Що таке козимічне випромінювання?

Багатофункціональне випромінювання - це безперервний потік високоенергетичних частинок, що виявляються з зовнішньої атмосфери Землі. Ці частинки включають протони, електрони, альфа-частинки, і важке атомне ядро, що подорожує на релятивістських швидкостях, -часто перевищують 90% швидкості світла. Космічне радіаційне середовище складається з трьох основних джерел: / гальктичні космічні промені (GCRs) з наднових і активних галактичних ядер / Сонячні енергетичні частинки (SEPS) з сонячних батарей і corontraFal

Композиція космічної радіації варіюється в залежності від сонячної активності, орбітальної висоти і широтості. Під час сонячної максимальної потужності магнітне поле Сонця посилюється, частково викривлення ГКЛ, але збільшення потоку СЕП. Для космічних апаратів, що працюють на низькоземної орбіті (LEO), Південному Атлантичному Аномалі (SAA) області виводить електронні пристрої для підвищених протонів, при цьому міжпланові місії повинні контензувати з ненатовані ГКР і непередбачувані сонячні події. Розуміння цього середовища є основою для проектування аерокосмічних електроніки, які можуть вижити багаторічні місії.

Вплив на аерокосмічні електронні пристрої

Космічне випромінювання взаємодіє з напівпровідниковими матеріалами, в першу чергу, через іонізацію та зміщення атомних металів. Отримані ефекти широко класизовані в , single-event ефекти (SEEs)] і , огіркові ефекти. Кожна категорія може деградувати продуктивність, пошкоджені дані або викликати невірну систему.

Одноразові активи (SEUs)

СЄС виникає, коли один енергетичний час викликає чутливу вершину в інтегрованому контурі, що викликає тимчасову зміну логіки стану — це називається «розгортання». У пам'яті пристрої (SRAMs, DRAMs, flip-flops), це може пошкоджені дані, що призводить до помилок в телеметрії, навігаційні розрахунки або наукових вимірювань. Наприклад, в 1990-х роках Galaxy IV] супутник досвідчений SEU-індукований збій в його процесорі управління, викликаючи втрату сторатора і зв'язку. Сучасні системи пом'якшують SEUs через трикутний код

Одноразовий ламінат (SEL)

SEL є більш суворим ефектом, де високоенергетична частинка викликає параситичний кремній керований від'єм (SCR) структура в пристрої CMOS. Це створює низький шлях між енергією і грунтом, що призводить до неконтрольованої струму потоку. Якщо не оперативно переривається, SEL може викликати постійне пошкодження від теплового ходу. Лачтапи були відзначені в багатьох супутникових процесорах, включаючи TIROS-N метеорологічні супутники. Контурні дизайнери використовують захисні кільця, силіконові підкладки (Imiter)

Загальний Іонізуючий Доз (TID)

За час життя місії, примулятивний вплив іонізуючого випромінювання поступово деградує електронні компоненти. Загальна іонізуюча доза (ТД) вимірюється в радах (Сі) або сірих. Загальні ефекти включають:

  • Запобігання перепадів напруги в транзисторах MOSFET, змінювальні швидкості перемикання.
  • Підвищені струми витоку в цифровій логіці.
  • Зменшена напруга відбиття в електроприводах.

Hubble Space Telescope має потребу періодичного обслуговування частково замінити електронні пристрої, деградовані TID з ременів Van Allen. Для довгомірних місій до Марса або Юпітера, TID-твердих частин з рейтингами 100 krad(Si) або вище обов'язково обов'язкові.

Пошкодження змикання (DDD)

Пошкодження заміни відбувається, коли високоенергетичні сполуки частинок з атомом в напівпровідникових решітках, збиваючи його з позиції. Це вводить кристалні дефекти, які виступають як рекомбінаційні центри, знижуючи термін служби перевізника. Збиток відключення особливо проблематично для оптоелектроніки, такі як CCDs, фотодіоди, і сонячні клітини. Кассіні місія Сатурн досвідчена 10% втрата потужності сонячної батареї, внаслідок зміщення шкоди від перетравленого випромінювання на Юпітер.

Стратегії міграції

Ефективне зниження вимагає багатошарового вибору компонента, схеми, упаковки та оперативного програмного забезпечення. Не один метод забезпечує повну захист, тому інженери об'єднують методи на основі толерантності до стану і обмежень на ресурс.

Радіаційно-загартовані компоненти

Radiation-hardened (rad-hard) електроніка спеціально розроблені для витримування високих рівнів випромінювання. Загальні методи затвердіння включають:

  • Силікон-он-Інсулятор (SOI) і Силікон-на-Сапфір (SOS)]] – зменшення обсягу чутливого матеріалу.
  • Wide bandgap напівпровідників (SiC, GaN) – менш схильний до іонізації ефектів.
  • Повний роз'ємний процес – мінімізація вузлів збору зарядів.
  • Redundant gate оксиди – зменшити викиду TID-індукованого.

Торгові компоненти з off-shelf (COTS) іноді використовуються для низькоконструкційних місій, але вони вимагають ретельного скринінгу і депрогравації. SpaceX Starlink сузір'я використовує деякі частини COTS з вибірковим загартуванням, але їх філософія низької вартості вимагає часті заміни.

Смоктати

Щито зменшує потік частинок, поглинаючи або розсіюючи частинки через масу. Типові аерокосмічних матеріалів включають:

  • Aluminum] – легкий і сильний, забезпечує помірний захист від протонів і електронів.
  • Поліетилен] – багата воднем, ефективний при повільному швидкому нейтроні та зниженні вторинного випромінювання.
  • Вольфрам і tantalum] - висока щільність для компактних точкових щитів навколо чутливих ICs.
  • Компостентні щити (наприклад, вуглецеве волокно з завантаженими шарами) – об’єднують міцну міцність з нейтронним поглинанням.

Активний щиток з використанням магнітних або електростатичних полів залишається експериментальним (наприклад, Electrostatic Radiation Shield] запропонував НАСА, але масові та силові обмеження, що включають розгортання на сучасних супутниках. Пасивне щитування є дефолто стандартом, хоча дизайнери повинні зважувати свою масу штрафу за навантаження.

Виявлення помилок та виправлення (EDAC)

Цифрові системи можуть здійснювати захист помилок на декількох рівнях:

  • Hamming codes / Reed-Solomon codes] – виправлені односторонні помилки та виявлення двосторонньих помилок.
  • Triple-modular redundancy (TMR) – дублікати логіки три рази і голосувати на виході.
  • Спостеріг таймери] – скидання процесора, якщо він не перевіряється.
  • Hardware scrubbers – періодично читають і виправжують клітинки пам'яті.

Ці техніки додають лагті та силові накладні, але для систем безпеки, таких як , що керують космічних апаратів , вони є важливими. Космічна шуттля]] використовується чотириногадна система керування польотом з голосовими ланцюгами.

Технології дизайну та розміщення

На рівні схеми інженери використовують охоронці кільця для збору паразитичних струмів і декомпоновлюючи конденсатори] для пригнічення напругою щілин. Відсутнє зносне зносне і використання стійкий затвердіння (збільшуючи критичний зворотний зв'язок, необхідний для компресії) також поширені. Для аналогових і змішаних частин, ) поточно-моде логічна стійкість[F9] і [[F8[F8]

Дослідження та перспективи розвитку

Дослідження на основі дослідження є необхідність більш тривалих місій (наприклад, дослідження людського Марса), малих супутників (CubeSats з обмеженим екрануванням), а також високопродуктивної електроніки (наприклад, FPGAs для бортового AI). Європейське космічне агентство (ESA) і НАСА інвестуються в наступні напрямки:

Додаткові матеріали для щитів

Nanocomposites], що містить нанотрубки нітридного нітриду або оксид графена, обіцяє краще поглинання енергії на одиницю маси. Self-healing Materials, які можуть відновити радіаційно-індуковані дефекти, які навчаються для розширених місій. ESA's "Dr. Shield"] програма вивчає isotropic піролітичний графіт як легкий, високотемпературний щитоподібний.

Радіаційне загартування програмним забезпеченням

Програмне забезпечення на борту може підвищити стійкість системи. Наприклад, автоматичні механізми ретри, зони відчуження для критичних операцій під час проходження SAA, а також адаптивні напруги для компенсування змін TID. НАСА cFE (core Flight Executive)] включає в себе несправність виявлення і відновлення, які можуть бути налаштовані на радіаційні середовища.

Машинне навчання для виявлення аномалії

Можливість використання моделей машинного навчання, що навчаються на телеметрії, для прогнозування неоднорідних люльок або деградації продуктивності. Автономний регієційний контроль , розроблений в Stanford-процесах, живих детекторних даних для регулювання надлишків підсистеми в режимі реального часу.

Тестування та моделювання

Точне моделювання радіаційного середовища є критичним. Інструменти, такі як SPENVIS (ESA) і CREME96 (NASA) імітують потік флюси для різних орбітів. Нові моделі включають сонячні цикли варіації і геомагнітні зрізи з більш високою якістю. Тестування на основі ґрунтів за допомогою протонних циклотронів і важкоіонних акселераторів (наприклад, на GANIL

Майбутні місії водіння інновації

Europa Clipper] буде орбіта Місяць Юпітер через інтенсивні радіаційні ремені, які вимагають електронного толерантного до >100 krad(Si). James Webb Space Telescope працює на L2, де GCR флюси вище, ніж LEO; його головний комп'ютер використовує редь-важкі процесори PowerPC з великим EDAC. Artemis] програма спрямована на повернення на Місяць, де розширена поверхня залишається постійною обладнанням.

Висновок

Ми можемо перевірити, що це означає, що ми можемо бути впевнені, що це означає, що ми можемо самі зателефонувати одержувачу. Це означає, що ми можемо самі зателефонувати одержувачу і зробити це згодою. Ми можемо самі зателефонувати одержувачу і перевірити його.