Материалтану
ҒАРЫШ АППАРАТТАРЫНЫҢ МАТЕРИАЛДАРЫНА РАДИАЦИЯЛЫНЫҢ ӘСЕР ЕТУІ
жүктеу/скачать 5,17 Mb.
|
ҒАРЫШ АППАРАТТАРЫНЫҢ МАТЕРИАЛДАРЫНА РАДИАЦИЯЛЫНЫҢ ӘСЕР ЕТУІҒарыштық сәулелену модельдеріҒарыштық сәулеленуді зерттеудің бастапқы кезеңдері ҒА материалдары мен жабдықтарының элементтеріне ғарыштық радиацияның әсері ҒА-ның борттық жүйелерінің жұмысында істен шығудың туындауына және аппараттардың қызмет ету мерзімдерінің қысқаруына әкелетін басты факторлардың бірі болып табылады. Жоғарыда айтылғандай, ғарыш радиациясының ҒА жұмысына әсерін бағалау кезінде оның әртүрлі компоненттерінің сипаттамаларын сипаттайтын эмпирикалық модельдер қолданылады. Мұндай модельдердің сипаттамасына кіріспес бұрын, Мәскеу университеті ғалымдарының ғарыштық сәулеленуді зерттеудегі, соның ішінде ЖРБ-ны ашу мен егжей-тегжейлі зерттеудегі маңызды рөлін тағы бір рет атап өткен жөн. Кестеде. 4.1 отандық ЖЖС-да ғарыштық радиацияны зерттеудің бастапқы кезеңдері туралы мәліметтер келтірілген. ЖЖС кестесінде іске қосу күндері, сондай-ақ Орбита параметрлері көрсетілген: перигей мен апогейдің биіктігі және Экваторлық жазықтыққа қатысты көлбеу. Мұнда, 2-ші және 3- ші ЖЖС-да жоғарыда айтылған зерттеулерден басқа, 1964 жылы орындалған "Электрон" сериясының ЖЖС-дағы зерттеулерді ерекше атап өткен жөн. Бір зымыран тасығыштың көмегімен жұптасып ("Электрон-1, 2" және "Электрон-3, 4") ұшырылған бұл ЖЖС айтарлықтай әртүрлі орбиталарға ие болды (кестені қараңыз. 4.1), бұл ЖРБ-ның барлық саласын егжей-тегжейлі зерттеуге мүмкіндік берді. Алайда, осы сериядағы ЖЖС - да жүргізілген зерттеулердің мәні ЖЖС бөлшектерінің ағындары туралы кең ақпарат алуда ғана емес, сонымен бірге дәл осы ЖЖС-да алғаш рет ғарыштық радиацияның борттық жүйелерге жағымсыз әсерінің сенімді дәлелі алынды және жабдықты оның әсерінен қорғаудың кейбір шаралары сыналды. Орбитасының көп бөлігі ішкі ЖРБ-да жатқан "Электрон-1" ЖЖС-да ЖРБ протондарының әсер етуі нәтижесінде кремний күн батареялары тиімділігінің (КБ) тез төмендеуі байқалды. Нәтижесінде бұл ЖЖС тек 40 күн жұмыс істеді. Едәуір ұзартылған эллиптикалық орбитасы бар "Электрон-2" ЖЖС 5 ай жұмыс істеді. Осы серияның ЖЖС бірінші жұбынан кейін жарты жылдан кейін іске қосылған "Электрон-3" және "Электрон-4" ЖЖС - да ЖРБ протондары ағынының КБ - ға радиациялық әсерін едәуір әлсіретуге мүмкіндік беретін жұқа мөлдір жабындармен қорғалған. Қабылданған шаралардың нәтижесінде "Электрон-3,4" ЖЖС бірінші жұппен салыстырғанда едәуір ұзақ жұмыс істеді. Кесте 4.1. Ғарыштық сәулеленуді зерттеудің бастапқы кезеңдері
1960 жылдан бастап әртүрлі ҒА-да сондай-ақ басқарылатын ұшуларды жүзеге асыру үшін де, сондай-ақ түрлі борттық аппаратуралардың қызмет ету мерзімін болжау үшін де аса қажетті ҒА бортындағы радиациялық жағдайлар туралы тікелей ақпарат алуға мүмкіндік беретін дозиметриялық өлшеулер жүргізілгенін атап өту маңызды. Бұл өлшеулерде ММУ ҒЗИЯФ-да жасалған құрылғылар да қолданылды. Ғарыш кеңістігіндегі радиациялық жағдайлар туралы өте қызықты мәліметтер 1959 жылдан бастап Айға, Венераға және Марсқа бағытталған зымырандар мен ҒА өлшеулерінен алынды. Ғарыштық сәулелерді зерттеу бойынша ерекше тәжірибелер 1965-1968 жылдары ММУ ҒЗИЯФ-да жасалған және жасалған ғылыми жабдықтың салмағы 7-ден 12,5 тоннаға дейін болатын төрт ауыр Протон ЖЖС-да жүргізілді. Ғарыштық ұшудың радиациялық жағдайларын зерттеу бойынша көптеген эксперименттер 15 жылдан астам уақыт жұмыс істеген "Мир" орбиталық станциясында – 1986 жылдан 2001 жылға дейін жүргізілді және ХҒС-да жалғасуда, оны орбитада құрастыру 1998 жылы басталды. Салмағы 20 тонна ресейлік "Заря" функционалды жүк блогын іске қосудан ғылыми деректердің үлкен көлемі "найзағай" және ГЛОНАСС серияларының жоғары орбиталық ЖЖС-да, геостационарлық ЖЖС-да ("Горизонт", "Экспресс") және бірқатар мамандандырылған ғылыми. ҒА материалдары мен жабдықтарына радиациялық әсер етудің ерекшелігі сәулеленетін объектіге түсетін бөлшектердің құрамымен, энергиясымен және санымен анықталады. Соңғы факторды сипаттау үшін келесі параметрлер қолданылады: иондаушы бөлшектердің ағымы-dt уақыт аралығында берілген бетке түсетін иондаушы бөлшектер санының осы аралыққа қатынасы: F = dN / dt [c- 1]; иондаушы бөлшектердің флюенсі-элементар сфераның көлеміне енетін иондаушы бөлшектер санының осы сфераның dS көлденең қимасының ауданына қатынасы: F = dN / dS [м-2]; иондаушы бөлшектер ағынының тығыздығы-элементар сфера көлеміне енетін иондаушы бөлшектер ағынының осы сфераның dS көлденең қимасына қатынасы: dF / dS [м 2 с 1]. Іс жүзінде, ғарыштық сәулеленуге қатысты осы параметрлерді анықтау кезінде жалпақ аймақ жиі қарастырылады. Ғарыштық сәулелену модельдері, әдетте, күн белсенділігінің минималды және максималды кезеңдері үшін ғарыш кеңістігінің әртүрлі аймақтарындағы зарядталған бөлшектердің энергетикалық спектрлерін есептеуге мүмкіндік береді. Кейбір жағдайларда күн және геомагниттік белсенділік индекстерін қолдану арқылы деректерді түзетуге болады. ҒКС сипаттау кезінде бөлшектердің күтілетін ағындарының параметрлерін осындай оқиғалардың пайда болу ықтималдығымен байланыстыратын ықтималды модельдер қолданылады. ЖРБ модельдері ЖРБ бөлшектері ағындарының сипаттамаларын сипаттау үшін халықаралық тәжірибеде AE-8 және AP-8 анықтамалық модельдері кеңінен қолданылады, олардың біріншісі E = 0,04-7 МэВ болатын ЖРБ электрондарының ағындары туралы, ал екіншісі E = 0,1-400 МэВ энергиясы бар протондардың ағындары туралы ақпарат береді. ЖРБ бөлшектерінің кеңістіктік таралуы LB -координаттар жүйесін қолдана отырып сипатталады, онда L – жер радиусында көрсетілген магнит өрісінің күш сызығының шыңына дейінгі геоцентрлік қашықтық, ал B – магнит өрісінің жергілікті индукциясы. Бұл координаттар жүйесінде жер беті шамамен L = 1-ге сәйкес келеді, ал ГСО l ~ 6,6-да орналасқан. Жер бетінде B 0,5 Гс, ал ГСО ~10 -3 Гс. Талқыланған эмпирикалық модельдер ҒА құрылғыларының көмегімен алынған ЖРБ бөлшектерінің ағындары туралы эксперименттік мәліметтер массивіне негізделген. 5.1- сур. пайдаланылатын бастапқы деректердің мысалы ретінде экваторлық жазықтықтағы электрондар мен протондар ағынының тығыздығының радиалды профильдері келтірілген. Сур. 4.1. E > E0 [МэВ] кезінде экваторлық жазықтықтағы электрондар (а) және протондар (б) ағындарының тығыздығының радиалды профильдері (E0 мәндері қисық сызықтардағы сандармен көрсетілген) ЖРБ - ның жер бетіндегі кеңістіктегі орналасуы туралы көрнекі түсінік береді. 5.2 сур., онда түсірілген радиация аймағының меридионалды жазықтығының көлденең қимасы көрсетілген. Кестеде көрсетілген үш орбитаның осы жазықтығына проекциялар көрсетілген. 1.6 (разд. 1). Бұл бөлімде ГСО экваторлық жазықтықта орналасқан нүктемен көрсетіледі. ХҒС және КСО орбитасы ЖРБ-дан төмен орналасқан. Сур. 4.2. Үш орбитаның (ЖЭО, ГЛОНАСС, ГСО) проекциялары бар меридиандық жазықтықпен ЖРБ облысының қимасы: 1-ішкі ЖРБ; 2-сыртқы ЖРБ Әр түрлі LB координаталары бар аудандар арқылы өтетін нақты орбиталар үшін электрондар мен протондардың энергетикалық спектрлерінің модельдерін қолдана отырып есептеу кезінде берілген виттер саны немесе уақыт аралығы бойынша есептелген деректерді орташа есептеу мүмкіндігі қарастырылған. Сур. 4.3. Күн белсенділігінің максимумы (тұтас сызықтар) және минимумы (штрихті сызықтар) жылдарындағы ХҒС орбитасындағы электрондардың (1) және протондардың (2) дифференциалдық энергетикалық спектрлері 4.3 - сур. күн белсенділігінің минималды және максималды кезеңдері үшін AE - 8, AP-8 модельдерін қолдана отырып есептелген ХҒС орбитасындағы электрондар мен протондардың дифференциалды энергетикалық спектралары келтірілген. Күн белсенділігінің минимумынан максимумға ауысқан кезде электрондар ағыны артып, протондар ағыны төмендейтінін атап өткен жөн. Бұл ЖРБ электрондары мен протондарының кеңістіктегі үлестірілуіндегі айырмашылықтармен, олардың геомагниттік өрістегі қозғалысының сипатымен және магниттік қақпанға қамалу шарттарымен түсіндіріледі. Әр түрлі орбиталардағы ЖРБ электрондары мен протондарының ағындарының қатынасы туралы көрнекі түсінік береді. Сур.5.4, онда келесі орбиталар үшін бөлшектердің дифференциалды энергетикалық спектрлері ұсынылған: ХҒС, КСО, ГЛОНАСС и ГСО. Суреттен көрініп тұрғандай, ГЛОНАСС орбитасында өтетінін өзгерту керек. 5.2.сыртқы ЖРБ-ның орталық аймағында электрондардың да, протондардың да елеулі ағындары байқалады. Сыртқы ЖРБ шетіне жақын орналасқан ГСО-да электрон ағындары басым болады, ал протондар ағыны E > 1 МэВ кезінде күрт төмендейді. ХҒС және КСО орбитасындағы ЖРБ бөлшектерінің энер- гетикалық спектрлерін салыстырған кезде соңғысының жоғары орналасқандығын, сонымен қатар үлкен қисайғандығына байланысты (кестені қараңыз. 1.6) ол суретте көрсетілгендей полярлық аймақтар арқылы өтеді. 5.2. ЖРБ "жоталары" жер бетіне жақындайды. Сондықтан ЖРБ электрондары мен протондарының ағындары ХҒС орбитасынан жоғары. Сур. 4.4. Орбиталардағы электрондардың (А) және протондардың (б) ЖРБ дифференциалдық энергетикалық спектрлері: 1 – ХҒС; 2 – ССТ; 3 – ГСО; 4 – ГЛОНАСС Жаңа эксперименттік мәліметтер жинақталған сайын ЖРБ бөлшектерінің модельдері нақтыланады. ММУ ҒЗИЯФ-да төмен биіктіктегі бөлшектердің ағынын дәлірек сипаттауға мүмкіндік беретін ЖРБ моделі жасалды. Жерге жақын орбиталардағы радиациялық жағдайлар көбінесе геомагниттік өрістің әлсіреуіне байланысты бірнеше жүз шақырым биіктікке түсетін Оңтүстік Атлант магниттік аномалиясының (ОАА) болуымен анықталады. - Сур. 5.5 400-500 км биіктіктегі ЖРБ протондарының ағындарын тіркеу аймағының географиялық орналасуы көрсетілген. Көрсетілген шекараларда ағындардың қарқындылығы орталықтан шеткеріге шамамен 100-200 есе төмендейді. Сур. 4.5. ОАА саласындағы 400-500 км биіктіктегі РПЗ бөлшектерін тіркеу аймағы Суретте көрсетілген аймақтың көлденең өлшемдері. 5.5 сур., күн белсенділігінің деңгейі бар антифазадағы күн белсенділігінің 11 жылдық циклі бойында өзгереді. Бұл күн белсенділігі деңгейінің жоғарылауымен қарастырылған биіктіктегі жердің жоғарғы атмосферасының тығыздығының артуымен байланысты, бұл зарядталған ЖРБ бөлшектерінің атмосфераның газ бөлшектерімен соқтығысу жиілігінің жоғарылауына және сайып келгенде ЖРБ бөлшектерін атмосферамен неғұрлым қарқынды сіңіруге әкеледі. Жоғарыда сипатталған ЖРБ модельдері статикалық болып табылады, өйткені олар бөлшектердің ағындары туралы тек Күн белсенділігінің ең жоғары және ең төменгі кезеңдері туралы ақпарат береді және ағындардың уақыт пен аралық, күн мен геомагниттік белсенділікке тәуелділігін сипаттамайды. ММУ ҒЗИЯФ - да күн және геомагниттік белсенділіктің өзгеруімен байланысты ЖРБ бөлшектері ағындарының қысқа мерзімді вариацияларын сипаттауға мүмкіндік беретін динамикалық модельдерді құру мүмкіндіктері зерттелді. Бірқатар ЖЖС - да ММУ ҒЗИЯФ аппаратурасының көмегімен жүргізілген өлшеулердің деректері апталармен өлшенетін жеткілікті ұзақ уақыт аралықтарында да болжанатын модельдерден ЖРБ бөлшектерінің тіркелетін ағындарының ауытқуы шаманың тәртібіне немесе одан да көпке жетуі мүмкін екенін көрсетеді. Бұл ЖРБ динамикалық модельдерін жасау үшін одан әрі күш салу қажеттілігін сенімді түрде көрсетеді. ҒКС модельдері Қазіргі уақытта күнде болып жатқан процестерді түсіну ҒКС бөлшектері ағынының пайда болуын дәл болжауға және оның сипаттамаларын болжауға мүмкіндік бермейді. Сондықтан ҒКС оқиғаларының сандық сипаттамасымен олардың ықтималдық сипаты туындайды. Мұндай сипаттама үшін уақытқа, бөлшектер ағынының мөлшеріне (флюенс және шыңы), элементтердің құрамы мен бөлшектердің энергиясына байланысты ҒКС оқиғаларының таралу заңдылықтарын табу қажет. Қолданыстағы модельдер көбінесе шектеулі жағдайлармен шектеліп, әдетте тек Протон ағынын қарастыратын осы ақпараттың бүкіл жиынтығын бермейді. ММУ ҒЗИЯФ-да ҒКС протондары ағынының ықтималды моделі жасалды, ол ҒКС протондарының ағындары мен шыңдарының сипаттамаларын сипаттайды. Бұл модельде ҒКС пайда болатын күн оқиғаларының орташа жиілігі W – Вольф санымен сипатталатын күн белсенділігінің деңгейіне байланысты анықталады-белгілі бір уақытша интервал бойынша орташа, жеке дақтар мен жеке дискідегі дақтар топтарының жалпы саны анықталады. Күн белсенділігінің ең жоғары жылдарында W мәні ~150-ден 200-ге дейін, ал ең төменгі жылдары ~1-ден 10-ға дейін. 5.6 - сур. Күн белсенділігінің 11 жылдық цикліндегі вольф санының тән өзгеруін көрсетеді. Қаралып отырған 106 см-2 - ден жоғары флюенс кезінде E > 30 МэВ энергиясымен ҒКС протондары генерацияланатын N күн алауының жылдық санының орташаланған тәуелділігі 5.7-кестеде көрсетілген.
СКЛ бөлшектерімен жасалатын ҒА жабдықтары мен материалдарына дозалық жүктемелерді есептеу үшін осы бөлшектердің энергетикалық спектрлері болуы қажет. ММУ ҒЗИЯФ моделі әр түрлі уақыт аралықтары мен шыңдар ағындары үшін ҒКС бөлшектерінің ағындары үшін осындай спектрлерді есептеуге мүмкіндік береді. Сур. 5.8 олардың пайда болуының әртүрлі ықтималдығы үшін ҒКС протондарының жылдық флюенсінің есептелген энергетикалық спектрлері келтірілген. Суретте көрсетілген ҒКС протондарының энергетикалық спектрлері. 5.8. планетааралық кеңістіктегі бөлшектердің ағынын сипаттайды. ҒКС бөлшектері жердің магнитосферасына енген кезде олардың магнит өрісі ішінара ауытқып, нәтижесінде энергетикалық спектрлер өзгереді. Сур. 5.9 ГСО мен ХҒС орбитасындағы ҒКС протондарының жылдық флюенсінің дифференциалды энергетикалық спектрлері келтірілген, соңғы жағдайда максимум және Күн белсенділігінің минимумы кезеңдеріне арналған спектрлер ұсынылған. ГСО-дағы протондар спектрі магнитосферадан тыс байқалатын спектрге жақын. ҒКС протондары ХҒС орбитасының аймағына енген кезде, суреттен көрініп тұрғандай, пайда болады. Сур.5.9. Протон ағынының айтарлықтай төмендеуі. Күн белсенділігі деңгейінің максимумнан минимумға дейін өзгеруі де ағынның айтарлықтай төмендеуіне әкеледі. Сур. 4.8. Күн белсенділігі жоғары (W = 150) СКЛ протондарының жылдық флюенсінің интегралдық энергетикалық спектрлері: 1 – 0,9; 2 – 0,5; 3 – 0,1; 4 – 0,01 Қарастырылған ММУ ҒЗИЯФ моделі ҒКС бөлшектерінің ағынын сипаттау үшін қолданылатын мемлекеттік стандарттың негізіне, сондай-ақ Халықаралық стандарттау ұйымының (ISO) қамқорлығымен мемлекетаралық пайдалану үшін әзірленген стандарттың негізіне алынған, оның қызметіне ММУ ҒЗИЯФ мамандары белсенді қатысады. Сур. 4.9. Күн белсенділігінің максимумы (2) және минимумы (3) кезеңінде ХҒС орбитасында және ГСО (1) 0,5 ықтималдық кезінде ҒКС протондарының жылдық флюенсінің дифференциалды энергетикалық спектрлері ГҒС модельдері ГҒС бөлшектер ағынының қарқындылығы күн циклінің ұзақтығына сәйкес 11 жылдық өзгерістерге ұшырайды. Сонымен қатар, ол антифазада күн белсенділігінің деңгейімен өзгереді: Күн белсенділігінің жоғарылауымен ГҒС бөлшектері ағынының төмендеуі байқалады. Ұқсас тәуелділік жоғарыда ОАА аймағындағы ЖРБ бөлшектерінің ағындары үшін байқалды. Біреуі-күн белсенділігі циклі ішіндегі ГҒС ағынының өзгеруінің физикалық механизмі мүлдем өзгеше: күн белсенділігі деңгейінің жоғарылауымен планетааралық кеңістіктегі магнит өрісі күшейеді, бұл ГҒС бөлшектерінің Күн жүйесіне енуін қиындатады. Ұқсас әсер, бірақ аз байқалады, күн сәулесінің жалғыз жарқылында байқалады (ГҒС ағынының төмендеуі). Сур. 5.10 ГҒС құрамына кіретін әртүрлі химиялық элементтер үшін дифференциалды энергетикалық спектрлер ұсынылған. Ядролар массасының ұлғаюымен бөлшектер ағынының тығыздығының едәуір төмендеуі байқалады, ал оның энергияға тәуелділігі айқын құлдырау сипатына ие. Күн белсенділігі деңгейінің өзгеруіне байланысты ағынның өзгеруі E < 1 ГэВ/нуклон бөлшектерінің энергиясымен айқын көрінеді. Сур. 4.10. Күн белсенділігінің минимумы (тұтас қисықтар) және максимумы (штрихті қисықтар) жылына жерге жақын өлшенген түрлі элементтердің дифференциалдық энергетикалық спектрі) ММУ ҒЗИЯФ-та ГҒС бөлшектері ағындарының сипаттамаларын сипаттау үшін 5 МэВ/нуклоннан 100 ГэВ/нуклонға дейінгі диапазондағы энергия үшін Z = 1- 92 зарядтары бар ядроларды қамтитын модель әзірленді. Модель күн белсенділігі цикліндегі бөлшектер ағындарының өзгеруін, сондай-ақ ГҒС жердің магнитосферасына енген кезде энергия спектрлерінің өзгеруін сипаттауға мүмкіндік береді. 5.11- сур. күн белсенділігінің ең төменгі және ең жоғарғы кезеңдері үшін ГҒС аумағындағы ГҒС протондарының дифференциалды энергетикалық спектралары, сондай - ақ күн белсенділігінің минимум кезеңіне жататын ХҒС орбитасындағы және биіктігі бойынша жақын, бірақ төмен (30 градус) орбитадағы спектрлер көрсетілген.). Жоғарыда келтірілген спектрлер күн белсенділігі деңгейінің де, геомагниттік өрістің де ГҒС бөлшектері ағынының мөлшеріне әсерін нақты көрсетеді. Сур. 4.11. Күн белсенділігінің минимумы (1) және максимумы (2) кезеңдері үшін ГҒС (3) орбитасында және Күн белсенділігінің минимумы үшін аз көлбеу орбитада (4) ГКС аумағындағы ГҒС протондарының дифференциалды энергетикалық спектрлері ММУ ҒЗИЯФ ГҒС моделі негізінде мемлекеттік стандарт әзірленді, оның негізгі ережелері халықаралық анықтамалық модельдерге енгізілді. Айға және Күн жүйесінің планеталарына ұшу кезіндегі радиациялық жағдайлардың ерекшелігі жоғарыда егжей-тегжейлі қарастырылды. Жер маңындағы кеңістіктегі ғарыштық радиацияның сипаттамалары туралы қосымша ақпаратты ұсынылған әдебиеттерден табуға болады. Осы бөлімде келтірілген ғарыштық сәулеленудің сипаттамалары туралы деректер материалдар мен жабдықтарға радиациялық әсерді талдау кезінде қолданылады. жүктеу/скачать 5,17 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|