ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 636-638
УДК 621.396.6:520.6.07:524
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СОБЫТИЙ РЕЗКОГО ВОЗРАСТАНИЯ ПОТОКОВ СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА РАДИОЭЛЕКТРОННУЮ АППАРАТУРУ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ
ЕЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ © 2015 г. В. С. Анашин1, Г. А. Протопопов1, О. С. Козюкова1, Н. Н. Ситникова2
E-mail: conf@niikp.org
В статье представлены результаты анализа бортовых измерений дозовых сенсоров. Проведена оценка вклада протонов при резких возрастаниях солнечных космических лучей в мощность дозы.
DOI: 10.7868/S0367676515050063
В настоящее время для определения степени воздействия излучений на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) и прогноза работоспособности космических аппаратов (КА) с возможностью выдачи управляющих сигналов существует необходимость проведения постоянного мониторинга воздействия ионизирующих излучений (ИИ) космического пространства (КП) на критические узлы бортовой РЭА. По заказу Роскосмоса разрабатывается отраслевая система мониторинга воздействия ИИ КП на РЭА КА [1], которая является не альтернативой, а дополнением к существую -щим научным системам мониторинга, и предназначена в основном для
— измерения характеристик воздействия ИИ КП на РЭА КА;
— расчета и контроля остаточного ресурса КА;
— управления структурно-алгоритмическими методами для повышения срока активного существования (САС) РЭА КА;
— прогнозирования изменения (в том числе опасного) воздействия ИИ КП на РЭА КА;
— уточнения норм и методов наземных испытаний РЭА (электронно-компонентной базы (ЭКБ)) КА;
— получения полетных данных по стойкости РЭА (ЭКБ) КА;
— уточнения механизмов влияния ИИ КП на РЭА КА;
— уточнения моделей космоса;
— прогноза "космической погоды".
Отраслевая система мониторинга состоит из
бортового и наземного сегментов. Основные элементы бортового сегмента — это сенсоры, осно-
1 Открытое акционерное общество Объединенная ракетно-космическая корпорация, Научно-исследовательский институт космического приборостроения, Москва.
2 Акционерное общество Информационные спутниковые
системы имени М.Ф. Решетнёва, Железногорск.
ванные на принципе МНОП-дозиметрии; наземный сегмент состоит из нескольких станций для приема, обработки и выдачи информации, в том числе и бортовых измерений. На данный момент на борту 21 КА разработки ОАО "ИСС", функционирующих на средневысотной круговой орбите ~20000 км — в пределах внешнего радиационного пояса — находятся 42 датчика.
Анализ полученных за период с октября 2008 года по сентябрь 2013 года данных позволил выделить периоды с резким возрастанием мощности дозы и определить величину таких возрастаний. Также анализировались данные о радиационной обстановке других систем мониторинга в даты аномальных возрастаний мощности дозы, таких как GOES [2, 4]. Как видно из таблицы, во время всех резких возрастаний наблюдалось возрастание потока высокоэнергетических электронов на геостационарной орбите (среднее значение потока протонов >10 МэВ около 5 • 105 см-2 • сут-1 • ср-1, а среднее значение потока электронов >2 МэВ около 8 • 107 см-2 • сут-1 • ср-1), и только в двух случаях возможно влияние солнечных протонов на увеличение мощности дозы (23.01.2012 и 08.03.2012); это свидетельствует о том, что основной вклад в резкое возрастание мощности дозы на данной орбите вносят электроны (а также и в значение суммарной поглощенной дозы) [3].
В данной работе была рассмотрена максимальная вспышка протонов солнечных космических лучей (СКЛ) за время измерений поглощенной дозы (08.03.2012). Для оценки вклада данной вспышки в мощность дозы на рассматриваемой орбите был применен следующий алгоритм
a. Определялся дифференциальный спектр протонов СКЛ на геостационарной орбите за период с 5.03.2012-17.03.2012. Для этого использовались данные потоков протонов СКЛ для различных энергетических диапазонов [2].
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ 637
Характеристики космической погоды в даты резкого увеличения мощности дозы
Дата Мощность дозы до события, отн. ед./с Мощность дозы после события*, отн. ед./с Возрастание мощности дозы, раз Поток протонов >10 МэВ, 1/(см2 • сут • ср) (данные [4]) Поток электронов >2 МэВ*, 1/(см2 • сут • ср) (данные [4])
05.04.2010 1.22 • 10-5 1.34 • 10-2 1098 1.6 104 5.4 109
03.08.2010 2.67 • 10-4 3.08 • 10-3 11 1.1 105 2.5 108
01.03.2011 1.29 • 10-5 1.02 • 10-3 79 1.4 104 7.8 • 108
02.05.2011 1.06 • 10-4 1.89 • 10-3 17 1.2 104 6.8 108
09.09.2011 1.26 • 10-4 2.18 • 10-3 17 3.2 104 3.2 108
23.01.2012 2.01 • 10-5 1.59 • 10-4 8 1.4 108 2.5 108
08.03.2012 3.6 • 10-4 2.35 • 10-3 7 2.0 108 5.9 108
08.10.2012 6.08 • 10-4 9.90 • 10-3 16 1.4 104 4.8 108
* Максимальное значение за неделю.
б. Пересчитывался дифференциальный спектр протонов СКЛ для орбиты 20000 км с помощью поправочных коэффициентов для учета геомагнитного обрезания. Коэффициенты были определены с помощью программного комплекса (ПК) COSRAD [5] путем сравнения суточных значений потоков протонов СКЛ на геостационарной и средневысотной орбитах для одних и тех же значений энергий протонов. Поправочные коэффициенты отображены на рис. 1.
в. Проводился расчет значения мощности дозы за защитой 1 г • см-2 (значение эффективной толщины защиты определено с помощью ПО SPENVIS [6]) за период времени вспышки по полученным спектрам на программном обеспечении "OMERE" [7].
Расчетное значение мощности дозы от протонов СКЛ на круговой орбите 20 000 км составило
7.12 • 10-5 отн. ед./с за период с 5.03.201217.03.2012 (максимальное возрастание за период измерений). Сравнивая это значение с данными таблицы, можно сделать вывод, что во время данной вспышки протоны СКЛ существенного вклада, по сравнению со вкладом электронов внешнего радиационного пояса, в возрастание мощности дозы не внесли.
Также был проведен анализ вклада в мощность дозы от модельных событий, используемых в программном обеспечении "OMERE" (использовались встроенные модели "наихудшего дня" в октябре 2013 года, "наихудшего дня" в октябре 1989 года) и программном обеспечении "ОСОТ" [8] (использовалась модель Ныммика [9] с разной вероятностью превышения потока протонов заданной величины — 0.01 и 0.1). Как видно из рис. 2, мощность дозы от протонов СКЛ может достигать
Коэффициент коррекции для орбиты 2000 км 0.65
0.60
0.55
0.50
♦
0.45 ' 0.40
0 20 40 60 80 100 120
Энергия пртонов, МэВ
Рис. 1 Коэффициенты пересчета потока протонов с определенной энергией с орбиты 36000 км на 20 000 км.
¡5
н • о Я
нн Н
л о
и „
Ом
чп л *
ни
о
о ю а о
О Н ^ &
с
10
^Октябрь 2003 — наихудший день х Октябрь 1989 — наихудший день «Наихудший случай 1 деньиНыммик, 0.01Ф Ныммик, 0.1
Эффективная зашита дозового сенсора
0.1
0.01
(
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Толщина защиты, г • см-2
Рис. 2 Зависимость поглощенной дозы от протонов СКЛ от толщины защиты для различных событий.
1
3 ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 5 2015
638
АНАШИН и др.
значений ~10-2—10-1 отн. ед./с, что сравнимо и даже больше вклада электронов внешнего радиационного пояса в мощность дозы.
Элементы отраслевой системы мониторинга воздействия ИИ КП на РЭА КА — бортовые сенсоры — успешно функционируют более 5 лет. При анализе бортовых измерений, выполненных данными элементами, был выявлен ряд аномальных возрастаний мощности дозы, обусловленных воздействием электронов внешнего радиационного пояса. Вклад протонов СКЛ в данные возрастания был незначителен. Вместе с тем расчеты с использованием модельных событий показали, что существует вероятность возникновения протонных возрастаний СКЛ, способных внести существенный вклад в увеличение мощности дозы даже по сравнению с воздействием электронов, что может привести к отказу бортовой РЭА из-за эффектов полной накопленной дозы (в областях, близких к ее предельному уровню) и стимуляции нерадиационных эффектов (например, электризации). Целесообразно выделить классы солнечных событий, приводящих к подобным послед-
ствиям, и учитывать их при прогнозе радиационной обстановки на борту КА.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Anashin V.S., Protopopov G.A., Milovanov Y.A. // Conf. Radiation and its Effects on Components and Systems. Sevilla, Spain, 19-23 September 2011. RADECS.
2. http://www.satdat.ngdc.noaa.gov
3. Anashin V., Protopopov G., Gaidash S., Sergeecheva N., Tasenko S., Shatov P., Elushov I. // 10th Europ. Space Weather Week. Antwerp, Belgium, 18-22 November, 2013.
4. http://www.swpc.noaa.gov
5. ПК COSRAD, государственный регистрационный номер 2011615263 от 06.07.11.
6. www.spenvis.oma.be
7. www.trad.fr/OMERE-Software.html
8. Anashin V.S., Emeliyanov V.V., Ishutin I.O., Kuznet-sovN.V., Protopopov G.A., Zebrev G.I. // 11th Europ. Conf. Radiation and Its Effects on Components and Systems, Langenfeld, Austria, 20-24 September 2010, RADECS 2010 - Technical Program, PG3.
9. NymmikR.A. // Rad. Meas. 1999. V. 30. P. 287.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 5
2015
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.