【正文】 在其內(nèi)部也存在一定程度的核輻射，稱為核動力環(huán)境（本文特指核動力環(huán)境）。核輻射環(huán)境的危害機理：核輻射環(huán)境中的高能粒子的種類，雖然很多，但其中的大部分，例如，α射線、β射線、x射線等，容易被空氣和其他介質(zhì)吸收，或者被設(shè)備的殼體所屏蔽，不會對電子設(shè)備及其元器件造成致命的傷害。對電子設(shè)備及其元器件威脅最大的主要是高能中子流和γ射線，因為二者很難被其他物質(zhì)吸收，而且穿透能力極強。當(dāng)電子設(shè)備受到不帶電的中子轟擊后，會使原子核在晶格中的位置發(fā)生變化，稱為“位移效應(yīng)”，從而造成元器件的性能發(fā)生永久性的惡化。γ射線對微電子器件的照射，會導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生“電離效應(yīng)”。電離產(chǎn)生的自由電子和空穴“對”，在電場的作用下會形成寄生電流，使電子產(chǎn)品的性能惡化。例如，使鉭電容的電容量下降、漏電流增加；使二極管的反向漏電流增加、反向耐壓下降；使工作在線性區(qū)的三極管飽和，甚至被燒毀，等等。 空間輻射環(huán)境空間輻射環(huán)境，主要指宇宙射線。在外層空間存在著多種高能射線，統(tǒng)稱為宇宙射線。由于地磁場具有對外層空間帶電粒子的俘獲作用，在地球的周圍形成一個由高能粒子構(gòu)成的輻射帶，稱為“范艾倫”輻射帶，它又可分為“內(nèi)帶”和“外帶”。內(nèi)帶在距地球約600Km至6000Km的高空，主要由帶正電的高能質(zhì)子組成，對中、低軌道的人造衛(wèi)星構(gòu)成威脅；外帶在距地球約2萬公里至6萬公里的高空，主要由帶負(fù)電的高能電子組成，對高軌道的人造衛(wèi)星構(gòu)成威脅。高能質(zhì)子和電子都能造成微電子器件內(nèi)部的“電離效應(yīng)”，高能質(zhì)子還能造成原子的“位移效應(yīng)”，也稱為“單粒子效應(yīng)”。 抗輻射（照）設(shè)計當(dāng)前，隨著“核能技術(shù)”的發(fā)展及應(yīng)用，核電站遍布世界各地、核動力潛艇和航母游弋在各大海洋中、裝載著核彈的戰(zhàn)略轟炸機翱翔在藍天之上、裝有核彈頭的導(dǎo)彈部署在各軍事要地。另外，隨著“太空經(jīng)濟”（與太空探索和太空開發(fā)相關(guān)的產(chǎn)品與服務(wù)：太空資源利用、太空工業(yè)、太空農(nóng)業(yè)、太空旅游等）時代的到來，各經(jīng)濟大國都在大力發(fā)展自己的空間技術(shù)，各式各樣的人造衛(wèi)星和空間飛行器相繼發(fā)射升空。在所有這些核裝置和空間飛行器的內(nèi)部裝載了大量的電子設(shè)備。就是說，有大量的電子設(shè)備工作在具有核輻射和空間輻射的環(huán)境之中，而且還要保證這些設(shè)備能夠正常地工作，這就是抗輻射（照）設(shè)計的問題。核技術(shù)、空間技術(shù)都是專門的技術(shù)領(lǐng)域，電子設(shè)備的設(shè)計師們不可能同時掌握這些高深的技術(shù)，但要做到如下兩點：① 要清楚地知道自己的產(chǎn)品在未來的應(yīng)用環(huán)境中可能遭遇到的輻射類型、輻射強度、以及對自己的產(chǎn)品會造成哪些危害；② 設(shè)計師在深入了解了危害機理的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的技術(shù)措施并落實在產(chǎn)品的設(shè)計中，使自己的產(chǎn)品免遭這些危害，從而保證在輻射（照）環(huán)境中能夠正常地工作。以往，由于保密的緣故，有關(guān)抗輻射（照）的設(shè)計資料極其稀少。下面是根據(jù)收集到的零星材料經(jīng)過歸納、整理后形成的參考條款：■ 由以上的輻射環(huán)境說明可知，輻射環(huán)境對電子產(chǎn)品的作用機理，主要表現(xiàn)為電離效應(yīng)和位移效應(yīng)（單粒子效應(yīng)）?！?目前，最有效的防護措施首推物理屏蔽，器件的管殼、設(shè)備外殼、飛行器的蒙皮等，都可對輻射起到一定的屏蔽作用。其關(guān)鍵是，要找到能夠削弱輻射影響的屏蔽材料。金屬管殼只能屏蔽能量較低的帶電粒子，但不能屏蔽不帶電的中子。鉛和鐵可以用來防護多種射線，但由于重量的關(guān)系，又不宜作為封裝材料使用。一般認(rèn)為，聚乙烯、“硅酮樹脂”是比較好的抗輻射封裝材料?！?有時候，電子設(shè)備中存在個別“特別敏感”的器件，如果根據(jù)該器件的敏感度來設(shè)計設(shè)備的整體防護，會導(dǎo)致設(shè)備的體積、重量和成本的大幅度增加，有時甚至是無法接受的。此時，可降低對整體防護的要求，滿足適度的防護指標(biāo)即可，而對個別“特別敏感”的器件采取局部加固的防護措施。既降低了對整機設(shè)備的防護要求，又保證了“特別敏感”器件的特殊需求?！?開展“抗輻射加固”設(shè)計，就是要確保產(chǎn)品在規(guī)定的輻射環(huán)境下能夠正常地工作、完成規(guī)定的功能，通常的做法是：① 選擇抗輻射能力強的原材料、元器件（“抗輻射加固”元器件）。② 開展抗輻射加固電路的研究：在電路設(shè)計中采取補償、分流、限流等多種技術(shù)措施來預(yù)防過大的瞬時光電流；采用深度反饋技術(shù)，穩(wěn)定電路參數(shù)；采用差分輸入電路，抑制共模干擾；選擇合適的工作點，提高電路的“容差”能力，等等。③ 合理的結(jié)構(gòu)布局：在對輻射環(huán)境和產(chǎn)品工作狀態(tài)進行認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上，找出產(chǎn)品內(nèi)部對輻射最敏感的部位和器件。在進行結(jié)構(gòu)布局設(shè)計時，使其避開輻射最強的方向。④ 采取物理屏蔽措施，涂敷抗輻射涂層。將上述措施具體化，就是“抗輻射設(shè)計準(zhǔn)則”。13. 余度設(shè)計準(zhǔn)則余度設(shè)計也稱為“冗余設(shè)計”，有時還稱為“儲備設(shè)計”。所謂“余度”是指，在系統(tǒng)或者設(shè)備中，針對某一“特別重要”的功能，配置了兩套以上能完成同一功能的單元，只有當(dāng)這些單元全部發(fā)生故障時，系統(tǒng)或者設(shè)備才會喪失功能而失效。所謂“特別重要的功能”是指，當(dāng)該功能喪失后會造成嚴(yán)重的后果：人身傷亡、重大的財產(chǎn)損失、惡劣的社會影響等。因此，對系統(tǒng)或者設(shè)備的可靠性和安全性提出了極高的要求，換句話說，“只能成功、不許失敗”。當(dāng)基礎(chǔ)元器件或零部件的可靠性較低（但不是太低），而且采取一般的技術(shù)手段不能滿足系統(tǒng)或者設(shè)備的可靠性和安全性的要求時，余度技術(shù)就成了唯一的選擇。余度技術(shù)固然能使系統(tǒng)的任務(wù)可靠性得到提高，但同時會使系統(tǒng)變得較為復(fù)雜，基本可靠性反而降低，而且還造成了體積、重量、制造和維護成本的增加。因此，不是迫不得已，并不提倡濫用余度技術(shù)。只有在下述情況同時存在時，才考慮采用余度技術(shù)：① 現(xiàn)有器件的可靠性不能滿足要求，而且又找不到替代產(chǎn)品；② 研制新的器件費用太高，而且趕不上進度要求；③ 改進設(shè)計所需費用比采用余度技術(shù)的費用更高。在進行產(chǎn)品設(shè)計時，首先要綜合權(quán)衡各種因素（可靠性、安全性、技術(shù)可行性、研制周期、制造和維護成本等），然后再決定是否采用余度技術(shù)。如果最終決定采用余度技術(shù)，那么，還需注意以下事項：◆ 余度技術(shù)可以在不同的功能級別上采用，例如，元器件、分部件、子系統(tǒng)、甚至系統(tǒng)級。但理論和實踐均表明，在較低的層級上采用余度技術(shù)，則“效／費”比是最佳的。不但能夠收到預(yù)期的“余度”效果，而且不至于造成體積、重量和成本的大幅度增加?！?不能用余度技術(shù)解決元器件質(zhì)量低下的問題。采用余度技術(shù)不但不能降低對基礎(chǔ)元器件（或儲備單元）的可靠性要求，恰恰相反，應(yīng)當(dāng)選擇可靠性較高的器件進行余度設(shè)計，來實現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性和高安全性。如果儲備單元的可靠性過低，則冗余后的可靠性也不會太高，就失去了“高可靠”的意義了?！?不能用余度技術(shù)解決降額的問題。降額是針對某一特定環(huán)境而言的，與是否采用余度技術(shù)無關(guān)。所有的儲備單元都必須滿足該環(huán)境條件的要求，都必須降額，而且具有相同的降額等級?！?余度技術(shù)并不意味著儲備單元越多越好，凡事都要有個“度”。儲備單元過多時，對“任務(wù)可靠性”的貢獻就不再明顯了，反而使系統(tǒng)過于復(fù)雜，造成“基本可靠性”的大幅度下降，還會導(dǎo)致體積、重量、成本的大幅度增加，得不償失。例如，對于并聯(lián)儲備，“三單元并聯(lián)”足矣，再多也沒有必要。◆ 余度技術(shù)有多種類型，根據(jù)任務(wù)期內(nèi)儲備單元是否工作，可分為“工作儲備”和“非工作儲備”兩大類。“工作儲備”（如“并聯(lián)儲備”和“表決儲備”）的所有單元都在同機工作，每一個單元既是工作單元，又是儲備單元。而“非工作儲備”（如“旁聯(lián)儲備”），只有一個單元在工作，其余的單元都不工作，即處在待機（貯備）狀態(tài)。當(dāng)工作單元故障時，立即由第一個貯備單元接替工作。當(dāng)接替的單元再次故障時，立即由下一個貯備單元接替工作，直到全部貯備單元都故障時，系統(tǒng)才發(fā)生故障。很顯然，這樣的儲備系統(tǒng)需要一個“故障檢測器”和“余度切換開關(guān)”。這樣，新的問題又出現(xiàn)了，“故障檢測器”和“切換開關(guān)”是串聯(lián)在系統(tǒng)中使用的，它們必須具有很高的可靠性，否則會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性。目前，工程上應(yīng)用得最多的儲備形式，仍然是最簡單的“兩單元并聯(lián)”。14. 潛在通路分析及預(yù)防 潛在通路的特點以往，“潛在通路”的典型案例較少，有關(guān)這方面的研究也不多，相關(guān)資料很難見到。加上“潛在通路”本身的復(fù)雜性，很難用一兩句話說得清楚，也很少引起人們的關(guān)注。但是，現(xiàn)在的情況不一樣了，當(dāng)前的產(chǎn)品（系統(tǒng)）愈來愈復(fù)雜、功能愈來愈多、自動化程度愈來愈高，由潛在通路引起的系統(tǒng)故障逐漸多了起來。對潛在通路的分析與預(yù)防也逐漸受到了重視，已經(jīng)成為可靠性和安全性分析的重要組成部分。所謂“潛在通路”是指，在某種特定的條件下，當(dāng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)發(fā)生變化（切換）時，在系統(tǒng)的內(nèi)部會產(chǎn)生一個（或者幾個）不希望有的通路（與任務(wù)無關(guān)的多余功能），從而導(dǎo)致系統(tǒng)的功能異常，或者故障。這類故障有兩大特點：① 系統(tǒng)（頂層產(chǎn)品）的這種功能異常，是在該系統(tǒng)的所有組成部分均無故障的情況下發(fā)生的，就是說，頂層產(chǎn)品的故障，不是由其下屬產(chǎn)品的故障造成的；② 頂層產(chǎn)品的這種故障，不是每次運行都必然發(fā)生，而是在幾個特定的條件均得到滿足時才能夠發(fā)生。由這兩個特點可知：◆ 由于這類故障是在所有組成單元均“無故障”的情況下發(fā)生的，而且不是每次運行必然發(fā)生。因此，很難用“試驗”來確認(rèn)在系統(tǒng)的內(nèi)部是否存在“潛在通路”。眾所周知，可靠性工程的基礎(chǔ)是“試驗驗證”，但“潛在通路”是否存在，恰恰不能用試驗的方法來加以驗證，這大概就是潛在通路的最大特點了?！?由于不能用試驗的方法來確認(rèn)在系統(tǒng)的內(nèi)部是否存在潛在通路，那么，只能通過對系統(tǒng)的設(shè)計圖紙和設(shè)計資料進行詳細(xì)的分析才能做出結(jié)論。 潛在通路分析與“網(wǎng)絡(luò)樹”圖“潛在通路分析”是指，假定在系統(tǒng)的所有組成單元均正常工作的前提下，查找可能導(dǎo)致系統(tǒng)功能異常的潛在通路，為改進設(shè)計提供依據(jù)。分析的步驟如下：① 首先，對系統(tǒng)的全部設(shè)計圖紙（功能框圖除外）和設(shè)計資料進行認(rèn)真的分析。在此基礎(chǔ)上，著手繪制供潛在通路分析用的“網(wǎng)絡(luò)樹”圖；② 系統(tǒng)內(nèi)部的每個電源對應(yīng)一棵網(wǎng)絡(luò)樹，樹的頂端是電源的高端（正極）；③ 由電源的高端（正極）出發(fā)，向下找出系統(tǒng)內(nèi)的全部電流通路。這些電流通路及其分支（通路之間可能存在橫向聯(lián)系），由負(fù)載和具有開關(guān)特性的器件（開關(guān)、繼電器、二極管和三極管等）組成。不必要的線性器件和只起連接作用的部分可以省略；④ 由這些電流通路及其分支構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，最終又匯集到該電源的低端（電源地），形成這個電源的網(wǎng)絡(luò)樹；⑤ 用同樣的方法繪制其他電源的網(wǎng)絡(luò)樹；⑥ 根據(jù)系統(tǒng)的全部“網(wǎng)絡(luò)樹”圖，找出網(wǎng)絡(luò)樹中所有開關(guān)器件的“通／斷”位置組合，每一種組合就是一個通路。并用表格的形式將全部通路表示出來。然后，對每一條通路進行逐個分析，從中找出與系統(tǒng)任務(wù)無關(guān)的“多余通路”。這些多余的通路，就是要尋找的“潛在通路”，并在設(shè)計上采取相應(yīng)的措施避免其發(fā)生。關(guān)于潛在通路的分析，再補充說明如下：■ 如果一棵網(wǎng)絡(luò)樹中所包含的開關(guān)器件較多，那么它們的“通／斷”位置的“組合數(shù)”將是十分巨大的，人工分析顯然是不可能的，只能編制專門的分析軟件，用計算機進行分析處理?！?潛在通路分析，是假設(shè)在所有元件、部件均無故障的前提下，查找系統(tǒng)將要發(fā)生的故障。因此，只關(guān)注各元件、部件之間的相互連接關(guān)系，暫不考慮元件、部件本身的質(zhì)量與可靠性?！?在進行潛在通路分析時，不考慮環(huán)境因素的影響，但要考慮人為的差錯。■ 在繪制“網(wǎng)絡(luò)樹圖”時，要使用詳細(xì)的原理圖、布線圖、接線圖和安裝圖等，不能使用功能框圖。因為，有可能遺漏開關(guān)器件?！?在有些設(shè)計報告中，把電磁干擾的傳播通路也稱為“潛在通路”是不妥當(dāng)?shù)?，因為干擾通路雖然可以使產(chǎn)品的性能惡化，但并沒有產(chǎn)生不希望的多余功能。第 46 頁 共 46