FASTRAD es una herramienta dedicada al cálculo de los efectos de la radiación (Dosis y Daño por Desplazamiento) en la electrónica. [1] El software tiene usos en física de alta energía y experimentos nucleares, áreas médicas y estudios de física espacial y de aceleradores , aunque se utiliza principalmente en el diseño de satélites.
FASTRAD es una herramienta de radiación dedicada al análisis y diseño de sistemas sensibles a la radiación. El proyecto se creó en 1999, cinco años después de la creación de la empresa matriz del producto, TRAD, [2] y ha estado en desarrollo activo desde entonces.
Con el tiempo, la resistencia a la radiación que los fabricantes de satélites han podido ofrecer ha aumentado considerablemente. Tanto la optimización de los sistemas espaciales en términos de la relación potencia/masa , como la miniaturización de los dispositivos electrónicos, tienden a aumentar la sensibilidad de esos sistemas al entorno de radiación espacial. Para mitigar el impacto en el proceso de resistencia a la radiación, la primera solución es reemplazar el análisis de blindaje aproximado por una estimación precisa de la restricción de radiación real en el sistema. Históricamente, FASTRAD ha podido ayudar a esta industria.
El objetivo principal del software es reducir los márgenes que se derivan de un enfoque conservador de estimación del análisis de radiación, al tiempo que se reduce el tiempo de ciclo de los cambios de diseño mecánico para la optimización del blindaje. En algunos casos, se puede utilizar para justificar el uso de piezas no resistentes a la radiación y ahorrar costos y planificación para el equipo del programa espacial.
Para aplicaciones espaciales, el software es capaz de simular todo el sistema satelital.
Las principales capacidades CAD de la herramienta son:
El núcleo del software es el modelador 3D de radiación. El objetivo del motor es crear un modelo realista de cualquier diseño mecánico. La sección principal de la interfaz es la ventana de visualización, donde el usuario puede manipular su diseño.
Los sólidos 3D se pueden definir utilizando la barra de herramientas de componentes o importándolos desde otro software de terceros ( CATIA , Pro/Engineer ...) con el formato estándar STEP o IGES. La biblioteca Open Cascade incluida en FASTRAD proporciona capacidades de visualización avanzadas como operaciones de corte, gestión de formas complejas y módulos de formato de intercambio STEP e IGES. El módulo STEP avanzado le permite importar la información de jerarquía, nombre y color. El modelo de diseño 3D completo es luego administrado por FASTRAD (visualización, cálculo de radiación, posprocesamiento).
Las propiedades de los materiales son una de las partes más importantes de la simulación de radiación. La interfaz permite configurar las propiedades de los materiales de cada sólido del modelo 3D, como la densidad y la relación de masas de cada elemento del material (compuesto) determinando su composición química (ver Figura 1). El usuario puede ampliar la lista de materiales predefinidos. [3]
Se pueden colocar detectores de radiación simulados en el modelo 3D. De esta manera, se pueden estimar los efectos de la radiación en cualquier punto del modelo 3D utilizando un algoritmo de Monte Carlo para un cálculo preciso de la deposición de energía por interacción partícula-materia (ver “Cálculo de dosis y protección” a continuación), o para un enfoque de trazado de rayos. [3]
Se incluyen en la interfaz varias funciones más (visualización del marco local, herramienta de medición interactiva, menús contextuales, etc.).
Una vez completado el modelo de radiación, el usuario puede realizar una estimación de la dosis depositada utilizando el módulo de análisis sectorial del software. Este módulo de trazado de rayos combina la información procedente del modelo de radiación con la información del entorno de radiación utilizando una curva de profundidad de dosis. Esta curva de profundidad de dosis proporciona la dosis depositada en un material objetivo (principalmente silicio para dispositivos electrónicos) detrás de un espesor de blindaje esférico de aluminio. Este cálculo se realiza para cada detector colocado en el modelo 3D. Incluso para geometrías complejas, el cálculo proporciona dos tipos de información:
Mediante un posprocesamiento de esos resultados, FASTRAD proporciona información sobre la ubicación óptima del blindaje utilizando varios tipos de representación visual. La Figura 2 presenta un mapeo de la distribución de masas visualizada por un componente de una placa electrónica. El área roja indica las direcciones críticas en términos de espesor del blindaje.
El usuario puede optimizar el tamaño del blindaje adicional que se puede utilizar para disminuir la dosis recibida en el detector estudiado . [ cita requerida ]
La principal ventaja de este proceso es el corto tiempo necesario para completar esta tarea y la solución de blindaje mecánico bien definida que proporciona el posprocesamiento del análisis sectorial.
El cálculo de dosis en el software utiliza un módulo de Monte Carlo [3] (desarrollado a través de una asociación con el CNES ). Este algoritmo puede utilizarse tanto en un proceso directo como en uno inverso. En el primer caso, el software gestiona el transporte de electrones y fotones (incluidas las partículas secundarias) desde 1 keV hasta 10 MeV, en el modelo 3D. Se tiene en cuenta la creación de fotones y electrones secundarios. Se puede definir cualquier tipo de espectro de energía y geometría de fuente. Los volúmenes sensibles (SV) son seleccionados por el usuario y FASTRAD calcula la energía depositada dentro de los SV. El módulo Monte Carlo inverso está dedicado al cálculo de dosis debido a una irradiación isotrópica de electrones en una geometría compleja y multiescala y, como resultado, el algoritmo directo puede dar lugar a grandes tiempos de cálculo. El principio del método inverso es utilizar:
El método de Monte Carlo inverso para el transporte de electrones tiene en cuenta la deposición de energía debida a los electrones primarios y los fotones secundarios.
El módulo Monte Carlo se ha verificado con éxito mediante una comparación con los resultados de GEANT4 para el algoritmo directo y con el formato US para el método inverso. Un ejemplo es el caso de un equipo electrónico en una estructura de satélite. El entorno de radiación corresponde al espectro de energía de los electrones de una misión geoestacionaria (desde 10 keV hasta 5 MeV).
Geant4 es un conjunto de herramientas de interacción entre partículas y materia mantenido por una colaboración mundial de científicos e ingenieros de software. [4] Esta biblioteca C++ contiene una amplia gama de datos y modelos de secciones transversales de interacción junto con un motor de seguimiento de partículas a través de una geometría 3D.
La interfaz Geant4 implementada en el software FASTRAD proporciona una herramienta capaz de crear la geometría 3D, definir la fuente de partículas, establecer la lista de físicas y crear todos los archivos fuente resultantes en un proyecto Geant4 listo para compilar . La herramienta es útil para ingenieros jóvenes que necesitan introducirse en el mundo Geant4 y que pueden utilizar FASTRAD como herramienta de aprendizaje, o para expertos que no quieren perder tiempo en la creación de archivos C++ que describen la geometría, el material y la física básica y que pueden utilizar el proyecto Geant4 creado por FASTRAD como base que se puede mejorar con características específicas relativas a su aplicación física. La interfaz Geant4 proporciona al software una amplia gama de campos relacionados con la radiación, ya que Geant4 ya se utiliza para aplicaciones espaciales, médicas, nucleares, aeronáuticas y militares. Sus capacidades de CAD de radiación facilitan el proceso de ingeniería para cualquier análisis de sistemas sensibles a la radiación.
FASTRAD se desarrolló utilizando C++ con OpenGL para gestionar la biblioteca 3D y Open Cascade para la importación STEP y las operaciones booleanas. Se probó en Mac y LINUX utilizando un emulador de SO (PowerPC, VMware...). [ cita requerida ]
Requisitos de la computadora: Configuración: Windows Vista/XP/NT/2000 - 512 Mo RAM - 50 Mo HDD.