Введение 5
Глава 1 Радиационные условия в ближнем космосе 10
1.1. Источники радиации на орбитах КА 10
1.2. Галактическое космическое излучение 10
1.3. Солнечные космические лучи 11
1.4. Радиационные пояса Земли 12
1.5. Электризация элементов КА 15
Глава 2 Моделирование энергетического распределения электронов на основе излучения ускорителей 19
2.1. Установка SIRENE 19
2.2. Расчет электронных спектров за Al мишенями 22
Выводы по главе 2 37
Глава 3 Моделирование энергетического распределения электронов на основе бета-излучения радионуклидных источников 38
3.1 Моделирование характеристик электронов для бета-излучения 137Cs 40
3.1.1 Спектр электронов 42
3.1.2 Радиальное распределение 44
3.1.3 Угловое распределение 45
3.1.4 Расчет влияния гамма-излучения 137Cs на спектр электронов 47
3.1.5 Влияние алюминиевой подложки на спектр 47
3.2 Моделирование характеристик электронов для бета-
излучения 90Sr/90Y 48
3.3 Сравнение рассчитанных в"-спектров с электронным
SPACE спектром 51
147
3.4 Расчет характеристик электронов для источников Pm,
155Eu, 63Ni, 32Si 55
3.4.1 Eu-155 55
3.4.2 Ni-63 60
3.4.3 Pm-147 62
3.4.4 Si-32 64
Вывод по главе 3 67
Заключение
Список литературы
Купить

Находясь на земной орбите и в открытом космосе, космические аппараты (КА) подвергаются непрерывному воздействию потоков различного рода частиц: электронов, протонов, ионов высокой энергии и электромагнитного излучения. Радиационная обстановка на орбите складывается из множества непредсказуемых факторов. Вклад в состав излучения вносят: потоки космических частиц высоких энергий, образующихся вследствие процессов, происходящих за пределами нашей солнечной системы (вспышки сверхновых, квазары, пульсары и др.), радиационные пояса Земли (РПЗ), космическая плазма, солнечное излучение. Некоторые действующие факторы космического пространства, например, космическая плазма и солнечное ультрафиолетовое излучение, оказывают влияние лишь на приповерхностные слои материалов. Другие, например, заряженные частицы высоких энергий, вместе с создаваемыми ими в элементах конструкции КА вторичными частицами и фотонами, способны проникать на большую глубину материалов, а также во внутренние отсеки КА.
В состав КА входит много диэлектрических материалов, да и КА не заземлен, поэтому в результате взаимодействия материалов и элементов КА с космической плазмой на их поверхности индуцируется и накапливается заряд. Его величина зависит от первичных токов электронов и ионов плазмы, а также вторично -эмиссионных токов с поверхности КА, включая ток фотоэлектронной эмиссии, вызываемой солнечным излучением. Образование электрического заряда на КА влечет за собой появление разности потенциалов между его поверхностью и окружающей плазмой. Например, время зарядки внешних диэлектрических поверхностей КА в момент магнитной бури во внешнем РПЗ составляет доли секунды. Накопленный диэлектриком электронный заряд может создавать высокую напряженность электрического поля и вызывать поверхностные электростатические разряды, которые генерируют электромагнитные помехи, влияющие на стабильность работы бортового оборудования КА. При большой разности потенциалов -(10-20)кВ, могут происходить разрушения элементов конструкции КА. Способность диэлектрика эффективно аккумулировать электрический заряд определяется его высоким удельным сопротивлением более 1014 омсм.
Поскольку электризация КА вызывается различными типами космических излучений, то это явление иногда называют радиационной электризацией. При заряжении диэлектрических материалов КА в горячей магнитосферной плазме (энергия частиц более 100 эВ) глубина проникновения электронов плазмы с энергиями до 50 кэВ составляет ~20- 30 мкм. Такую электризацию называют поверхностной электризацией. Электроны радиационного пояса Земли (РПЗ) с энергиями 2-10 МэВ могут проникать в диэлектрик на глубину ~ 5-20 мм. Электризацию, возникающую в этом случае, называют объемной электризацией.
Воздействие факторов космического пространства, приводит к постепенному ухудшению свойств материалов и характеристик бортовых систем КА и к их отказам по истечении некоторого периода эксплуатации. Типичным примером является постепенное снижение эффективности солнечных батарей КА в результате накопления поглощенной дозы космической радиации. Кроме этого возможны внезапные отказы в работе бортовых систем, которые непосредственно сопровождают радиационное воздействие на КА, например, сбои в интегральных микросхемах под действием одиночных протонов или тяжелых ионов высокой энергии. По оценкам отечественных и зарубежных экспертов, более половины отказов и сбоев в работе бортовой аппаратуры КА обусловлены неблагоприятным воздействием факторов космического пространства.
С данной проблемой столкнулись еще в 70 -х годах прошлого века, на заре строения КА, когда на спутниках, находящихся на высокой орбите были зафиксированы значительные неполадки в работе оборудования.
Например, американские спутники, созданные для обеспечения радиосвязи и транслировании телевизионных передач, не смогли нормально функционировать, в виду внезапных включений -выключений аппаратуры, проблем, связанных с передачей сигнала, в некоторых случаях менялась произвольным образом ориентация антенн. Как правило, работа восстанавливалась, но оборудование либо необратимо портилось, либо выходило из строя совсем. Так, как через спутники на орбите Земли передается значительный объем информации, потери которой могут быть невосполнимы, было принято решение серьезно заняться данной проблемой.
Первым шагом была установка на запускаемые спутники приборов для регистрации помех и измерения потенциалов оболочки КА. Оболочка заряжалась отрицательно, что объясняется большей плотностью электронов по сравнению с протонами в РПЗ. Для предотвращения проблем, связанных с электризацией КА, необходимо проводить радиационные испытания материалов конструкции. Данные испытания необходимо проводить, как в натурных условиях (на орбите), так и в земных условиях (в лабораториях). Для проведения лабораторных испытаний необходимо использовать соответствующие источники излучения.
Максимальные энергии электронов РПЗ на низких орбитах находятся в области 2-10 МэВ, а на высоких геостационарных орбитах максимальные энергии электронов магнитосферной плазмы составляют несколько десятков кэВ. С учетом спектра электронов и их небольших пробегов они определяют величину поверхностной электризации элементов КА.
Как правило, лабораторные испытания проводятся с заменой корпускулярных излучений со сплошным спектром, подобным космическому спектру, моноэнергетическими излучениями, которые генерируют ускорители заряженных частиц или радионуклидные источники. Например, этот вид испытаний широко применяется для прогнозирования радиационной стойкости изделий, расположенных на внешней поверхности КА (солнечные элементы из кремниевых фотопреобразователей, терморегулирующие покрытия, оптические системы ориентации, лазерные зеркала).
Не всегда такие лабораторные испытания правильно прогнозируют поведение материалов, находящихся в космическом пространстве. Например, исследования заряжения диэлектрических материалов с помощью низкоэнергетических (20-30 кэВ) моноэнергетических электронных пучков, которые имею небольшую глубину проникновения, значительно переоценивают возникающие напряженности электростатического поля и риски для материалов в космосе. Для более точного прогнозирования поведения диэлектрических материалов в космосе необходимо проводить испытания с учетом реального спектра частиц, падающих на КА. Для этих целей разрабатываются специальные устройства, позволяющие
преобразовывать моноэнергетический электронный (или протонный) пучок ускорителя в непрерывный спектр, соответствующий натурному спектру. Также, существует возможность получения необходимой формы электронного спектра при использовании бета-излучения радионуклидных источников.
В данной работе приводятся результаты моделирования методом Монте Карло электронного космического спектра для высоких геостационарных орбит двумя способами:
• с помощью моноэнергетических электронных пучков ускорителей и специальных рассеивающих фольг из Al;
• с помощью бета-излучения радионуклидов.
Купить