1 Радиационная опасность на околоземных орбитах и межпланетных траекториях космических аппаратов Обсуждаются представления, которые лежат в основе количественных оценок радиационной опасности, возникающей из-за возможного нарушения работоспособности бортового оборудования и приборов космических аппаратов при воздействии высокоэнергичных (>~100 кэВ) заряженных частиц космической радиации. Демонстрируются возможности расчетных моделей и методов для прогнозирования характеристик радиационной опасности на космических аппаратах в различных условиях его полета. Н.В.Кузнецов

2 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

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

4 Аномалии на космических аппаратах Cкачки понижения мощности наблюдают во время больших солнечных cобытий ( R.J. Walters, 2004) Пример изменения мощности солнечных батарей proc/Session4/Presentation_KEIL.pps Сентябрь 2001 Ноябрь 2003

5 Аномалии на космических аппаратах 650 до 750 км 1250 до 1350 км2450 до 2550 км Распределение мест возникновения одиночных сбоев на космических аппаратах, находящихся на разной высоте (Poivey C., et al.,2002)

6 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 -кванты протоны нейтроны Причина радиационных аномалий - р адиационные эффекты в изделиях космической техники: Аномалии на космических аппаратах

7 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.

8 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 эффектыСтруктурные 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

9 Радиационные эффекты. ) 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

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

11 Радиационные эффекты 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

12 По определению: Поглощенная доза D - энергия, переданная от излучения элементарному объему вещества единичной массы Радиационные эффекты Радиационные эффекты Поглощенная доза При воздействии потока частиц Ф i (E) 1/см 2 МэВ разного типа и разной энергии где - спектр ЛПЭ потока всех частиц При воздействии потока заряженных частиц Ф [1/см 2 ] с энергией E 0 =const

13 Радиационные эффекты 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

14 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

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

16 Радиационные эффекты 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 E, переданная частицей чувствительному объему, должна быть выше пороговой величины Ec, характеризующей функциональное свойство этого объема. Тяжелое ядро Чувствительный объем

17 Радиационные эффекты 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 F i (E) (1/см 2 сМэВ) разного типа и разной энергии При воздействии плотности потока частиц F (1/см 2 с) с энергией E 0 =const и углом падения 0 = const где F(L)- дифференциальный спектр ЛПЭ плотности потока частиц

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

19 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.

20 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.

21 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

22 Факторы космического полета 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.

23 Пример энергетических спектров частиц на орбитах КА Факторы космического полета

24 Факторы космического полета Факторы космического полета Солнечная активность Пример солнечно- циклических вариаций потоков протонов РПЗ с Е= МэВ на разных дрейфовых оболочках L (Huston, S. L., 1996) Интенсивность радиочастоты 10.7 гц slideshow10/SC_NSREC97/img001.gif

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

26 Факторы космического полета 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

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

28 Факторы космического полета 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.

29 Проникновение космических лучей в магнитосферу Земли 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 R C (X) Поток заряженных частиц в магнитосфере в точке X Поток заряженных частиц в межпланетном пространстве Функция проникновения в точку Х Эффективная жесткость обрезания

30 Проникновение космических лучей в магнитосферу Земли 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.

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

32 Геомагнитная активность Пример распределения потоков электронов в РПЗ, зарегистрированных на спутнике SAMPEX до и после магнитной бури 9-10 января 1997 г.

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

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

35 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= км, I= 63 градуса; Геостационаоная орбита H= км, I= 0 градусов Примеры изменения частоты сбоев в микросхеме памяти (объем 16М) в зависимости от времени полета КА

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

37 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.

38 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) 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) 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

39 Прогнозирование радиационной опасности Прогнозирование радиационной опасности Модели радиационного окружения в интерактивных информационных системах Радиационное поле Модель Радиационный пояс Земли (протоны) AP8-MIN; AP8-MAX Радиационный пояс Земли (электроны) AE8-MIN; AE8-MAX Галактические космические лучи (протоны и ядра) CREME96; Badhwar&O'Neill Солнечные космические лучи (протоны) JPL92 Солнечные космические лучи (ионы) CREME96; Информационные системы: CREME SPENVIS - SIREST -

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

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

42 Прогнозирование радиационной опасности 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/см 2 )

43 Прогнозирование радиационной опасности 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 L с = 20 МэВ/(мг/см 2 ) в зависимости от высоты круговой орбиты КА (защита 1 г/см2)

44 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.

45 Литература