[논문 리뷰] Simulation of ASTROD I test mass charging due to solar energetic particles

Lei Liu, Gang Bao외 2명|arXiv (Cornell University)|2007. 04. 26.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 GEANT4 툴킷을 사용하여 1989년의 태양 고에너지 입자(SEP) 이벤트 동안 ASTROD I 임무의 시험 질량 충전을 시뮬레이션한다. 가장 큰 SEP 이벤트 동안 충전 속도는 64,300 +e/s에 도달하였으며, 이는 ASTROD I의 설계 예산을 초과하는 가속도 노이즈를 유발하여, 임무 감도를 유지하기 위해 지속적인 방전 시스템이 필요하다는 것을 밝혀냈다.

ABSTRACT

As ASTROD I travels through space, its test mass will accrue charge due to galactic cosmic-rays and solar energetic particles incident on the spacecraft. This test mass charge will result in Coulomb forces between the test mass and the surrounding electrodes. In earlier work using the GEANT4 toolkit, we predicted a net charging rate of nearly 9.0 +e/s from cosmic-ray protons between 0.1 and 1000 GeV at solar maximum, and rising to 26.5 +e/s at solar minimum. Here we use GEANT4 to simulate the charging process due to solar energetic particle events and to estimate the magnitude of acceleration noise due to this charging. The predicted charging rates range from 2840 to 64300 +e/s, at peak intensity, for the 4 largest SEP events in September and October 1989. For the 2 larger events, the acceleration disturbances due to charging exceeds the ASTROD I acceleration noise budget requirement. Continuous discharge should be considered for suppressing this charging noise. The acceleration noise during the 2 small events is well below the design target, although during these events, the net charging rate will be dominated by these solar fluxes.

연구 동기 및 목표

• 태양 고에너지 입자(SEP)가 ASTROD I 중력파 임무의 시험 질량 충전에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 그로 인한 쿠론력과 가속도 노이즈가 임무 감도를 저하시킬 수 있는지를 정량화하기 위해.
• SEP 유도 충전이 정밀 측정에 필요한 가속도 노이즈 예산을 초과하는지 평가하기 위해.
• 강력한 태양 이벤트 동안 지속적인 방전 메커니즘이 충전 노이즈를 억제하기 위해 필요한지 결정하기 위해.

제안 방법

• ASTROD I 시험 질량의 입자 상호작용 및 전하 축적을 모델링하기 위해 GEANT4 몬테카를로 시뮬레이션 툴킷을 사용하였다.
• 1989년 9월과 10월의 네 번째로 큰 태양 이벤트 동안 태양 고에너지 입자(SEP)에서 기인한 충전을 시뮬레이션하였다.
• 최대 SEP 강도 조건에서 초당 기본 전하 수단(+e/s)으로 순 충전 속도를 계산하였다.
• 충전된 시험 질량과 주변 전극 사이의 쿠론력에 기인한 가속도 노이즈를 추정하였다.
• 시뮬레이션된 노이즈 수준을 ASTROD I 임무의 요구 가속도 노이즈 예산과 비교하였다.
• 시뮬레이션된 이벤트 동안 SEP 플럭스가 갤럭티크 고에너지 우주선보다 지배적인지 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주요 태양 이벤트 동안 태양 고에너지 입자(SEP)로 인한 ASTROD I 시험 질량의 충전 속도는 무엇인가?
• RQ2 시험 질량 충전으로 인한 쿠론력이 ASTROD I의 가속도 노이즈 예산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 시뮬레이션된 충전 유도 노이즈 수준이 임무의 요구 감도 기준을 초과하는가?
• RQ4 어떤 조건에서 SEP 플럭스가 시험 질량 충전에 기여하는 데 갤럭티크 고에너지 우주선보다 지배적인가?
• RQ5 강력한 SEP 이벤트 동안 충전 노이즈를 억제하기 위해 지속적인 방전이 필요한가?

주요 결과

• 1989년 두 번째로 큰 SEP 이벤트 동안 최대 충전 속도는 64,300 +e/s에 도달하였으며, 이는 임무의 가속도 노이즈 예산을 크게 초과하였다.
• 두 번째로 큰 SEP 이벤트 동안 시험 질량 충전으로 인한 유도 가속도 노이즈는 ASTROD I의 설계 요구사항을 초과하였다.
• 네 번째로 큰 SEP 이벤트 동안 충전 속도는 2,840에서 64,300 +e/s 사이에서 변동하였으며, 최고 수준은 태양 강도가 최고조에 이르렀을 때 관측되었다.
• 작은 SEP 이벤트 동안에도 순 충전 속도는 태양 플럭스에 의해 지배되었지만, 노이즈는 설계 기준 이하로 유지되었다.
• 본 연구는 주요 태양 이벤트 동안 충전 노이즈를 억제하기 위해 지속적인 방전 시스템이 필수적임을 확인하였다.
• 시뮬레이션 결과는 우주 기반 중력파 탐측의 정밀도를 유지하기 위해 SEP 유도 충전을 억제할 필요성이 매우 크다는 점을 부각시켰다.