天和核心舱高能质子南大西洋异常区方向分布差异分析_王春琴.pdf
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1、第 卷 第期 年月地球物理学报 ,王春琴,常峥,张焕新等 天和核心舱高能质子南大西洋异常区方向分布差异分析地球物理学报,():,:,.(),():,:天和核心舱高能质子南大西洋异常区方向分布差异分析王春琴,常峥,张焕新,张珅毅,孙莹,侯东辉,中国科学院国家空间科学中心,北京 天基空间环境探测北京市重点实验室,北京 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室,北京 摘要地球辐射带南大西洋异常区是空间站轨道运行过程中遭遇的最重要的粒子辐射区域,这一区域集中了大量具有强穿透性的高能质子,会显著影响空间站舱内器件的正常工作,危害航天员的健康和安全 年月 日中国空间站“天和核心舱”成功发射,核心舱配置了空
2、间环境监测载荷,可实时获取沿轨高能质子通量监测数据 伴随核心舱姿态变化探测器可监测来自不同入射方向的高能质子,为初步开展异常区高能质子方向分布提供了可能 本文利用核心舱空间环境监测载荷的高能质子方向观测数据,通过重构不同入射方向条件下高能质子 ()区分布,研究分析不同能量高能质子 区方向分布位置边界和方向峰值强度,给出高能质子异常区方向分布的初步结果,弥补利用辐射带模型仅能得到全向辐射结果的不足,为高效规避和应对辐射危害,保障航天器和航天员的安全提供重要参考关键词核心舱;南大西洋异常区;高能质子;方向分布 :中图分类号 收稿日期 ,收修定稿基金项目国家重点研发计划()资助第一作者简介王春琴,女
3、,年生,博士,毕业于中国科学院大学,主要从事空间带电粒子探测数据处理及分析研究 :,(),期王春琴等:天和核心舱高能质子南大西洋异常区方向分布差异分析 ;引言空间带电粒子辐射是威胁航天员和航天器安全的重要环境因素,这些粒子辐射包括偶发的太阳高能粒子、长期被地磁场捕获的辐射带粒子、少量的宇宙线粒子、磁暴时高磁纬地区的大量沉降粒子等 在空间站轨道主要的带电粒子辐射来自地球辐射带南大西洋异常区,包含几十 到几百 的高能电子,几百 到几百 的高能质子 捕获高能质子是影响航天任务寿命的关键环境要素,在航天器穿越南大西洋异常区(,以下简称:区)过程中,具有强穿透性的 及以上能量的高能质子可以通过电离作用或
4、核反应在舱内器件敏感区域损失能量并产生和积累电荷,造成器件逻辑状态翻转(,;,)低高度航天器的辐射剂量主要来自 区的捕获高能质子,早期国际空间站 观测结果(倾角,高度)揭示一半的电离辐射剂量来自 区的捕获质子(,;,;,;,)高能质子辐射会危害航天员的健康和安全,是航天员活动尤其是开展舱外活动需要着重关注的辐射环境要素 因此,全面认识空间站轨道南大西洋异常区高能质子位置和强度分布,对于有效规避和应对辐射危害,保障航天器和航天员的安全有着重要的意义工程上普遍利用 、质子辐射带模型评估轨道空间的质子辐射情况 模型在 世纪 年代由 开发,是基于当时 颗卫星的观测数据构建的全球性经验模型,提供太阳活动
5、低年和太阳活动高年的平均质子通量(,;,;,)模型 版本于 年月发布,是基于 年超过 颗卫星的观测数据的经验模型,可提供平均质子通量、百分位质子通量(,;,)模型以及改进的 模型均为全向模型,可以给出全向质子通量,但缺少对质子通量分布的方向描述 快速、大幅度姿态变化的航天器可以平均掉带电粒子辐射的各向异性,因此可采用带电粒子的全向辐射通量来评估辐射对航天器的影响 但是,大多数航天器采用稳定的运行姿态,高能质子辐射分布的各向异性就不能忽视,仅仅利用全向辐射带模型可能导致对航天员以及电子器件危害屏蔽的错误评估 年月 日中国空间站“天和核心舱”成功发射,运行高度约在 ,轨道倾角 核心舱配备了空间环境
6、监测载荷,具有高能质子实时连续监测能力,可用于评估轨道 区 真实 高能质子辐射强度及位置分布 核心舱在运行初期处于惯性指向模式,有着不同的惯量姿态,随姿态变化带电粒子探测仪器探测指向并不唯一,意味着在此期间带电粒子探测器可获取到来自不同入射方向的带电粒子数据,这为初步开展辐射带异常区高能质子方向分布提供了可能本文利用核心舱空间环境监测载荷的高能质子观测数据,提取高能质子观测数据方向信息,分类整合不同方向的高能质子通量数据,通过重构不同入射方向条件下的高能质子 区分布,初步开展不同入射方向高能质子 区分布位置边界和方向峰值强度特性的研究分析 第一部分为探测仪器简介和应用数据处理说明,第二部分为实
7、测 区高能质子方向分布的初步分析结果,第三部分为结论仪器简介及应用数据处理说明空间站核心舱空间环境监测载荷粒子通量和太阳活动探测器高能质子探测模块开展卫星轨道舱外 的高能质子能谱和通量探测 探测器采用片硅半导体传感器,经过叠加形成望远镜系统结构,第一片传感器厚度为 ,其余片传感器厚度均为 探测器望远镜系统前面设置了准直器将探测器视场控制在 在地面试验阶段,探测器在兰州近物所重离子加速器开展了高能质子能档定标和通量精度定标 能档定标对每一个探测能档的实际边界进行标定,确定探测器能够实际测量的质子能谱范围,从而确保了探测能道划分的准确性,表给出了高能质子能档划分和对应能档边界定标的结果对于粒子探测
8、器,其直接测量值地 球 物 理 学 报()卷为单位时间内被记录到的各个能档的计数(),需要经过函数转换才能反演得到仪器探测方向对应的高能质子通量()因此,对于通量精度的定标,通过计算测量计数和几何因子引入的误差,用以评估仪器的通量测量的准确程度()为仪器的几何因子,通过地面蒙特卡罗仿真方法获取,在仿真计算过程中综合考虑了仪器的能量线性度、仪器的能量分辨率、仪器的逻辑工作方式、仪器的实际响应效率、其他粒子的干扰、斜入射粒子的干扰等诸多影响因素 利用该套仿真方法在风云三号空间粒子监测仪器数据处理中得到的风云三号空间粒子探测数据与同类国外 卫星的数据具有很好的一致性(,;,)通过地面阶段的地面定标和
9、仿真试验,以及同类探测仪器数据的应用结果,可以基本确保核心舱在轨获取的高能质子探测数据可靠有效表天和核心舱高能质子探测器特性参数 ,能档()能档精度几何因子()通量误差 空间站组合后运行阶段核心舱高能质子探测仪器视场方向为朝天向 在空间站建造初期,核心舱上粒子通量探测载荷的探测指向将随核心舱惯性指向变化而发生改变,质子探测仪器由此可获取到来自不同入射方向、不同高度条件下的质子通量数据 依据核心舱轨道特性,每天仅有轨左右穿越 区,因此构建 区全空间的高能质子分布需要整合更长时间的观测数据 辐射带高能质子普遍被认为是宇宙线反照中子衰变的产物,质子通量相当稳定,主要表现出随太阳 年周期长时间尺度的缓
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