Cientistas verificam efeitos de raios cósmicos em peças de satélites

Experimento em acelerador de partículas simula efeito de íons pesados da radiação cósmica em componentes eletrônicos

Por - Editorias: Tecnologia
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Vitor Aguiar, Nilberto Medina e Nemitala Added, do IF, observam dispositivo eletrônico que será colocado na câmera de testes para simular efeitos dos raios cósmicos – Foto: Cecília Bastos/USP Imagens

No Instituto de Física (IF) da USP, pesquisadores desenvolveram uma nova canalização no acelerador de partículas Pelletron, instalado no IF, para testar os efeitos de íons pesados em dispositivos eletrônicos, como chips de memória e processadores. Uma parte dos testes servirá para verificar como os raios cósmicos no espaço, que contém íons pesados, afetam os componentes eletrônicos que mantêm em funcionamento os satélites artificiais que orbitam em torno da Terra. Os primeiros testes utilizando a nova canalização aconteceram em fevereiro deste ano.

Os cientistas do IF fazem parte do projeto Circuitos Integrados Tolerantes à Radiação (Citar), do Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações (MCTIC), iniciado em 2012. O objetivo é desenvolver e qualificar componentes para os satélites lançados pelo Brasil, bem como os testes necessários para sua certificação. “No espaço, os raios cósmicos podem provocar danos que alteram as características de componentes eletrônicos dos satélites, tais como transístores, memórias, processadores e microcontroladores, e prejudicar seu funcionamento”, afirma o professor Nilberto Medina, integrante do projeto. “Como não é simples substituir um dispositivo num satélite em órbita, é preciso que seus componentes resistam à radiação e possam funcionar durante cinco a dez anos, sem interrupção.”

Dispositivos eletrônicos tolerantes à radiação já existem no exterior, porém os custos são muito mais elevados do que as versões convencionais. “Em alguns casos, devido a questões de embargo, componentes de satélites produzidos nos Estados Unidos não podem ser importados”, diz o professor. “E o componente trazido do exterior pode não estar dentro das especificações, obrigando a alterações no projeto.” O Citar, que conta com apoio da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep), do MCTIC, tem a participação do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), do Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI), do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) da Aeronáutica, do Centro Universitário da FEI, do Instituto Mauá de Tecnologia e do IF.

Canalização para irradiação, com elementos para transporte de partículas (esq.) e posicionamento dos dispositivos eletrônicos (dir.) – Foto: Cecília Bastos/USP Imagens

A origem da radiação usada nos testes é uma fonte de íons, uma aparelhagem que obtém íons negativos para formar o feixe a partir de diversos materiais, do hidrogênio à prata. “Por meio de um eletroímã, um determinado tipo de íon negativo é selecionado, levando em conta sua carga, massa e energia, sendo posteriormente direcionado através de uma tubulação na vertical para o acelerador de partículas”, relata Medina. “No acelerador, também conhecido como Pelletron, esses íons são acelerados por uma diferença de tensão de até 8 milhões de volts. Em seguida, passam por uma folha de carbono ultrafina que transforma os íons negativos em positivos, e são acelerados novamente.” Depois de passar pelo acelerador de partículas, o feixe de íons de alta energia segue por uma tubulação vertical até chegar a outro eletroímã, que seleciona íons com energias específicas direcionando o feixe resultante para as câmaras de espalhamentos da canalização a zero grau, onde acontecem os testes de irradiação.

Câmara de testes

“Nesse ponto, o feixe possui entre 1 e 2 milímetros de diâmetro, com uma intensidade de dezenas de bilhões de partículas por segundo. Na sua trajetória dentro da canalização a zero grau, ele passa por duas folhas de ouro, com a finalidade de reduzir sua intensidade para um nível muito baixo, entre 100 e 100 mil partículas por segundo e aumentar seu diâmetro para aproximadamente 2 centímetros”, conta o professor. “A canalização é dotada de bombas de vácuo, que mantêm a pressão em um nível muito baixo para que não haja perda de energia do feixe de íons, que desde a fonte percorre uma distância da ordem de 50 metros.” A placa com o dispositivo a ser testado é colocada em um ambiente de vácuo dentro de uma câmara de testes, um compartimento feito de aço inoxidável.

“Ali o dispositivo recebe o feixe de íons para simular a radiação cósmica, e os efeitos são medidos através de sistemas de aquisição de dados controlados por osciloscópios ou computadores”, diz Medina. A canalização foi projetada especificamente para experimentos em física nuclear aplicada, em particular para o estudo de eventos singulares, produzindo feixes com características específicas para o estudo de efeitos da radiação em componentes eletrônicos. As características dos feixes atendem a normas determinadas pelas agências espaciais europeia e norte-americana. As técnicas de medidas foram desenvolvidas no trabalho de mestrado do físico Vitor Aguiar. No doutorado, com auxílio de técnicos do IF, o pesquisador realizou simulações no computador para projetar essa nova linha de feixe, montando toda a canalização, que é equipada com um posicionador de amostras (goniômetro) e elementos ópticos para o transporte do feixe.

Câmaras de espalhamento intermediárias usadas na canalização zero grau, que direciona os feixes de íons para a câmera de irradiação – Foto: Cecília Bastos / USP Imagens

Os primeiros testes da nova canalização aconteceram no último mês de fevereiro, com medidas das características do feixe de íons, em particular, a intensidade e uniformidade. “Em um dispositivo de memória, por exemplo, a carga depositada pela radiação pode mudar a informação que está dentro dele”, explica o professor Nemitala Added, do IF, que integra o projeto. “Quanto menor o dispositivo, mais facilmente as partículas conseguem alterar o conteúdo das memórias. Numa placa de circuitos integrados, um espaço de 1 centímetro quadrado (cm2) pode conter milhões de transístores.”

O professor Added ressalta que, além do desenvolvimento de dispositivos eletrônicos tolerantes à radiação cósmica, o projeto Citar também busca criar competência para testar os dispositivos no Brasil. “A realização de testes no exterior tem um custo muito alto, por isso os experimentos seguem os padrões determinados pelas agências especiais dos Estados Unidos e Europa”, aponta. Fora do Brasil, o preço desses testes para um único dispositivo pode chegar a 20 mil euros. A aquisição de materiais e equipamentos para a canalização, tais como bombas e medidores de vácuo, fontes de tensão e materiais para a canalização e câmaras de testes, também teve a colaboração da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp).

Canalização simula efeito de radiação em componentes eletrônicos

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Tanque do acelerador de partículas, com escotilha de entrada para manutenção do tubo acelerador por onde passam íons usados nos testes - Foto: Cecília Bastos / USP Imagens
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Canalização após o tanque do acelerador, onde estão os componentes do sistema de bombeamento e transporte do feixe de íons - Foto: Cecília Bastos / USP Imagens
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Professor Nemitala Added supervisiona o processo de transporte do feixe de íons pelo pelo acelerador de partículas - Foto: Cecília Bastos / USP Imagens
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Abaixo, osciloscópio usado para controlar intensidade do campo magnético que determina energia dos íons. Acima, medidas de corrente dos eletroimãs na canalização - Foto: Cecília Bastos / USP Imagens
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Montagem de placa eletrônica que será colocada na câmera de irradiação, onde incidem os feixes de íons - Foto: Cecília Bastos / USP Imagens
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Câmaras de espalhamento intermediarias usadas na canalização zero graus, que direcionam os feixes de íons para a câmera de irradiação - Foto: Cecília Bastos / USP Imagens
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Pesquisador Vitor Aguiar monta placa eletrônica na câmara de irradiação da canalização zero graus para realização dos testes - Foto: Cecília Bastos / USP Imagens
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Professor Nilberto Medina apresenta gráfico que indica a homogeneidade na intensidade do feixe de íons na região de irradiação - Foto: Cecília Bastos / USP Imagens
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Mais informações: e-mail medina@if.usp.br, com o professor Nilberto Medina, e nemitala@if.usp.br, com o professor Nemitala Added

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