Модернизация комплекса стендов для испытаний элементов космических аппаратов на основе бетатрона, моделирующего натурное спектрально-угловое распределение электронов радиационных поясов Земли

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

УДК 53.082.77: 620.179.152.2

Зыков В.М., Штейн М.М., Бежаев Ю.А., Лукащук А.А., Кашковский В.В., Беспалов В.П.

МОДЕРНИЗАЦИЯ

КОМПЛЕКСА СТЕНДОВ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА ОСНОВЕ БЕТАТРОНА, МОДЕЛИРУЮЩЕГО НАТУРНОЕ СПЕКТРАЛЬНО-УГЛОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ РАДИАЦИОННЫХ ПОЯСОВ ЗЕМЛИ

Представлены результаты расчетно-экспериментального моделирования натурного спектрально-углового распределения электронов в элементах бортовой аппаратуры космических аппаратов на основе бетатрона с выводом электронов из ускорительной камеры и программным управлением энергией электронов в каждом импульсе излучения.

Ключевые слова: модель, метод, спектр электронов, спектральноугловые характеристики излучения, бетатрон.

Zykov V. M., Stein M. M., Bezhaev Y.A., Lukaschuk A.A., Kashkovsky V.V., Bespalov V.P.

Modernization of the stands complex for testing of elements of the spacecraft based on the betatron to emulate a natural spectral-angular distribution of electron radiation belts of the Earth

Results of calculation and experimental modeling of natural spectral-angular distribution of electrons in the elements of space onboard equipment on the basis of betatron with the conclusion of electron accelerator camera and software control the energy of electrons in each pulse radiation are presented.

Keywords: model, method, spectrum of electrons, the spectral-angular characteristics of the radiation betatron.

«Институт неразрушающего контроля» Национального исследовательского Томского политехнического университета (ранее

60

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

«НИИ интроскопии») более 30 лет специализируется в области разработки методов и средств испытаний элементов космических аппаратов (КА) навигации, связи и навигации производства ОАО «Информационные спутниковые системы» имени акад. М.Ф. Ре-шетнёва» (ранее НПО «Прикладной механики»). На разработанных испытательных стендах проводятся испытания электронных компонентов и конструкционных диэлектрических материалов, а также узлов (стационарные плазменные двигатели и элементы солнечных батарей) на радиационную стойкость и радиационную электризацию. Основными имитационно-испытательными стендами для испытаний на радиационную стойкость и радиационную электризацию являются соответственно стенд на основе линейного ускорителя электронов, аттестованный по комплексам военных стандартов «КЛИМАТ-7» и «МОРОЗ-6», а также стенд «Прогноз», обеспечивающий имитацию факторов воздействия Солнца и геомагнитной плазмы.

Повышение сроков активного существования до 15лет и негерметичное исполнение КА требуют проведения дополнительных испытаний элементов КА. В частности, это обусловлено тем, что проводимые на этапе сертификации радиационные испытания по требованиям стандарта «КЛИМАТ-7» не учитывают эффект низкой мощности дозы и другие время-зависимые эффекты, под воздействием которых может происходить смена механизма отказов. Для обеспечения радиационной стойкости электронных компонентов (ЭК) бортовой аппаратуры при длительном низкоинтенсивном облучении в радиационных поясах Земли, потребовалось дополнить испытательную инфраструктуру гамма-излучателями на основе радионуклида Со-60. Разработанные для этой цели имитационные гамма-комплексы типа «Радиан» (рисунок 1) обеспечили проведение в короткие сроки в круглосуточном режиме испытаний более 300 типов ЭК лётных партий биполярной, КМОП и смешанной технологий по евростандарту ESCC 22900. Работы велись в рамках международных проектов «АМОС-5» и «ТЕЛКОМ-3». Входящие в состав этих комплексов специальные системы обеспечили диапазон изменения мощности дозы излучения от 8 до 0.01 рад/с и существенно более жесткие, чем по российским стандартам, требования на точность измерения поглощенной дозы и мощности дозы гамма-излучения. Испытания выявили несколько десятков потенциальноненадежных электронных компонентов, закупленных для комплектации бортовой аппаратуры космических аппаратов.

61

ческих системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

ис. 1 - Испытательный гамма-комплекс "Радиан"

Р

Большую группу процессов воздействия факторов космического пространства на конструкционные материалы, входящие в состав космических аппаратов, составляют процессы, в основе которых лежит явление радиационной электризации. Заряженные частицы, входящие в состав космической плазмы, инжектируются в объем материалов. При этом в диэлектрических материалах формируется объемный заряд, который в ряде случаев является причиной протекания интенсивных электроразрядных явлений.

При этом генерируются жесткие помеховые импульсы, проникающие в бортовую кабельную сеть космических аппаратов и приводящие к сбоям и отказам в работе бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Кроме того, следствием радиационно-стимулированных пробоев может быть нарушение целостности материалов в результате образования в их объеме каналов пробоя, что, в свою очередь, приводит к существенному ухудшению эксплутационных (оптических и механических) качеств таких материалов.

Стенд "Прогноз" (рисунок 2) был создан для наземной экспериментальной отработки материалов и конструкционных элементов (КА) на воздействие радиационной электризации [2].

Стенд включает в себя:

- вакуумную систему;

- источники излучения, имитирующие воздействие тех ФКП, которые вносят наибольший вклад в электризацию;

- измерительные тракты, позволяющие регистрировать параметры электризации испытываемых образцов.

62

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

Экспериментальная камера представляет собой расположенный горизонтально цилиндр из нержавеющей стали с рабочим объемом « 0,75 м3. Образцы устанавливаются на электрически изолированной подложке, которая одновременно является термостатом, работающим в диапазоне от -90°С до +90°С. Вакуум не хуже 1 • 10-6 Торр достигается с помощью системы безмасляной откачки, построенной на спиральном безмасляном форвакуумном и высоковакуумном турбомолекулярном насосах. Состав остаточной атмосферы в камере контролируется с помощью радиочастотного спектрометра.

Электронное излучение имитируются посредством двух электронных пушек Пирса и одним бетатроном. Характеристики источников приведены в таблице 1.

Таблица 1

Вид источника Диапазон энергий, кэВ Диапазон плотности тока пучка, А-см-2 Максимальный диаметр пучка, мм Нестабильность тока (энергии), %

Высокоэнергетическая электронная пушка 70 - 300 10-11 - 10-6 900 1,0

Низкоэнергетическая электронная пушка 12 - 100 10-11 - 10-6 900 0,5

Бетатрон 6000 о О 1- о 150 5,0

Рис. 2 - Испытательный стенд «Прогноз»

Оси пучков всех трех источников электронов сведены в одну точку в плоскости испытуемого образца. В эту же точку направленно и световое излучение от газоразрядной ксеноновой лампы высокого давления ДКсШ-5000, имеющей спектр излучения близкий к солнечному. Кварцевая оптическая система фокусировки позволяет получать освещенность поверхности образца до 1,0 Втсм-2.

63

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

Электрически изолированная подложка, на которой располагаются образцы, позволяет измерять разрядные токи до 10-4 А в цепи заднего электрода облучаемого образца в частотном диапазоне до 1 ГГц.

Внутри вакуумной камеры также размещены: устройства для мониторирования излучения; датчик напряженности внешнего электрического поля образца, построенный по схеме динамического конденсатора с чувствительностью по напряженности электрического поля - 0,5 Всм-2, по потенциалу поверхности - 50 В; антенны для измерения параметров электромагнитного импульса, возникающего при радиационно-стимулированном пробое облучаемых образцов. Измерения осуществляются с помощью четырехканального цифрового запоминающего осциллографа DPO 4104. Визуальное наблюдение и регистрация процессов, происходящих при облучении образца, осуществляется скоростной цифровой видеокамерой HiSpec1. Вся информация, снимаемая с регистраторов в ходе эксперимента, заносится и обрабатывается с помощью компьютера. Это позволяет анализировать характер зарядно-разрядных процессов, проходящих при облучении образца, выявлять "слабые места" подверженные радиационной электризации.

Выполненная модернизация является не полной, поскольку не обеспечивает испытаний диэлектрических материалов на объемную электризацию. Сравнительные исследования объемной электризации конструкционных диэлектриков (изоляция кабелей и диэлектрики электронных плат) в наземной и натурной обстановке показали настоятельную необходимость корректного моделирования натурного спектрально- углового распределения электронов радиационных поясов Земли при проведении наземных испытаний. «Институт неразрушающего контроля» имеет опыт разработки бетатронов с выводом пучка электронов из ускорительной камеры и с программным управлением энергией электронов в каждом импульсе излучения. На рисенке 3 представлен общий вид одной из модификаций разработанных бетатронов.

Ниже приведены обоснование и результаты пробного эксперимента по моделированию спектра электронов на бетатроне и показана возможность создания стенда моделирующего натурное спектрально-угловое распределение электронов радиационных поясов

64

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

Земли на основе бетатрона с программным управлением энергией электронов в каждом цикле ускорения.

Рис. 3 - Бетатрон

1. Постановка задачи моделирования спектра на ускорителях

электронов

Радиационное заряжение диэлектрических материалов электронных приборов бортовой аппаратуры космических аппаратов (БА КА) и последующие разрядные процессы влекут отказы и сбои в функционировании аппаратуры, что ограничивает ресурс работы КА. Значительное количество отказов КА, движущихся по геостационарной орбите, было связано с аномальным заряжением внутренних диэлектриков.

Причиной этих аномалий являются процессы на Солнце, вызывающие увеличение спектральной жесткости электронной компоненты радиационных поясов Земли. Характерная длительность аномальных вариаций спектра электронов составляет от нескольких часов до нескольких суток при увеличении плотности потока в максимуме почти на порядок. Для установления причин и вероятностных характеристик отказов элементов БА КА проводят лабораторные испытания с моделированием натурной радиационной обстановки и последующей экстраполяцией полученных результатов на условия космической среды. При этом моделирующие установки на основе радинуклидных источников излучения не обеспечивают воспроизведение высокоэнергетической части натурного спектра электронов.

Методика моделирования на ускорителе электронов-бетатроне основана на комбинации численного эксперимента (метод Монте-

65

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

Карло) и физического измерения параметров поля электронного излучения [2]. Входными данными для моделирования являются: тип орбиты, геометрия и состав материалов оболочки космического аппарата, параметры первичного пучка ускорителя электронов. Используется мишень специальной конструкции или автоматическая система управления энергией ускоренных электронов в каждом цикле ускорения бетатрона.

При моделировании с применением уже имеющегося излучателя подбор параметров сводится к разработке методики управления выходными параметрами излучателя и разработке устройства формирования поля излучения.

Ниже рассмотрены принципиальные вопросы лабораторного моделирования вариаций плотности потока и спектральной плотности высокоэнергетической электронной компоненты ЕРПЗ, в том числе за конструкционной защитой КА. Особое внимание уделено лабораторному моделированию электронных полей на бетатроне с максимальной энергией электронов до 10 МэВ. Бетатрон обеспечивает уникальную возможность независимого управления энергией и интенсивностью электронного излучения в каждом импульсе излучения по заданной программе. Он может работать круглосуточно под управлением микроконтроллера, обеспечивая требуемые вариации энергетического спектра и плотности потока электронов.

2. Разработка методики моделирования

Задача моделирования сводится к правильному выбору и управлению энергией ускоренных электронов, выбору параметров поглотителей - рассеивателей, обеспечивающих необходимые спектрально-угловые характеристики электронов в поле облучения, а также к выбору способа получения поля излучения с необходимым поперечным размером. Необходимые размеры поля облучения достигаются или за счет рассеяния электронов в фольгах или за счет магнитной развертки электронного пучка, выведенного из ускорителя. Поддержание условий, обеспечивающих заданные спектрально-угловые характеристики поля излучения, достигается на основе применения системы контрольно-измерительных устройств, контролирующих параметры пучка ускоренных электронов и работу ускорителя электронов.

Исходными данными для моделирования спектра электронов в элементах БА КА являются: характеристики натурной радиационной обстановки; конструктивные особенности КА, обеспечиваю-

66

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

щие его радиационную защиту; конструктивные модели элементов БА, учитывающие структуру, геометрические размеры, а также плотность и химический состав всех компонентов. В процессе моделирования, исходя из типа орбиты КА, определяют характеристики натурных полей электронного излучения и их изменение во времени. При моделировании усредненных радиационных условий эти характеристики могут быть представлены в виде математических выражений, не зависящих от времени. Затем на основе расчетной модели испытуемого элемента БА методом численного моделирования переноса излучения (методом Монте-Карло) рассчитываются спектрально-угловые характеристики излучения и мощность дозы в элементе БА или в радиационно-чувствительном объеме этого элемента в натурных условиях. Далее на основе экспериментально определенных характеристик электронного пучка ускорителя и их зависимости от режима работы ускорителя методом численного моделирования рассчитываются характеристики устройства формирования поля излучения (конвертера), обеспечивающие требуемое спектрально-угловое распределение электронов в облучаемом элементе БА и определяется необходимый режим работы ускорителя. В заключение проводится тестовый эксперимент для подтверждения правильности работы программы расчета, выбора параметров устройства формирования и режима работы ускорителя электронов.

Модель натурной остановки выбирается исходя из типа орбиты КА. Угловое распределение электронов при этом является изотропным. Расчетная модель элемента в составе БА КА представляет собой объемную структуру, которая представлена в некоторой системе координат с обязательным выделением областей различающихся по плотности и химическому составу материала. В соответствии с особенностями геометрического блока используемой программы расчета методом Монте-Карло реальная геометрия элемента БА может быть заменена эквивалентной моделью с цилиндрической симметрией, но с сохранением конструктивных особенностей и реальных размеров.

Экспериментальное определение характеристик электронного пучка ускорителя и их зависимость от режима работы ускорителя осуществляется на основе использования системы контрольноизмерительных устройств, которые обеспечивают измерение плотности потока электронов, равномерности радиального распределения электронов в пучке, энергетического спектра электронов. В качестве измерительных устройств могут применяться цилиндр Фарадея, ионизационная камера, магнитный спектрометр, секциони-

67

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

рованный цилиндр Фарадея. Обязательным является анализ всех факторов, влияющих на погрешность измерений, и оценка относительной погрешности всех измеряемых параметров. Измеренные характеристики электронного излучения ускорителя используются затем в виде исходных данных при численном моделировании характеристик устройства формирования и определении необходимого режима работы ускорителя.

Идентификация сформированного спектра электронов являются обязательными элементами методики. Важнейшим свойством моделирующей установки является способность воспроизводить в элементах БА в процессе испытаний те же физические процессы, что и в натурных условиях эксплуатации. Поскольку протекание процессов, стимулированных радиационным воздействием, в значительной мере определяется характеристиками поля излучения, то часто эффективность испытательной моделирующей установки определяется той точностью, с которой она воспроизводит в элементах аппаратуры те спектрально-угловые характеристики поля излучения, которые имеют место в натурных условиях на борту КА, движущегося по заданной орбите.

Идентификация лабораторных и натурных спектров проводится сравнением токовых или потоковых спектров электронов соответственно за оболочкой КА или в элементе БА в лабораторных и натурных условиях. При расчете спектра в натурных условиях используются разработанные ранее модели натурной обстановки, конструкционной защиты и модель элемента БА. Расчет ведется методом Монте-Карло с использованием банка данных по сечениям взаимодействия. Статистическая точность порядка 10-15% достигается при моделировании 20 - 25 тысяч историй.

При моделировании потокового спектра электронов за конвертером или в элементе БА для лабораторных условий учитывается, что пучок электронов от ускорителя с соответствующим энергетическим и угловым распределением падает на однородный или гетерогенный конвертер, за которым помещается элемент БА. Конвертер, помимо трансформации энергетического спектра электронов в область низких энергий, обеспечивает за счет рассеяния электронов необходимое угловое распределение. Рассчитанные методом Монте-Карло спектры электронов для натурных и лабораторных условий проходят проверку на то, что эти спектры принадлежат одной функции распределения, например, на основе непараметрического критерия однородности двух выборок Колмогорова-Смирнова. Для оценки согласованности полученного и заданного энергети-

68

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

ческих распределений можно также использовать критерий согласия Пирсона. Расчеты заканчиваются выбором параметров конвертера и режима работы ускорителя электронов.

Тестовый эксперимент проводится для подтверждения правильности выбора устройства формирования и режима работы ускорителя электронов. При этом могут измеряться как дифференциальные (например, энергетический спектр), так и интегральные (доза или мощность дозы) характеристики сформированного поля электронного излучения как за конвертером, так и внутри конвертера. При измерении интегральных характеристик, для обеспечения режима многоточечных измерений, тестовый эксперимент может быть спланирован как измерение характеристики поля излучения при вариации параметров конвертера или как измерение дозы ионизационной камерой в зависимости от расстояния до конвертера. Вариация размеров конвертера может быть выполнена за счет введения дополнительных поглотителей перед конвертером.

При численном моделировании тестового эксперимента в расчет дополнительно закладывается модель используемого детектора излучения, например, ионизационной камеры или магнитного спектрометра. Для уменьшения влияния имеющегося в помещении рассеянного излучения можно использовать встроенную в конвертер ионизационную камеру.

3. Экспериментальное моделирование спектрального распределения излучения на ускорителях электронов

Методы моделирования могут подразделяться в зависимости от используемых средств моделирования:

- моделирование на основе однородных или гетерогенных рассеивающих экранов - конвертеров (пассивные средства);

- моделирование с применением управления энергией ускоренных в ускорителе электронов (активные средства);

- моделирование с применением комбинации пассивных и активных средств.

Моделирование с применением активных средств, а также комбинации активных и пассивных средств возможно для ускорителей, у которых энергия электронов может оперативно изменяться по заданной программе. Примером такого ускорителя является бетатрон, в котором энергия ускоренных электронов может управляемым образом изменяться в каждом импульсе излучения. Большим

69

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

преимуществом активного метода является возможность моделирования во времени не только вариаций плотности потока электронов, но также вариаций энергетического спектра электронов.

По отношению к способу формирования поперечных размеров поля электронного излучения методы моделирования также можно подразделить на пассивные и активные. В пассивных методах для формирования необходимых поперечных размеров поля используется способ рассеивающих фольг, включая фольгу выходного окна ускорителя электронов.

Исследования различных способов моделирования спектров электронов, выполненные в «Институте неразрушающего контроля» НИ ТПУ (бывший «НИИ интроскопии») описаны в работе [3]. Полученные расчетные выборочные распределения электронов аппроксимировались с помощью системы функций плотности Пирсона. Значения параметров этих функций определены методом моментов приравниванием соответствующих первых четырех моментов распределений плотности вероятностей, полученных в расчете и при аппроксимации.

4. Моделирование электронов ЕРПЗ на бетатроне с управлением энергией электронов в каждом импульсе излучения

Моделирование натурного спектра на бетатроне заключается в программируемом выводе из ускорителя циклической последовательности из временных групп импульсов электронов определенной энергии и формировании требуемого спектра за барьером из легкого вещества путем комбинирования этих групп импульсов. Определяя на основе метода Монте-Карло спектрально-угловые характеристики электронов за барьером из легкого материала для пучков бетатрона с различной начальной дискретной энергией и комбинируя их путем суммирования с различными весовыми отношениями, можно интегрально за период циклической последовательности получить в заданной области пространства за барьером требуемые спектрально-угловые характеристики электронов.

Энергия электронов, выводимых из бетатрона, определяется временем их ускорения после момента инжекции до момента вывода путем возмущения магнитного поля. Электроны в конце цикла ускорения обладают малым энергетическим разбросом и выходят из ускорительной камеры в краевое поле бетатрона и далее по тра-

70

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

екториям, которые не зависят от устройства вывода. Азимутальное распределение электронного пучка на выходе из бетатрона слабо зависит от энергии ускоренных электронов.

Управление энергией выводимого электронного пучка заключается в изменении времени задержки между нарушением управляющего поля секторным возмущающим полем и моментом инжекции. Простота управления выводом электронов из камеры бетатрона, возможность регулировки их энергии и постоянство геометрических параметров электронных пучков с разными энергиями позволяет эффективно осуществить моделирование спектра электронов с заданными параметрами. Основной недостаток выведенного из бетатрона электронного пучка заключается в том, что плотность потока частиц по сечению пучка весьма неоднородна. Неоднородность пучка обусловлена физикой процесса вывода. Поле облучения с достаточно высокой степенью однородности достигается благодаря специальной системе формирования.

Расчеты показали, что для моделирования натурного спектра на орбите КА достаточна совокупность групп электронов, выводимых из бетатрона с дискретными энергиями от 1,4 до 6 МэВ. Количество дискретных каналов по энергии при этом не превосходит 12-15. Число импульсов излучения по каждому дискретному каналу колеблется от 1 до 3000, а в более упрощенном случае - от 1 до 500.

Для реализации этого подхода была разработана система автоматического регулирования энергетического спектра частиц на основе - многопозиционного триггера. Циклическое переключение ячеек триггера обеспечивает квазинепрерывность суммарного спектра во времени.

Практическое моделирование спектра электронов, на основе предварительно сделанных расчетов методом Монте-Карло, было осуществлено за мишенью из алюминия толщиной 4,2 мм на бетатроне МИБ-6Э с выводом пучка.

71

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

В соответствии с расчетными рекомендациями бетатрон был настроен на вывод электронов с фиксированными энергиями: 2.6, 2.8, 3.0, 3.2, 3.4, 3.8, 4.0, 4.2 МэВ. Различие в интенсивности частиц разной энергии на выходе из камеры бетатрона составляет не более 10-15 %. Результат моделирования спектра электронов бетатрона за алюминиевым рассеивателем приведен на рисунке 4 в сравнении с распределением натурного спектра на борту КА. Полное время переключения 11-ти каналов энергии за один цикл составило около 6с. За это время интегрально формируется требуемое спектрально-угловое распределение электронов.

Результаты тестового эксперимента однозначно подтвердили идентичность моделируемого на бетатроне спектра спектру, полученному расчетом методом Монте-Карло и использованному в качестве основы для программирования работы устройства управления спектром электронов.

Разработанный способ моделирования спектра на основе электронного пучка бетатрона обладает низким фоном тормозного излучения и обеспечивает высокую эффективность использования электронного пучка (до 10 %). В рассмотренном выше варианте требуемая спектральная плотность электронного излучения формируется интегрально за время 6 секунд. За последующие 6 секунд может быть сформирован поток электронов с другой желаемой спектральной плотностью распределения при сохранении близкого к полуизотропному углового распределения. Поэтому этим способом можно эффективно моделировать вариации спектральной плотности электронного излучения.

Рис. 4 - Энергетические спектры электронов: сплошная линия - натурный спектр в элементе КА, гистограмма - расчетный спектр бетатрона за конвертором.

72

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

5. Оценка возможностей бетатрона для моделирования вариаций характеристик электронных пучков

Бетатрон обеспечивает уникальную возможность независимого управления энергией и интенсивностью электронного излучения в каждом импульсе излучения по заданной программе. Он может работать круглосуточно под управлением микропроцессора, обеспечивая требуемые вариации энергетического спектра и плотности потока электронов. Конкретные результаты моделирования вариаций спектральной плотности и плотности потока электронного излучения зависят от типа бетатрона (малогабаритный импульсный, сильноточный, и т.п.). Приведенные ниже оценки относятся к малогабаритному импульсному бетатрону разработки НИИ интроскопии Томского политехнического университета. Такой бетатрон на максимальную энергию электронов 4,5 -н 6 МэВ при потребляемой мощности 2-3 кВт вполне может быть использован для моделирования высокоэнергетической (Е > 0,8 МэВ) электронной компоненты ЕРПЗ.

Бетатрон генерирует не менее чем 2 • 109 электронов за цикл ускорения при частоте импульсов 50, 100 или 200 Гц или 2 • 1011 с-1 при частоте 100 Гц. На таком бетатроне можно моделировать вариации параметров электронного излучения, которые связаны как с движением КА по орбите через радиационные пояса Земли, так и обусловленные отдельными мощными вспышками на Солнце. Поскольку эффективность преобразования исходного спектральноуглового распределения электронов на выходе из бетатрона в полуизотропное распределение с натурными энергетическими характеристиками составляет не ниже 5%, то плотность потока электронов после моделирования достигает 1 • 108 см-2 • с-1 при площади облучения около 100 см2. Такая величина плотности потока достаточна для решения большинства задач наземных испытаний элементов БА КА. Применение развертки электронного пучка позволит добиться более высокой эффективности трансформации при высокой однородности поля облучения. С достаточно высокой точностью реальные параметры электронного пучка (энергия и интенсивность) в каждом импульсе излучения могут быть проконтролированы, соответственно, по величине магнитного поля в момент вывода пучка из ускорительной камеры и по показаниям проходной импульсной ионизационной камеры. На основе этих данных можно

73

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

вносить коррекцию в процесс формирования поля электронного излучения.

Вариации интенсивности излучения в каждом импульсе могут быть выполнены также без изменения энергии ускоренных электронов, если дозированным возмущением изменять число захваченных в ускорение электронов в начальной стадии ускорения. Этот процесс может быть автоматизирован и подчинен управлению по заданной программе.

В силу малогабаритности и транспортабельности бетатрона, его можно использовать в комбинации с другими источниками излучения для воспроизведения высокоэнергетической части космического спектра электронов. Следовательно, бетатрон может быть эффективным средством лабораторного моделирования вариаций высокоэнергетической компоненты электронов естественных и искусственных радиационных поясов Земли.

Выводы

Получены положительные результаты расчетно-экспериментального моделирования натурного спектрально-углового распределения электронов в элементах БА КА на основе бетатрона с выводом электронов из ускорительной камеры и программным управлением энергией электронов в каждом импульсе излучения. Опираясь на опыт работ по разработке бетатронов с различной максимальной энергией можно в короткие сроки создать имитационный стенд, обеспечивающий в круглосуточном режиме необходимые спектрально-угловые характеристики электронного излучения радиационных поясов Земли (включая искусственные радиационные пояса) и заданные временные вариации этих характеристик.

Библиографический список

1. Максимов Ю.А., Зыков В.М. и др. Контроль и диагностика лётных партий электронных компонентов бортовой аппаратуры космических аппаратов навигации и связи //Контроль и диагностика. Спец. выпуск, 2011, с. 59-63.

2. Бежаев Ю.А., Зыков В.М., Лукащук А.А. и др. Методика проведения ускоренных ресурсных испытаний солнечных батарей космических аппаратов на устойчивость к факторам радиационной электризации в лабораторных условиях// Известия Томского политехнического университета, 2008, том.312, №2 Приложение, с.42-46.

74

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6

3. Зыков В.М., Соловьёв Ю.А. Моделирование на ускорителях потока электронов радиационных поясов Земли // Модель космоса: Научно-информационное издание: В 2 т. / Под ред. М.И. Панасюка, Л.С. Новикова. - т.2 Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. - М: КДУ, 2007, с. 800-814.

75