कॉस्मिक विकिरण क्या है?

ब्रह्मांडीय विकिरण उच्च ऊर्जा कणों का एक निरंतर प्रवाह है जो पृथ्वी के वायुमंडल से उत्पन्न होता है। इन कणों में प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन, अल्फा कण और भारी परमाणु परमाणु परमाणु परमाणु परमाणु परमाणु शामिल हैं, जो सापेक्ष गति पर यात्रा करते हैं -अक्सर प्रकाश की गति का 90% से अधिक है। ब्रह्मांडीय विकिरण वातावरण तीन प्राथमिक स्रोतों से बना है: Gglactic ब्रह्मांडीय तरंगें (GCR)] जोकि पृथ्वी के नीचे स्थित हैं।

ब्रह्मांडीय विकिरण की संरचना सौर गतिविधि, कक्षीय ऊंचाई और अक्षांश के साथ भिन्न होती है। सौर अधिकतम के दौरान, सूर्य का चुंबकीय क्षेत्र मजबूत होता है, आंशिक रूप से जीसीआर को हटा देता है लेकिन एसईपी के प्रवाह को बढ़ाता है। अंतरिक्ष यान के लिए कम पृथ्वी कक्षा (LEO) में काम करने के लिए, दक्षिण अटलांटिक अनामाली (SAA) क्षेत्र ने इलेक्ट्रॉनिक्स को फंसे हुए प्रोटॉनों के ऊंचे प्रवाह को उजागर किया है, जबकि अंतर-planetary मिशन को गैर-attenuated GCRs और अप्रत्याशित सौर घटनाओं के साथ सामना करना पड़ता है। इस वातावरण को समझना एयरोस्पेस इलेक्ट्रॉनिक्स को डिजाइन करने के लिए नींव है जो बहु-वर्षीय मिशनों से बच सकता है।

एयरोस्पेस इलेक्ट्रॉनिक्स पर प्रभाव

ब्रह्मांडीय विकिरण मुख्य रूप से आयनीकरण और परमाणु विस्थापन के माध्यम से अर्धचालक पदार्थों के साथ बातचीत करते हैं। परिणामस्वरूप प्रभाव मोटे तौर पर ]single-event प्रभाव (SEEs)] और ]]cumulative प्रभाव [[FLT: 3]]]]]]. प्रत्येक श्रेणी प्रदर्शन, भ्रष्ट डेटा को कम कर सकती है, या बाहरी प्रणाली विफलता का कारण बन सकती है।

एकल-Event upsets (SEUs)

एक SEU तब होता है जब एक एकल ऊर्जावान कण एक एकीकृत सर्किट में एक संवेदनशील नोड पर हमला करता है, जिससे तर्क अवस्था में अस्थायी परिवर्तन होता है - जिसे आम तौर पर "बिट फ्लिप" कहा जाता है। मेमोरी डिवाइस (SRAMs, DRAMs, फ्लिप फ्लॉप) में, यह संग्रहीत डेटा को भ्रष्ट कर सकता है, जिससे टेलीमेट्री, नेविगेशन गणनाओं, या वैज्ञानिक माप में त्रुटियां होती हैं। उदाहरण के लिए, 1990 के दशक के दौरान, Galaxy IV] उपग्रह ने अपने नियंत्रण प्रोसेसर में एक SEU-प्रेरित विफलता का अनुभव किया, जिससे उपग्रह के पेजर और संचार सेवाओं का नुकसान हुआ।

सिंगल-एवेंट लचप (SEL)

SEL एक अधिक गंभीर प्रभाव है जहां एक उच्च ऊर्जा कण एक CMOS डिवाइस के भीतर एक परजीवी सिलिकॉन नियंत्रित करनेवाला (SCR) संरचना को ट्रिगर करता है। यह बिजली और जमीन के बीच एक कम प्रतिबाधा पथ बनाता है, जिसके परिणामस्वरूप अनियंत्रित वर्तमान प्रवाह होता है। यदि तुरंत बाधित नहीं होता है, तो SEL थर्मल रनवे से स्थायी नुकसान का कारण बन सकता है। कई उपग्रह प्रोसेसरों में लचअप को देखा गया है, जिसमें ]TIROS-N]] मौसम उपग्रह शामिल हैं। सर्किट डिजाइनर गार्ड के छल्ले, सिलिकॉन-ऑन-इन्सुलेटर (I-अवधि) सब्सट्रेट का उपयोग करते हैं।

कुल Ionizing खुराक (TID)

एक मिशन के जीवनकाल में, आयनकारी विकिरण के संचयी जोखिम धीरे-धीरे इलेक्ट्रॉनिक घटकों को विकृत कर देता है। कुल आयनकारी खुराक (टीआईडी) को राड (Si) या ग्रे में मापा जाता है। आम प्रभावों में शामिल हैं:

  • MOSFET ट्रांजिस्टर में थ्रेशोल्ड वोल्टेज शिफ्ट, स्विचिंग गति को बदल देता है।
  • डिजिटल लॉजिक में रिसाव धाराओं में वृद्धि हुई।
  • बिजली उपकरणों में ब्रेकडाउन वोल्टेज को कम किया।

]हबल स्पेस टेलीस्कोप को वैन एलन बेल्ट से टीआईडी द्वारा डिग्रेड किए गए इलेक्ट्रॉनिक्स को बदलने के लिए आंशिक रूप से आवधिक सर्विसिंग की आवश्यकता है। मंगल या बृहस्पति के लिए लंबे समय तक चलने वाले मिशन के लिए, 100 krad (Si) या उच्चतर की रेटिंग वाले TID-hardened भागों को अनिवार्य है।

विस्थापन क्षति (DD)

Displacement loss[ तब होता है जब अर्धचालक जाली में परमाणु के साथ एक उच्च ऊर्जा कण को जोड़ती है, इसे स्थिति से बाहर निकालती है। यह क्रिस्टल दोषों को पेश करता है जो पुनर्संयोजन केन्द्रों के रूप में कार्य करते हैं, वाहक जीवनकाल को कम करते हैं। विस्थापन क्षति विशेष रूप से ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स जैसे कि CCDs, फोटोडायोड और सौर कोशिकाओं के लिए समस्याग्रस्त है। Cassini[] Saturn के मिशन ने सौर सेल पावर आउटपुट में 10% नुकसान का अनुभव किया, क्योंकि यह बृहस्पति पर फंसे विकिरण से विस्थापन क्षति के कारण है।

शमन रणनीति

प्रभावी शमन के लिए एक बहु-परत दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है जो घटक चयन, सर्किट डिजाइन, पैकेजिंग और परिचालन सॉफ्टवेयर को पेश करती है। कोई भी विधि पूर्ण सुरक्षा प्रदान नहीं करती है, इसलिए इंजीनियर मिशन जोखिम सहिष्णुता और संसाधन बाधाओं के आधार पर तकनीकों को जोड़ते हैं।

विकिरण-हार्डिन घटक

]Radiation-hardened (rad-hard) Electronics[ विशेष रूप से उच्च विकिरण स्तर का सामना करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। आम सख्त तकनीकों में शामिल हैं:

  • ]Silicon-on-Insulator (SOI) और Silicon-on-Sapphire (SOS)]]] - संवेदनशील सामग्री की मात्रा को कम।
  • Wide bandgap semiचालक (SiC, GaN) - आयनीकरण प्रभाव के लिए कम संवेदनशील।
  • ]पूरी तरह से अलग प्रक्रियाओं [ - चार्ज संग्रह नोड को कम करें।
  • ]Reluant Gate oxides – TID प्रेरित रिसाव को कम।

वाणिज्यिक ऑफ-द-शेल्फ (COTS) घटकों का कभी-कभी कम लागत वाले मिशनों के लिए उपयोग किया जाता है, लेकिन उन्हें सावधानीपूर्वक स्क्रीनिंग और डिरेटिंग की आवश्यकता होती है। SpaceX Starlink constellation चयनात्मक सख्त के साथ कुछ COTS भागों का उपयोग करता है, लेकिन उनके कम लागत वाले दर्शन को लगातार प्रतिस्थापन की आवश्यकता होती है।

शील्डिंग

शील्डिंग बड़े पैमाने पर कणों को अवशोषित या बिखरने से कण प्रवाह को कम कर देती है। विशिष्ट एयरोस्पेस सामग्री में शामिल हैं:

  • एल्यूमिनियम - प्रकाश और मजबूत, प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों के खिलाफ मध्यम सुरक्षा प्रदान करता है।
  • ]Polyethylene - हाइड्रोजन में समृद्ध, तेजी से न्यूट्रॉन को धीमा करने और माध्यमिक विकिरण को कम करने में प्रभावी।
  • ]Tungsten और tantalum]]] - संवेदनशील आईसी के आसपास कॉम्पैक्ट स्पॉट ढाल के लिए उच्च घनत्व।
  • Composite ढाल (जैसे, बोरॉन लोडेड परतों के साथ कार्बन फाइबर) - न्यूट्रॉन अवशोषण के साथ संरचनात्मक ताकत को जोड़ती है।

चुंबकीय या इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्रों का उपयोग करके सक्रिय परिरक्षण प्रयोगात्मक रहता है (उदाहरण के लिए, ] Electrostatic विकिरण शील्ड NASA द्वारा प्रस्तावित), लेकिन वर्तमान उपग्रहों पर बड़े पैमाने पर और बिजली की कमी तैनाती को रोकती है। निष्क्रिय परिरक्षण वास्तविक मानक है, हालांकि डिजाइनरों को पेलोड क्षमता के खिलाफ अपने बड़े पैमाने पर दंड का वजन करना चाहिए।

त्रुटि जांच और सुधार (EDAC)

डिजिटल सिस्टम कई स्तरों पर त्रुटि सुरक्षा को लागू कर सकते हैं:

  • ] / ]Reed-Solomon code]] - सही एकल बिट त्रुटियों और दो बिट त्रुटियों का पता लगाने.
  • ]ट्रिपल-मॉड्यूलर अतिरेक (TMR)] - डुप्लिकेट लॉजिक तीन बार और आउटपुट पर वोट।
  • ]Watchdog timers - अगर यह जांच करने में विफल रहता है तो प्रोसेसर को रीसेट करें।
  • ]हार्डवेयर स्क्रबबर - समय-समय पर पढ़ने और सही स्मृति कोशिकाएं।

ये तकनीकें विलंबता और पावर ओवरहेड जोड़ती हैं, लेकिन सुरक्षा-क्रिटिकल सिस्टम जैसे क्रूड अंतरिक्ष यान मार्गदर्शन] के लिए, वे आवश्यक हैं। Space शटल ] ने मतदान सर्किट के साथ एक चौगुनी-रेडन्डेंट उड़ान नियंत्रण प्रणाली का इस्तेमाल किया।

डिजाइन और लेआउट तकनीक

सर्किट लेआउट स्तर पर, इंजीनियर्स को रोजगार गार्ड रिंग परजीवी धाराओं को इकट्ठा करने के लिए और डीकोप्लिंग कैपेसिटर ]] वोल्टेज ग्लेक्स को दबाने के लिए। सब्सट्रेट पूर्वाग्रह और resistive stiffing] का उपयोग (एक upset के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण शुल्क बढ़ाना) भी आम हैं। एनालॉग और मिश्रित संकेत भागों के लिए, current-mode तर्क ] और

अनुसंधान और भविष्य के विकास

ऑनगोइंग रिसर्च को लंबे समय तक गिरावट मिशन (जैसे, मानव मंगल अन्वेषण), छोटे उपग्रहों (सीबीएसईट्स को सीमित ढाल के साथ) और उच्च प्रदर्शन इलेक्ट्रॉनिक्स (जैसे, ऑन-बोर्ड एआई के लिए एफपीजीए) की आवश्यकता से प्रेरित किया जाता है। यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी (ईएसए) और नासा निम्नलिखित क्षेत्रों में निवेश कर रहे हैं:

शील्डिंग के लिए उन्नत सामग्री

]Nanocomposite जिसमें बोरॉन नाइट्राइड नैनोट्यूब या ग्राफीन ऑक्साइड शामिल हैं, प्रति यूनिट द्रव्यमान बेहतर ऊर्जा अवशोषण का वादा करते हैं। ] Self-healing Materials that can मरम्मत विकिरण प्रेरित दोषों का अध्ययन किया जा रहा है विस्तारित मिशन के लिए। ESA's "Dr. Shield" प्रोग्राम की पड़ताल एक हल्के, उच्च तापीय चालकता ढाल के रूप में आइसोट्रोपिक पाइरोलिटिक ग्रेफाइट है।

सॉफ्टवेयर द्वारा विकिरण हार्डनिंग

ऑन-बोर्ड सॉफ्टवेयर सिस्टम लचीलापन को बढ़ा सकता है। उदाहरण के लिए, SAA मार्ग के दौरान गंभीर संचालन के लिए स्वचालित रिट्री तंत्र, एक्सल्यूशन ज़ोन और अनुकूली वोल्टेज स्केलिंग TID शिफ्ट की क्षतिपूर्ति के लिए। NASA का cFE (कोर फ्लाइट एक्ज़ीक्यूटिव) में एक गलती का पता लगाने और पुनर्प्राप्ति ढांचा शामिल है जिसे विकिरण वातावरण के अनुरूप बनाया जा सकता है।

मशीन लर्निंग फॉर एनोमाली डिटेक्शन

भविष्य के उपग्रहों में मशीन लर्निंग मॉडल का उपयोग टेलीमेट्री पर प्रशिक्षित किया जा सकता है ताकि वे तत्काल लचअप या प्रदर्शन में गिरावट का अनुमान लगाया जा सके। ऑटोनोमियस विकिरण परीक्षक प्रोटोटाइप को स्टैनफोर्ड प्रक्रियाओं में विकसित किया गया है, वास्तविक समय में उपप्रणाली की अतिरेकता को समायोजित करने के लिए कण डिटेक्टर डेटा रहते हैं।

इन-सिटू परीक्षण और मॉडलिंग

विकिरण पर्यावरण का सटीक मॉडलिंग महत्वपूर्ण है। उपकरण जैसे SPENVIS] (ESA) और CREME96] (NASA) विभिन्न कक्षाओं के लिए कण प्रवाह को अनुकरण करते हैं। नए मॉडल में उच्च निष्ठा के साथ सौर चक्र भिन्नता और भू-चुंबकीय कटऑफ शामिल हैं। प्रोटन चक्रवातों और भारी आयन त्वरक (जैसे, GANIL]] में ग्राउंड आधारित परीक्षण फ्रांस में या [FLT]]FLT [FLT] में घटक व्यवहार:5]]

भविष्य के मिशनों में ड्राइविंग इनोवेशन

NASA's ]Europa Clipper तीव्र विकिरण बेल्ट के माध्यम से बृहस्पति के चंद्रमा को कक्षाबद्ध करेगा, जिसके लिए इलेक्ट्रॉनिक्स को>100 krad(Si) के लिए मजबूर किया जाएगा। James Webb Space Telescope] L2 पर काम करता है जहां GCR प्रवाह LEO से अधिक है; इसका मुख्य कंप्यूटर व्यापक EDAC के साथ rad-hard PowerPC प्रोसेसर का उपयोग करता है। Artemis कार्यक्रम का लक्ष्य चंद्रमा पर लौटने के लिए है, जहां पृथ्वी के मौजूदा ढांचे के बिना खड़े हो जाते हैं।

निष्कर्ष

ब्रह्मांडीय विकिरण एयरोस्पेस इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए सबसे अधिक आकर्षित खतरों में से एक है, सीधे मिशन विश्वसनीयता, सुरक्षा और जीवनकाल को प्रभावित करता है। एकल घटना से संचयी विस्थापन क्षति तक, तंत्र को अच्छी तरह से समझा जाता है, लेकिन उनकी शमन विशेष घटकों, बुद्धिमान डिजाइन और परिचालन सुरक्षा उपायों के संतुलित संयोजन की मांग करती है। चूंकि मानवता सौर प्रणाली में गहरी हो जाती है और कभी अधिक सक्षम उपग्रह नक्षत्रों को तैनात करती है, जो अंतरिक्ष के प्रभाव में सीखे गए पाठ केवल महत्व में बढ़ेगा। नई सामग्री, उन्नत त्रुटि सुधार और एआई-संचालित गलती प्रबंधन ने एक दशक पहले से अधिक संभव इलेक्ट्रॉनिक्स की परिचालन सीमा को बढ़ाने का वादा किया। हालांकि, बुनियादी सिद्धांत ब्रह्मांड को लगातार समझने में सक्षम बनाता है, हमारे वास्तविक प्रदर्शन को सक्षम करता है।