Bilgiustam
Türkiye'nin Bilgi Sitesi

Uzay Parçacıklarının ve Radyasyonun Uyduların Çalışması Üzerindeki Etkileri

0 27

Güneş olaylarından veya kozmik kaynaklardan gelen yüklü tuzak veya geçici parçacıklar, uzay aracının açıktaki yüzeyleriyle etkileşime girdiğinde, etkileri sistemi çeşitli şekillerde etkileyebilir. Doğal uzay ortamından kaynaklanan etkiler arasında uzay aracı şarjı, tek olay etkileri, toplam iyonlaştırıcı doz ve yer değiştirme hasarı bulunur. Bununla birlikte, spesifik etki, olay parçacığının türüne, enerjisine ve muhtemelen kaynağına bağlıdır. Hapsedilen ağır iyonlar, Tek olay etkilere neden olmak ve gerekli olan iyonizasyonu oluşturmak için yeterli enerjiye sahip değildir ve toplam iyonlaştırıcı doz önemli bir katkı yapmazlar.
Uzay Parçacıklarının ve Radyasyonun Uyduların Çalışması Üzerindeki EtkileriGüneş patlamalarından ve radyasyon kuşaklarında hapsolmuş protonlardan büyük ölçüde etkilenen galaktik kozmik ışınlar ve kozmik güneş parçacıkları GDA’lara neden olabilirken, elektronların GDA’lara neden olduğu bilinmemektedir. Ayrıca fiziksel mekanizmaları farklı olmakla birlikte, uzay ortamının iyonlaştırıcı radyasyonu hem toplam iyonlaştırıcı doz hem de tek olay etkileri neden olur.

Uzay Aracı Şarjı

Uzay aracı şarjı, uzay aracı yüzeylerinde veya uzay aracının içinde biriken yüktür. Çevredeki plazma ortamına göre bir uzay aracı yüzeyinin elektrostatik ve uzay aracının farklı bölümlerinde potansiyel değişikliklere neden olur. Uzay aracı şarjına katkıda bulunan başlıca doğal uzay ortamları arasında termal plazma ortamı, yüksek enerjili elektronlar, güneş radyasyonu ve manyetik alanlar vardır. Birçok etkisi olmasına rağmen, elektrostatik deşarjlar en tehlikelisi gibi görünmektedir. Elektrostatik deşarjlar, yapısal hasara, uzay aracı bileşenlerinin bozulmasına ve elektroniklerin zarar görmesi nedeniyle operasyonel anormalliklere neden olabilir.
Uzay aracı şarjı, diferansiyel şarjı içeren yüzey şarjı ve dâhili dielektrik şarjı olmak üzere ikiye ayrılabilir. Yüzey şarjına düşük enerjili plazma (<100 kev) ve fotoelektrik akımlar neden olurken yüzey şarjı mutlak veya diferansiyel olabilir. Mutlak şarj, ortam plazmasına göre uydu potansiyeli eşit olarak yüklendiğinde meydana gelir. Diferansiyel şarj ise uzay aracının parçaları birbirine göre farklı potansiyele yüklendiğinde meydana gelir. Diferansiyel şarj, uydunun kendi kendini gölgelemesinden de kaynaklanabilir. Uzay aracı yüzeylerinin diferansiyel şarjı, mutlak şarjdan (ortam plazmasına göre) daha zararlıdır. İlki, fiziksel malzeme hasarı ve elektromanyetik girişim oluşumu ve sonuçta ortaya çıkan geçici darbeler gibi uydu işlemlerini bozabilecek deşarj etkilerine sahip olabilir.
Deşarj sonuçları ayrıca veri ve kablolamada ki gürültüyü, kimyasal olarak aktif türlerin saçılmasını ve çekilmesini de içerir. Jeomanyetik alt fırtınalardan sonra, kev elektronlarının manyetosfere enjekte edilmesiyle sonuçlanan diferansiyel şarj bildirilmiştir. Dâhili şarj, yüksek enerjili elektronlardan (> 100 kev) kaynaklanır ve uzay aracı ekipmanına nüfuz ederek, yükü yalıtım malzemeleri içinde biriktirirler. Hassas elektronik devrelere çok yakın olan dielektrik malzemeler ve iyi yalıtılmış iletkenlerde meydana geldiğinden daha zararlıdır. Sabit yörüngede elde edilen birleşik salınım ve radyasyon etkileri uydusundan elde edilen verilere dayanarak, çevresel olarak indüklenen çoğu uzay aracı anomalisi, yüzey yalıtkan şarjı veya tek olaylı arızalardan değildir. Derin dielektrik şarjından ve sonuçta ortaya çıkan deşarj darbelerinden kaynaklanmaktadır.

Tek Olay Etkileri

Tek olay etkileri, tek bir olay iyonlaştırıcı parçacık, bir cihazda bir etkiye neden olacak kadar yeterli enerji biriktirdiğinde meydana gelen ayrı olaylardır. Genellikle yüksek enerjili protonlar ve kozmik ışınlar olmak üzere iki uzay radyasyon kaynağı neden olur. Tek olay olgusu dörde sınıflandırılabilir ve bunlar aşağıdaki gibidir:
• Tek olaylı çökme,
• Tek olay mandallama,
• Tek olay yanması,
• Tek olay geçidi kırılması,
Tek olaylı çökme, mikroişlemci, yarı iletken bellek veya güç transistörleri gibi bir mikro-elektronik cihazdaki hassas bir düğüme çarpan iyonların veya elektromanyetik radyasyonun neden olduğu bir durum değişikliğidir. Bu durum değişikliği, bir mantık elemanının örneğin, bellek biti, önemli bir düğümünde veya yakınında iyonlaşma tarafından oluşturulan ücretsiz yükün bir sonucudur. Grevin bir sonucu olarak cihaz çıktısında veya işleminde meydana gelen hataya yumuşak hata denir. Cihazlardaki ağır iyon ve proton tek olaylı çökme mekanizmaları örneğin, dinamik rastgele erişim hafızaları ve cihazlarda galaktik kozmik ışın enerjisi birikimidir.
Uzay Parçacıklarının ve Radyasyonun Uyduların Çalışması Üzerindeki EtkileriTek olaylı çökme, analog, dijital veya optik bileşenler gibi normal cihazlarda bir sıfırlama veya yeniden yazmaya neden olabilirken çevreleyen arayüz devrelerinde etkileri olabilir. Ciddi bir tek olaylı çökme, cihazın kontrol devresindeki bir tek olaylı çökmenin cihazı bir test moduna, durdurmaya veya tanımlanmamış duruma yerleştirdiği tek olaylı işlevsel kesintidir. Bu normal işlemleri durdurur ve kurtarmak için güç sıfırlaması gerektirir. Tek olay mandallama, hatalı tasarlanmış bir devrede meydana gelebilecek belirli bir kısa devre tipini tanımlamak için entegre devrelerde kullanılır. Bir MOSFET devresinin güç kaynağı rayları arasında, parçanın düzgün çalışmasını bozan ve muhtemelen aşırı akım nedeniyle tahrip olmasına yol açan parazitik bir yapıyı tetikleyebilen düşük empedanslı bir yolun üretilmesidir.
Tek olay mandallamalar zor hatalardır ve kalıcı hasara neden olabilir. Bu, yüksek çalışma akımına, cihaz özelliklerinin üzerine çıkmasına, veri yolu voltajının düşmesine veya güç kaynağına zarar vermesine neden olabilir. Kilitlenme, çok hassas cihazlardaki protonlardan kaynaklanabilir. Bir tek olay mandallama, güç kapama sıfırlaması veya aygıtın kapatılmasıyla düzeltilir veya silinir ve büyük ölçüde sıcaklığa bağlıdır. Güç hızlı bir şekilde kesilmezse, aşırı ısınma, metalleşme veya bağlantı teli arızası nedeniyle yıkıcı arıza meydana gelebilir. Tek olay yanması, bir güç transistöründeki yüksek akım durumunun neden olduğu bir durumdur. Oldukça yerelleştirilmiş bir olgudur, güç MOSFET’lerinde ve BJT’lerde drenaj kaynağının yanmasını, geçit kopmasını, donmuş bitleri ve yüklü-bağlı cihazlarda gürültüyü içerir.
Tek olay geçidi kırılması, kapı oksidinde iletken bir yolun oluşması veya lokalize dielektrik bozulmadır ve yıkıcı bir yanmaya neden olur. MOSFET’lerde, BJT’lerde ve CMOS’ta oluşur. Güneş patlaması parçacık olayları, özellikle gezegenler arası uzaydaki uzay aracı için en aşırı tek olaylı çökme üreten ortamı oluşturmaktadır. Radyasyon etkileri uydusunda yapılan deneyler, bir güneş patlaması sırasında önemli bir artış göstermiştir. Radyasyon etkileri uydusunun verilerine dayanarak, çoğu tek olaylı çökme, protonlardan veya kozmik ışınlardan doğrudan biriktirme yoluyla değil, nükleer etkileşimler yoluyla yüksek enerjili protonlardan geldiği bildirilmiştir. Düşük Dünya yörüngesinde ki uyduları için, özellikle Güney Atlantik Anomalisin’de tuzağa düşürülmüş protonlar en büyük tek olay etkileri tehdididir.

Toplam İyonlaştırıcı Doz

Toplam iyonlaştırıcı doz, iyonizasyon işlemlerinin oluşturduğu ve enerjili parçacıklar içinden geçtiğinde yarı iletken veya yalıtkan gibi malzemelerde biriktirdiği enerji miktarını ifade eder. Aygıt arızasına veya astronotlarda biyolojik hasara neden olabilir. Radyasyon kaynaklı sıkışmış yükler, bir MOSFET’in geçit oksitinde birikebilir ve eşik voltajında bir kaymaya neden olabilir. Kayma yeterince büyükse, sıfır volt uygulandığında bile bu tür bir cihaz kapatılamaz. Bu koşul altında, cihazın tükenme moduna geçerek başarısız olduğu söylenir. Toplam iyonlaştırıcı doz, çoğunlukla güneş enerjili parçacık olayından ve Güney Atlantik Anomalisinden geçişten meydana gelen elektron ve protonlardan kaynaklanır.
Düşük Dünya yörüngesinde, ana doz kaynağı elektronlardan ve iç kuşak protonlarından, birincil kaynak ise dış kuşak elektronu ve sabit yörüngedeki güneş protonlarıdır. Toplam dozdan kaynaklanan ilk kaydedilen uydu arızası Telstar’dır. Uydu, 9 Temmuz 1962 yılındaki Starfish nükleer testinden bir gün sonra fırlatılmıştır. Yaklaşık 1,4 Megatonluk nükleer silah, Pasifik Okyanusu’ndaki Johnston Adası’nın yaklaşık 400 km yukarısında patlatılmıştır. Patlama, Dünya’nın manyetik alanına enjekte edilen ve yapay bir radyasyon kuşağı oluşturan beta parçacıkları (elektronlar) üretmiştir. Bu yapay elektron kuşağı 1970’li yılların başına kadar sürmüştür. Sonuç olarak, Telstar, tamamen başarısız olmadan önce beklenenin 100 katı bir toplam doz almıştır. Starfish nükleer testinde 7 ay içinde yedi uyduya kadar, esas olarak güneş pili hasarından oluştuğu bilinmektedir.

Deplasman Hasarı

Enerjik parçacıklar katı bir malzeme üzerine düştüğünde, malzemenin içinden geçerken iyonlaştırıcı ve iyonlaştırıcı olmayan işlemlere enerjilerini kaybederler. Enerji kaybının sonucu, elektron deliği çiftlerinin ve atomların yer değiştirmesi veya yer değiştirme hasarının üretilmesidir. Boşluklar yani, normal kafes konumundan bir atomun bulunmaması ve geçişler yani, yer değiştirmiş atomun kafes olmayan bir konuma hareketi, başlangıçta yaratılan birincil kafes kusurlarıdır. Bir boşluk ve bitişik bir ara boşluk kombinasyonu, Frenkel veya yakın çift olarak bilinir. İki bitişik boş pozisyon, divacancy olarak bilinen bir kusur oluşturabilir. Ayrıca, ışınlanmış silikonda daha büyük yerel boşluk grupları oluşabilir. Safsızlık atomlarına bitişik boşluk ve ara kısımlardan kaynaklanan bir kusur, kusur-safsızlık kompleksleridir. Olay radyasyonu tarafından oluşturulduktan sonra, kusurlar daha kararlı bir konfigürasyon oluşturmak için yeniden düzenlenmelidir. Kusurların dökme yarı iletken malzeme ve cihazların özelliklerini ne ölçüde değiştirdiği, belirli kusurların doğasına ve belirli bir sıcaklıkta kusur oluşumunu takip eden zamana bağlıdır.
Uzay Parçacıklarının ve Radyasyonun Uyduların Çalışması Üzerindeki EtkileriRadyasyona bağlı yer değiştirme hasarının etkinliği, bombardıman durumu, parçacık tipi, enerjisi, ışınlama ve ölçüm sıcaklığı, ışınlamadan sonraki süre, ışınlamadan sonraki termal geçmiş, enjeksiyon seviyesi, malzeme tipi, kirlilik türü ve konsantrasyon gibi faktörlere bağlıdır. Yer değiştirme hasarı, malzemelerin ve cihaz özelliklerinin bozulmasına neden olur. Gelen bir parçacık ile bir kafes atomu arasındaki çarpışmayı tasvir ederek, atomun orijinal kafes konumundan yer değiştirmesine neden olur. Yer değiştirme hasarı aynı zamanda azınlık taşıyıcı ömrünü de düşürebilir ve tipik bir etki, bipolar transistörlerde kazanç ve kaçak akımın bozulması olur.

Kaynakça:
researchgate.net/publication/281585445_Space_environment_effect_on_earth_observation_satellite_instruments
nap.edu/read/10477/chapter/7

Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu

Bunları da beğenebilirsin

Cevap bırakın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.

Bu web sitesi deneyiminizi geliştirmek için çerezleri kullanır. Bununla iyi olduğunuzu varsayacağız, ancak isterseniz vazgeçebilirsiniz. Kabul etmek Mesajları Oku