Радиационная опасность на околоземных орбитах и межпланетных траекториях космических аппаратов

Аномалии на космических аппаратах
Определение. Примеры аномалий. Источники и причина радиационной опасности. Выводы.
Радиационные эффекты
Механизмы возникновения. Линейная передача энергии. Потери энергии частиц. Классификация радиационных эффектов. Эффекты поглощенной дозы. Одиночные случайные эффекты. Выводы.
Факторы космического полета
Происхождение радиационных полей. Солнечная активность. Вековой дрейф магнитного поля Земли. Проникновение космических лучей в магнитосферу. Геомагнитная активность. Движение КА вдоль траектории полета. Перемещение КА на траектории. Конструкция КА (защитные экраны). Выводы
Прогнозирование радиационной опасности
Методика прогнозирования. Примеры. Выводы.
Содержание

Аномалии на космических аппаратах
Вакуум
Невесомость
Колебания температуры
Электромагнитная радиация
Метеориты
Космический мусор,
Вибрация и высокие нагрузки при старте
Корпускулярная радиация
Низкоэнергичная (<~10-100 кэВ)
Высокоэнергичная (> 100 кэВ)
Неизвестные
Внешние факторы воздействия на космический аппарат

Аномалии на космических аппаратах
Cкачки понижения
мощности наблюдают
во время больших
солнечных cобытий
(R.J. Walters, 2004)
Пример изменения мощности солнечных батарей
http://esa-spaceweather.net/spweather/workshops/eswwII/
proc/Session4/Presentation_KEIL.pps
Сентябрь 2001
Ноябрь 2003

Аномалии на космических аппаратах
650 до 750 км
1250 до 1350 км
2450 до 2550 км
Распределение мест возникновения одиночных сбоев
на космических аппаратах, находящихся на разной высоте
http://radhome.gsfc.nasa.gov/radhome/papers/202_SSR.pdf
(Poivey C., et al.,2002)

Источники радиационных аномалий на КА
Галактические
космические
лучи (ГКЛ)
протоны
ядра
Терморегулирующих покрытиях
Полимерных покрытиях
Оптических покрытиях
Солнечных элементах
Изделиях микро- и оптоэлектроники
Радиационный
пояс Земли
(РПЗ)
электроны
протоны
Солнечные
космические
лучи (СКЛ)
протоны
ионы
Вторичное
излучение
γ-кванты протоны
нейтроны
Причина радиационных аномалий - радиационные эффекты в изделиях космической техники:
Аномалии на космических аппаратах

Выводы
к разделу «Аномалии на космических аппаратах»
Высокоэнергичная корпускулярная радиация космического пространства. является одним из важных внешних факторов, который инициирует возникновение аномалий на КА,
Причиной радиационных аномалий на КА является возникновение радиационных эффектов в изделиях космической техники.

Передача кинетической энергии от налетающих частиц веществ (первичный процесс)
Рекомбинация
Уход на стоки (примесные дефекты)
Объединение в комплексы (собственные дефекты)
Рекомбинация
Образование объемного заряда
Радио-люминисценция
Генерация тока
Ионизационные эффекты
Структурные нарушения
Неравновесные электроны и дырки
Разорванные атомные связи
Вакансии и
междоузлия
Разупорядочен-
ные области
Радиационные эффекты
Механизмы возникновения
Релаксационные процессы термостабилизации и электронейтрализации
(релаксационный процесс)
Латентные
треки
Свободные
химические
радикалы
Образование
объемных
дефектов
(кластеры)
Н.В.Кузнецов. Радиационная опасность на космических аппаратах

Радиационные эффекты.
Линейная передача энергии (ЛПЭ)
ЛПЭ - основная физическая величина, которая количественно характеризует энергетический вклад одной частицы в образование радиационного эффекта,
ЛПЭ, L - средняя энергия, которую вещество может получить от налетающей заряженной частицы на единице ее пути.
Единицы измерения ЛПЭ - МэВ/см или МэВ/(г/см2)
Н.В.Кузнецов. Радиационная опасность на космических аппаратах

Радиационные эффекты
Потери энергии заряженных частиц
(dE/dx)n
(dE/dx)e
e Si
(dE/dx)e
(dE/dx)n
ядерные реакции

Радиационные эффекты
Классификация
Эффекты поглощенной дозы проявляются в результате суммирования энергии, которую множество частиц передает чувствительному объему вещества,
Случайные одиночные эффекты возникают при передаче энергии от одной частицы чувствительному объему вещества

По определению: Поглощенная доза D - энергия, переданная от излучения элементарному объему вещества единичной массы
Радиационные эффекты
Поглощенная доза
При воздействии потока частиц Фi(E) 1/см2МэВ разного типа
и разной энергии
где
- спектр ЛПЭ потока всех частиц
При воздействии потока заряженных частиц Ф [1/см2 ] с энергией E0=const

Радиационные эффекты
Пример эффекта ионизационной дозы
Смещение порога вольт-амперной характеристики
в n-канальном транзисторе металл-окисел-полупроводник
Пороговое напряжение
Изменение
объемного заряда
в окисле
Изменение заряда
на границе
окисел-полупроводник
Иониз. доза

Радиационные эффекты
Пример эффекта неионизационной дозы
Уменьшение тока короткого замыкания
солнечных элементов (Walters, et.al., 2004)
Неионизационная доза, МэВ/г
Ток короткого замыкания, отн.ед.
Электроны 1 МэВ
Протоны 1 МэВ
Протоны 0.4 МэВ
Электроны 1 МэВ

Радиационные эффекты
Эквивалентная доза
ЛПЭ, кэВ/мкм
W(L)
Количественной мерой радиационного эффекта
в радиобиологии принято использовать величину
эквивалентной дозы

Радиационные эффекты
Одиночные случайные эффекты
Прямой механизм
возникновения от
ионов
Ядерный механизм
возникновения от
протонов
Ядерная реакция
Протон, нейтрон
или легкое ядро
Условие возникновения: энергия ΔE, переданная частицей чувствительному объему, должна быть выше пороговой величины Ec, характеризующей функциональное свойство этого объема.
Тяжелое
ядро
Чувствительный объем

Радиационные эффекты
Одиночные случайные эффекты
Количественной мерой возникновения ОСЭ при воздействии потока частиц является частота ОСЭ
или используя модельные представления для прямого механизма
возникновения ОСЭ
При воздействии плотности изотропного потока частиц Fi(E) (1/см2сМэВ)
разного типа и разной энергии
При воздействии плотности потока частиц F (1/см2с) с энергией E0=const
и углом падения θ0 = const
где F(L)- дифференциальный спектр ЛПЭ плотности потока частиц

Радиационные эффекты
Одиночные случайные эффекты
Примеры сечения ОСЭ у микросхем памяти при нормальном угле падения в зависимости от:
ЛПЭ ионов энергии протонов

Выводы
к разделу «Радиационные эффекты»
В настоящее время изучено влияние радиационных эффектов на свойства многих материалов и изделий космической техники.
Радиационных эффекты в изделиях космической техники подразделяются на эффекты поглощенной дозы (ЭПД) и одиночные случайные эффекты (ОСЭ).
Количественной мерой радиационной опасности от ЭПД служит расчетная величина поглощенной дозы (ионизационной и неионизационной).
Количественной мерой радиационной опасности от ОСЭ служит расчетная частота одиночных случайных эффектов.

Выводы (продолжение)
к разделу «Радиационные эффекты»
Радиационная опасность для изделий космической техники на борту КА, зависит от:
индивидуальных особенностей материала и прибора, которые характеризуются величиной линейной передачи энергии или сечением одиночных случайных эффектов и отражают их радиационную стойкость (чувствительность),
воздействующего радиационного окружения, которое характеризуется дифференциальными энергетическими спектрами потока Ф(Е) или плотности потока F(E) частиц и отражают радиационные условия на КА.

Факторы космического полета
Глобальные:
Происхождение радиационных полей
Солнечная активность,
Дрейф магнитного поля Земли
Экранирующее свойство магнитосферы Земли (для частиц космических лучей)
Геомагнитные возмущения
Локальные
Перемещение космического аппарата в пространстве
Конструкция КА (защитные экраны)
Анизотропия потоков частиц и тень Земли

Факторы космического полета
Происхождение радиационных полей
В межпланетном пространстве существуют
галактические космические лучи (ГКЛ), в состав которых входят протоны и ядра химических элементов;
солнечные космические лучи (СКЛ), в состав которых входят протоны и ионы химических элементов ;
В околоземном космическом пространстве существуют
радиационные пояса Земли (РПЗ), которые в основном состоят из электронов и протонов, захваченных магнитным полем Земли.
Потоки частиц космических лучей также проникают в магнитосферу Земли.

Пример энергетических спектров частиц на орбитах КА
Факторы космического полета

Факторы космического полета
Солнечная активность
Пример солнечно-
циклических вариаций
потоков протонов РПЗ
с Е=80-215 МэВ
на разных дрейфовых
оболочках L
(Huston, S. L., 1996)
Интенсивность радиочастоты 10.7 гц
http://radhome.gsfc.nasa.gov/radhome/papers/
slideshow10/SC_NSREC97/img001.gif

Факторы космического полета
Солнечная активность
Пример солнечно- циклических вариации потоков ядер гелия ГКЛ с энергией 70-95 МэВ/нуклон
и чисел Вольфа в зависимости от календарного времени.
Точки – экспериментальные
данные спутника IMP-8.

Факторы космического полета
Солнечная активность
Солнечно- циклические вариации
потоков протонов СКЛ (E>30 МэВ) и
чисел Вольфа в зависимости от
календарного времени
Пиковые потоки протонов СКЛ
в зависимости от чисел Вольфа

Факторы космического полета
Солнечная активность
Дифференциальные энергетические спектры протонов (а) и поглощенные дозы (б), полученные по данным спутника IMP8 для периодов минимума (W<40) и максимума (W>145) солнечной активности с 1965 по 1997 г.г.
а)
б)
Сравнение потоков ГКЛ и СКЛ в межпланетном пространстве

Факторы космического полета
Вековой дрейф магнитного поля Земли
Отношение потоков протонов с энергией более 40 МэВ, рассчитанное с использованием базы данных модели AP8MAX, для эпохи 1991 и 1970 г.г. над Бразильской аномалией на высоте 500 км. (Энциклопедия, 2000)
Энергетические спектры
протонов на круговой орбите
с высотой 500 км и
наклонением 82 градуса,
рассчитанные по модели для
эпох 1970 и 2000 г.г.

Проникновение космических лучей в магнитосферу Земли
Функция проникновения частиц в точку
Жесткость заряженной частицы
Масса
протона
Массовое число частицы
Заряд частицы
Энергия
на нуклон
где RC(X)
Поток заряженных
частиц в магнитосфере
в точке X
Поток заряженных частиц
в межпланетном пространстве
Функция
проникновения
в точку Х
Эффективная жесткость обрезания

Проникновение космических лучей в магнитосферу Земли
Функция проникновения частиц в точку
Эффективная жесткость
геомагнитного обрезания на
орбите станции «Мир»
в зависимости от времени полета
Накопление поглощенной дозы
на станции «Мир при возникновении
событий СКЛ в июле и ноябре 2000 г.
в зависимости от времени с момента
появления потоков СКЛ вблизи Земли.

Проникновение космических лучей в магнитосферу Земли
Функция проникновения частиц на орбиту
время полета
Энергетический спектр потока
частиц космических лучей на
орбите

Геомагнитная активность
http://www.haystack.mit.edu/~jcf/jan97/sampex.gif
Пример распределения потоков электронов в РПЗ, зарегистрированных
на спутнике SAMPEX до и после магнитной бури 9-10 января 1997 г.

Перемещение космического аппарата в пространстве
Пример распределения потоков протонов
в околоземном пространстве
space-env.esa.int/EMA_Events/SPENVIS_WS2002/Proceedings/bourdarie.pdf

Перемещение космического аппарата в пространстве
Орбита МКС,
400-450 км, 51 град.
Высокоэллиптическая орбита
500-40000 км, 63 град.
Примеры расчетных зависимостей потоков протонов (сплошные кривые)
и электронов (пунктирные кривые) РПЗ на орбитах КА от времени полета

Перемещение космического аппарата в пространстве
Орбита международной
космической станции
H = 426 км, I= 51,6 градусов;
Солнечносинхронная орбита
H= 900 км, I= 97 градусов;
Высокоэллиптическая орбита
H= 500-40000 км, I= 63 градуса;
Геостационаоная орбита
H= 36000 км, I= 0 градусов
Примеры изменения частоты сбоев в микросхеме памяти (объем 16М) в зависимости от времени полета КА

Конструкция КА (защитные экраны)
Энергетические спектры
протонов и вторичных
нейтронов, возникающие
за защитой при воздействии
протонов ГКЛ и СКЛ.

Выводы
к главе «Факторы космического полета»
В околоземном космическом пространстве существуют высокоэнергичные потоки частиц РПЗ, ГКЛ и СКЛ, которые необходимо учитывать при прогнозировании радиационной опасности на КА.
Разработанные модели устанавливают энергетические спектры сглаженных (усредненных за несколько месяцев) потоков частиц с учетом влияния солнечной активности и позволяют прогнозировать вариации этих потоков, связанные с изменением положения КА в пространстве.
Существующие ядерно-физические данные позволяют рассчитывать характеристики радиационной опасности для материалов и приборов, расположенных за защитными экранами внутри КА.

Модель расчета дозы
Модель потоков частиц ГКЛ
Модель потоков частиц СКЛ
Геомагнитные координаты
Модели потоков
электронов и протонов
РПЗ
Спектры частиц на орбите КА
(РПЗ, ГКЛ, СКЛ)
Модели
прохождения частиц
за защиту
Поглощенная и эквивалентная доза
Параметры орбиты и время полета КА
Спектры частиц за защитой
(электроны, протоны, нейтроны, ионы)
Модель возникновения одиночных случайных эффектов
Частота сбоев в электронных приборах
Модель геомагнитного поля
Геоцентрические координаты КА
Прогнозирование радиационной опасности
Схема компьютерного пакета программ
Модель
проникновения
частиц КЛ
на орбиты

Прогнозирование радиационной опасности
Модели радиационного окружения
в интерактивных информационных системах
Информационные системы:
CREME96 - http://creme96.nrl.navy.mil
SPENVIS - http://www.spenvis.oma.be/spenvis
SIREST - http://www.sirest.larc.nas.gov

Прогнозирование радиационной опасности
Пример расчета эквивалентной дозы
Полет на Марс
Орбита МКС

Прогнозирование радиационной опасности
Пример расчета частоты ОСЭ
Перемежающиеся отказы (сбои) в «типичной» микросхеме памяти

Прогнозирование радиационной опасности
Пример расчета поглощенной дозы
на круговых околоземных орбитах
Поглощенная доза (10 лет) в зависимости от высоты
круговой орбиты КА
(защита 1 г/см2)

Прогнозирование радиационной опасности
Пример расчета частоты (количества) одиночных случайных эффектов на круговых околоземных орбитах
Частота одиночных сбоев в
микросхемах памяти в зависимости
от высоты круговой орбиты КА
(защита 1 г/см2)
Количество одиночных отказов (10 лет) в микросхемах с Lс = 20 МэВ/(мг/см2) в зависимости от высоты круговой орбиты КА (защита 1 г/см2)

Выводы
к разделу «Прогнозирование радиационной опасности»
Существующие интегрированные пакеты программ, разработанные с использованием моделей потоков частиц радиационного окружения и моделей радиационных эффектов, позволяют оперативно и с необходимой полнотой обеспечить количественную оценку радиационной опасности, ожидаемую на борту КА на заданной орбите и в заданный период времени.