Модель электронной компоненты захваченной радиации (в диапазоне энергий 0.04-2.0 МэВ) на высотах 350-1000 км в максимуме и минимуме солнечного цикла (по данным экспериментов на спутниках "Интеркосмос-19" и "Космос-1686") тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

1 С ОКТ 1395

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи УДК 550.383

Толстая Екатерина Дмитриевна

МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТЫ ЗАХВАЧЕННОЙ РАДИАЦИИ (В ДИАПАЗОНЕ ЭНЕРГИЙ 0.04-2.0 МэВ) НА ВЫСОТАХ 350-1000 КМ В МАКСИМУМЕ И МИНИМУМЕ СОЛНЕЧНОГО ЦИКЛА (ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА СПУТНИКАХ "ИНТЕРКОСМОС-19" И "КОСМОС-1686")

01.04.08 - физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1996 г.

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной

физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор М.И. Панасюк

кандидат физико-математических наук Г.И. Пугачева

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор A.M. Гальпер

доктор физико-математических наук Э.Н. Сосновец

Ведущая организация ИЗМИРАН (г. Троицк)

Защита состоится "1996 года в часов на заседании диссертационного Совета К053.05.24 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу : 119899, г. Москва, Воробьевы горы, НИИЯФ МГУ, 19-ый корпус, аудитория 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ

Автореферат разослан " ¿Зйе/Г-М^ЭЭб года

Ученый секретарь л

диссертационного Совета К053.05.24

доктор физико-математических наук у Ю.А. Фо^н

Общая характеристика работы Актуальность работы

Воздействие энергичных электронов и протонов радиационных тоясов Земли является одним из основных факторов, снижающих надежность и ограничивающих срок службы космических летательных аппаратов (КА) на околоземных орбитах. Проектирование низковысотных КА производится с учетом таких характеристик, как мощность дозы и интегральная доза радиации, которые определяют степень радиационного износа солнечных батарей, электронных систем и другой аппаратуры спутника. Для прогнозирования доз радиации в настоящее время используются разработанные NASA модели АЕ-8 (для электронной компоненты) и АР-8 (для протонной компоненты), а также их Российские аналоги - модели, разработанные в НИИЯФ МГУ и изданные в виде Государственных стандартов. В основу вышеупомянутых моделей были положены данные спутниковых экспериментов, проведенных в 60-е и начале 70-х годов. К настоящему времени является общепризнанным, что данные модели обладают целым рядом недостатков и не позволяют прогнозировать потоки захваченной радиации с достаточной степенью точности, особенно на высотах менее 1000 км.

Разработка современных моделей электронной компоненты является актуальной задачей, поскольку доза от электронов преобладает для небольших (менее 1 г/см2) толщин защиты, и точное знание дозы от данной компоненты является решающим при проектировании солнечных батарей и различных электронных систем КА, расположенных за небольшими толщинами защиты.

Важной задачей является также разработка динамических моделей захваченной радиации, поскольку в настоящее время установлено, что в связи с геомагнитной активностью потоки энергичных электронов на

орбитах низковысотных КА могут возрастать на несколько порядков величины и держаться на высоком уровне в течение нескольких дней, недель, а иногда и месяцев. Данное обстоятельство существенно увеличивает вероятность отказа электронных систем КА и радиационную опасность для космонавтов, а также значительно сокращает ресурс работы солнечных батарей.

Цель диссертационной работы

1. Создание современной стационарной модели электронной компоненты захваченной радиации, позволяющей улучшить точность прогнозирования потоков электронов на высотах менее 1000 км, - в области высот, где наблюдаются наиболее значительные расхождения между экспериментальными и прогнозируемыми по указанным выше моделям значениями потоков электронов.

2. Разработка компьютерной версии стационарной модели, позволяющей в интерактивном режиме определять значения потоков электронов в произвольной точке пространства.

3. Сравнение разработанной модели с существующими, анализ полученных расхождений и физических процессов, приведших к изменению радиационнной обстановки на высотах < 1000 км.

4. Создание концепции и разработка динамической модели электронной компоненты, позволяющей прогнозировать возрастание потоков электронов во время геомагнитных возмущений различной мощности.

Научная новизна

На основе данных идентичных электронных спектрометров, установленных на спутниках "Интеркосмос-19" и "Космос-1686", разработана стационарная модель электронной компоненты захваченной радиации для максимума и минимума цикла солнечной активности

спутники были запущены в 1979 и 1986 годах соответствен!'!) - • ¡азличные эпохи солнечного цикла).

Для упорядочения экспериментальных данных применена, в отличи"-т других моделей, система-географических координат, которая позволяет юлее адекватно описать распределения потоков квазизахваченных лектронов на высотах < 1000 км.

Сопоставление прогнозов радиационной обстановки на малых ысотах, даваемых разработанной моделью и используемыми в настоящее :ремя моделями, выявило существенные различия между ними. 1роанализированы физические процессы, которые могли послужить |ричиной таких расхождений.

В разработанной модели впервые учтено существование ;начительных потоков квазизахваченных частиц на высотах менее 1000 км, ю отраженных в других моделях.

Обнаружено связанное с вековыми вариациями геомагнитного поля ¡мещение области наиболее интенсивных потоков захваченных частиц области Бразильской магнитной аномалии).

Впервые показано, что соотношение величин потоков электронов на лалых высотах в максимуме и минимуме мощных солнечных циклов сличается от принятого в более ранних моделях.

В диссертации защищаются:

1. Стационарная эмпирическая модель электронной компоненты эадиации для периодов максимума и минимума солнечной активности на высотах менее 1000 км, которая учитывает глобальные изменения в величинах потоков (по сравнению с измерениями 1964-1972 годов).

2. Вывод о существовании значительны* потоков квазизахваченных ^стиц на высотах менее 1000 км не отраженных в существующих моделях.

3. Вывод об изменении соотношений величин потоков электронов в максимуме и минимуме солнечного цикла на малых высотах для мощных солнечных циклов (по сравнению с другими моделями).

4. Динамическая модель электронной компоненты радиации на высотах менее 1000 км, которая обеспечивает расчет потокоз электронов для различных уровней геомагнитной возмущённое™ (величины индекса).

5. Компьютерные версии моделей, позволяющие в интерактивном режиме получать значения потоков электронов при заданном уровне геомагнитной активности в произвольной точке пространства.

Практическая значимость

Результаты данной работы могут быть использованы для получения уточненных оценок потоков электронов на высотах < 1000 км как е максимуме, так и в минимуме цикла солнечной активности. Стационарная модель издана и применяется в виде "Изменения N1 к ГОСТ 25645.139-86 Пояса Земли радиационные естественные. Пространственно энергетические характеристики плотности потоков электронов.' Разработанная динамическая модель позволяет прогнозировав возрастания потоков электронов, вызванные геомагнитным! возмущениями различной мощности.

Личный вклад автора

Автор участвовал в обработке данных спутниковых экспериментов использованных в моделях, в создании программы графической редактирования для восстановления реальных скоростей счета приборов области Бразильской магнитной аномалии. Автор разработа стационарную и динамическую модели электронной компонент! захваченной радиации, а также необходимое программное обеспечение

тор провел сопоставление разработанных моделей с сущестнующиш-|делями захваченной радиации и результатами отечественных и рубежных экспериментов.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на минарах ОКИ и ОКФИ НИИЯФ МГУ (1991, 1992 г.), на Всесоюзной нференции "Радиационная стойкость бортовой аппаратуры" (Томск, '91), Международной конференции "Проблемы взамодействия ИСЗ с смической средой" (Новосибирск, 1992), на Международных совещаниях 'адиационная обстановка: эмпирические и физические модели" (Дубна, 193), и "Радиационные пояса: Модели и стандарты" (Брюссель, 1995). По .'зультатам диссертации опубликовано 8 работ.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух жложений. Диссертация содержит 121 страницу текста и 35 рисунков, тисок цитируемой литературы состоит из 78 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследований, очерчен круг юсматриваемых в работе вопросов, сформулированы положения, вносимые на защиту, а также научная новизна и практическая ценность эедставленных в работе результатов.

В первой главе дан подробный обзор используемых в настоящее эемя официальных российских и американских моделей радиации, оказано, что вышеупомянутые модели основаны преимущественно на

данных спутниковых экспериментов, проводившихся в 60-е и начале 70-х годов. Сформулированы основные недостачи существующих моделей:

• при создании моделей использованы устаревшие .экспериментальные данные, "засоренные" вкладом от высотного ядерного взрыва "Старфиш", произведенного в 1962 году;

• модели являются статическими, т.к. содержат лишь две версии, соответствующие максимуму и минимуму солнечной активности;

• применение этих моделей дпя прогнозирования радиационных условий в максимуме мощного солнечного цикла приводит к существенным ошибкам, поскольку при их создании использовались экспериментальные данные, полученные в максимуме аномально слабого 20-го солнечного цикла;

• вследствие недостатка необходимых экспериментальных данных эффекты атмосферного обрезания потоков частиц на малых высотах описаны неадекватно;

• применение для упорядочения экспериментальных данных координатных систем 1-,В и 1_,В/Во на малых высотах приводит к ошибкам в интерполяции потоков частиц.

Обобщены результаты сравнений моделей с данными современных экспериментов на спутниках СЯПЕЗ, иЭЕЯ, ОМБР, ОНгОВА. Показано, что приемлемое согласие модельных и экспериментальных результатов наблюдается лишь для очень продолжительных экспериментов, таких, как на спутнике ШЕР, который проработал более 6 лет. Во всех остальных случаях наблюдаются существенные расхождения между результатами измерений и моделирования (в особенности на малых высотах), свидетельствующие о серьезных недостатках моделей и необходимости их совершенствования.

Проведен анализ физических процессов, которые могут вы^ына., изменения потоков электронов на малых высотах (по сравнению с 60-ми ;•> началом 70-х годов). В частности, отмечено, что вследствие уменьшения магнитного момента Земли зеркальные точки частиц, опускаются на меньшие высоты, * т.е. в более плотные слои атмосферы. Проанализирована связь между интенсивностью солнечного цикла плотностью атмосферы на малых высотах и скоростью диффузии частиц.

Проведен анализ существующих подходов к созданию динамических моделей радиации. Показано, что в настоящее время проблема создания динамической модели, описывающей зависимость электронной компоненты от уровня геомагнитной возмущённое™ среды, не решена. Открытым остается также вопрос, какому из индексов геомагнитной активности следует отдать предпочтение в качестве оптимального модельного параметра.

Во второй главе описана методика экспериментов и обработка экспериментальных данных, использованных при разработке моделей.

Даны описания приборов "ПЕРО-ЗИ" и "Электрон-4", запущенных на спутниках "Интеркосмос-19"(эллиптическая орбита 500-1000 км, наклонение 74°) и "Космос-1686" (круговая орбита 350 и 500 км, наклонение 51.6°) соответственно. Приборы являлись практически идентичными как в смысле устройства, так и в смысле калибровки. Рассмотрен вопрос о фоне, создаваемом в электронных каналах приборов энергичными протонами, проникающими через пассивную боковую защиту приборов.

Приведены структура и содержание базы данных эксперимента на спутнике "Космос-1686", описана процедура дешифровки экспериментальной информации. Подробно рассмотрена процедура восстановления реальных скоростей счета в области Бразильской

магнитной аномалии, где происходило переполнение регистров счетчика. Дано описание разработанной при участии автора программы графического редактирования, которая использовалась для восстановления скоростей счета.

В третьей главе описаны созданные автором стационарные модели электронной компоненты на высотах менее 1000 км для периодов максимума и минимума цикла солнечной активности.

Проанализированы достоинства и недостатки различных систем координат, применявшихся ранее для создания модельных распределений. В результате анализа предложена следующая форма построения модельных распределений: экспериментальная информация усредняется в каждой ячейке таблицы размером 10° х 10° градусов по широте и долготе в географических координатах на заданной высоте. Такие модельные таблицы были созданы для 3-х базовых высот: 350, 500 и 800 км и для 7 энергетических диапазонов: Ее> 0.04, >0.1, >0.3, >0.6, >0.9, >1.2, >2.0 МэВ, для двух эпох - максимума и минимума солнечного цикла.

Проведено детальное сравнение разработанной модели с официальной американской моделью АЕ-8. Результаты сравнения выявили следующие существенные отличия:

• Области с достаточно интенсивными значениями потоков энергичных электронов согласно разработанной модели гораздо обширнее, чем в модели АЕ-8 (как на высоте 350, так и на высоте 500 км), что свидетельствует о несовершенстве аналитической функции, описывающей атмосферное обрезание на малых высотах, примененной в АЕ-8.

• В области внутреннего радиационного пояса согласно разработанной модели наблюдаются стационарные потоки квазизахваченных электронов, которые полностью отсутствуют в модели АЕ-8.

• В минимуме солнечного цикла на высотах 350 и 500 см .-•.•..■¡;ч, •• .!? пояса разработанная модель дает более интенсивные потоки злекгро,-о; что может свидетельствовать о неточности примененных и А^.л теоретических моделей распада облака электронов, инжекшрованиого т> результате высотного ядерного взрыва "Старфиш".

• Величины квазизахваченных потоков согласно разработанной модели превышают величины квазизахваченных потоков согласно модели АЕ-8 как в области зазора, так и в области внешнего пояса. Единственным исключением является область внешнего пояса в максимуме солнечного цикла, где интенсивности потоков практически равны.

• Во всех случаях отмечается смещение к западу области Бразильской магнитной аномалии (географической области, соответствующей максимальным значениям интенсивностей потоков), что согласуется с результатами других экспериментов и теоретическими оценками, учитывающими вековой ход геомагнитного поля.

• Соотношения суммарных потоков (суммирование проводилось по всем ячейкам модельных распределений) электронов в диапазоне энергий 0.3-2.0 МэВ на высоте 500 км в максимуме и минимуме цикла солнечной активности существенно различаются в сравниваемых моделях. Соотношения составляют -1.1 для разработанной модели и - 2.8 для модели АЕ-8.

• Сравнения моделей, проводимые для более коротких временных интервалов, показывают более существенные различия, чем сравнения за более длительные интервалы времени.

Проведены сравнения разработанной модели с данными экспериментов на спутниках "0Н20ПА"(эллиптическая орбита 350-850 км. наклонение 75°, время работы 1984-1987 гг.) и "КОРОНАС-И"(круговая

орбита 500 км, наклонение 83°, запущен в марте 1994 г.). Отмечено хорошее согласие разработанной модели с данными вышеупомянутых экспериментов.

В четвертой главе описано создание динамической модели электронной компоненты радиации на основе экспериментальной информации, полученной на спутнике "Космос-1686". Приведено подробное обоснование применения Оз( индекса в качестве модельного параметра, характеризующего геомагнитную активность.

Для создания модели из массива экспериментальной информации были отобраны сеансы, относящиеся к экстремально возмущенным и умеренно-возмущенным периодам. Информация для данных двух уровней геомагнитной возмущенности усреднялась аналогично тому, как это было сделано в стационарной модели.

Проанализированы возрастания потоков электронов, вызванные геомагнитными возмущениями различной мощности в различных областях пространства. Для конкретных орбит рассчитаны зависимости интенсивности потоков электронов от уровня геомагнитной возмущенности (величины Dst индекса).

Описана компьютерная версия динамической модели, которая позволяет в интерактивном режиме оценить потоки электронов в заданной области пространства при заданном уровне геомагнитной активности.

Показано, что при наличии прогноза солнечной активности (числа солнечных пятен) разработанная динамическая модель может быть использована для получения долгосрочных прогнозов потоков электронов на заданной орбите.

В заключении сформулированы основные результаты дчссл-i. •

1. Разработана концепция построения модели элсктремч ; :омпоненты захваченной радиации на малых высотах в ¡¿ид." >аспределений по географическим широте и долготе с шагом 10 н-ч базовых высотах 350, 500 и 800 км, позволяющая адекватно описать (ысотный ход электронов и квазизахваченные потоки.

Создана современная стационарная эмпирическая модель шектронной компоненты захваченной радиации для максимума и минимума циклов солнечной активности на высотах 350-1000 км, считывающая долговременные изменения интенсивности электронных ютоков (по сравнению с измерениями 1964-1972 годов).

2. Сделан вывод о существовании значительных потоков :вазизахваченных частиц на высотах менее 1000 км, не отраженных в существующих моделях.

3. Сделан вывод об изменении по сравнению с существующими иоделями соотношений интенсивностей электронов в максимуме и иинимуме солнечного цикла.

4. Разработана концепция и создана динамическая модель электронной компоненты захваченной радиации на высотах < 1000 км, тозволяющая оценивать потоки электронов для различных уровней "еомагнитной возмущенности (величины Dst- индекса).

5. Разработаны компьютерные версии стационарной и динамической моделей, позволяющие получать в интерактивном режиме значения потоков электронов в произвольной точке пространства для заданного уровня геомагнитной возмущенности.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А.А.Гусев, М.И.Панасюк, Г.И.Пугачева, Е.Д.Толстая ."Радиационная обстановка на малых высотах: необходимость создания новой эмпирической модели пространственно-энергетических распределений заряженных частиц. "Материалы 1 Всесоюзн. конференц."Радиационная стойкость бортовой аппаратуры и элементов космических аппаратов", Томск, 1991, С.7

2. А.А.Гусев, Г.И.Пугачева, Е.Д.Толстая."Модель захваченной радиации на малых высотах. "Материалы международной конференции "Проблемы взаимодействия ИСЗ с космической средой", Иркутск, 1992, С.68-69.

3. А.А.Гусев, Г.И.Пугачева, Ю.В.Минеев, Е.Д.Толстая. " Глобальные изменения радиационной обстановки на высотах < 1000 км."Препринт НИИЯФ МГУ, 1992, 92-31/280.

4. Г.Ф.Глухов, Г.И.Пугачева, Ю.В.Минеев, Е.Д.Толстая. "Эмпирическая модель захваченной радиации в магнитоспокойный период по данным эксперимента на "ИК-19" Геомагнетизм и аэрономия, 1992, Т.32, N 3, С.105-108.

5. А.А.Гусев, Г.И.Пугачева, Ю.В.Минеев, Е.Д.Толстая "Особенности распределения интенсивностей электронов на высотах 350 и 500 км в магнитоспокойное время." Геомагнетизм и аэрономия, 1992, Т.32, N 5, С.104-107

6. M.l.Panasyuk.Yu.V.Mineev, G.i.Pugacheva, E.D. Tolstaya "Electron component of trapped radiation environment at altitudes below 1000 km."Abstracts of the International Workshop "Space Radiation Environment: Empirical and Physical Models", Dubna, 1993, P.31.

7. Yu.V.Mineev, G.I.Pugacheva , E.D.Tolstaya "A Modern Trapped Electron Model for Altitudes < 1000 km", STEP International, V.3,N.2,P.9-10 February 1993.

8. Yu.Mineev and E.D.Tolstaya, 'Low Altitude Models of Radiation Belts Based on Data From Russian Spacecraft'. Proceedings of Workshop on Radiation Belts:Models & Standards, October 17-20, 1995. Brussels, Belgium.