[논문 리뷰] 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. Nwankwo외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 02.

Advanced Battery Technologies Research참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 지구정同步궤도에서의 위상 방사선 손상에 대한 위상 입자 영향을 모델링하기 위해 GOES-11 위성 데이터를 사용하여 정지력, 범위 및 총 이온화 복사선량을 계산함으로써 실패 시기를 예측한다. 방사선 완화 전략이 없을 경우 20 mm 두께의 알루미늄 합금 위성은 안전 기간 3년과 최대 29년의 위험 기간을 겪게 된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실시간 GOES-11 위성 데이터를 활용하여 공간 방사선, 특히 위상 입자가 위성 구성 요소에 미치는 영향을 평가하기.
• 알루미늄 합금, 게르마늄, 실리콘과 같은 일반적인 위성 재료에서 위상 입자의 정지력과 범위를 결정하기.
• 지구정동궤도에서 장기간 노출될 경우 전자 구성 요소의 총 이온화 복사선량(TID)과 실패 시기를 추정하기.
• 전자 및 위상 입자 플럭스 변화에 따른 단일 이벤트 효과 및 표면 충전 위험을 평가하기.
• 위성의 방사선 내성 향상과 운영 수명 연장에 기여하기 위한 재료 선택 및 차폐 전략 제안하기.

제안 방법

• NOAA의 우주 날씨 예측 센터를 통해 확보한 GOES-11 위성에서 수집한 3개월 분량의 위상 및 전자 플럭스 데이터를 활용하였다.
• 위상 에너지와 재료 밀도에서 유도된 단위 질량 당 에너지 손실률을 사용하여 질량 정지력(Sp)을 계산하였다.
• 경험적 및 이론적 정지력 모델을 사용하여 위상 입자의 범위(R) 및 재료를 통과한 거리(d)를 계산하였다.
• 플럭스 및 에너지 침착량을 기반으로 총 이온화 복사선량(TID)을 추정하였으며, 복사선량률은 연간 Gy 단위로 계산되었다.
• TID 임계치(10 krad 및 100 krad)를 적용하여 안전 운용 기간과 치명적 고장 시기를 예측하였다.
• 전자 플럭스 피크 분석을 통해 표면 충전 위험을 평가하였으며, 이는 방전 사건 유발 가능성을 고려하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알루미늄 합금, 게르마늄, 실리콘과 같은 일반적인 위성 재료에서 위상 입자의 정지력과 범위는 무엇인가?
• RQ2 지구정동궤도에서 20 mm 두께의 알루미늄 합금 위성 본체에 시간이 지남에 따라 총 이온화 복사선량은 어떻게 누적되는가?
• RQ3 방사선 완화 조치 없이 연속적인 위상 입자 노출에 노출된 위성 구성 요소의 예상 안전 운용 기간과 고장 시기는 무엇인가?
• RQ4 시간에 따라 변화하는 전자 및 위상 입자 플럭스는 표면 충전 및 단일 이벤트 효과의 위험에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 예를 들어 알루미늄에 마그네슘(Mg), 실리콘(Si)을 첨가한 재료 조성은 방사선 차폐 성능을 향상시키고 고장 위험을 감소시키는가?

주요 결과

• 순수 알루미늄보다 알루미늄 합금의 질량 정지력이 더 높아져 위상 입자 침투에 대한 보다 우수한 차폐 성능을 나타낸다.
• 2010년 4월 2일에서 11일 사이에 전자 플럭스가 피크에 도달하여 표면 충전 위험과 잠재적 방전 유도 이상 현상 위험이 증가하였다.
• 2010년 6월 10일에서 13일 사이에 위상 입자 플럭스가 피크에 도달하여 방사선 노출 위험을 높인 태양 입자 사건일 가능성이 있었다.
• 20 mm 두께의 알루미늄 합금 위성 본체의 경우, 10 krad TID 임계치 기준 약 3년의 안전 운용 기간으로 추정되었다.
• 누적 복사선량이 100 krad에 도달할 때까지 위험 기간은 29년으로 연장되었으며, 이는 총 이온화 복사선량으로 인한 치명적 고장이 발생함을 의미한다.
• 본 연구는 다층 코팅 및 알루미늄 합금에 고정지력 요소인 마그네슘(Mg)과 실리콘(Si)의 비율을 높여 방사선 내성 향상을 위한 제안을 한다.