Taktgeber Quarze und Oszillatoren für den Einsatz im Weltraum

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Quarzresonatoren und -oszillatoren für den Einsatz im Weltraum müssen die Auswirkungen der Strahlung berücksichtigen. Dabei sind zwei verschiedene Dinge zu beachten: die Auswirkungen der Strahlung auf Quarzresonatoren und die Auswirkungen der Strahlung auf alle anderen Komponenten des Oszillatorschaltkreises.

Die in diesem Beitrag behandelte Art von Strahlung wird als ionisierende Strahlung bezeichnet, weil sie genügend Energie besitzt, um elektronische Bauteile zu beschädigen, indem sie Atome oder Moleküle ionisiert, indem sie ihnen Elektronen entzieht (wodurch das betreffende Atom oder Molekül elektrisch geladen wird).

Bei elektromagnetischen Wellen nimmt die von den EM-Wellen übertragene Energie mit zunehmender Frequenz der Welle (oder mit abnehmender Wellenlänge) zu. Wellen mit niedrigeren Frequenzen wie sichtbares Licht, Mikrowellen und Radiowellen haben normalerweise nicht genug Energie, um elektronische Schaltkreise (oder Lebewesen) zu beschädigen, aber mit steigender Frequenz können Röntgen- und insbesondere Gammastrahlen Schäden verursachen.

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Denken Sie daran, dass die elektromagnetischen Wellen auch als Teilchen beschrieben werden können, die Photonen genannt werden. Ein Photon des sichtbaren Lichts hat eine bestimmte Energiemenge, die unproblematisch ist, ein Gammastrahlen-Photon jedoch hat ein viel höheres Energieniveau, das sehr wohl problematisch ist. Alle abgestrahlten Teilchen mit tatsächlicher Masse (Photonen sind masselos), wie Elektronen, Protonen, Neutronen und Ionen, haben genug Energie, um ein Problem darzustellen.

Wichtige Strahlungsmessungen

Angesichts der Bedeutung der Energiemenge, die mit der Strahlenbelastung einhergeht, ist es wichtig zu wissen, wie diese charakterisiert und quantifiziert wird. Es gibt zwei gebräuchliche Maßstäbe und Maßeinheiten.

Erstens die so genannte Energiefluenz, mit der die Menge der Strahlenbelastung über einen bestimmten Zeitraum in der Einheit MeV/cm² oder einfach MeV (Millionen Elektronenvolt) angegeben wird. Als nächstes wird die akkumulierte Strahlungsdosis (TID) gemessen, die von einem Material absorbiert wird, und zwar in Einheiten von krad.

Strahlungswirkungen auf den Quarzkristall

Was den Quarzkristall selbst betrifft, so ist die gute Nachricht, dass der Quarzresonator im Gegensatz zu vielen anderen elektronischen Bauteilen nicht stirbt und unter keinen vernünftig vorhersehbaren Umständen durch Strahlung außer Betrieb gesetzt wird.

Das Einzige, was den Kristall vollständig zerstört, ist ein mechanischer Schock, der stark genug ist, um den Kristall tatsächlich zu zerbrechen, was möglich ist, aber nicht unter normalen Raumfahrtbedingungen.

Was passieren kann, ist, dass bestimmte Arten und Mengen von Strahlung die Frequenz des Quarzresonators verändern können.

Das Ausmaß der Frequenzänderung ist normalerweise nicht übermäßig, sondern hängt von vielen Variablen ab, darunter die Frequenz des Kristalls, der Qualitätsfaktor (Q) des Kristalls, die Art des Schliffs des Kristalls, die Art der Strahlung und die Strahlungsmenge.

Die Frequenzveränderung ist in erster Linie auf sehr geringe Verunreinigungen im Siliziumdioxid-Quarzkristallgitter zurückzuführen. Diese verschiedenen möglichen Verunreinigungen können sich im Quarz lösen und bewegen, was zu kleinen Frequenzänderungen führt.

Quarz für elektronische Zwecke wird unter sehr hohen Temperatur- und Druckbedingungen synthetisch gezüchtet. Bei der Züchtung solcher Quarze wurden enorme Verbesserungen erzielt, so dass die durch die Strahlung verursachten Frequenzschwankungen deutlich reduziert werden.

Darüber hinaus wird Quarz für die Verwendung in Resonatoren für den Weltraum einem speziellen Verfahren unterzogen, das als „Sweeping“ bezeichnet wird.

Beim „Sweepen“ von Quarzstäben werden diese einem sehr hohen unidirektionalen elektrostatischen Gleichstromfeld von 1.000 V/cm ausgesetzt, während sie gleichzeitig einer sehr hohen Temperatur von etwa 500 °C ausgesetzt werden und der Stromfluss überwacht wird.

Dieses „Sweepen“ führt dazu, dass viele Verunreinigungen durch die Quarzbarren hindurch zu den Kanten wandern, die dann mit einer Säge abgeschnitten werden, so dass die reinen Quarzbarren übrigbleiben, die als „gesweepter Quarz“ bekannt sind.

Der gereinigte Quarzbarren weist eine verbesserte Strahlungsunempfindlichkeit auf. In den meisten (fast allen) Quarzspezifikationen für Weltraumanwendungen ist daher festgelegt, dass gesweepter Quarz verwendet werden muss.

Die in den präzisesten Quarzoszillatoren verwendeten Resonatoren, typischerweise SC-Cut-Quarze in OCXOs (Oven Controlled Crystal Oscillators), ändern ihre Frequenz in den meisten Strahlungsumgebungen nur um wenige oder mehrere ppb (parts per billion). Wenn man sie gut charakterisiert und versteht, kann man mit dieser Art von Frequenzänderungen umgehen.

Die typischen Quarzresonatoren, die in weniger präzisen XOs (einfachen Quarzoszillatoren) verwendet werden, ändern die Frequenz in der Regel um einige oder mehrere ppm (parts per million), und da die Toleranzen bei diesen XOs in der Regel etwa ±50 ppm betragen, kann dies ebenfalls in Kauf genommen werden.

Tatsächlich hat sich das Wachstum hochwertiger Quarzbarren sogar so stark verbessert, dass viele Unternehmen in XOs für einige der weniger anspruchsvollen Weltraumumgebungen nicht gesweepten Quarz verwenden.

Strahlungseffekte auf Oszillatorebene

Bisher haben wir die Auswirkungen der Strahlung auf andere Oszillatorkomponenten als die Quarzkristalle noch nicht diskutiert.

Strahlungsauswirkungen auf die anderen elektronischen Komponenten in einem Oszillatorgehäuse sind ein komplizierteres Thema, da alle aktiven Bauelemente (Halbleiter, Transistoren, digitale elektronische Bausteine usw.) durch verschiedene Arten von Strahlung beeinträchtigt werden können.

Die ionisierende Gesamtdosis (Total Ionizing Dose, TID) ist die kumulative absorbierte Dosis in einem bestimmten Material, die sich aus der Energie der ionisierenden Strahlung bei einer Dosisleistung zwischen 50 bis 300 rad(Si)/s ergibt. Für elektronische Bauteile ist TID ein möglicher langfristiger Ausfallmechanismus.

Tabelle 1 definiert den Industriestandard für die gesamte ionisierende Strahlendosis (TID) in den erdorbitalen Bereichen und des Weltraums.

Um eine solche Zertifizierung zu erhalten, müssen die Bauteile aus einem Los stammen, von dem eine repräsentative Probe mindestens das Doppelte des betreffenden TID-Wertes oder 200 krad überstanden hat, um die 100 krad-Konformität des Loses zu bestätigen. Diese Prüfung wird in einem so genannten RLAT-Bericht (Radiation Lot Acceptance Test) festgehalten.

Enhanced Low Dose Rate Sensitivity (ELDRS) ist vergleichbar mit TID, doch die gesamte erforderliche Strahlung, z. B. 100 krad, wird mit einer viel geringeren Dosisleistung verabreicht, normalerweise 0,01 rad(Si)/s bis 0,1 rad(Si)/s. Die Bestrahlungstests müssen daher viel länger dauern, bis zu 120 Tage. Der Grund dafür ist, dass paradoxerweise einige Komponenten durch langsamere Strahlungsraten stärker beeinträchtigt werden als durch schnellere Raten. Glücklicherweise handelt es sich bei den für ELDRS anfälligen Komponenten in erster Linie um bipolare Halbleiter. Werden diese nicht verwendet, ist es nicht notwendig, ELDRS zu testen.

Eine sehr wichtige Art von Strahlung sind Einzelereignis-Effekte (Single Event Effects (SEE). Einzelereignisse werden durch einen einmaligen Aufprall eines Teilchens (in der Regel eines schweren Ions) verursacht. Die Stärke des Ereignisses wird in MeV gemessen.

SEE wird in mindestens drei Hauptkategorien unterteilt, die nach Schweregrad geordnet sind:

• Einzelereignis-Transienten (SET),

• Einzelereignis-Upsets (SEU),

• Einzelereignis-Latchups (SEL).

Ein wesentlicher Unterschied zwischen TID- und SEE-Effekten besteht darin, dass TID ein kumulativer Effekt ist, der sich im Laufe der Zeit durch alle Arten von Umgebungsstrahlung aufbaut, während SEE-Schäden fast sofort auftreten, wenn ein hochenergetisches Teilchen auf ein Halbleiterbauelement trifft.

Da die Leitungsabstände integrierter Schaltkreise immer enger werden, kann der Aufprall eines Partikels einen Kurzschluss zwischen zwei Leitungen oder andere katastrophale Schäden verursachen, die möglicherweise zu einem Totalschaden im Gerät führen.

Ein SET entsteht, wenn sich die bei einem Ionisierungsereignis gesammelte Ladung in Form eines Störsignals entlädt, das sich durch den Stromkreis bewegt. Dies ist de facto der Effekt einer elektrostatischen Entladung. Es handelt sich um einen weichen Fehler, der reversibel ist. SET-Ereignisse, die sich vollständig selbst erholen, sind die am wenigsten katastrophalen SEE-Ereignisse, aber dennoch wichtig und können in manchen Fällen dazu führen, dass ein Bauteil nicht für den vorgesehenen Verwendungszweck eingesetzt werden kann.

SEUs sind Zustandsänderungen von Speicher- oder Registerbits, die durch ein einzelnes Ion verursacht werden, das mit dem Chip interagiert. Sie verursachen zwar keine dauerhaften Schäden am Gerät, können aber bei einem System, das sich von einem solchen Fehler nicht erholen kann, zu dauerhaften Problemen führen. Dies sind weiche Fehler, die reversibel sind. SEUs können zu funktionalen Einzelereignisunterbrechungen (Single-event functional interrupts, SEFI) werden, wenn sie Steuerschaltungen wie Zustandsautomaten stören und das Gerät in einen undefinierten Zustand, einen Testmodus oder einen Halt versetzen, der dann einen Reset oder einen Stromversorgungszyklus erfordert, um wiederhergestellt zu werden.

Ein SEL ist ein schwerer Fehler und kann nicht rückgängig gemacht werden. Bulk-CMOS-Bauelemente sind am anfälligsten. SEL-Ereignisse führen dazu, dass ein Halbleiter „durchbricht“ oder stirbt. Er wird sich überhaupt nicht von selbst erholen. Das ist für eine Anwendung im Weltraum niemals akzeptabel.

Eine prompte Dosis ist am wahrscheinlichsten bei der Detonation einer Atombombe, die eine große Menge an Strahlung mit einer Rate von 1 ^. 10⁸ bis 1 ^. 10¹³ rad/s freisetzt. Interessanterweise können richtig konstruierte, hochzuverlässige SC-Cut-Kristallresonatoren aus geschliffenem Quarz nicht nur diese extrem energiereichen und heftigen Strahlungsereignisse überstehen, sondern sogar mechanisch weiterschwingen, während selbst die besten elektronischen Komponenten einen kurzen Ausfall von wenigen bis 20 ns erleben. Diese wichtige Aufrechterhaltung von Phase und Frequenz durch die mechanische Vibration eines doppelt rotierten Quarzkristalls in einem OCXO wird als Schwungradeffekt (flywheel effect) bezeichnet.

Neutronenverdrängungsschäden und kumulative Effekte sind allmähliche Effekte, die während der gesamten Lebensdauer der Elektronik, die einer Strahlungsumgebung ausgesetzt ist, aufgrund der durch die Strahlung in die Elektronik eingebrachten Energie auftreten. Ein Gerät, das empfindlich auf TID oder Verdrängungsschäden (displacement damage, DD) reagiert, fällt in einer Strahlungsumgebung aus, wenn die akkumulierten TID die Toleranzgrenzen erreicht haben. DD erzeugt Defekte im Halbleitergitter, die zu langfristiger elektrischer Beeinträchtigung führen. Bipolare Bauelemente (BJTs, Dioden, MOSFETs) sind anfällig für DD durch Neutronen oder Protonen. DD wird nicht in einer Einheit gemessen, sondern nur in ihren Auswirkungen auf die Geräte. Der Verdrängungsschaden wird durch die Partikelfluenz in Partikel/cm² ausgedrückt, d. h. N/cm² oder P/cm².

Fazit

Es gibt noch viele andere Arten von Strahlung, und jede der oben genannten Strahlungsarten hat viele wichtige Details und Nuancen, auf die hier nicht eingegangen wird. Der Verfasser möchte dem Leser mit diesem Artikel einen kurzen Überblick und ein gewisses intuitives Verständnis für die Tragweite des Themas vermitteln. (tk)

* Ron Stephens, Q-Tech Corporation, Consultant, ehemals President, Q-Tech.

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