[論文レビュー] Determination of the Stopping Power and Failure-time of Spacecraft Components due to Proton Interaction Using GOES 11 Acquisition Data

N. N. Jibiri, Victor U. J. Nwankwo+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2013

Advanced Battery Technologies Research参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、GOES-11 衛星データを用いて、宇宙船部品に及ぼすプロトン誘発放射線効果をモデル化し、停止力、範囲、および全イオン化線量を計算することで、故障までの期間を予測している。放射線遮蔽策がない場合、地球静止軌道における 20 mm 厚のアルミニウム合金宇宙船は、3 年間の安全期間と最大で 29 年間のリスク期間を経験すると判明した。

ABSTRACT

One of the several ways to describe the net effect of charged-particles' interaction is the rate of energy loss along the particles' path. In this study, the mass stopping power (Sp) of selected spacecraft composite materials, through which the particle traverses, its range (R) and the distance (d) travelled (by the particles) through the materials have been calculated and analyzed. The dose (in Gy) as a function of particle flux and deposited energy was also determined. Predictions of their possible effects on space system operations and life-span were made, especially as values exceeded certain threshold (limit). Using GOES 11 acquired data for 3 months, estimations and/or calculations were made to determine the risk and safe period of a satellite in the geosynchronous orbit. Under certain space radiation environmental conditions (without mitigation of any sort), a spacecraft whose body is 20 mm thick and with Al alloy casing, was theoretically estimated to have a safe period of about 3 years and risk period of about 29 years (due to total ionizing dose) within which it would experience a catastrophic failure.

研究の動機と目的

• GOES-11 衛星から得られたリアルタイムデータを用いて、宇宙空間の放射線、特にプロトンが宇宙船部品に与える影響を評価すること。
• アルミニウム合金、ゲルマニウム、シリコンなどの一般的な宇宙船材料におけるプロトンの停止力と範囲を特定すること。
• 地球静止軌道における長期間の露出下での電子部品の全イオン化線量（TID）と故障までの期間を推定すること。
• 電子およびプロトンフラックスの変動が引き起こす単一イベント効果および表面帯電のリスクを評価すること。
• 宇宙船の放射線耐性を高め、運用寿命を延長するための材料選定およびシールド策定の提言を行うこと。

提案手法

• NOAA の宇宙天気予測センターが提供する、GOES-11 衛星から得られた 3 ヶ月分のプロトンおよび電子フラックスデータを活用した。
• プロトンエネルギーと材料密度から導出された単位質量あたりのエネルギー損失率を用いて、質量停止力（Sp）を計算した。
• 経験的および理論的停止力モデルを用いて、プロトンの範囲（R）および材料内を通過した距離（d）を計算した。
• フラックスとエネルギー損失量を関数として全イオン化線量（TID）を推定し、線量率は年間ギグアート（Gy/年）単位で算出した。
• TID のしきい値（10 krad および 100 krad）を適用し、安全運用期間および破壊的故障までの期間を予測した。
• 電子フラックスのピークを分析することで、表面帯電リスクを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルミニウム合金、ゲルマニウム、シリコンなどの一般的な宇宙船材料におけるプロトンの停止力と範囲は何か？
• RQ2 地球静止軌道における 20 mm 厚のアルミニウム合金宇宙船の外壁では、時間経過に伴い全イオン化線量（TID）はどのように蓄積されるか？
• RQ3 放射線遮蔽策なしで継続的なプロトン露出にさらされた場合、宇宙船部品の予想される安全運用期間と故障までの期間は何か？
• RQ4 時間経過に伴う電子およびプロトンフラックスの変動は、表面帯電および単一イベント効果のリスクにどのように影響するか？
• RQ5 Mg や Si を添加したアルミニウム合金（例：Al に Mg を添加）などの材料組成は、放射線遮蔽性能の向上と故障リスクの低減にどのように寄与するか？

主な発見

• アルミニウム合金の質量停止力は純アルミニウムよりも高いことが判明し、プロトンの透過に対する遮蔽性能が優れていることが示された。
• 電子フラックスは 2010 年 4 月 2 日から 11 日にかけてピークに達し、表面帯電および放電誘発異常を引き起こすリスクが高まった。
• プロトンフラックスは 2010 年 6 月 10 日から 13 日にかけてピークに達し、放射線露出リスクが上昇した可能性のある太陽粒子イベントの兆候であった。
• 20 mm 厚のアルミニウム合金宇宙船の外壁では、安全運用期間が約 3 年（10 krad TID しきい値）と推定された。
• リスク期間は 29 年にまで延び、その時点で蓄積線量が 100 krad に達し、全イオン化線量による破壊的故障が発生した。
• 本研究では、マルチレイヤー被膜の採用およびアルミニウム合金への Mg や Si などの高停止力元素の増加を、放射線耐性向上のための提言として示した。