].
3
Собрана экспериментальная ВОСПИ, состоящая из передающего блока, содержащего тактовый генератор с частотой импульсов 2,4 МГц и скважностью Q=2 и лазерного передающего модуля типа КЭМ-8 ПД. Лазерный передающий модуль КЭМ-8 ПД работал в импульсном режиме при длине волны оптического излучения X = 0,85 - 0,87 мкм. Начальная мощность излучения передающего модуля КЭМ-8 ПД составила 0,9 мВт. ВОТ создан на базе многомодового оптического волокна с характеристическим сечением 50/125 мкм. Необходимое начальное затухание в оптическом тракте создавалось при помощи оптического соединителя-аттенюатора.
В качестве приемного устройства использовался стандартный квантово-оптический приемный модуль КЭМ-8 ПР. В начальный момент на входе приемного модуля при помощи аналогичного оптического соединителя выставлялась оптическая мощность, которая позволяла обеспечить линейный режим работы приемного модуля КЭМ-8 ПР.
В зоне воздействия ИИ поочередно размещались передающий модуль, приемный модуль, ВОТ. Реакция системы на воздействие импульсного ИИ фиксировалась на фотопленке и на экране осциллографа в запоминающем режиме. Синхронизация запуска обеспечивалась сигналом внешней синхронизации, который формировался аппаратурой моделирующей установки. Уровень дозовой нагрузки задавался геометрическим размещением элементов экспериментальной ВОСПИ относительно центра мишени или относительно центрального канала.
При исследовании реакции ОК на воздействие импульсного ИИ эксперимент строился следующим образом. В процессе эксперимента собственно ОК размещался в активной рабочей зоне. Длина ОК, подвергаемого воздействию ИИ, фиксировалась с точностью ±1 м. Оптический передатчик и ФПУ размещались на периферии активной зоны реактора за защитой (свинец, толщина 50 мм).
Реакция ВОК на воздействие импульсного гамма - нейтронного излучения приведена на рисунке 1.
4
Рисунок 1 - Реакция ВОК на воздействие гамма - нейтронного импульса. Время восстановления: порядка 1000 мкс Развертка по горизонтальной оси (времени) - 100 мкс/дел.
Рисунок 1 представляет собой фотографию процесса, регистрируемого приемным модулем. На рисунке 1 показан электрический сигнал с выхода контрольного ФПУ. Начальная амплитуда сигнала - 4,5 В. Длительность воздействия ИИ на исследуемый образец - (60±5) мкс. При воздействии
3
импульсной дозы излучения ~5 10 Р на отрезок ВОК длиной 100 м даже в момент максимума воздействия частично сохраняется пропускание света. При уровне экспозиционной дозы ИИ, полученной в проведенном эксперименте, радиационно-наведенные потери исчезают за время порядка 1000 мкс. Остаточное радиационно-наведенное поглощение (РНП) сохранялось около года. Мгновенное РНП вычисляется по формуле:
аит =-101g [дБ] (1)
начальн
где PtHMn - оптическая мощность на выходе облучаемого ВОТ (пропорциональна выходному напряжению на выходе ФПУ) в момент воздействия импульса ИИ;
Рниальн - оптическая мощность на выходе облучаемого ВОТ в начальный момент до воздействия импульса ИИ.
РНП оптического кабеля рассчитывается по формуле:
РНП = -1 амгн [дБ/км] (2)
ЮК
где 1ОК - длина облучаемого ВОТ.
Скорость восстановления пропускания оптического кабеля на линейном участке определялась исходя из выражения (3).
5
Sвосст = . aMmj [дБ/км с] (3)
В эксперименте было получено значение скорости восстановления пропускания сигнала около 2,4*104 ± 600 дБ/км-с. Остаточное затухание, то есть РНП после завершения быстропротекающих процессов составило значение (400 ± 60) дБ/км. Эти данные хорошо согласуются с данными работы [5], полученными для ВОК с различным легированием ОВ.
В экспериментах по воздействию импульсного ИИ на
работоспособность элементов экспериментальной ВОСПИ был проведен отдельный эксперимент, который выявлял реакцию собственно передающих и приемных оптических модулей на облучение. В этом случае ВОТ полностью выводился из зоны воздействия ИИ. Сигнал на выходе передающего модуля регистрировался индивидуальным ФПУ, размещенным вне зоны действия импульсного ИИ.
Сигнал на выходе фотоприемного оптического модуля, входящего в состав облучаемой части ВОСПИ, регистрировался одновременно с сигналом оптического передающего модуля.
Результат эксперимента представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Реакция передающего (вверху) и приемного (внизу) модулей типа КЭМ-8 на воздействие импульсного ионизирующего излучения Г оризонтальная развертка - 100 мкс/дел. Вертикальная развертка - 2 В/дел.
Рисунок 2 представляет собой фотографию с экрана осциллографа. Регистрировалось выходное импульсное напряжение с выходных разъемов ФПУ. При регистрации процесса использовался «закрытый» вход осциллографа для того, чтобы отфильтровать постоянную составляющую на выходе ФПУ. Осциллограмма в верхней части фотографии представляет собой реакцию передающего модуля, а в нижней части - реакцию ФПУ.
6
В данном эксперименте уровень воздействия на передающий и приемный модули экспериментальной ВОСПИ составлял Do6m~1104 Р.
g
Мощность дозы ИИ в эксперименте составляла примерно 1,7 10 Р/с.
Потери излучаемой оптической мощности после воздействия импульса ИИ вычислялись по формуле:
апд = 10lg(P н/Р ии) (4)
где Рн - изначальная мощность излучения передающего модуля,
РИИ - регистрируемая мощность излучения передающего модуля после воздействия импульсного ИИ.
Так как амплитуда электрического сигнала на выходе измерительного ФПУ пропорциональна мощности оптического сигнала на его входе, то измеряя амплитуду сигнала, можно определить мощность оптического сигнала до и после воздействия.
Подставляя измеренные значения амплитуд в формулу (4), получаем измеренный уровень потерь: аПд(изм) = 10lg(2,2/0,9) = 10lg2,44 = 3,9 дБ.
На рисунке 2 хорошо видно, что получившийся уровень излучаемой оптической мощности после воздействия ИИ не восстанавливается, т.е. дефекты излучателя, возникшие после облучения, являются необратимыми. Восстановления уровня выходной оптической мощности передающего модуля не произошло и спустя примерно полтора года после проведения эксперимента.
Падение выходной мощности передающего оптического модуля объясняется следующими причинами. В полупроводниках излучательные переходы носителей заряда происходят между двумя энергетическими зонами - зоной проводимости и валентной зоной. Эти энергетические зоны разделены запрещенной энергетической зоной шириной Eg. Вероятность заселения уровня с энергией E в состоянии термодинамического равновесия составит:
1 + exp
E - Ef kT
-|-1
(5)
где k - постоянная Больцмана, T - температура, °K, EF - уровень Ферми.
В чистом (беспримесном) полупроводнике уровень Ферми расположен точно посередине запрещенной зоны, и заселенность зоны стремится к нулю. Донорные и акцепторные примеси смещают уровень Ферми таким образом, что создается неравновесное распределение электронов по энергиям. При этом существует вероятность того, что равновесное распределение восстановится путем спонтанных переходов электронов с излучением фотонов. Легче всего реализуются переходы по краям энергетических зон, т.е. излучение происходит, в основном, по следующему пути: hv = Eg, тогда
10 = —, где с - скорость света в вакууме, h - постоянная Планка.
Eg
Дальнейшее излучение происходит либо в отсутствие резонатора Фабри-Перо (светоизлучающий диод), либо при сформированном резонаторе (лазерный диод). При превышении порогового тока p-n переход в
7
присутствии резонатора начинает работать в режиме лазерного диода (ЛД). Выражение для порогового тока известно [6]:
где hq - квантовая эффективность (типовое значение 0,5 - 0,7);
n - коэффициент преломления материала;
An- ширина полосы спонтанного излучения;
D - диаметр тела свечения;
а - суммарные потери света в лазере;
L - длина активной области (p-n перехода);
R - коэффициент отражения полупрозрачного (выходного) зеркала.
При воздействии ИИ на активную область полупроводникового лазера происходят следующие процессы. В первый момент, т.е. в момент воздействия ИИ, за счет возбуждения электронов, находящихся вблизи краев энергетических зон, происходит уширение полосы спонтанного излучения An, что сопровождается увеличением диаметра тела свечения D и увеличением значения тока через p-n переход. После окончания воздействия ИИ за счет явлений, происходящих в диэлектриках и полупроводниках под воздействием ИИ, происходит увеличение суммарных потерь а и изменение коэффициента отражения R в выходном зеркале, поскольку в оптических материалах под воздействием ИИ увеличиваются собственные потери. Вследствие этого, значение плотности порогового тока 1пор возрастает. Рост плотности тока до определенного момента компенсируется цепями обратной связи, которые удерживают выходную оптическую мощность ЛД в заданных границах. После того, как значение тока ЛД превысит некоторое значение (определяется границами регулировки), схема управления ЛД по току через p-n переход уже не сможет компенсировать потерю оптической мощности. Далее, поскольку ток через ЛД в процессе работы будет иметь максимально допустимое значение, начнется интенсивная тепловая деградация p-n перехода, которая, в конечном итоге, приведет к выходу из строя всего устройства. На рисунке 2 (вверху) видно начало этого процесса.
Реакция приемного модуля на воздействие ИИ в корне отличается от реакции ВОТ и реакции передающего модуля.
После воздействия излучения дозой ~ 1104 Р наблюдается полное пропадание электрического сигнала на выходе фотоприемного модуля. Время, в течение которого выходной сигнал полностью отсутствует, составляет приблизительно 100...150 мкс и практически не зависит от экспозиционной дозы излучения. Время «пропадания» сигнала на выходе приемного модуля зависит, главным образом, от мощности дозы излучения. После окончания периода «пропадания» сигнала на выходе фотоприемного модуля появляется электрический сигнал в виде хаотических шумовых выбросов. Спустя еще приблизительно 10 мс сигнал на выходе фотоприемного модуля восстанавливается полностью.
(6)
8
Наблюдаемый эффект можно объяснить тем, что в момент воздействия ИИ в базе фотодетектора (обратно смещенного p-n перехода) образуется большое число некомпенсированных неосновных носителей заряда. Базовая цепь фотодетектора входит в режим насыщения. До тех пор, пока индуцированные ионизирующим излучением неосновные носители заряда не покинут базовую область, фотодетектор невосприимчив к входному оптическому излучению. Время разряда базовой цепи определяется параметрами самого приемного модуля, в первую очередь, значением емкости обратносмещенного p-n перехода и входным сопротивлением первого каскада усиления модуля. Таким образом можно объяснить эффект «независимости» времени запирания приемного модуля от суммарной экспозиционной дозы ИИ. В целом, реакция передающего и приемного модулей соответствует современным знаниям о взаимодействии ИИ с диэлектриками и полупроводниками.
После того, как были проведены экспериментальные исследования отдельных компонентов ВОСПИ, был поставлен интегральный эксперимент. В объеме активной зоны размещались все составляющие ВОСПИ: передающий и приемный модули вместе с ВОК длиной (100±5) м размещались внутри активной зоны реактора. Типичная реакция ВОСПИ на импульс ИИ приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Реакция ВОСПИ на импульсное воздействие ИИ Масштаб горизонтальной развертки по оси времени 100 мкс/дел
Рисунок 3 представляет собой фотографию процесса с экрана осциллографа. Верхний луч показывает огибающую импульса ИИ. Сигнал, повторяющий мгновенное значение мощности экспозиционной дозы ИИ, выдает потребителю центральная аппаратная с пульта управления реактором. Нижний луч осциллограммы показывает реакцию ВОСПИ в целом на воздействие импульсного ИИ. Реакция ВОСПИ оценивалась по форме и
9
характеру электрического импульсного сигнала на выходе ФПУ, входящего в состав облучаемой экспериментальной ВОСПИ. Размещение ВОСПИ в активной зоне производилось таким образом, чтобы все составляющие ВОСПИ подвергались примерно одинаковому воздействию ИИ.
Как видно из рисунка 3, интегральная реакция экспериментальной ВОСПИ в целом повторяет отклик приемного модуля на импульсное излучение. Реакция системы на воздействие является линейной суперпозицией откликов ее отдельных частей. Поскольку при воздействии ИИ на передающий модуль мощность излучения последнего уменьшается на значение порядка 3...4 дБ, такое падение оптической мощности полностью компенсируется схемой АРУ приемной части ВОСПИ.
Восстановление пропускания оптического тракта в эксперименте происходит за время порядка 10"4...10"3 с. В течение этого промежутка времени уровень оптического сигнала на выходе передающего модуля падает на 3.4 дБ. Дальнейший сценарий развивается по схеме отклика приемного модуля.
Сигнал на выходе приемного оптического модуля прерывается на время порядка 10-4 с за счет насыщения базовой области фотодетектора. Затем в течение времени порядка 10" .10" с продолжается шумоподобный процесс рекомбинации носителей заряда, индуцированных ИИ. Через интервал времени 10" .10" с «быстрые» переходные процессы в системе ВОСПИ заканчиваются. Система восстанавливает работоспособность. Суммарная экспозиционная доза излучения, при которой экспериментальная ВОСПИ сохраняла свою работоспособность (при этом не измерялось отношение сигнал/шум, и не производилась оценка вероятности ошибки в процессе передачи сигнала) достигала величин 5 104 Р.
Заключение. Исследование причин отказов аппаратуры, вызванных воздействием ИИ на элементы ВОСПИ, является важнейшим фактором повышения САС КА. Проведение предварительных испытаний элементов ВОСПИ на стойкость к ИИ КП на установках, имитирующих внешние воздействующие факторы, представляется необходимым этапом в процессе отработки аппаратуры КА.
Литература
1. Бурков В.Д., Перминов С.В., Харитонов Н.А. Перспективы применения микроструктурных световодов для создания бортовых высокоинформативных систем передачи данных // Вестник Московского государственного университета леса /Лесной вестник/ 2007г., № 2(51), с. 23-28.
2. Бурков В.Д., Капранов Ю.С., Перминов С.В., Харитонов Н.А. Применение современных оптических волокон для построения волоконно"оптических сетей в перспективных космических аппаратах//Вестник Московского государственного университета леса «Лесной вестник», 2009, № 6, с. 95-101.
3. С.В. Перминов. 2003. Анализ влияния ионизирующих излучений космического пространства на работоспособность и срок службы элементов волоконно-оптических систем передачи данных. - Электромагнитные волны и электронные системы, 2003, т.
8, № 9, с.с. 40-44.
10
4. Васильев А.В., Ненадышин Н.Н., Романенко А.А. Конвертор гамма-нейтронного поля импульсного ядерного реактора//Вопросы атомной науки и техники, 2008, вып.2. С. 76-82.
5. Ларин Ю.Т. Оптические кабели: методы расчета конструкций. Материалы. Надежность и стойкость к ионизирующему излучению / Ю.Т. Ларин. - М.: Престиж,
2006. - 304 с.
6. Елисеев П.Г., Попов Ю.М. Полупроводниковые лазеры // УФН, 1986, т.148, № 1, с.с. 35-
53.
