Уточнение требований по радиационным воздействиям

 

В околоземном космическом пространстве существуют несколько источников ионизирующего излучения:

- потоки космических лучей, образованные галактическими космическими лучами (ГКЛ);

- космическим излучением Солнца, возникающим при интенсивных хромосферных вспышках;

- радиационные пояса Земли искусственного и естественного происхождения, расположенные на расстояниях от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч километров от поверхности Земли;

- при полетах к некоторым планетам, например, к Юпитеру, КА может быть подвержен воздействию ИИ радиационных поясов этих планет.

Наиболее серьезную опасность представляют естественные и искусственные радиационные пояса Земли.

Естественные радиационные пояса Земли (ЕРПЗ) представляют собойвнутренние области земной магнитосферы,в которых магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы (протоны, электроны, альфа-частицы и ядра более тяжёлых химических элементов), обладающие высокой кинетической энергией от десятков КэВ до сотен МэВ. Своим существованием эти пояса обязаны наличию у Земли магнитного поля. Магнитное поле Земли захватывает падающие в него заряженные частицы, так что земная магнитосфера оказывается заполненной электронами, протонами, а также ионами разных энергий, совокупность которых и составляет радиационные пояса. Выходу заряженных частиц из радиационного поля Земли мешает особая конфигурация силовых линий геомагнитного поля, создающего для заряженных частиц магнитную ловушку.

Внутренний радиационный пояс характеризуется наличием протонов высоких энергий (от 20 до 800 МэВ) с максимумом плотности потока протонов с энергией ε_р >20 МэВ до 10⁴ протон/ (см.² ּ с) на расстоянии L~1,5. Во внутреннем поясе присутствуют также электроны с энергиями от 20 — 40 КэВ до 1 МэВ; плотность потока электронов с ε_р 40 КэВ составляет в максимуме ~10⁶ -10 ⁷ электрон/(см ² ּ с). С внешней стороны этот пояс ограничен магнитной оболочкой с L=2, которая пересекается с поверхностью Земли на геомагнитных широтах ~45⁰. На нижней границе внутреннего пояса (на высотах 200 - 300 км) частицы, испытывая частые столкновения с атомами и, молекулами атмосферных газов, теряют свою энергию, рассеиваются и «поглощаются» атмосферой.

Нижняя граница внутреннего пояса в зависимости от географической широты расположена на расстоянии от 600 до 1500км от поверхности Земли. Верхняя граница пояса простирается до высоты 10 тысяч км.

Внешний радиационный пояс заключён между магнитными оболочками с L=3 и L=6 смаксимальной плотностью потока частиц на L ~ 4 - 4,5. Для внешнего пояса характерны электроны с энергиями 40 — 100 кэВ, плотность потока которых в максимуме достигает 10^{6 -} 10⁷ электрон/(см²с). Среднее время «жизни» частиц внешнего радиационного пояса составляет 10⁵ - 10⁷ с. В периоды повышенной солнечной активности во внешнем поясе присутствуют также электроны больших энергий (до 1 МэВ и выше). Внешний радиационный пояс Земли начинается на высотах около 10 тыс.км (вблизи геомагнитного экватора) и простирается в зависимости от солнечной активности до высот 60-85 тыс.км.

Состав, плотности потоков и энергетические спектры частиц в естественных радиационных поясах Земли зависят от времени вариаций, связанных в основном с протекающими на Солнце процессами. При этом внутренний ЕПРЗ практически не подвержен временным вариациям, а внешний ЕПРЗ может изменяться существенно. Поэтому, радиационные пояса представляют собой серьезную опасность при длительных полётах в околоземном пространстве.

Искусственные радиационные пояса Земли образуются в результате высотных ядерных и термоядерных взрывов. Объем и координаты ИРПЗ зависят от места взрыва в пространстве и определяются мощностью боеприпасов. Осколки деления являются источником электронов со спектром до 10 МэВ. Плотность потоков электронов в ИРПЗ может достигать 10¹⁹ электронּ см^-2 · с^-1 и выше. Однако она сравнительно быстро спадает во времени (за 2 месяца плотность снижается примерно на 50%). Ориентировочные оценки поглощенной за год дозы от ИРПЗ показывают, что она может достигать 10⁶- 10⁷ Дж·кг^-1 (10⁸ – 10⁹ рад).

Для обеспечения создания КА с длительным сроком активного существования на орбитах эксплуатации необходимо предъявлять при создании новой радиационно-стойкой элементной компонентной базы (ЭКБ) следующие требования:

- по стойкости к дозе протонного и электронного излучения космического пространства - полная поглощенная доза не менее 100 крад;

- по стойкости к отказам при воздействии протонов и тяжелых заряженных частиц

- порог ЛПЭ отказа не менее 60 МэВ см²/мг;

- по стойкости к сбоям при воздействии протонов и тяжелых заряженных частиц – порог ЛПЭ сбоя не менее 36 МэВ см²/мг.

Усредненные параметры потоков частиц космических лучей и радиационных поясов Земли на ГСО и ВЭО приведены в табл. 1.

Таблица 1

Вид корпускулярного излучения	Состав	Энергия частиц, МэВ	Плотность потока, м-2 с-1	Вклад в полную дозу
ГСО	ВЭО	ГСО	ВЭО
Радиационные пояса Земли	Протоны Электроны	1-30 > 30 0,1-1,0 > 1,0	3·108 1·1011 1·1010	6·109 7·106 1·1011 1·109	~ 60%	~ 90%
Солнечные космические лучи	Протоны	18-104 1-104	1.3·106 -	- 107-108	~40%	~10%
Галактические космические лучи	Протоны Ядра гелия Более тяжелые ядра	102-1015 (для всех групп ядер)	3·104 3·103 1,2·101	3·104 3·103 1,2·101	Менее 1%	Менее 1%

Основные факторы космического пространства, оказывающие радиационное воздействие на материалы и радиоэлектронную аппаратуру КА

- потоки электронов и протонов радиационных поясов Земли;

- потоки протонов, солнечных космических лучей и галактических тяжелых заряженных частиц.

Эффекты радиационного воздействия

- накопление ионизационных эффектов и структурных повреждений в материалах и ЭКБ;

- сбои и отказы ЭКБ при воздействии протонов и ТЗЧ.

Таким образом, требования стойкости, прочности и устойчивости аппаратуры системы автоматики КА определяются интегральными эффектами в материалах элементов под воздействием гамма-нейтронного излучения ЯЭУ.

Кратковременные сбои и обратимые отказы могут наблюдаться в аппаратуре автоматики вследствие проявления ионизационных эффектов в полупроводниковых приборах под воздействием ИИ КП. При этом определяющими являются дифференциальные характеристики излучения – плотность энерговыделения в чувствительных объемах полупроводников.