CC BY
0
УДК 551.521.3
РАСЧЕТ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ НА ОРБИТЕ
*
А. А. Типцова , Ал. В. Овчинников Научный руководитель - С. В. Телегин
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: anya_tipcova@mail.ru
В статье рассчитана поглощенная доза радиации и проведён анализ зависимости толщины защиты элементной базы от высоты орбиты и угла наклонения.
Ключевые слова: поглощенная доза, защитное покрытие, орбита спутников CALCULATION OF THE RADIATION SITUATION IN ORBIT
A. A. Tiptsova*, Al. V. Ovchinnikov
Scientific supervisor - S. V. Telegin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology
31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
*
Е-mail: anya tipcova@mail.ru
The article calculates the absorbed dose of radiation in orbit and analyzes the dependence of the protection thickness of the elemental base on the height of the orbit and the angle of inclination.
Keywords: absorbed dose, protective coating, satellite orbit
Одной из основных проблем на орбите является деградация материалов вследствие получения высокой дозы радиации. Под влиянием различных видов излучений, проходящих через корпус электронных устройств, полупроводники в транзисторах и микросхемах могут менять свои свойства. Мгновенные дозы высокой мощности могут привести к защёлкиванию (single event latch-up - SEL). Под воздействием импульсов тока, создаваемых ионами, ячейки памяти и триггеры меняют своё состояние на противоположное.
В радиационном фоне на орбите участвуют три компонента - галактические космические лучи, солнечные космические лучи и естественные радиационные пояса земли (ЕРПЗ). Последний из перечисленных компонентов оказывает наиболее стабильное влияние, поэтому расчёт поглощённой дозы радиации от ЕРПЗ напрямую определяет необходимую толщину защитного экрана. Основным из способов защиты от излучения является экранирование электроники специальными материалами, препятствующими проникновению излучения в элементную базу. Данный метод эффективен, но увеличивает вес устройства и стоимость доставки на орбиту. Поэтому встаёт вопрос о необходимости создать защиту минимальной толщины, достаточную для успешного функционирования устройства на орбите.
В нашей статье приведены расчёты доз электронов и протонов ЕРПЗ, поглощённых устройством за защитой различной толщины. Для расчета были выбраны следующие условия: тип защиты - полубесконечная плоскость; использовались интегральные спектры; высота орбиты: 8000 и 700 км; угол наклонения: 60° (рассматривались случаи для минимума и максимума солнечной активности (СА)) и 98°.
Секция «Перспективные материалы и технологии»
Оценка поглощённой дозы электронов и протонов производится по методике, основанной на использовании заранее рассчитанных профилей поглощённой дозы. Для заданного энергетического спектра частиц Е(Е) определяются групповые потоки в соответствии с энергиями электронов и протонов, используемых в типовых таблицах. Поглощённая доза О(ф) за защитой заданной формы и толщины ф рассчитывается с помощью выражения.
ОД) = 0.5*ПД^*( 5(Е, ф) + 5(Е+7, ф) )]
где 8(Е1, ф) - удельная поглощённая доза частиц с энергией Е) за защитой ф.
Более подробно методика расчётов и моделирования поглощённой дозы описана в источниках [1-3]. Из ОСТа-134-1044-2007, нами были взяты данные для энергетических спектров и удельной поглощённой дозы. Дополнительно, для угла наклонения 98°, были взяты энергетические спектры из статьи, приведённой в разделе библиографических ссылок под номером [4]. По итогу расчётов были получены значения, представленные в табл. 1, табл.2 и табл.3.
Таблица 1
Поглощённая доза при высоте орбиты 8000 км при тах СА_
Частица, угол Протоны, 60° Электроны, 60°
толщина защиты, г/см2 Поглощенная доза за защитой, Рад/день время до набора 1 Крад, сек. Поглощенная доза за защитой, Рад/день время до набора 1 Крад, сек..
0,01 1,44Е+12 5,98Е-05 2,45Е+13 3,53Е-06
0,02 3,90Е+10 2,21Е-03 1,23Е+13 7,01Е-06
0,04 3,87Е+10 2,23Е-03 7,64Е+12 1,13Е-05
0,06 3,73Е+10 2,32Е-03 2,94Е+12 2,94Е-05
0,08 3,57Е+10 2,42Е-03 1,87Е+12 4,63Е-05
0,1 3,17Е+10 2,73Е-03 1,63Е+12 5,31Е-05
0,5 1,16Е+10 7,47Е-03 1,23Е+11 7,01Е-04
1 2,11Е+09 4,09Е-02 4,28Е+10 2,02Е-03
2 2,21Е+08 3,90Е-01 8,34Е+08 1,04Е-01
3 1,28Е+08 6,73Е-01 2,48Е+08 3,48Е-01
Таблица 2
Поглощённая доза при высоте орбиты 8000 км при ттСА_
Частица, угол Протоны, 60° Протоны, 98° Электроны, 60° Электроны, 98°
толщина защиты Поглощен время до набора 1 Поглощен время до набора 1 Поглощен время до набора 1 Поглощен время до набора 1
ная доза за защитой, Рад/день ная доза за защитой, Рад/день ная доза за защитой, Рад/день ная доза за защитой, Рад/день
г/см2 крад, сек. крад, сек. Крад, сек. Крад, сек.
0,01 1,41Е+12 6,11Е-05 1,45Е+09 5,94Е-02 7,75Е+13 1,11Е-06 4,20Е+08 2,06Е-01
0,02 1,13Е+12 7,61Е-05 1,34Е+09 6,46Е-02 4,03Е+13 2,15Е-06 2,64Е+08 3,27Е-01
0,04 5,14Е+11 1,68Е-04 1,07Е+09 8,09Е-02 2,56Е+13 3,37Е-06 1,87Е+08 4,63Е-01
0,06 4,87Е+11 1,77Е-04 9,81Е+08 8,81Е-02 1,05Е+13 8,23Е-06 1,03Е+08 8,42Е-01
0,08 4,57Е+11 1,89Е-04 7,69Е+08 1,12Е-01 6,93Е+12 1,25Е-05 7,96Е+07 1,09Е+00
0,1 3,82Е+11 2,26Е-04 4,13Е+08 2,09Е-01 5,94Е+12 1,45Е-05 7,03Е+07 1,23Е+00
0,5 1,07Е+10 8,04Е-03 2,14Е+07 4,03Е+00 2,59Е+11 3,34Е-04 7,07Е+06 1,22Е+01
1 1,88Е+09 4,60Е-02 9,61Е+06 8,99Е+00 8,71Е+10 9,91Е-04 2,49Е+06 3,47Е+01
2 1,00Е+08 8,61Е-01 5,43Е+06 1,59Е+01 1,73Е+09 5,00Е-02 3,43Е+04 2,52Е+03
3 1,40Е+07 6,17Е+00 7,94Е+05 1,09Е+02 6,87Е+08 1,26Е-01 1,09Е+04 7,94Е+03
Таблица 3
Поглощённая доза при высоте орбиты 8000 и 700 км, угол наклонения 98°, max СА_
Частицы Протоны Электроны
Высота 700 км 8000 км 700 км 8000 км
толщина Время до набора Разница толщина Время до набора Разница
защиты г/см2 1 крад. сек. защиты г/см2 1 крад. сек.
0,01 0,08 0,06 0,02 0,01 0,00008 0,21 0,21
0,02 0,09 0,06 0,03 0,02 0,00016 0,33 0,33
0,04 0,14 0,08 0,06 0,04 0,00024 0,46 0,46
0,06 0,14 0,09 0,05 0,06 0,0006 0,84 0,84
0,08 0,15 0,11 0,04 0,08 0,0008 1,09 1,08
0,1 0,16 0,21 -0,04 0,1 0,001 1,23 1,23
0,5 0,39 4,03 -3,64 0,5 0,02 12,22 12,20
1 0,72 8,99 -8,27 1 0,05 34,74 34,69
2 1,04 15,92 -14,88 2 3,72 2519,91 2516,18
3 2,11 108,79 -106,67 3 8,13 7942,13 7934,01
толщина защиты г/см2 Поглощенная доза за защитой, Рад/день Разница толщина защиты г/см2 Поглощенная доза за защитой, Рад/день Разница
0,01 1,1E+09 1,45E+09 -3,843E+08 0,01 1,04E+12 4,20E+08 1,04E+12
0,02 9,3E+08 1,34E+09 -4,018E+08 0,02 5,50E+11 2,64E+08 5,50E+11
0,04 6,3E+08 1,07E+09 -4,354E+08 0,04 3,55E+11 1,87E+08 3,55E+11
0,06 6,1E+08 9,81E+08 -3,708E+08 0,06 1,52E+11 1,03E+08 1,51E+11
0,08 5,9E+08 7,69E+08 -1,833E+08 0,08 1,03E+11 7,96E+07 1,03E+11
0,1 5,2E+08 4,13E+08 1,121E+08 0,1 8,85E+10 7,03E+07 8,84E+10
0,5 2,2E+08 2,14E+07 1,985E+08 0,5 4,80E+09 7,07E+06 4,79E+09
1 1,2E+08 9,61E+06 1,104E+08 1 1,59E+09 2,49E+06 1,59E+09
2 8,3E+07 5,43E+06 7,740E+07 2 2,32E+07 3,43E+04 2,32E+07
3 4,1E+07 7,94E+05 4,007E+07 3 1,06E+07 1,09E+04 1,06E+07
Из полученных данных видно, что при высоте 8000км орбита с углом наклонения 98° обладает меньшим радиационным фоном, в сравнении с орбитой 60°. С увеличением высоты орбиты облучение от ЕРПЗ ослабевает.
Библиографические ссылки
1. ОСТ-134-1044-2007. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование космических аппаратов: Нормативный документ по стандартизации РКТ / ФГУП ЦНИИмаш, НИИЯФ МГУ, 22ЦНИИ МО РФ, НИИ Росатома/ 2007. № 4 (10). С. 105
2. Таперо В. И. Развитие методов расчётно-экспериментального моделирования радиационных эффектов при проектировании и испытаниях радиационно-стойких изделий электронной техники космического применения. /Акционерное общество «научно-исследовательский институт приборов», 2017. 63 с.
3. Моделирование радиационных условий проектируемой группировки малых спутников для радиационного мониторинга / М. И. Панасюк, М. В. Подзолко, А. С. Ковтюх и др. // Космические исследования 2016. № 6 (54). С. 451-455.
4. Jean-Marie Lauenstein and Janet L. Barth, Radiation Belt Modeling for Spacecraft Design: Model Comparisons for Common Orbits. [Электронный ресурс] URL: https://radhome.gsfc.nasa.gov/radhome/papers/NSREC05 W16.pdf(дата обращения: 26.03.2022).
© Типцова А. А., Овчинников Ал. В., 2022
