Durcissement des équipements électroniques

Position du problème

Depuis plus de 40 ans, NUCLETUDES a innové dans le domaine du durcissement des équipements soumis à des environnements radiatifs comprenant neutrons, protons, photons X et ϒ, électrons, et ions lourds, et à des environnements électromagnétiques. Pour les applications nucléaires, ce type d’activité correspond typiquement à la nucléarisation d’équipements devant fonctionner sous radiations.

Dans ce cadre, NUCLETUDES a développé des méthodes et moyens uniques pour traiter la problématique de tenue des électroniques à ces agressions, que ces dernières soient issues d’une explosion nucléaire, de l’environnement radiatif naturel (applications spatiales) ou d’environnements critiques particuliers (nucléaire civil, accélérateurs,…).

Les effets fonctionnels créés dans les équipements par ces agressions sont :

  • des perturbations, par nature passagères, mais pouvant conduire à des dysfonctionnements de l’équipement et du système qui l’utilise,
  • des dégradations de performances de l’équipement,
  • des destructions physiques de tout ou partie de l’équipement.

Quel que soit l’effet dont on veut se protéger, la démarche est la suivante :

  • détermination du seuil de vulnérabilité,
  • comparaison entre ce niveau et le niveau de l’agression,
  • proposition d’évolution pour que le niveau de susceptibilité soit supérieur au niveau d’agression, avec une marge adaptée,
  • validation et qualification de la conception durcie.
 

Vulnérabilité et durcissement aux effets des environnements radiatifs et électromagnétiques

Les éléments les plus sensibles sont les composants électroniques, électro-optiques, voire électromécaniques. Les composants tels que les fibres optiques et les optiques sont également à considérer car sensibles aux environnements radiatifs.4_vulnerabilite_materielle

Les effets des rayonnements nucléaires sur les composants électroniques sont de deux types :

  • effets transitoires, liés au caractère transitoire du rayonnement ou de l’interaction rayonnement-matière,
  • effets permanents, liés ou non au caractère transitoire du rayonnement ou de l’interaction rayonnement-matière.

Les effets transitoires se manifestent sous la forme de perturbations fonctionnelles. Il s’agit principalement :

  • des perturbations fonctionnelles engendrées par l’impulsion photonique (cas d’une explosion nucléaire où un flux de neutrons de haute énergie impacte le système sur une durée très courte) ou un parasite conduit induit
    par couplage électromagnétique,
  • des SET (Single Event Transient) engendrés par des particules lourdes.

Les effets permanents se traduisent par :

  • des dégradations des performances liées au caractère cumulatif de certains types de rayonnements tels la dose ionisante photonique et la fluence neutronique, pouvant aller jusqu’à
  • la destruction fonctionnelle,
  • des changements d’états électriques,
  • des destructions liées au caractère impulsionnel de l’agression (Single Event Burn-Out ou SEB, débit de dose ionisante, parasite conduit),
  • des verrouillages fonctionnels maintenus liés au caractère impulsionnel de l’agression.

Pour plus de détails télécharger le document ‘Vulnérabilité aux SEE

 

Méthode

Deux phases successives sont à considérer :

  • la détermination de la vulnérabilité de l’équipement,
  • la définition des protections éventuellement nécessaires et la validation/qualification de l’équipement.

Détermination de la vulnérabilité de l’équipement

Le support à une conception électronique durcie et les études de vulnérabilité incluent :

  • la mise en place de règles de conception et d’une aide au choix de composants,
  • l’identification et la sélection de technologies robustes,
  • une expertise électronique (analyse de l’architecture, des schémas et de la nomenclature) s’appuyant sur des études de vulnérabilité au travers de simulations et tests,
  • les tests de caractérisation de composants électroniques sous irradiation (définition, mise en œuvre et exploitation d’essais) incluant la conception et la fabrication de cartes de test durcies dédiées à la mise en œuvre fonctionnelle de composants, de fonctions (voir la page tests de composants),
  • l’utilisation de codes de calculs (e.g. calcul des sections efficaces de SEE, des dépôts d’énergie en ions lourds, simulation comportementale de fonctions électroniques).

Définition des protections – Validation et Qualification

La phase précédente a permis de connaître le niveau de susceptibilité de l’équipement vis-à-vis des différentes contraintes radiatives et électromagnétiques.

Lorsqu’ils excèdent les niveaux spécifiés, NUCLETUDES propose des améliorations telles que :

  • la définition et la modélisation des blindages (radiatif et électromagnétique),
  • l’identification des modifications de matériel requises vis-à-vis des objectifs d’immunité visés (architecture, schémas).

Ces modifications, approuvées par l’équipementier, sont ensuite validées par essais sur les fonctions les intégrant ou bien sur équipement complet.

Vient ensuite, la qualification, qui s’appuie, entre autre sur une phase expérimentale en soumettant l’équipement aux contraintes spécifiées.