КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 523.4-854, 524.1-52:524.6
РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА ВАРИАЦИЙ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ НА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ ЗА ПЕРИОД 2005-2011 гг.
© 2012 г. А. Э. Лишневский1, М. И. Панасюк1, О. Ю. Нечаев1, В. В. Бенгин2, В. М. Петров2, А. Н. Волков3 , В. И. Лягушин3, И. В. Николаев3
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова 2Институт медико-биологических проблем РАН, г. Москва 3Ракетно-космическая корпорация "ЭНЕРГИЯ", г. Королев ael@srd.sinp.msu.ru Поступила в редакцию 02.05.2012 г.
Аппаратура. Система радиационного контроля, данные которой анализируются, была описана в ряде работ [4, 5, 6]. В состав СРК входят: дозиметр Р-16, четыре дозиметрических блока ДБ-8 и два блока цифровой обработки данных. В данной работе рассматриваются результаты, полученные с помощью дозиметрических блоков ДБ-8, чувствительными элементами которых являются кремниевые полупроводниковые детекторы. Как было отмечено в работе [6], наименее защищенным является блок ДБ-8 № 1, расположенный в Служебном модуле МКС в отсеке малого диаметра в районе Центрального поста, а наиболее защищенным является блок ДБ-8 № 4, расположенный в Служебном модуле МКС в отсеке большого диаметра в районе рабочего стола. Данные именно этих блоков рассматриваются далее в этой статье. Результаты измерений СРК накапливаются в блоках цифровой обработки данных и передаются на Землю по системе телеметрии МКС.
Методика обработки данных. Функционирование системы радиационного контроля на МКС позволяет автоматически определять начало и окончание зоны повышенной радиации и величину дозы, накопленной за этот промежуток времени. Кроме этого, регистрируется мощность дозы и плотность потока частиц в области повышенной радиации с временным разрешением 10 секунд.
Таким образом, телеметрические данные, поступающие с СРК, позволяют определить как детальное распределение мощности дозы во время прохождения ЮАА, так и величину дозы, накопленную за одно пересечение зоны повышенной радиации. В качестве параметров, характеризующих траекторию, по которой МКС пересекает зону ЮАА, мы выбрали точку пересечения широты —30°, задаваемую значениями долготы и высоты прохождения этой точки, а также направлением движения — с севера на юг или наоборот. Участок траектории, характеризующийся движением с юга на север, мы называем далее "восходящим", а с севера на юг — "нисходящим". Обработка теле-
метрической информации СРК совместно с данными баллистики позволяет поставить в соответствие численному значению поглощенной дозы для каждого из прохождений ЮАА момент времени и значение географических координат, которые имела МКС при пересечении широты —30°, которую мы далее называем референтной широтой.
Программная обработка данных СРК МКС производилась при помощи специализированного пакета программ, написанных на языке визуального программирования National Instruments LabView 8.2 ( http://www.ni.com/labview/ ).
Результаты. Программная обработка данных СРК МКС была проведена для временного интервала 1.VII.2005—30.XI.2011.
Результаты обработки в виде зависимости дозы, регистрируемой блоками ДБ-8 за одно прохождение ЮАА, от долготы пересечения станцией референтной широты 30° ю.ш. представлены на рис. 1. Можно видеть весьма значительный разброс зарегистрированных показаний детекторов. Мы предположили, что этот разброс обусловлен значительным диапазоном высот прохождения Международной космической станцией зоны ЮАА. Чтобы исключить этот эффект, было решено разбить весь диапазон высот, на которых происходило пересечение МКС референтной широты 30° ю.ш., на следующие интервалы: 320— 330 км, 330-340 км, 340-350 км, 350-360 км, 360-370 км, 370-380 км, 380-390 км, 390-400 км, 400-410 км, 410-420 км, и провести соответствующее этим диапазонам высот разделение экспериментальных зависимостей доз, получаемых МКС в ЮАА за одно прохождение, от долготы прохождения МКС референтной широты. Проведенное разбиение данных существенно уменьшило разброс. В результате были получены "колоко-лообразные" распределения по долготе, причем для отдельных диапазонов высот на одном и том же графике могло быть выделено несколько "ко-локолообразных" распределений, описывающих экспериментальные данные. Полученные рас-
419
5*
Защищенность
Наименьшая
ДБ-8 №1
. Л!""1
Наибольшая (б)
ДБ-8 №4
-70 -50 -30 -10 10 -60 -40 -20 0
(г)
-90 -70 -50 -30 -10 10 -80 -60 -40 -20 0
Долгота, град
Рис. 1. Зависимость дозы, получаемой МКС в области ЮАА за одно прохождение, от долготы пересечения МКС референтной широты. а, в - нисходящие витки; б, г - восходящие витки (везде).
0
0
пределения были аппроксимированы с помощью функции вида:
/(X) = Лехр[-(Х - ^р)2/2ст2]
(1)
диапазона. Зависимость коэффициента А от высоты пересечения МКС референтной широты была аппроксимирована линейной функцией вида:
где А, а - численные коэффициенты, X - долгота, Хср - долгота, на которой данная аппроксимаци-онная функция достигает максимального значения, численно равного А.
Для случая, когда на одном и том же графике могло быть выделено несколько экспериментальных "колоколообразных" распределений, аппроксимация производилась несколькими функциями /(X) с использованием численных параметров, отличающихся для разных экспериментальных распределений. Пример получившихся результатов аппроксимации для интервала высот 360-370 км представлен на рис. 2.
Далее, были построены зависимости коэффициента А, характеризующего максимум аппрок-симационной функции /(X), от высоты, на которой находилась МКС при пересечении референтной широты. Результаты представлены на рис. 3. Для случаев, когда было выделено несколько экспериментальных "колоколообразных" распределений с различными коэффициентами А для одного и того же диапазона высот, на графиках зависимости коэффициента А от высоты пересечения МКС референтной широты были отображены все эти значения для соответствующего высотного
Л(к) = к(к - к0) + Ь,
(2)
где к, Ь - численные коэффициенты, к - высота (в километрах) пересечения МКС референтной широты, к0 - минимальное значение высоты, равное 300 км.
Практически для всех диапазонов высот для восходящих либо нисходящих витков оказалось несколько (2 или 3) значения коэффициента А, соответствующих разным "колоколообразным" распределениям, как представлено, например, на рис. 2 (а). В этом случае для дальнейшего анализа отбирались значения параметра А, наилучшим образом ложащиеся на прямую.
По полученным таким образом наборам точек (А, к) методом наименьших квадратов были получены коэффициенты аппроксимирующих прямых. Значения коэффициентов представлены в таблице. Значения коэффициентов Хср и а в формуле (1) оказалось возможным выбрать одними и теми же для всех диапазонов высот, но различными для нисходящих и восходящих витков, а также для наиболее защищенного и наименее защищенного блока детекторов. Полученные значения также представлены в таблице.
РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА ВАРИАЦИЙ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ 421
Защищенность Наименьшая Наибольшая
-90 -70 -50 -30 -10 10 -90 -70 -50 -30 -10 10 -80 -60 -40 -20 0 -80 -60 -40 -20 0
Долгота, град
Рис. 2.Результат аппроксимации эмпирических зависимостей поглощенной дозы в ЮАА от долготы пересечения МКС референтной широты.
р Г
=К
о
<ч
и р
м =к
о н н о и Я а м и с
м
о р
с с
а
0.22
0.18
0.14
0.10
0.06
0.02 0
0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0
(а)
Наименьшая
Защищенность
ДБ-8 №1
_|_I_I_1_
_|_I_I_I_1_
(в)
300 320 340 360 380 400 310 330 350 370 390 410
(б)
Наибольшая
ДБ-8 №4
(г)
300 320 340 360 380 400 310 330 350 370 390 410
Высота, км
Рис. З.Зависимость значения параметра А от высоты пересечения МКС референтной широты .
0
0
Используя формулы (1) и (2) совместно с коэффициентами из таблицы, мы получили эмпирическую зависимость дозы за каждое прохождение МКС области ЮАА в виде функции Д,мп =/(к, X) (функции от высоты и долготы пересечения МКС
референтной широты 30° ю.ш.). Это позволило провести сравнение измеренных значений поглощенной дозы за каждое из прохождений МКС области ЮАА (Д,ксп) с соответствующими расчетными значениями функции Д,мп. Зависимость
Таблица
Нисходящие витки Восходящие витки
Наименее защищенный детектор ДБ-8 № 1 Наиболее защищенный детектор ДБ-8 № 4 Наименее защищенный детектор ДБ-8 № 1 Наиболее защищенный детектор ДБ-8 № 4
к = 0.0015 Ь = 0.028 Лсп = -46.34 а = 12.41 к = 0.00073 Ь = 0.0079 Лсп = -46.55 Чг* а = 12.13 к = 0.00066 Ь = 0.0038 -43.06 а = 16.5 к = 0.00032 Ь = 0.00088 1 = -47.06 а = 15.95
полученного отношения А,ксп/Оэмп от времени представлена на рис. 4.
Можно видеть, что большая часть точек группируется вблизи некоторой области, варьирующейся со временем в диапазоне значений А>ксп/А,мп от 0.5 до 1.5. Однако значительная часть точек достаточно сильно отклоняется от этой области. Проведенный анализ показал, что наибольшие отклонения наблюдаются на "краях" "колоколообразного" распределения, при наибольших различиях между X и X
Чтобы уменьшить влияние данного эффекта, был проведен анализ для центральной части ЮАА, наиболее значимой с точки зрения дозы, регистрируемой на МКС. Был выбран диапазон долгот -50 < X < -30. Соответствующая зависимость А,ксп/Оэмп представлена на рис. 5.
Можно видеть, что разброс в данных существенно уменьшился, что свидетельствует о более стабильных значениях потоков протонов в центральной зоне ЮАА по сравнению с ее периферийными областями. Выпадение из общей после-
5
а р
м
о д
р
ё
с
м
т
е и н е
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0
(а)
0
1.1 1.1 1.1 1.1 2005 2007 2009 2011 1.1 1.1 1.1 1.1
2006 2008 2010 2012
0
1.1 1.1 1.1 1.1 2005 2007 2009 2011 1.1 1.1 1.1 1.1
2006 2008 2010 2012
Время
Рис. 4. Зависимость отношения экспериментального значения поглощенной дозы за прохождение области ЮАА к расчетному.
0
РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА ВАРИАЦИИ ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ
423
Защищенность
о
5
а
6
м
3
т
о
4
ен
£
н
т
о
1-е
о н ь
н е
%
и ft е
С
с
м
m
е и н е
Наименьшая
(а)
Наибольшая (б)
ДБ-8 №4
1.I 1.I 1.I 1.I 2005 2007 2009 2011 1.I 1.I 1.I 1.I 20
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.