Resistencia a radiación para niños

La resistencia a la radiación es la capacidad de los componentes electrónicos y sistemas para funcionar correctamente sin dañarse, incluso cuando están expuestos a la radiación ionizante. Esta radiación incluye partículas y energía de alta intensidad que pueden encontrarse en lugares como el espacio, en vuelos a gran altura, cerca de reactores nucleares y aceleradores de partículas, o en situaciones de emergencia nuclear.

La mayoría de los componentes electrónicos que usamos son sensibles a la radiación. Para hacerlos resistentes, se modifican sus diseños y procesos de fabricación. Debido a que se necesita mucho trabajo para diseñar y probar estos chips, a veces no están tan actualizados como los chips normales.

Los productos resistentes a la radiación se prueban para ver cómo soportan diferentes tipos de efectos, como la dosis total de radiación, el daño causado por neutrones y protones, y los efectos de eventos únicos (cuando una sola partícula de radiación causa un problema).

¿Por qué la radiación es un problema para la electrónica?

Los lugares con mucha radiación ionizante presentan desafíos especiales para el diseño de aparatos electrónicos. Una sola partícula cargada puede generar miles de electrones, lo que causa "ruido" o señales inesperadas en los circuitos. En los circuitos digitales, esto puede llevar a resultados incorrectos o confusos.

Este es un problema importante para el diseño de satélites, naves espaciales, aviones militares y equipos en plantas de energía. Para asegurar que estos sistemas funcionen bien, los fabricantes de chips y sensores para uso militar o espacial usan métodos especiales para protegerlos de la radiación. A estos sistemas se les llama "endurecidos" o "resistentes a la radiación".

¿De dónde viene la radiación que daña la electrónica?

Las fuentes más comunes de radiación que pueden afectar los componentes electrónicos son:

• Los rayos cósmicos vienen de todas direcciones en el espacio. Están formados principalmente por protones, partículas alfa y otros iones pesados, además de rayos X y radiación gamma. La atmósfera de la Tierra nos protege de la mayoría de ellos, por lo que son un problema principalmente para las naves espaciales y los aviones que vuelan muy alto.
• Las partículas de radiación solar provienen del Sol. Son flujos de protones de alta energía y iones pesados, también con rayos X.
• Los cinturones de radiación Van Allen son zonas alrededor de la Tierra donde quedan atrapados electrones y protones por el campo magnético terrestre. El número de partículas en estas zonas puede cambiar según lo que ocurra en el Sol y en la magnetosfera. Son un problema para los satélites.
• Las partículas secundarias se forman cuando otros tipos de radiación chocan con las estructuras alrededor de los dispositivos electrónicos.
• Los reactores nucleares producen rayos gamma y radiación por neutrones que pueden afectar los sensores y circuitos de control en las plantas de energía nuclear.
• Los aceleradores de partículas generan protones y electrones de alta energía. Las partículas secundarias que se producen por sus interacciones pueden dañar los componentes de control y los detectores de partículas.
• Las explosiones nucleares causan un aumento muy rápido e intenso de radiación en todo el espectro electromagnético, un pulso electromagnético (EMP), radiación de neutrones y un flujo de partículas cargadas. Esto puede ser un peligro para todo tipo de electrónica.
• Los materiales de los encapsulados de chips solían ser una fuente de radiación que causaba errores en las memorias DRAM en los años 70. Pequeñas cantidades de elementos radiactivos en el encapsulado podían emitir partículas alfa, que a veces descargaban los condensadores que guardaban los datos. Hoy en día, esto se ha reducido usando materiales más puros y códigos de corrección de errores.

¿Cómo afecta la radiación a la electrónica?

La radiación puede dañar la electrónica de dos maneras principales:

Daño a la estructura de los materiales

Este tipo de daño es causado por neutrones, protones, partículas alfa, iones pesados y fotones de muy alta energía. Estas partículas cambian la forma en que los átomos están organizados en la estructura cristalina de los materiales, causando daños permanentes. Esto puede hacer que los componentes funcionen peor, especialmente los transistores bipolares.

Efectos de ionización

Estos efectos son causados por partículas cargadas. Generalmente, los efectos de ionización son temporales y pueden causar fallos leves o errores. Sin embargo, si son muy intensos, pueden destruir el dispositivo. La fotocorriente causada por rayos X y radiación ultravioleta también entra en esta categoría. La acumulación de cargas en la capa de óxido de los transistores puede hacer que su rendimiento disminuya y, si la dosis es muy alta, el dispositivo puede fallar.

Los efectos de la radiación pueden variar mucho dependiendo de varios factores: el tipo de radiación, la cantidad total de radiación, la velocidad a la que se recibe la radiación, y cómo está funcionando el dispositivo en el momento del impacto. Por eso, probar la resistencia a la radiación es un trabajo difícil y que requiere mucho tiempo.

Tipos de problemas que se pueden observar

Los problemas que un usuario puede notar se pueden clasificar en varios grupos:

• Efectos de neutrones: Cuando un neutrón choca con la estructura de un semiconductor, puede mover sus átomos. Esto reduce la vida útil de los portadores de carga, afectando más a los dispositivos bipolares que a los CMOS. Los dispositivos bipolares son más sensibles a los neutrones.
• Efectos de dosis de ionización total (TID): Es el daño que se acumula en la estructura de un material por la radiación ionizante a lo largo del tiempo. Se mide en rads y causa una degradación lenta y gradual del rendimiento del dispositivo. En los dispositivos CMOS, la radiación crea pares de electrones y huecos en las capas aislantes, lo que puede cambiar el voltaje necesario para que los transistores funcionen, llevando a que el dispositivo falle.
• Efectos transitorios: Son causados por pulsos de radiación cortos pero muy intensos, como los que ocurren en explosiones nucleares. El alto nivel de radiación crea corrientes eléctricas en el semiconductor, haciendo que los transistores se activen de forma aleatoria y cambien el estado de las memorias. Si el pulso es muy largo, puede causar daños permanentes.
• Efectos de pulso electromagnético (EMP) generados por el sistema: Son causados por un destello de radiación que viaja a través de los equipos, generando ionización y corrientes eléctricas en los chips, placas de circuito, cables y carcasas.
• Efectos de evento simple (SEE): Son fenómenos que afectan a la mayoría de los dispositivos digitales. Cuando una partícula de alta energía atraviesa un semiconductor, deja un rastro ionizado. Esta ionización puede causar un fallo localizado, como un cambio de un bit en la memoria o un registro, o incluso un cortocircuito destructivo que quema el dispositivo. Los SEE son importantes para la electrónica en satélites y aviones.

Daño digital: Efectos de Evento Simple (SEE)

Los efectos de evento simple (SEE) son problemas que ocurren cuando una sola partícula de radiación de alta energía interactúa con un chip.

• Trastornos de evento simple (SEU): Son cambios en el estado de los bits de memoria o registros causados por un solo ion. No dañan permanentemente el dispositivo, pero pueden causar problemas si el sistema no puede recuperarse del error. Si un SEU afecta los circuitos de control, puede causar una interrupción funcional de evento simple (SEFI), dejando el sistema en un estado indefinido y requiriendo un reinicio.
• Cortocircuito de evento simple (SEL): Puede ocurrir en cualquier chip con una estructura interna específica. Un ion pesado o un protón de alta energía puede activar esta estructura, causando un "cortocircuito" que permanece hasta que el dispositivo se reinicia. Esto puede generar corrientes muy altas y destruir el componente.
• Transitorios de evento simple (SET): Ocurren cuando la carga generada por un evento de radiación se descarga como una señal no deseada a través del circuito.
• Calentamiento inducido de evento simple (SEB): Puede ocurrir en transistores de potencia cuando un ion impacta cerca de una unión, causando una multiplicación de cargas y un sobrecalentamiento local que puede destruir el circuito.
• Ruptura de puerta de evento simple (SEGR): Se ha observado en transistores de potencia cuando un ion pesado impacta la región de la puerta mientras se aplica un alto voltaje. Esto causa una ruptura local en la capa aislante, llevando a un sobrecalentamiento y la destrucción de esa parte del chip.

¿Cómo se logra la resistencia a la radiación?

Existen varias técnicas para hacer que los componentes electrónicos sean resistentes a la radiación:

Técnicas físicas

• Los chips resistentes a la radiación a menudo se fabrican sobre materiales aislantes, como el silicio sobre aislante (SOI) o sobre zafiro (SOS), en lugar de las obleas de semiconductor tradicionales. Mientras que los chips comerciales pueden soportar entre 50 y 100 Gray, los chips SOI y SOS para el espacio pueden soportar dosis mucho mayores.
• Los circuitos integrados bipolares suelen tener una mayor tolerancia a la radiación que los circuitos CMOS.
• La RAM magnetoresistiva (MRAM) es una buena opción para memoria resistente a la radiación, ya que no pierde datos por ionización.
• El apantallamiento de los encapsulados de los chips ayuda a reducir la exposición del dispositivo a la radiación.
• Las memorias DRAM a menudo se reemplazan por SRAM, que son más robustas, aunque más grandes y caras.
• Se eligen materiales con una banda energética amplia, como el carburo de silicio o el nitruro de galio, que son más tolerantes a los defectos.
• Se puede usar boro empobrecido (que solo contiene el ion boro-11) en la capa de protección de los chips, ya que el boro-10 captura neutrones fácilmente y puede causar problemas.

Técnicas lógicas

• Las memorias con corrección de errores usan bits adicionales para verificar si los datos están dañados. Un circuito especial escanea continuamente la memoria, lee los datos, busca errores y los corrige si es necesario.
• Se pueden usar elementos redundantes a nivel de sistema. Por ejemplo, tres microprocesadores separados pueden trabajar de forma independiente y comparar sus resultados. Si uno da un resultado diferente, se le pide que recalcule. Si un sistema falla repetidamente, se puede desconectar.
• También se pueden usar elementos redundantes a nivel de circuito. Un solo bit puede ser reemplazado por tres, y una "lógica de voto" determina continuamente el valor correcto. Esto aumenta el tamaño del chip, pero es muy seguro.
• Se pueden usar latch (elementos de memoria) resistentes a la radiación.
• Un temporizador watchdog (perro guardián) reinicia un sistema si este no realiza una secuencia específica, lo que indica que el sistema está funcionando. Si la radiación hace que el procesador funcione mal, es probable que no pueda "alimentar" al watchdog, y este reiniciará el sistema. Es una medida de seguridad final.

Usos en el espacio y aplicaciones militares

Los componentes resistentes a la radiación se usan a menudo en aplicaciones militares y espaciales. Algunos ejemplos incluyen:

• Sistemas de energía para satélites.
• Reguladores de voltaje.
• Fuentes de alimentación para microprocesadores y FPGA.
• Subsistemas de energía de bajo voltaje y alta eficiencia.

Resistencia nuclear para telecomunicaciones

En telecomunicaciones, el término "dureza nuclear" se refiere a:

• El grado en que el rendimiento de un sistema, instalación o dispositivo se ve afectado en un ambiente nuclear.
• Las características físicas de un sistema o componente electrónico que le permiten sobrevivir en un entorno con radiación nuclear y pulsos electromagnéticos (EMP).

Ejemplos de ordenadores resistentes a la radiación

Existen varios ordenadores y procesadores diseñados específicamente para ser resistentes a la radiación, usados en misiones espaciales y otras aplicaciones críticas:

• El SP0 de Aitech Defense Systems, que usa un procesador PowerQUICC-III.
• El BRE440 PowerPC de Broad Reach Engineering.
• El Proton 200k y Proton 100k de Space Micro Inc., que usan tecnologías especiales para mitigar los efectos de la radiación.
• La CPU RCA1802 de 8 bits, lanzada en 1976, fue uno de los primeros procesadores resistentes a la radiación producidos en masa.
• El System/4 Pi, creado por IBM y usado en el transbordador espacial.
• El RAD6000 y el RAD750 de BAE Systems, basados en procesadores POWER1 y PowerPC 750.
• El RH32 y el RHPPC de Honeywell Aerospace.
• El SCS750 de Maxwell Technologies, que usa tres núcleos PowerPC 750 para mayor resistencia.
• Ordenadores de Boeing para satélites, también basados en PowerPC 750.
• Los procesadores ERC32 y LEON, diseñados por Gaisler y la Agencia Europea del Espacio.
• El procesador RH1750 de GEC-Plessey.
• El Coldfire M5208 de General Dynamics, una alternativa de bajo consumo.
• El Mongoose-V, un microprocesador de 32 bits usado por la NASA en naves espaciales como la New Horizons.
• El KOMDIV-32, un microprocesador ruso compatible con MIPS R3000.

Véase también

En inglés: Radiation hardening Facts for Kids