Workshop Rückblick: Strahlenhärteprüfung bei GSI

Im Mittelpunkt des Workshops standen zwei Hi-Acts geförderte Projekte:

Das Projekt "Standardized Station for High-energy Heavy Ion Radiation on Electronics" der GSI-Biophysik und das Projekt "Microprobe 2.0" der GSI-Materialforschung. Beide Initiativen markieren bedeutende Fortschritte auf dem Gebiet der Strahlenhärtetests für elektronische Bauteile, die im Weltraum eingesetzt werden. Weltraummissionen sind durch ihre raue Strahlungsumgebung stark gefährdet. Diese Umgebung besteht aus hochenergetischen Atomkernen (Ionen), die sehr durchdringend sind und Fehlfunktionen in der Elektronik auslösen können, bis hin zum Totalausfall von Komponenten. Um dies zu verhindern, müssen missionskritischer Systeme zwingend vor dem Einsatz im Weltall auf deren Strahlenhärte getestet werden. Nur auf diese Weise können Schäden an der Elektronik und den Materialien der Satelliten und anderer Raumfahrzeuge abgewendet werden.

Standardisierte Station für hochenergetische Schwerionenstrahlung auf Elektronik (2023)

Die Charakterisierung von Elektronik erfolgt derzeit mit schweren Ionen bei niedrigen Energien, was eine Herausforderung darstellt, da die galaktische kosmische Strahlung (GCR) immer noch schwere Ionen mit Energien über 100 MeV/n enthält. Die Prüfung moderner 3D-Elektronikkomponenten, die im Weltraum verwendet werden, wie COTS (components-off-the-shelf), mit niederenergetischen Ionen erfordert eine komplexe und invasive Probenvorbereitung, die manchmal einfach unmöglich ist, ohne eine invasive Probenvorbereitung. Bei der GSI stehen jedoch hochenergetische Schwerionen zur Verfügung, die bis zu 1 mm und mehr durchdringen können, so dass bestimmte elektronische Bauteile ohne spezielle Vorbereitungen getestet werden können. Dieser Vorteil vereinfacht und spezifiziert die Prüfverfahren.

Das in 2023 durchgeführte Hi-Acts Use Case Initiative Projekt der GSI Biophysik in 2023 hat einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung eines standardisierten Verfahrens hinsichtlich Montage, Positionierung und Bestrahlung von Elektronikproben geleistet.

Diese Entwicklung ist ein bedeutender Schritt in Richtung Automatisierung und Standardisierung bei der Prüfung von Weltraumelektronik mit hochenergetischen Schwerionenstrahlen. Dadurch können zukünftig Ressourcen eingespart und die Arbeitseffizienter gesteigert werden, wovon die gesamte Raumfahrtindustrie profitiert.

Mikroprobe 2.0 (2024)

Die bestehende Schwerionen-Mikrosonde an der GSI-UNILAC ermöglicht die Injektion von Ladungsträgern an räumlich definierten Stellen in integrierten Schaltkreisen zur Strahlungshärteprüfung von Detektoren und Elektronik mit Ionen-Mikrostrahlen. Sie fokussiert Ionen aus dem Linearbeschleuniger in einen Fokuspunkt von ~500 nm Durchmesser und scannt ihn über das Target. Die Auswirkung jedes einzelnen Ereignisses an seiner definierten Stelle in der elektronischen Vorrichtung wird registriert, um eine Karte der Strahlungsempfindlichkeit zu erstellen.

Mit Hilfe der Mikrosonde können Benutzer und Entwickler die lokalen Auswirkungen dichter ionisierender Strahlung auf elektronische Geräte bestimmen, z. B. auf dem Weg zur Qualifizierung für den Einsatz im Weltraum. Das aktuelle Projekt Hi-Acts Use Case Initiative "Microprobe 2.0" wird die Hardware- und Softwaresysteme der aktuellen Mikrosonde zu einem einzigartigen und benutzerfreundlichen Einzelereignis-Effekt-Testsystem für integrierte elektronische Schaltungen erweitern.

Microprobe 2.0 soll der Industrie den Zugang zum Linearbeschleuniger UNILAC der GSI erleichtern, um effizienter eigene elektronische Tests mit Ionenmikrostrahlen durchführen zu können, begleitet von einer Remote-Unterstützung durch Spezialisten.

Highlights des Workshops

Während des Workshops setzten die Teilnehmer gemeinsame Ziele unter Berücksichtigung des Strahlenangebots der GSI und erhielten von Gerd Datzmann (DINI) einen Einblick in die europäische Strahlungshärtetestlandschaft sowie die Erwartungen und Bedürfnisse industrieller Nutzer. Ein Highlight war der Vortrag von Ruben Garcia Alia (CERN) über Best Practices im Bereich Strahlenhärteprüfung von Elektronik an Hochenergie Teilchenbeschleunigern. Er teilte seine Erfahrungen aus den beiden EU-Projekten RADNEXT und HEARTS, beide in Kooperation mit GSI, und erläuterte die Hintergründe zur Entstehung des R2E (Radiation to Electronics) Projekts am CERN.

Gemeinsam wurden im Rahmen des Workshops verschiedene Sichtweisen sowie technische und wissenschaftliche Randbedingungen im Einklang mit den Anforderungen potenzieller Nutzer aus Industrie und Forschung diskutiert. Dabei wurden Ansätze erörtert, wie diese Anforderungen künftig in Einklang gebracht werden können, um Innovationen voranzutreiben und Herausforderungen in der Strahlenhärteprüfung zu meistern. Der Workshop hat nicht nur das Wissen und Verständnis über Methoden der Strahlenhärteprüfung erweitert, sondern auch den Austausch zwischen den verschiedenen Interessensgruppen und Bereichen innerhalb der GSI gefördert.

Wir freuen uns auf die nächsten Schritte, zukünftigen Entwicklungen und die Fortsetzung der erfolgreichen Zusammenarbeit aller GSI-Kolleginnen und -Kollegen, die hier aktiv sind, sowie mit den bestehenden Partnern aus der Raumfahrt und Beschleunigerphysik.

Weitere Informationen zu unseren Projekten und zukünftigen Veranstaltungen finden Sie hier auf unserer Hi-Acts Plattform.