CN105701327A - 一种用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法，所述方法包括：步骤101，将实测的一段时间内的空间粒子数作为持续动态输入，采用粒子输运计算工具计算出不同能量粒子在卫星结构材料中的深度和不同能量下器件灵敏区材料能量沉积，分别形成表格；依据空间粒子输入的空间通量谱结合空间粒子在卫星结构材料中深度关系计算出空间粒子在目标位置处的粒子通量谱；步骤102，获得目标位置处的空间粒子通量谱后，结合不同能量空间粒子在器件灵敏区材料中的能量沉积关系，获得空间粒子在目标位置处的器件灵敏区材料中的能量沉积面密度总和；步骤104，依据能量沉积面密度总和器件灵敏区材料的密度，计算空间粒子在目标位置处的辐射剂量率。

Description

一种用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法

技术领域

本发明涉及卫星在轨空间辐射环境效应管理领域，尤其涉及一种用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法。

背景技术

空间辐射环境的高能电子、高能质子及重离子等要素都会对卫星造成辐射效应危害，其中尤其高能电子和高能质子为甚，其通量较重离子要大。空间粒子在穿越物质的过程中会由于受到原子核和核外电子形成的阻力而损失掉能量，而损失掉的能量将会转移给阻滞其的物质，导致接收能量的物质渐渐出现异化或者器件出现性能衰减，被称之为电离辐射剂量效应。物质在单位时间内遭受到辐射剂量即被称之为剂量率，其中双极性器件在遭受到低剂量率的辐照时会出现一些输入端电压发生偏移的现象，被称之为低剂量率增强效应。低剂量率效应的发生将造成器件的阈值电压发生偏移，严重将导致器件无法试用，极大影响卫星系统的可靠性，对卫星安全运行造成干扰。

由于卫星辐射剂量率效应会对卫星造成干扰危害，因此，在卫星研制阶段、在轨管理及事后故障诊断阶段，开展卫星辐射剂量率评估是一种降低误判辐射低剂量率增强效应的危害的重要手段。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现在研究双极性器件的低剂量率增强效应需要评估空间低剂量率空间分布的问题，本发明提供一种用于评估卫星辐射剂量率的评估方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法，所述方法包括：

步骤101，将实测的一段时间内的空间粒子数作为持续动态输入，采用粒子输运计算工具计算出不同能量粒子在卫星结构材料中的深度和不同能量下器件灵敏区材料能量沉积，并记录深度和能量沉积的对照关系；

依据空间粒子输入的空间通量谱和空间粒子在卫星结构材料中深度关系计算出空间粒子在目标位置处的粒子通量谱；

步骤102，获得目标位置处的空间粒子通量谱后，结合不同能量空间粒子在器件灵敏区材料中的能量沉积关系，获得空间粒子在目标位置处的器件灵敏区材料中的能量沉积面密度总和；

步骤104，依据能量沉积面密度总和及器件灵敏区材料的密度，计算空间粒子在目标位置处的辐射剂量率。

可选的，上述步骤101进一步包含：

步骤101-1，获取一个评估时间段内的空间粒子数，并将设定时间段内获取的空间粒子数作为空间环境数据；

步骤101-2，利用粒子输运计算工具计算不同能量的空间粒子在卫星结构材料入射深度的能量和深度关系对照表，和不同能量的空间粒子穿透不同深度的卫星结构材料后在器件内灵敏区材料的能量沉积面密度和深度关系对照表；

依据得到的不同能量的空间粒子的能量和深度数据获得基于所有空间所有粒子所有能量点的累加结果，即获得了空间粒子在目标位置处的器件灵敏区材料中的能量沉积面密度总和；

步骤101-3，将卫星内部需要评估的位置及评估的位置与周围构型抽样成平板结构或球结构，并得出评估部位深度值；

步骤101-4，将得到的空间环境数据对应的能谱依据幂律关系重建为微分能谱，进而得到粒子微分谱。

进一步可选的，上述步骤104具体为：

依据能量和深度关系对照表、评估部位深度值和粒子微分谱，并采用如下公式计算卫星辐射剂量率：

D(t)＝Σ[E_p(t)]/(ρ·l)(3)

其中，i表示能量点；为x深度处的粒子通量谱向量；为空间粒子通量谱向量；为粒子射程和能量向量；为粒子能量和沉积能量向量；K(x)为系数，该系数值依据构型不同而不同；E_p(t)粒子在x深度处器件灵敏区中的能量沉积总面密度；ρ为器件灵敏区材料的密度；l为器件灵敏区材料的厚度；D(t)为x深度处的剂量率。

可选的，上述航天器结构材料为铝、镁或铝合金。

可选的，上述灵敏区材料为半导体材料；其中，所述半导体材料包含：硅、锗或砷化镓(GaAs)。

上述空间粒子包括空间质子和空间电子。

上述重建能谱的能道数目不少于2道，即能量点数目不少于2个。

进一步可选的，输入高能电子能段低端小于等于500keV、高端大于等于2MeV而小于10MeV；输入高能质子能段低端小于等于10MeV、高端大于等于10MeV。

可选的，上述步骤104之后还包含：步骤105，采用Python或Matlab将计算结果可视化。

可选的，上述粒子输运计算工具包含：Geant4、MCNP或EGS。

本发明的优点在于：针对研究双极性器件低剂量率增强效应对于空间剂量率背景的需求，利用本发明的卫星辐射剂量率评估方法进行计算和分析，可以根据实测空间粒子的数据对空间辐射剂量率进行评估，从而便于在卫星工程设计、故障诊断、在轨管理等工程阶段应用。

附图说明

图1(a)和(b)显示的是利用本发明的评估方法所抽样出来的卫星构型模型。

图2为利用本发明评估方法得出的辐射剂量率在某段时间内纬度分布散点图。

图3为利用本发明评估方法得出的辐射剂量率的全球分布散点图。

附图标记：

1、空间粒子2、待评估位置3、空心球壁

4、平板

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明的用于评估卫星辐射剂量率的方法进行详细说明。

本发明提出了一种用于评估卫星辐射剂量率的方法，该方法利用高能质子和电子探测器实测的数据作为持续动态输入，利用粒子输运计算工具计算出不同能量粒子在卫星结构材料中的深度和不同深度下器件灵敏区材料的能量沉积，其后依据高能粒子输入的空间通量谱结合粒子在器件灵敏区材料中的深度关系计算出高能粒子在目标位置处的粒子通量谱，在获得目标位置处的粒子通量谱后，结合不同深度下粒子在灵敏区物质中的能量沉积关系，获得空间粒子在目标位置处灵敏区材料中的能量沉积面密度总和，然后结合器件灵敏区材料密度，最后给出空间粒子在目标位置处的辐射剂量率。

实施例

以下实施例中涉及的粒子输运计算工具采用Geant4，航天器的结构材料为铝，器件的灵敏区材料为硅。但是针对粒子输运计算工具的选择并不是唯一的，还可以采用MCNP或EGS，所述航天器的结构材料以及器件的灵敏区材料均是随着技术发展在不停变换的，本实施例仅仅是为了叙述方便仅以一种材料为例，但是对于材料的简单替换并不会导致方案的实质性差异。

基于上一段假设，本实施例提供的用于卫星辐射剂量率的评估的方法具体包含：

步骤1：利用Geant4计算不同能量的空间粒子在Al物质中的入射深度的能量-射程表格，和穿透不同深度的Al物质的后在Si物质的能量沉积面密度-深度和表格。表1为空间质子在金属铝材料输运过程的能量与深度表格对。

表1

能量(MeV)	射程(mm)
		1.0	0.01438
2.0	0.04163
		…	…
50.0	10.75
		…	…
275.0	209.58
		300.0	242.04

步骤2：将卫星内部需要评估的位置及其与周围构型抽样成平板结构或球结构，并求得介质的厚度值和相关深度系数值。

图1(a)和(b)为利用本发明的评估方法所抽样出来的构型模型，例如卫星较深的部位可以抽样为图1(a)所示的同轴模型，而立方体卫星且较浅的位置就可以抽象成图1(b)所示的平板模型。

作为示范例，本实施例中，卫星蒙皮以下被抽样成如图1(b)所示的平板型结构，用于说明的目的，这里蒙皮以1mm的Al等效厚度作为样本。

步骤3：选取太阳同步轨道的轨道风云三号卫星的空间粒子数据作为输入，包括5道电子数据，其中最低能道电子的能量大于0.15MeV，而最高能道电子的能量大于2MeV而小于5.7MeV,6道质子数据，其中最低能道质子的能量为大于3MeV，最高能道质子的能量大于100MeV而小于300MeV。每间隔5分钟获取一个数据，取2011年12月02日至2011年12月12日作为评估时间段。在一个实施例中，所述输入高能电子数据的能段低端小于等于500keV、高端大于等于2MeV，高能质子能段低端小于等于10MeV、高端大于等于10MeV。

步骤4：依据步骤3获得数据，将数据能谱依据幂律关系重建为微分能谱；

步骤5：依据步骤1所获得不同能量粒子在穿透不同深度Al物质后的能量沉积面密度-深度的表格，并依据步骤2所给出来的评估部位等效深度，利用下面公式进行计算剂量率：

D(t)＝Σ[E_p(t)]/(ρ·l)(3)

其中，i表示能量点；为x深度处的粒子通量谱向量；为空间粒子通量谱向量；为粒子射程和能量向量；为粒子能量和沉积能量向量；K(x)为系数，该系数值依据构型不同而不同；E_p(t)粒子在x深度处器件灵敏区中的能量沉积总面密度；ρ为器件灵敏区材料的密度；l为器件灵敏区材料的厚度；D(t)为x深度处的剂量率。

步骤6：采用Python或Matlab将计算结果可视化，方便分析。

如图2所示，系本发明的实施案例所计算获得的极轨卫星1mm以下的辐射剂量率的全维度分布。如图3所示，系本发明的实施案例所计算获得极轨卫星1mm以下的辐射剂量率全球分布图，辐射剂量率较高的区域在地球两级和南大西洋区域。

本发明的评估方法适合于卫星内部各类半导体器件的辐射剂量率评估。此外，本发明的评估方法适合于地球空间运行各类航天器，包括三轴稳定和自旋稳定卫星。

综上所述，本发明属于航天器空间环境防护设计和在轨管理应用中的空间辐射环境效应评估领域，具体涉及一种卫星辐射剂量率的评估的方法，适合于自旋稳定平台、三轴稳定平台为代表的各类轨道卫星的辐射剂量率评估。本发明针对目前卫星低剂量率增强效应研究急需的空间辐射剂量率时空分布，但目前辐射剂量效应评估方法集中在总剂量评估方面，结合实测数据开展辐射剂量率评估，而解决卫星辐射剂量率评估问题。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法，所述方法包括：

步骤101，将实测的一段时间内的空间粒子数作为持续动态输入，采用粒子输运计算工具计算出不同能量粒子在卫星结构材料中的深度和不同能量下器件灵敏区材料能量沉积,并记录深度和能量沉积的对照关系；

依据空间粒子输入的空间通量谱和空间粒子在卫星结构材料中深度关系计算空间粒子在目标位置处的粒子通量谱；

步骤102，获得目标位置处的空间粒子通量谱后，结合不同能量空间粒子在器件灵敏区材料中的能量沉积关系，获得空间粒子在目标位置处的器件灵敏区材料中的能量沉积面密度总和；

步骤104，依据能量沉积面密度总和及器件灵敏区材料的密度，计算空间粒子在目标位置处的辐射剂量率。

2.根据权利要求1所述的用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法，其特征在于，所述步骤101进一步包含：

步骤101-1，获取一个评估时间段内的空间粒子数，并将设定时间段内获取的空间粒子数作为空间环境数据；

步骤101-2，利用粒子输运计算工具计算不同能量的空间粒子在卫星结构材料入射深度的能量和深度关系对照表，和不同能量的空间粒子穿透不同深度的卫星结构材料后在器件内灵敏区材料的能量沉积面密度和深度关系对照表；

依据得到的不同能量的空间粒子的能量和深度数据获得基于所有空间所有粒子所有能量点的累加结果，即获得了空间粒子在目标位置处的器件灵敏区材料中的能量沉积面密度总和；

步骤101-3，将卫星内部需要评估的位置及评估的位置与周围构型抽样成平板结构或球结构，并得出评估部位深度值；

步骤101-4，将得到的空间环境数据对应的能谱依据幂律关系重建为微分能谱，进而得到粒子微分谱。

3.根据权利要求2所述的用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法，其特征在于，所述步骤104具体为：

依据能量和深度关系对照表、评估部位深度值和粒子微分谱，并采用如下公式计算卫星辐射剂量率：

$\stackrel{\→}{f_p(x,\mathrm{\ι},t)}=\stackrel{\→}{f_p(\mathrm{\ι},t)}\×\stackrel{\→}{R_p(x,\mathrm{\ι})}---\left(1\right)$

$E_p\left(t\right)=\mathrm{\Σ}[K\left(x\right)\·\stackrel{\→}{f_p(x,\mathrm{\ι},t)}\×\stackrel{\→}{E_{p,D}(x,\mathrm{\ι})}]---\left(2\right)$

$D\left(t\right)=\mathrm{\Σ}\left[E_p\left(t\right)\right]/(\mathrm{\ρ}\·l)---\left(3\right)$

其中，i表示能量点；为x深度处的粒子通量谱向量；为空间粒子通量谱向量；为粒子射程和能量向量；为粒子能量和沉积能量向量；K(x)为系数，该系数值依据构型不同而不同；E_p(t)粒子在x深度处器件灵敏区中的能量沉积总面密度；ρ为器件灵敏区材料的密度；l为器件灵敏区材料的厚度；D(t)为x深度处的剂量率。

4.根据权利要求1或3所述的用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法，其特征在于，所述航天器结构材料为铝、镁或铝合金。

5.根据权利要求1或3所述的用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法，其特征在于，所述灵敏区材料为半导体材料；

其中，所述半导体材料包含：硅、锗或砷化镓(GaAs)。

6.根据权利要求1所述的用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法，其特征在于，所述空间粒子包括空间质子和空间电子。

7.根据权利要求1所述的用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法，其特征在于，所述重建能谱的能道数目不少于2道，即能量点数目不少于2个。

8.根据权利要求2所述的用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法，其特征在于，输入高能电子能段低端小于等于500keV、高端大于等于2MeV而小于10MeV；

输入高能质子能段低端小于等于10MeV、高端大于等于10MeV。

9.根据权利要求1所述的用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法，其特征在于，所述步骤104之后还包含：

步骤105，采用Python或Matlab将计算结果可视化。

10.根据权利要求1所述的用于评估地球轨道卫星辐射剂量率的方法，其特征在于，所述粒子输运计算工具包含：Geant4、MCNP或EGS。