Солнечно-земная
Физика

Абстракт

В работе рассмотрены случаи одновременной регистрации поглощенной дозы, созданной потоком протонов мощных солнечных событий на пилотируемых орбитальных станциях Мир и МКС и геостационарном спутнике Экспресс АЗ. Экспериментальные данные анализируются с помощью комплекса программ, учитывающих энергетические спектры протонов на орбите Земли в зависимости от времени развития событий, их проникновение на околоземные орбиты и за защитные экраны космических аппаратов. На основе сравнения экспериментальных данных дозиметров и расчетов поглощенной дозы при воздействии солнечных протонных событий разработан метод и сделаны оценки эффективной толщины экранировки дозиметров на космических аппаратах. Рассмотрена возможность прогнозирования радиационной опасности на орбитальных станциях при появлении солнечных протонных событий по показаниям дозиметра на геостационарной орбите.

ВВЕДЕНИЕ

Необходимым условием обеспечения радиационной безопасности экипажа на пилотируемых орбитальных станциях (ОС) является постоянный мониторинг радиационной обстановки внутри станции. Это имеет большое значение, в частности, во время появления мощных солнечных протонных событий (СПС), в течение развития которых суточные дозы радиации могут на несколько порядков превышать фоновые значения, создаваемые на станции потоками частиц радиационных поясов Земли (РПЗ) и галактических космических лучей (ГКЛ) за защитой из алюминия толщиной в несколько г/см2 [I]. Такое резкое возрастание радиационной опасности для экипажа требует принятия специальных мер защиты, таких как ограничение передвижения космонав-тов по станции и изменения режима работы бортовых систем. Эти меры должны быть реализованы заранее или, по крайней мере, на начальной стадии (~ <1 часа) развития мощного потока частиц СПС.
Проблема своевременного предупреждения экипажа ОС о радиационной опасности является сложной задачей из-за случайного характера появления потоков солнечных протонов в окрестности Земли и отсутствия надежных признаков, предшествующих этому явлению.
На Международной космической станции [МКС) эту проблему решают при помощи системы радиационного контроля (СРК) [2], которая не только регистрирует дозу радиации внутри модулей на станции, но также в определенных случаях на основе специально разработанной программы позволяет связать показания СРК с появлением потока протонов СПС. Однако, необходимая в таком случае информация требует принятия защитных мер в аварийном режиме, так как реагирует на повышенный поток протонов уже развивающегося СПС. При этом существует большая вероятность того, что начальная стадия развития СПС остается незамеченной, так как на многих "защищенных" витках орбиты МКС поток протонов СПС сильно ослаблен из-за его экранирования магнитным полем Земли. В последнем случае информации о появлении СПС во время прохождения "защищенных" витков орбиты дала бы космонавтам больше времени для проведения защитных мероприятий.
С этой точки зрения более перспективным способом прогнозирования СПС на ОС могло бы стать использование данных некоторых спутников, которые регистрируют начальную стадию развития события СПС в межпланетном пространстве или на геостационарной орбите без искажения потока солнечных протонов в магнитосфе-ре Земли. Такие потоки протонов регистрируют американские спутники GOES или IMP-8. Однако, принятие решения об опасности СПС по этой информации в настоящее время не может быть оперативным, так как данные о потоках частиц появляются в ИНТЕРНЕТе (http://SPIDR.ngdc.nooa.gov) с временной задержкой. Более того, для решения проблемы оповещения об опасности и мощности события требуется специальный комплекс программ, обеспечивающий быструю обработку необходимой информации в режиме on-line (дополнительно учитывая баллистические данные и данные о геомагнитной обстановке).
В настоящей работе предлагается более простое решение задачи оперативного прогнозирования появления СПС - это использование в режиме on-line данных от дозиметра, работающего на геостационарном спутнике (ГС). Для иллюстрации возможности и перспективности такого решения проблемы в работе выполнен анализ потоков протонов, зарегистрированных для некоторых мощных СПС на американском спутнике GOES-8, и их сопоставление с данными дозиметров, полученными в это же время на российском ГС Экспресс АЗ и на орбитальной станции (ОС) Мир. Этот анализ выполнен с применением программ компьютерного моделирования потоков протонов в межпланетном пространстве, их проникновения на орбиты и прохождения через вещество конструкций и оборудования космических аппаратов.

ДОЗИМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ПОЛЕТНЫЕ ДАННЫЕ

На борту орбитальной станции Мир для оперативного контроля за радиационной обстановкой была установлена дозиметрическая аппаратура Р-16, в состав которой входят два дозиметра № 1 и № 2 - интегральные ионизационные камеры с электростатическими реле, которые имеют почти изотропную чувствительность и высокую точность измерений (~5%) [З]. Дозиметр № 2 имеет собственную защиту из оргстекла ~0.5 г/см2, а дозиметр № 1 дополнительно защищен тканеэквивалентным экраном для измерения глубинной дозы и его полная защита составляет ~3 г/см2. Аппаратура Р-16 настроена на регистрацию среднесуточных доз и цена одного импульса ионизационных камер составляет 5 мрад. В настоящее время аналогичная аппаратура установлена на МКС.
За время полета ОС Мир, то есть почти за 15 лет, аппаратурой Р-16 было надежно зарегистрировано только 15 СПС, а остальные СПС с учетом погрешности не выделялись на общем фоне среднесуточных доз, которые накапливаются от потоков частиц РПЗ и ГКЛ. На рис. 1, для примера, представлены показания 02 и О I, полученные соответственно с дозиметров № 2 и № 1 на ОС Мир, в течение 2000 г. Как видно из этого рисунка, на фоне среднесуточных доз (5-15 мрад) выделяются два "всплеска', обусловленные двумя мощным СПС в июле (700/500 мрад) и ноябре (285/50 мрад). Одновременно, эти же два СПС были зарегистрированы дозиметром на ГС Экспресс АЗ, содержащем аналогичную ионизационную камеру, но имеющем более высокое 6-ти минутное временное разрешение [4]. Эти данные в зависимости от времени развития указанных событий приведены на рис. 2. Полная накопленная доза по показаниям дозиметра на спутнике составила 30.4 рад для СПС в июле 2000 г. и 28.6 рад для СПС в ноябре 2000 г.
Разные значения измеренных доз на ОС Мир и спутнике Экспресс АЗ объясняется, в первую очередь, меньшим потоком протонов на орбите ОС из-за геомагнитного обрезания потоков частиц при проникновении их в магнитосферу Земли, и, во вторую, различным распределением экранирующих масс вокруг дозиметров из-за различной конструкции космических аппаратов.
Эти обстоятельства учитываются ниже при анализе зарегистрированных доз радиации. Этот анализ выполнен с привлечением данных по потокам протонов СПС, измеренных на спутнике GOES-8.

Рис. 1. Показания дозиметров аппаратуры Р-16 на орбитальной станции Мир в течение 2000 г.

Рис. 2. Показания дозиметра на геостационарном спутнике Экспресс A3 в течение июльского и ноябрьского СПС 2000 г.

Для анализа величины поглощенной дозы радиации, регистрируемой дозиметрами при воздействии потоков частиц СПС, был использован комплекс программ, который включает программы:
   - обработки данных GOES-8 и преобразование их в дифференциальные энергетические спектры протонов Fo(E,t) в моменты времени I, отсчитываемого от начала появления СПС на орбите Земли;
   - преобразования энергетических спектров Fo(E,t) в энергетические спектры потока протонов Foc(E,t) на орбите ОС, учитывая законы проникновения солнечных протонов в магнитосферу Земли и положение ОС на орбите во время развития СПС;
   - преобразования спектров Fo(E,t) или Foc(E,t) в спектры потока протонов Fo^(экр)(E,t) или Fo^(экр)(E,t) за защитными экранами (А1) и расчета мощности поглощенной дозы Р(1) или поглощенной дозы:

Программа обработки данных GOES-8 и преобразования их в энергетические спектры потока протонов Fo(E,t) в любой момент времени развития СПС {создана на основе модели потоков протонов СКЛ [5, 6] с использованием метода наименьших квадратов. Пример экспериментальных данных, зарегистрированных детекторами на спутнике GOES-8 и дифференциальный энергетический спектр потока протонов, полученный в результате аппроксимации этих данных, приводятся на рис. 3. Найденные таким образом энергетические спектры Fo(E,t) в разные моменты времени развития СПС (усредненные в 3-х часовых интервалах) в дальнейшем использовались для анализа значений мощности поглощенной дозы P(t) на ГС Экспресс A3.

Для анализа значений мощности поглощенной дозы P(t) на ОС энергетические спектры потока протонов СПС спутника GOES-8 Fo(E,t) пересчитывались в энергетические спектры Foc(E,t) [7].
Предполагалось, что на орбиту ОС из-за влияния магнитного поля Земли проникают протоны, имеющие энергию Е выше энергетического порога обрезания Еc. Расчеты Foc(E,t) = Fo(E >Ec, t) проводились для разных моментов времени разви-тия СПС t, учитывая изменение порогового значения энергии Ec = Ec(t) со временем из-за изменения положения ОС на орбите.

Рис. 3. Экспериментальные потоки протонов по дан-ным детекторов на спутнике GOES-8, усредненные для одного из 3-х часовых интервалов СПС в ноябре 2000 г. (горизонтальные линии), и дифференциаль-ный энергетический спектр потока протонов (кри-вая), полученный в результате аппроксимации этих экспериментальных данных.

Рис. 4. Порог энергетического обрезания потока про-тонов космических лучей при проникновении на ор-биту ОС Мир в зависимости от времени развития СПС в ноябре 2000 г.

Метод определения эффективной толщины защиты основан на сравнении показаний дозиметров для разных СПС с расчетами мощности дозы Р(х) (или среднесуточной дозы D(x)) в зависимости от толщины защиты х, которая варьируется в интервале 0.1-100 г/см2. Графическая реализация этого метода представлена на рис. 5. На этом рисунке приведены зависимости Р(х), рассчитанные в геометрии плоской защиты для определенных моментов времени развития СПС в июле (кривая 2) и ноябре (кривая 1) 2000 г., а также в сентябре (кривая 3) 2001 г.
Моменты времени в каждом из событий выбраны произвольно. На этих кривых Р(х) поставлены точки, соответствующие экспериментальным показаниям дозиметра на спутнике Экспресс A3 для тех же моментов времени. Из рис. 5 видно, что для любого из указанных СПС, найденные значения эффективной толщины защиты практически равны, а именно, х = ~3 г/см2. Это совпадение значений х, полученных при использовании данных от разных СПС, является подтверждением правильного выбора алгоритмов в описанных выше программах для расчета поглощенной дозы на борту космических аппаратов.

Рис. 5. Расчетные зависимости мощности поглощенной дозы от эффективной толщины плоской защиты (кривые) и экспериментальные данные для ГС "Экс-пресс A3" (точки) для ограниченных интервалов времени развития событий СПС. 1 - 3-6 UT 9.X.2000 г., 2 - 0-3 UT 15.VII.2000 г., 3- 0-3 UT25.IX.2001 г.

С помощью представленного выше метода удалось решить еще одну важную задачу. Сразу же после получения данных D 1 и D2 с аппаратуры Р-16, установленной на МКС, стало ясно, что базу данных, полученную на ОС Мир почти за 15 лет с помощью такой же аппаратуры, не удается автоматически продолжить. Чтобы устранить это препятствие, требуется учесть существующее расхождение в распределении экранирующих масс вокруг дозиметров и сопоставить значения эффективной толщины защиты х на обеих ОС.
Чтобы определить значения х на ОС Мир и МКС, для каждой из ОС (в соответствии с их пространственными координатами во время СПС) были выполнены расчеты поглощенной дозы D(x) в зависимости от эффективной толщины защиты (в плоской геометрии) при воздействии потока протонов СПС в роябре 2000 г. Это СПС хорошо подходит для решения указанной задачи, так как во время его развития депрессия магнитного поля Земли практически отсутствовала. Рас-четные зависимости 0(л) (кривые) приведены на рис. 6 в сравнении с показаниями D1 и D2 (точки) аппаратуры Р-16, установленной на соответству-ющих ОС.

Для ОС Мир в соответствии с показаниями ее дозиметров D2 и D1 значения х оказались равны-ми 2.2 и 7.5 г/см2, соответственно. Этот результат понятен, если учесть, что дозиметр № 2 был направлен на внутреннюю обшивку базового блока ОС, а дозиметр № 1 (имеющий собственную дополнительную защиту) был направлен в противоположную сторону. Полученные результаты хорошо коррелируют с предыдущими оценками толщины защиты на ОС Мир [10] и с данными по динамике поглощенных доз, полученными в ходе многолетних исследований на ОС Мир [10, II].

Рис. 6. Расчетные зависимости среднесуточной по-глощенной дозы на орбитах ОС Мир (кривая /) и МКС (кривая 2) в зависимости от эффективной тол-щины плоской защиты и экспериментальные данные дозиметров Р-16 (точки) для СПС в ноябре 2000 г. Точки D (1) и D2 (1) - показания дозиметров № 1 и № 2 на ОС Мир, соответственно. Точки D1 (2) и D2 (2) - показания дозиметров № 1 и № 2 на МКС, соответственно.

Сравнение данных D1 и D2 аппаратуры Р-16, установленной на МКС, с расчетными значениями D(.v), приведенными на рис. 6 (кривая 2), показывает, что эффективная толщины защиты х для дозиметров № 2 и № 1 на МКС составляет 5 и 10 г/см2, соответственно. Таким образом, толщина защиты дозиметрической аппаратуры Р-16 на МКС больше, чем на ОС Мир. Этот результат объясним, так как на ОС Мир ось дозиметр № 1-дозиметр № 2 расположена почти поперек продольной оси станции, а на МКС - вдоль этой оси [II]. Зная эффективную толщину защиты вокруг дозиметров, разработанные программы позволяют смоделировать рост абсолютных значений поглощенной дозы, которую создает СПС внутри ОС.

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАКОПЛЕНИЯ ДОЗЫ

Как отмечалось выше, дозиметры, устанавливаемые на ОС, не позволяют в полной мере использовать их данные для своевременного прогнозирования начала развития СПС. Это связано с полной или частичной экранировкой магнитным полем Земли потока протонов СПС на многих витках орбиты ОС. Наглядно этот эффект представлен на
рис. 7, где приведены зависимости изменения поглощенной дозы D(t) на ОС Мир (в месте расположения аппаратуры Р-16) в зависимости от времени t с момента появления мощных СПС в июле и ноябре 2000 г. На этом же рисунке приведены аналогичные зависимости, полученные по показаниям дозиметра ГС Экспресс A3 во время тех же СПС. Как видно из рис. 7, накопление дозы на ОС Мир от потока протонов СПС в рассматриваемых случаев начинается с заметным отставанием (16-18 часов) от времени начала регистрации дозы на ГС. Объяснение этому факту очевидно: в начальный период времени развития СПС (более 1/2 суток) как в июле, так и в ноябре 2000 г. (рис. 4) ОС Мир находилась на "защищенных" витках орбиты.

Рис. 7. Накопление поглощенной дозы в зависимости от времени развития СПС в июле (пунктирные кри-вые / и 3) и ноябре (сплошные кривые 2 и 4) 2000 г. для ОС Мир (кривые / и 2) и ГС Экспресс A3 (кривые 3 и 4).

Из рис. 7 также видно, что по показаниям дозиметра на ГС нельзя говорить о прямой зависи-мости между абсолютными величинами поглощенной дозы, которые регистрируют дозиметры на геостационарной орбите и на борту ОС. Действительно, поглощенная доза на ГС практически совпадает для рассмотренных СПС, тогда как на ОС Мир в июле 2000 г. была зарегистрирована доза в несколько раз большая (700 мрад), чем в ноябре 200 г. (285 мрад). Здесь, видимо, можно сделать только грубые оценки без учета депрессии магнитного поля Земли во время развития СПС, которая ведет к изменению условия проникновения протонов на орбиту ОС и может на порядок и более изменить величину поглощенной дозы по сравнению с условиями "спокойной" магнитосферы.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты, представленные в работе, пока-зывают, что дозиметр ГС, который регистрирует появление СПС с начального момента его появ-ления в околоземном космическом пространстве, может служить датчиком, предупреждающем о возможном возрастании поглощенной дозы на ОС. Интервал времени между сигналом от этого датчика и началом возрастания поглощенной до-зы на ОС, может быть вычислен, если баллисти-ческие данные ОС известны. Для сопоставления абсолютных значений по-глощенной дозы, которая регистрируется на раз-ных космических аппаратах, необходимо учиты-вать эффективную толщину защиты вокруг дози-метров. Как показано в работе, для определения этой толщины можно использовать показания дозиметра во время развития СПС, сравнивая их с расчетными данными. Однако для изучения воз-можности прогнозирования абсолютной величи-ны поглощенной дозы, ожидаемой на ОС во вре-мя СПС, по показаниям дозиметра на ГС необхо-димы дополнительные исследования, основанные на статистическом анализе экспериментальных данных с учетом изменения депрессии магнитно-го поля Земли во время развития СПС.
Авторы благодарят В.В. Цетлина за помощь в работе. Работа выполнена при частичной поддержке фонда INTAS.

Список литературы

1. Тверская Л.В., Тельцов М.В.. Шумшуров В.И. Измерения дозы радиации на станции "Мир" во время солнечных протонных событий в сентябре-октябре 1989 г. // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т. 31. №5. С. 928-930.
2. Panasyuk M.I., Akulin A.A., Benghin V.V. et al. Current status of Radiation monitoring system for ISS/RS and preliminary results of its component testing on board Mir-station // Abstracts of Space Radiation Environment Workshop & Workshop on Radiation Monitiring for the International Space Station (1-5 November 1999, Fam-borough, UK). Book of Abstracts. DERA. 1999. P. 12.
3. Юрятин Е.И., Шумшуров В.И., Фоминых В.А., Тельцов М.В. Исследование дозиметрических характеристик ионизационных камер с электростатическим реле // Измерительная техника. 1979. № 3. С. 48-53.
4. Ivanova ТА., Pavlov N.N.. Reizman S.Ja. et al. Monitoring of radiation conditions at geostationary orbit during a maximum of 23th solar active cycle // Physics problems of ecology. 2001. № 6. P. 12-20.
5. Ныммик Р.А. Модель потоков частиц и усредненных энергетических спектров солнечных космических лучей // Космич. исслед. 1993. Т. 31. Вып. 6. С. 51-59.
6. Nymmik R.A. Probabilistic Model for Fluences and Peak fluxes of Solar Energetic Particles // Rad. Meas. 1999. V.30.P.287-296.
7. Nymmik R A. Radiation environment induced by cosmic ray particle fluxes in the International Space Station orbit according to recent galactic and solar cosmic ray models // Adv. Space. Res. 1998. V. 21 (12). Р. 1689- 1698.
8. NymmikRA. The Problems of Cosmic Ray Particle simulation for the Near-Earth Orbital and Interplanetary Flight Conditions//Rad-Meas. 1999. V. 30. Р. 669-677.
9. Ziegler J.F., Biersack J.P. The stopping and Range of ions in Solids. New York: Pergamon Press, 1985.
10. Панасюк М.И., Тельцов М.В., Шумшуров В.И., Цетлин В.В. Вариации доз радиации на станции Мир II Космич. исслед. 1997. Т. 36. № 5. С. 555-558.
11. Митрикас В.Г., Цетлин В.В. Проблемы обеспечения радиационного контроля на ОПС Мир в 22-м цикле солнечной активности // Космич. исслед. 2000. Т. 38. Вып. 2. С. 121-126.

Detection and Prediction of Absorbed Radiation Doses from Solar Proton Fluxes onboard Orbital Stations

Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Moscow State University, Vorob'evy gory. Moscow, 119899 Russia

We consider cases of simultaneous detection of the absorbed doses produced by proton fluxes of powerful solar events onboard the orbital stations Mir and ISS and the geosynchronous satellite Express A3. Experimental data are analyzed using a software package that takes into account the energy spectra of protons at the Earth's orbit depending on the time of event development, as well as their penetration to near-earth orbits and through the protective shields of spacecraft. Based on a comparison of the experimental data of dosimeters with the calculation of absorbed doses under the action of solar proton events, we developed a method of esti-mating the effective thickness of the shielding of dosimeters and made some estimates. A possibility is consid-ered for predicting the radiation hazard onboard orbital stations upon the appearance of solar proton events us-ing dosimeter data from a geosynchronous orbit.

---

Переход на другие страницы проекта "СиЗиФ"

 

---

---

Для связи:
lazutin@dec1.npi.msu.su

последнее обновление 15.11.04