FASTRAD

FASTRAD es una herramienta dedicada al cálculo de los efectos de la radiación (dosis y daño por desplazamiento) en componentes electrónicos. ^{[ 1 ]} El software tiene aplicaciones en física de altas energías y experimentos nucleares, áreas médicas y estudios de física de aceleradores y espacial , 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 ofrecen los fabricantes de satélites 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 incrementar la sensibilidad de estos sistemas al entorno de radiación espacial. Para mitigar el impacto en el proceso de resistencia a la radiación, la primera solución consiste en sustituir el análisis de blindaje aproximado por una estimación precisa de la limitación real de radiación a la que está sometido el sistema. Históricamente, FASTRAD ha podido brindar asistencia a esta industria.

El objetivo principal del software es reducir los márgenes derivados de un enfoque conservador en la estimación del análisis de radiación, a la vez que se reduce el tiempo de ciclo de los cambios de diseño mecánico para la optimización del blindaje. En algunos casos, puede utilizarse para justificar el uso de componentes no resistentes a la radiación y ahorrar costes y tiempo de planificación en equipos para programas espaciales.

Para aplicaciones espaciales, el software es capaz de simular todo el sistema del satélite.

Las principales capacidades CAD de la herramienta son:

• Creación de múltiples primitivas simples
• Inserción de geometrías 3D complejas procedentes de archivos en formato STEP o IGES .
• Conjunto de herramientas de modelado estándar ( plano de recorte , proyección 2D, herramienta de medición, colores, toma de vista,...) ^{[ 3 ]}

El núcleo del software es el modelador 3D por 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 mediante la barra de herramientas de componentes o importándolos desde otros programas de terceros ( CATIA , Pro/Engineer , etc.) en formato STEP o IGES. La biblioteca Open Cascade , incluida en FASTRAD, ofrece funciones avanzadas de visualización, como operaciones de corte, gestión de formas complejas y módulos de intercambio de formatos STEP e IGES. El módulo STEP avanzado permite importar la jerarquía, el nombre y la información de color. Posteriormente, FASTRAD gestiona el modelo 3D completo (visualización, cálculo de radiación, postprocesamiento).

Las propiedades de los materiales son una de las partes más importantes de las simulaciones de radiación. La interfaz permite configurar las propiedades de cada sólido del modelo 3D, como la densidad y la relación de masas de cada elemento del material (compuesto), determinando su composición química (véase la 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 (véase «Cálculo de dosis y blindaje» más adelante), o para un enfoque de trazado de rayos. ^{[ 3 ]}

La interfaz incluye varias funciones adicionales (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 del modelo de radiación con la información del entorno de radiación mediante una curva de dosis en profundidad. Esta curva de dosis en profundidad proporciona la dosis depositada en un material objetivo (principalmente silicio para dispositivos electrónicos) detrás de un blindaje esférico de aluminio. Este cálculo se realiza para cada detector ubicado en el modelo 3D. Incluso para geometrías complejas, el cálculo proporciona dos tipos de información:

• la distribución de masa 3D alrededor de cada detector
• la dosis depositada estimada en un entorno de radiación isotrópico

Mediante el procesamiento posterior de estos resultados, FASTRAD proporciona información sobre la ubicación óptima del blindaje utilizando diversos tipos de representación visual. La figura 2 muestra la distribución de masa observada desde 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 .

La principal ventaja de este proceso es el poco tiempo necesario para completar esta tarea y la solución de blindaje mecánico bien definida que proporciona el postprocesamiento del análisis sectorial.

El cálculo de dosis en el software utiliza un módulo de Monte Carlo ^{[ 3 ]} (desarrollado en colaboración con el CNES ). Este algoritmo puede utilizarse tanto en un proceso directo como inverso. En el primer caso, el software gestiona el transporte de electrones y fotones (incluidas las partículas secundarias) de 1 keV a 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 la fuente. El usuario selecciona los volúmenes sensibles (VS) y FASTRAD calcula la energía depositada dentro de ellos. El módulo inverso de Monte Carlo se dedica al cálculo de dosis debido a una irradiación isotrópica de electrones en una geometría compleja y multiescala, por lo que el algoritmo directo puede generar tiempos de cálculo prolongados. El principio del método inverso consiste en utilizar:

1. Un método de seguimiento de partículas hacia adelante en las proximidades del SV
2. Un método de seguimiento de partículas en sentido inverso desde el SV hasta la fuente externa.

El método de Monte Carlo inverso para el transporte de electrones tiene en cuenta la deposición de energía debida a los electrones primarios y a los fotones secundarios.

El módulo de Monte Carlo se verificó satisfactoriamente mediante una comparación con los resultados de GEANT4 para el algoritmo directo y con US Format para el método inverso. Un ejemplo es el caso de un equipo electrónico en la estructura de un satélite. El entorno de radiación corresponde al espectro de energía de los electrones de una misión geoestacionaria (de 10 keV a 5 MeV).

Geant4 es un conjunto de herramientas para la interacción partícula-materia mantenido por una colaboración mundial de científicos e ingenieros de software. ^{[ 4 ]} Esta biblioteca de C++ contiene una amplia gama de datos y modelos de sección transversal 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 física y generar todos los archivos fuente resultantes en un proyecto Geant4 listo para compilar . Esta herramienta es útil para ingenieros jóvenes que necesitan iniciarse en el mundo de Geant4 y que pueden usar FASTRAD como herramienta de aprendizaje, o para expertos que no desean dedicar tiempo a la creación de archivos C++ que describan la geometría, el material y la física básica, y que pueden usar el proyecto Geant4 creado por FASTRAD como base, que puede ampliarse con características específicas según su aplicación física. La interfaz Geant4 dota al software de una amplia gama de campos relacionados con la radiación, ya que Geant4 se utiliza en aplicaciones espaciales, médicas, nucleares, aeronáuticas y militares. Sus capacidades CAD para radiación facilitan el proceso de ingeniería para el análisis de cualquier sistema sensible a la radiación.

FASTRAD se desarrolló utilizando C++ con OpenGL para gestionar la biblioteca 3D y Open Cascade para la importación de STEP y las operaciones booleanas. Se probó en Mac y Linux utilizando un emulador de sistema operativo (PowerPC, VMware...).

Requisitos del equipo: Configuración: Windows Vista/XP/NT/2000 - 512 MB de RAM - 50 MB de disco duro.

• NOVATO (EMPC) ()
• Geant4 - Geometría y seguimiento
• IGES - Especificación inicial de intercambio de gráficos
• CATIA - Aplicación interactiva tridimensional asistida por ordenador
• Cierre
• RayXpert : software de modelado 3D que calcula la tasa de dosis gamma mediante el método de Monte Carlo.

• FASTRAD es distribuido por TRAD. Sitio web oficial de TRAD.
• Sitio web oficial de FASTRAD