научная статья по теме РЕГИСТРАЦИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОГЛОЩЕННЫХ ДОЗ РАДИАЦИИ ОТ ПОТОКОВ СОЛНЕЧНЫХ ПРОТОНОВ НА БОРТУ ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЙ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «РЕГИСТРАЦИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОГЛОЩЕННЫХ ДОЗ РАДИАЦИИ ОТ ПОТОКОВ СОЛНЕЧНЫХ ПРОТОНОВ НА БОРТУ ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЙ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, том 42, № 3, с. 211-218

УДК 538.591

РЕГИСТРАЦИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОГЛОЩЕННЫХ ДОЗ РАДИАЦИИ ОТ ПОТОКОВ СОЛНЕЧНЫХ ПРОТОНОВ НА БОРТУ

ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЙ

© 2004 г. Н. В. Кузнецов, Р. А. Ныммик, М. И. Панасюк, Э. Н. Сосновец, М. В. Тельцов

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ

Поступила в редакцию 19.11.2002 г.

В работе рассмотрены случаи одновременной регистрации поглощенной дозы, созданной потоком протонов мощных солнечных событий на пилотируемых орбитальных станциях Мир и МКС и геостационарном спутнике Экспресс А3. Экспериментальные данные анализируются с помощью комплекса программ, учитывающих энергетические спектры протонов на орбите Земли в зависимости от времени развития событий, их проникновение на околоземные орбиты и за защитные экраны космических аппаратов. На основе сравнения экспериментальных данных дозиметров и расчетов поглощенной дозы при воздействии солнечных протонных событий разработан метод и сделаны оценки эффективной толщины экранировки дозиметров на космических аппаратах. Рассмотрена возможность прогнозирования радиационной опасности на орбитальных станциях при появлении солнечных протонных событий по показаниям дозиметра на геостационарной орбите.

ВВЕДЕНИЕ

Необходимым условием обеспечения радиационной безопасности экипажа на пилотируемых орбитальных станциях (ОС) является постоянный мониторинг радиационной обстановки внутри станции. Это имеет большое значение, в частности, во время появления мощных солнечных протонных событий (СПС), в течение развития которых суточные дозы радиации могут на несколько порядков превышать фоновые значения, создаваемые на станции потоками частиц радиационных поясов Земли (РПЗ) и галактических космических лучей (ГКЛ) за защитой из алюминия толщиной в несколько г/см2 [1]. Такое резкое возрастание радиационной опасности для экипажа требует принятия специальных мер защиты, таких как ограничение передвижения космонавтов по станции и изменения режима работы бортовых систем. Эти меры должны быть реализованы заранее или, по крайней мере, на начальной стадии (~ <1 часа) развития мощного потока частиц СПС.

Проблема своевременного предупреждения экипажа ОС о радиационной опасности является сложной задачей из-за случайного характера появления потоков солнечных протонов в окрестности Земли и отсутствия надежных признаков, предшествующих этому явлению.

На Международной космической станции (МКС) эту проблему решают при помощи системы радиационного контроля (СРК) [2], которая не только регистрирует дозу радиации внутри модулей на станции, но также в определенных случаях на основе специально разработанной

программы позволяет связать показания СРК с появлением потока протонов СПС. Однако, необходимая в таком случае информация требует принятия защитных мер в аварийном режиме, так как реагирует на повышенный поток протонов уже развивающегося СПС. При этом существует большая вероятность того, что начальная стадия развития СПС остается незамеченной, так как на многих "защищенных" витках орбиты МКС поток протонов СПС сильно ослаблен из-за его экранирования магнитным полем Земли. В последнем случае информации о появлении СПС во время прохождения "защищенных" витков орбиты дала бы космонавтам больше времени для проведения защитных мероприятий.

С этой точки зрения более перспективным способом прогнозирования СПС на ОС могло бы стать использование данных некоторых спутников, которые регистрируют начальную стадию развития события СПС в межпланетном пространстве или на геостационарной орбите без искажения потока солнечных протонов в магнитосфере Земли. Такие потоки протонов регистрируют американские спутники GOES или IMP-8. Однако, принятие решения об опасности СПС по этой информации в настоящее время не может быть оперативным, так как данные о потоках частиц появляются в ИНТЕРНЕТе1 с временной задержкой. Более того, для решения проблемы оповещения об опасности и мощности события требуется специальный комплекс программ, обеспечивающий быструю обработку необходимой информации в

1 http://SPIDR.ngdc.noaa.gov

режиме on-line (дополнительно учитывая баллистические данные и данные о геомагнитной обстановке).

В настоящей работе предлагается более простое решение задачи оперативного прогнозирования появления СПС - это использование в режиме on-line данных от дозиметра, работающего на геостационарном спутнике (ГС). Для иллюстрации возможности и перспективности такого решения проблемы в работе выполнен анализ потоков протонов, зарегистрированных для некоторых мощных СПС на американском спутнике GOES-8, и их сопоставление с данными дозиметров, полученными в это же время на российском ГС Экспресс A3 и на орбитальной станции (ОС) Мир. Этот анализ выполнен с применением программ компьютерного моделирования потоков протонов в межпланетном пространстве, их проникновения на орбиты и прохождения через вещество конструкций и оборудования космических аппаратов.

ДОЗИМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ПОЛЕТНЫЕ ДАННЫЕ

На борту орбитальной станции Мир для оперативного контроля за радиационной обстановкой была установлена дозиметрическая аппаратура Р-16, в состав которой входят два дозиметра № 1 и № 2 - интегральные ионизационные камеры с электростатическими реле, которые имеют почти изотропную чувствительность и высокую точность измерений (~5%) [3]. Дозиметр № 2 имеет собственную защиту из оргстекла ~0.5 г/см2, а дозиметр № 1 дополнительно защищен тканеэк-вивалентным экраном для измерения глубинной дозы и его полная защита составляет ~3 г/см2. Аппаратура Р-16 настроена на регистрацию среднесуточных доз и цена одного импульса ионизационных камер составляет 5 мрад. В настоящее время аналогичная аппаратура установлена на МКС.

За время полета ОС Мир, то есть почти за 15 лет, аппаратурой Р-16 было надежно зарегистрировано только 15 СПС, а остальные СПС с учетом погрешности не выделялись на общем фоне среднесуточных доз, которые накапливаются от потоков частиц РПЗ и ГКЛ. На рис. 1, для примера, представлены показания Б2 и Б1, полученные соответственно с дозиметров № 2 и № 1 на ОС Мир, в течение 2000 г. Как видно из этого рисунка, на фоне среднесуточных доз (5-15 мрад) выделяются два "всплеска", обусловленные двумя мощным СПС в июле (700/500 мрад) и ноябре (285/50 мрад).

Одновременно, эти же два СПС были зарегистрированы дозиметром на ГС Экспресс А3, содержащем аналогичную ионизационную камеру, но имеющем более высокое 6-ти минутное времен-

ное разрешение [4]. Эти данные в зависимости от времени развития указанных событий приведены на рис. 2. Полная накопленная доза по показаниям дозиметра на спутнике составила 30.4 рад для СПС в июле 2000 г. и 28.6 рад для СПС в ноябре 2000 г.

Разные значения измеренных доз на ОС Мир и спутнике Экспресс А3 объясняется, в первую очередь, меньшим потоком протонов на орбите ОС из-за геомагнитного обрезания потоков частиц при проникновении их в магнитосферу Земли, и, во вторую, различным распределением экранирующих масс вокруг дозиметров из-за различной конструкции космических аппаратов.

Эти обстоятельства учитываются ниже при анализе зарегистрированных доз радиации. Этот анализ выполнен с привлечением данных по потокам протонов СПС, измеренных на спутнике ООЕБ-8 (см. сноску на стр. 211).

АНАЛИЗ ПОЛЕТНЫХ ДАННЫХ

Для анализа величины поглощенной дозы радиации, регистрируемой дозиметрами при воздействии потоков частиц СПС, был использован комплекс программ, который включает программы:

- обработки данных ООЕБ-8 и преобразование их в дифференциальные энергетические спектры протонов ^0(Е, ?) в моменты времени t, отсчитываемого от начала появления СПС на орбите Земли;

- преобразования энергетических спектров ^0(Е, t) в энергетические спектры потока протонов ^ОС(Е, 0 на орбите ОС, учитывая законы проникновения солнечных протонов в магнитосферу Земли и положение ОС на орбите во время развития СПС;

- преобразования спектров ^0(Е, 0 или ^ОС(Е, 0 в спектры потока протонов ^0экр) (Е, ^ или

^(ОСр) (Е, 0 за защитными экранами (А1) и расчета мощности поглощенной дозы Р^) или поглощенной дозы О(0 = | Р

Программа обработки данных ООЕБ-8 и преобразования их в энергетические спектры потока протонов ^0(Е, 0 в любой момент времени развития СПС t создана на основе модели потоков протонов СКЛ [5, 6] с использованием метода наименьших квадратов. Пример экспериментальных данных, зарегистрированных детекторами на спутнике ООЕБ-8, и дифференциальный энергетический спектр потока протонов, полученный в результате аппроксимации этих данных, приводятся на рис. 3. Найденные таким образом энергетические спектры ^0(Е, 0 в разные моменты времени развития СПС (усредненные в 3-х часовых

Доза, мрад/сутки 103г

102

10

Мир

—•—d2 -•e-d1

/ул/л/лл_

f f f f® <f

\ 11 ' I ' I ' \ 1 I \ I \ I I I I I ' I ' I

» ^ )s b ® Is {j

6 ф peo*<v pe

1

24.V 3.VI 13.VI 23.VI 3.VII 13.VII 23.VII 2.VIII 12.VIII

Дата

2000 r.

103г

1.X 11.X 21.X 31.X

10.XI 20.XI 30.XI 10.XII 20.XII 30.XII Дата 2000 r.

Рис. 1. Показания дозиметров аппаратуры Р-16 на орбитальной станции Мир в течение 2000 г.

интервалах) в дальнейшем использовались для анализа значений мощности поглощенной дозы P(t) на ГС Экспресс A3.

Для анализа значений мощности поглощенной дозы P(t) на ОС энергетические спектры потока протонов СПС спутника GOES-8 F0(E, t) пересчи-тывались в энергетические спектры Foc(E, t) [7]. Предполагалось, что на орбиту ОС из-за влияния магнитного поля Земли проникают протоны, имеющие энергию E выше энергетического порога обрезания Ec. Расчеты Fo^E, t) = F0(E > Ec, t) проводились для разных моментов времени развития СПС t, учитывая изменение порогового значения энергии Ec = Ec(t) со временем из-за изменения положения ОС на орбите. Значения Ec(t) для любо-

го момента времени г определялись с помощью расчетной методики [8], разработанной для определения порога геомагнитного обрезания потоков частиц космических лучей, с использованием баллистических данных для ОС . На рис. 4 приведены расчетные зависимости Ес(г), которые получены для траектории полета ОС Мир во

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»