一种应用于强γ场下的小型自动化控制核心的制作方法

一种应用于强
γ
场下的小型自动化控制核心
技术领域
1.本发明属于抗辐射电子系统技术领域，具体涉及一种应用于强γ场下的小型自动化控制核心。


背景技术：

2.现如今，大部分电子学系统均在常规环境下使用，在研发过程中，大部分则会针对电磁干扰、自然环境干扰进行研究，然而在目前的研究中，对电子学系统在电离辐射环境下的研究并不多。因此，核领域中电子学系统的发展整体上较为滞后于其他领域，特别是在强辐射场下，更为稀少。然而在实际作业中，强辐射场下对人体损伤极大，高性能的自动化设备能够对人的重复性工作进行替代。以强γ场为例，由于γ粒子破坏绝缘栅氧层，导致mos结构发生阈值漂移，异常导通后引发短路导致系统瘫痪。也正是由此原因，大部分高精密自动化装置很难在这种环境下使用。自动化装置的关键部分，嵌入式控制核心，是完成所有预设任务的关键所在，保证其在强辐射场下工作稳定，完成精准的运算和控制，并协作多部件，兼容端口是十分重要的。因此实现自动化设备应用于强辐射场中，其为关键的一环。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对强辐射场下自动化设备控制关键出发点，改良传统的自动化控制核心，提供一种能够在更高剂量辐射场下长时间工作的自动化控制核心，一方面能够提升电子学适用范围，提升核领域自动化水平，另一方面减少甚至无需人被迫进入这种场景作业，根本上保障人身安全。
4.为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种应用于强γ场下的小型自动化控制核心，其中，包括设置在电路板上的连接有抗辐射的存储芯片的控制芯片，所述控制芯片为40nm及以下工艺水平的芯片。
5.进一步，所述存储芯片是相变存储芯片。
6.进一步，还包括桥接电路，所述存储芯片通过所述桥接电路连接所述控制芯片，所述桥接电路用于将所述存储芯片的指令转换为所述控制芯片能够适配的数字信号格式，使得所述控制芯片能够读取所述存储芯片的输出内容。
7.进一步，还包括剂量监测电路，所述剂量监测电路与所述控制芯片相连，是基于三极管的模拟电路，通过所述三极管搭建放大电路；所述剂量监测电路通过模拟量采集所述放大电路的输出电压的降低情况，判断小型自动化控制核心所受辐射的总剂量。
8.进一步，在所述电路板上还设有电源电路，所述电源电路上设置电源对外接口，用于为所述控制芯片、所述桥接电路、所述存储芯片和剂量监测电路提供电源。
9.进一步，所述电源电路上还设有电源保护电路，所述电源电路通过所述电源保护电路为所述控制芯片、所述桥接电路、所述存储芯片和剂量监测电路提供电源；所述电源保护电路中设有三极管开关，输入所述电源保护电路的电流经过分压后进入所述三极管开关，当所述电源电路中的电压超过预设值，分给所述三极管开关的输入电压会变高，此时所
述三极管开关中的三极管会导通，将电源短路，则所述电源保护电路会断开对所述控制芯片、所述桥接电路、所述存储芯片和所述剂量监测电路的供电，防止所述控制芯片、所述桥接电路、所述存储芯片和所述剂量监测电路被损坏。
10.进一步，还包括与所述控制芯片相连的数据对外接口。
11.进一步，所述电路板上的器件采用无源器件，所述无源器件包括电阻、电容、电感、二极管和晶振。
12.本发明的有益效果在于：本发明提供的应用于强γ场下的小型自动化控制核心，其适应的辐射场能够从200-300gy的总剂量，提升到2000gy以上的水平，并依旧具有良好的便携性。
附图说明
13.图1是本发明具体实施方式中所述的一种应用于强γ场下的小型自动化控制核心的示意图；
14.图2是本发明具体实施方式中所述的剂量监测电路5中对控制核心的寿命监测流程的示意图；
15.图3是本发明具体实施方式中所述的电源保护电路7中电源监控的保护流程的示意图；
16.图中：1-电路板，2-控制芯片，3-桥接电路，4-存储芯片，5-剂量监测电路，6-电源电路，7-电源保护电路，8-电源对外接口，9-数据对外接口。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
18.如图1所示，本发明提供的一种应用于强γ场下的小型自动化控制核心(简称控制核心)，其中，包括设置在电路板1上的连接有抗辐射的存储芯片4的控制芯片2，控制芯片2为40nm及以下工艺水平的芯片。现有技术中控制核心的主控芯片大多为mos型器件，在γ场下具有阈值漂移的特性，随着剂量的增加，阈值电压降低，由此导致异常导通，进而引发电路工作异常，严重时损毁系统。受工艺影响，晶体管越小，栅氧层越小，对阈值电压的影响也就越小，因此工艺越高，抗辐射性能也会对应更高。根据实验和调研结果显示，需要使用的器件应在40nm及以下的工艺水平。
19.存储芯片4是相变存储芯片。现有技术中的诸如flash闪存这种器件，本身很难提升总剂量水平。flash一般存储核心运行程序，是现阶段最常使用的存储介质。根据实验和调研结果得知，可以避开mos结构的f lash，转而使用相变存储。相变存储器依靠相变材料进行存储，目前主要使用硫系化合物为相变介质材料。相变材料在晶态时电阻较小，在非晶态时电阻较大。如果使相变材料短时间升温直到其熔化温度，然后在极短的时间内冷却后相变材料就会失去长程有序的特性，转变为非晶态。处于非晶态的相变材料升温到结晶温度以上、融化温度以下，再经过较长时间的冷却后相变材料可以重新结晶，转变为晶态。在总剂量为100krad(s i),200krad(s i),500krad(si),1mrad(s i)和2mrad(s i)下测试了芯片的数据保持能力和功能(100rad＝1gy)，发现芯片一直正常工作。随后研究人员继续增加总剂量直到10mrad(si)，芯片的功能仍然正常。
20.还包括桥接电路3，存储芯片4通过桥接电路3连接控制芯片2，桥接电路3用于将存储芯片4的指令转换为控制芯片2能够适配的数字信号格式，使得控制芯片2能够读取存储芯片4的输出内容。由于目前的相变存储芯片，不能够适配大部分40nm及以下工艺的主控芯片(即控制芯片2)，因此实际上是不能够直接使用，为此，需要进行适配。由此原因，在电路设计中加入了桥接电路3，实现相变存储应用到目标电路中。桥接电路3的原理为：相变存储的通信协议和底层代码不能够适配对应的主控芯片，桥接电路3首先做指令的转换，之后转换数字信号的格式，经过两部分操作后，将信号转换成了常用flash的输出，之后主控芯片可以直接读取，完成适配。
21.还包括剂量监测电路5，剂量监测电路5与控制芯片2相连，是基于三极管的模拟电路，通过三极管搭建放大电路；剂量监测电路5通过模拟量采集放大电路的输出电压的降低情况，做数据拟合，大致判断小型自动化控制核心所受辐射的总剂量，该总剂量也用于判断控制核心的寿命，剂量监测电路5中对控制核心的寿命监测流程如图2所示。本发明提供的控制核心使用在核辐射环境中，超过总剂量之后工作会不稳定，易发生事故，实际的强辐射环境可能不具有明确的剂量水平监控，因此需要做寿命监测。这里使用了一种基于三极管的模拟电路，三极管结构存在pn结，γ场下杂质半导体的掺杂度会越来越低，即放大能力越来越弱，因此可以通过三极管搭建的放大电路，判断目前工作的总剂量水平。通过模拟量采集放大电路输出电压降低多少，做数据拟合，大致判断总剂量。该值同样可以用以判断寿命，降低因超过工作总剂量后引发的事故。
22.在电路板1上还设有电源电路6，电源电路6上设置电源对外接口8，用于为控制芯片2、桥接电路3、存储芯片4和剂量监测电路5提供电源。
23.电源电路6上还设有电源保护电路7，电源电路6通过电源保护电路7为控制芯片2、桥接电路3、存储芯片4和剂量监测电路5提供电源；电源保护电路7中设有三极管开关，输入电源保护电路7的电流经过分压后进入三极管开关，当电源电路6中的电压超过预设值，分给三极管开关的输入电压会变高，此时三极管开关中的三极管会导通，将电源短路，则电源保护电路7会断开对控制芯片2、桥接电路3、存储芯片4和剂量监测电路5的供电，防止控制芯片2、桥接电路3、存储芯片4和剂量监测电路5被损坏，电源保护电路7中电源监控的保护流程如图3所示。为提升可靠性，电源保护对于控制核心是十分重要的。强辐射导致电源电路会变得脆弱，恰恰控制核心是对电源更为敏感的。一般电源电路使用的是dcdc加滤波电路的组合，dcdc电路受到强辐射场损伤后，mos结构更容易导通，会因此导致输出电压的稳定升高和电压跳动。本发明的技术方案中提供的电源保护电路7在输出电压的一侧经过分压后，输入给三极管开关，一旦发生升高的情况，分给三极管开关的输入电压会变高，此时三极管开关中的三极管会导通，将电源短路，控制芯片2等将失去电源供电，即停止工作。此过程就可以防止控制芯片2被损坏，造成更严重的损失。控制芯片2停止工作，即与外界无法通信，此时停止作业断电即可。
24.还包括与控制芯片2相连的数据对外接口9。
25.电路板1上的器件采用无源器件，无源器件包括电阻、电容、电感、二极管和晶振等。该类无源器件基本不存在总剂量效应，如晶振等器件也应该避开使用有源类型。
26.本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。