Презентация на тему "Аномалии на космических аппаратах"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  1 Радиационная опасность на околоземных орбитах имежпланетных 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 pptcloud.ru

• 
  Слайд 2
  

  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

• 
  Слайд 3

  Аномалии на космических аппаратах

  3 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

• 
  Слайд 4
  

  4 Cкачки понижения мощностинаблюдают во времябольших солнечных cобытий (R.J. Walters, 2004) Пример изменения мощности солнечных батарей http://esa-spaceweather.net/spweather/workshops/eswwII/ proc/Session4/Presentation_KEIL.pps Сентябрь 2001 Ноябрь 2003

• 
  Слайд 5
  

  5 650 до 750 км 1250 до 1350 км 2450 до 2550 км Распределение мест возникновения одиночных сбоев на космических аппаратах, находящихся на разной высоте http://radhome.gsfc.nasa.gov/radhome/papers/202_SSR.pdf (Poivey C., et al.,2002)

• 
  Слайд 6

  Источники радиационных аномалий на КА

  6 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 - радиационные эффектыв изделиях космической техники: Аномалии на космических аппаратах

• 
  Слайд 7

  Выводык разделу «Аномалии на космических аппаратах»

  7 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 эффектовв изделиях космической техники.

• 
  Слайд 8
  

  8 Передача кинетической энергииот 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 эффекты Структурные 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

• 
  Слайд 9

  Радиационные эффекты.Линейная передача энергии (ЛПЭ)

  9 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

• 
  Слайд 10

  Радиационные эффектыПотери энергии заряженных частиц

  10 (dE/dx)n (dE/dx)e e Si (dE/dx)e (dE/dx)n ядерные реакции

• 
  Слайд 11

  Радиационные эффекты Классификация

  11 Эффекты поглощенной дозыпроявляются в результате суммирования энергии, которую множество частиц передает чувствительному объему вещества, Случайные одиночные эффектывозникают при передаче энергии от одной частицы чувствительному объему вещества

• 
  Слайд 12
  

  12 По определению:Поглощенная доза D- энергия, переданная от излучения элементарному объему веществаединичной массы Радиационные эффекты Поглощенная доза При воздействии потока частиц Фi(E) 1/см2МэВразного типа и разной энергии где - спектр ЛПЭ потока всех частиц При воздействии потока заряженных частиц Ф[1/см2] с энергией E0=const

• 
  Слайд 13

  Радиационные эффектыПример эффекта ионизационной дозы

  13 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

• 
  Слайд 14
  

  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

• 
  Слайд 15

  Радиационные эффектыЭквивалентная доза

  15 ЛПЭ, кэВ/мкм W(L) Количественной мерой радиационного эффекта в радиобиологиипринято использовать величину эквивалентной дозы

• 
  Слайд 16

  Радиационные эффектыОдиночные случайные эффекты

  16 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 величиныEc, характеризующей функциональное свойство этого объема. Тяжелое ядро Чувствительный объем

• 
  Слайд 17
  

  17 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 Fi(E) (1/см2сМэВ) разного типа и разной энергии При воздействии плотности потока частиц F (1/см2с) с энергией E0=const и углом падения 0 = const где F(L)- дифференциальный спектр ЛПЭ плотности потока частиц

• 
  Слайд 18
  

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

• 
  Слайд 19

  Выводык разделу «Радиационные эффекты»

  19 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.

• 
  Слайд 20

  Выводы (продолжение)к разделу «Радиационные эффекты»

  20 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.

• 
  Слайд 21

  Факторы космического полета

  21 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

• 
  Слайд 22

  Факторы космического полетаПроисхождение радиационных полей

  22 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.

• 
  Слайд 23
  

  23 Пример энергетических спектров частиц на орбитах КА Факторы космического полета

• 
  Слайд 24

  Факторы космического полетаСолнечная активность

  24 Пример солнечно- циклических вариаций потоков протонов РПЗ с Е=80-215 МэВ на разных дрейфовых оболочках L (Huston, S. L., 1996) Интенсивность радиочастоты 10.7 гц http://radhome.gsfc.nasa.gov/radhome/papers/ slideshow10/SC_NSREC97/img001.gif

• 
  Слайд 25
  

  25 Пример солнечно- циклических вариации потоков ядер гелия ГКЛ с энергией 70-95 МэВ/нуклон и чисел Вольфа в зависимости от календарного времени. Точки – экспериментальные данные спутника IMP-8.

• 
  Слайд 26
  

  26 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

• 
  Слайд 27
  

  27 Дифференциальные энергетические спектры протонов (а) и поглощенные дозы (б), полученные по данным спутника IMP8 для периодов минимума (W145) солнечной активности с 1965 по 1997 г.г. а) б) Сравнение потоков ГКЛ и СКЛ в межпланетном пространстве

• 
  Слайд 28

  Факторы космического полетаВековой дрейф магнитного поля Земли

  28 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.

• 
  Слайд 29
  

  Проникновение космических лучей в магнитосферу ЗемлиФункцияпроникновениячастиц в точку

  29 Жесткость заряженной частицы Масса протона Массовое числочастицы Заряд частицы Энергия на нуклон где RC(X) Поток заряженных частиц в магнитосфере в точке X Поток заряженных частиц в межпланетном пространстве Функция проникновения в точку Х Эффективная жесткость обрезания

• 
  Слайд 30
  

  30 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.

• 
  Слайд 31
  

  Проникновение космических лучей в магнитосферу ЗемлиФункцияпроникновениячастиц на орбиту

  31 время полета Энергетический спектр потока частиц космических лучей на орбите

• 
  Слайд 32

  Геомагнитная активность

  32 http://www.haystack.mit.edu/~jcf/jan97/sampex.gif Примерраспределения потоков электронов в РПЗ, зарегистрированных на спутнике SAMPEX до и после магнитной бури 9-10 января 1997 г.

• 
  Слайд 33

  Перемещение космического аппарата в пространстве

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

• 
  Слайд 34
  

  34 Орбита МКС, 400-450 км, 51 град. Высокоэллиптическая орбита 500-40000 км, 63 град. Примеры расчетных зависимостей потоков протонов (сплошные кривые) и электронов (пунктирные кривые) РПЗ на орбитах КА от времени полета

• 
  Слайд 35
  

  35 Орбита международной космической станции H = 426 км, I= 51,6 градусов; Солнечносинхронная орбита H= 900 км, I= 97 градусов; Высокоэллиптическая орбита H= 500-40000 км, I= 63 градуса; Геостационаоная орбита H= 36000 км, I= 0 градусов Примеры изменения частоты сбоев в микросхеме памяти (объем 16М) в зависимости от времени полета КА

• 
  Слайд 36

  Конструкция КА (защитные экраны)

  36 Энергетические спектры протонов и вторичных нейтронов, возникающие за защитой при воздействии протонов ГКЛ и СКЛ.

• 
  Слайд 37

  Выводык главе «Факторы космического полета»

  37 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.

• 
  Слайд 38
  

  38 Модель расчета дозы Модель потоков частиц ГКЛ Модель потоков частиц СКЛ Геомагнитныекоординаты Модели потоков электронов и протонов РПЗ Спектрычастиц 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) 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

• 
  Слайд 39
  

  Прогнозирование радиационной опасностиМодели радиационного окруженияв интерактивных информационных системах

  39 Информационные системы: CREME96 - http://creme96.nrl.navy.mil SPENVIS - http://www.spenvis.oma.be/spenvis SIREST - http://www.sirest.larc.nas.gov

• 
  Слайд 40
  

  Прогнозирование радиационной опасностиПример расчета эквивалентной дозы

  40 Полет на Марс Орбита МКС

• 
  Слайд 41

  Прогнозирование радиационной опасностиПример расчета частоты ОСЭ

  41 Перемежающиеся отказы (сбои) в «типичной» микросхеме памяти

• 
  Слайд 42
  

  Прогнозирование радиационной опасностиПример расчета поглощенной дозына круговых околоземных орбитах

  42 Поглощенная доза (10 лет) в зависимости от высоты круговой орбиты КА (защита 1 г/см2)

• 
  Слайд 43
  

  Прогнозирование радиационной опасностиПример расчета частоты (количества) одиночных случайных эффектов на круговых околоземных орбитах

  43 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 Lс =20 МэВ/(мг/см2) в зависимости от высоты круговой орбиты КА (защита 1 г/см2)

• 
  Слайд 44

  Выводык разделу «Прогнозирование радиационной опасности»

  44 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.

• 
  Слайд 45

  Литература

  45