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探究——太陽中心橢圓軌域以及空間環境中的放射線

2024-08-10科學

漂移軌域不是像之前說的那樣把航天器放在特定軌域上,而是能夠以逃逸速度發射,然後讓其追蹤地球軌域。

這是一種能量經濟的解決辦法,由於無需插入,這類軌域能提供跟 L2 軌域一樣穩定的熱和動力環境,好處在於用不著車載推進系統。

不過呢,因為推進系統給出的精確脈沖不太確定,所以得有一定的脈沖余量發射出去,免得航天器有返回地球的危險。

在實際操作裏,這讓它每年差不多以 0.1 個天文單位的速度離地球越來越遠,過了幾年,距離變得特別大,得用大型地面天線(像深空網路)才能通訊。

還有一種辦法,就是在那種由於地球導致的觀測限制以及熱輸入能忽略不計的地方(像 0.1 AU 這樣)阻止漂移,不過這得帶上一個推進模組。

【太陽中心橢圓軌域】

要是再進一步加大發射能量,就有機會徹底擺脫地月環境,把飛船送到太陽軌域上去,比如說 1×3 AU 軌域。

它的好處在於,黃道帶背景跟太陽的距離越遠就顯著降低不少(差不多降低三倍),這能給那些受自然背景限制的任務(像紅外光譜這類的)帶來很重要的好處。

雖說日心軌域在能量方面花費更高,能允許的有效載荷品質也少了,可因為背景比較低,所以能夠用更小口徑的望遠鏡。

比如說,有一項針對 NGST 的權衡研究顯示,在 3 天文單位的 6 米望遠鏡的效能跟在 L2 的 8 米望遠鏡差不多。

除了能量會消耗,這種軌域不好的地方在於,航天器快到近日點的時候,離地球和太陽那麽遠的距離,會讓無線電通訊出問題,還會有功率損失。

【月球】

打從阿波羅任務起,月球就一直被視作天文學的絕佳之地,原因在於它好像把地面天文學和太空的優點給融合到一塊兒了。

好多針對探索月球天文學可能性的研究,已經把月球的好處和存在的問題講清楚了。

跟地球類似,月球能提供一個穩定的平台,在這上面能夠安裝大型的、或許分布很廣的大型儀器(像幹涉儀)。要是有載人的月球基地,還能讓望遠鏡和儀器有被維修和升級的機會。

月球差不多沒啥大氣層,跟太空似的,既瞧不見啥,也沒有不透明的情況,到了晚上,月亮還挺冷的。

從技術層面來說,主要的問題在於晝夜的交替。

和在高軌域自由飛行的天文台不一樣,它能隨時護著月球,不讓其受到太陽和地球的放射線。可月球上的天文台會被雜散光給淹沒,在月球當天(就是月球表面溫度達到 400K 的時候)會變得特別熱。

遮蔽沒法充分護住望遠鏡,實際上呢,在月球日的時候觀測根本做不了,這會讓觀測效率降低一半。

就算在月球日的時候沒做觀測,天文台也會有很大的溫度變化,這對光學的排列和機制特別不好。

月球算不上是理想的紅外天文學觀測地,雖說夜間溫度相對低些(土壤溫度是 100 K),可還是比在太空中能被動獲取的超低溫度(30 K)要高。

另外,雖說地球上的重力在那只有地球重力的六分之一,可它的作用對特別大的望遠鏡來說依舊很關鍵。最後,大家都覺得,在月球表面自動弄一個天文台是難到極點的。

【太陽木星拉格朗日點2】

可以講,在整個太陽系裏,最好的天文觀測點或許是太陽 - 木星系統的第二個拉格朗日點。之所以會這樣,是因為木星那超大的尺寸和品質,在其他行星旁邊是沒人能比的。

在一片漆黑的狀況中,處在那個地方的一個天文台也許能達到特別低的溫度,可能會低到 7K,也就是太陽系的平衡溫度。

因為不受避日限制,天空的覆蓋率能近乎達到 100%。最後,用不著遮陽板(這一直是個主要的設計難題),望遠鏡以及有著大孔徑或基線的幹涉儀能放在那裏。

其中存在的一個不足在於,能量得透過熱核的方式來產生。

【空間環境中的放射線】

天基望遠鏡遭遇的放射線狀況可比地面上的放射線狀況嚴峻太多啦。

放射線效應會讓儀器背景增多,高放射線時觀測時間會損失,還會長期退化,會造成探測器和支持電子裝置最終出故障,也會因單粒子撞擊或者放電讓電子裝置突然、永久性地壞掉。

【放射線源】

放射線是個範圍挺廣的說法,涵蓋了粒子的傳遞以及實打實的電磁放射線。

捕獲的電子能量能有 10 兆電子伏,捕獲的質子以及更重的離子能達到數百兆電子伏,太陽質子能量高達數百兆電子伏,重離子能到 GeV 的範疇。

銀河宇宙射線中的質子,其低能階通量較低,能量能高達 TeV 呢,來自這些地方的粒子水平,在很大程度上是由太陽的活動水平決定的。

所以啊,太空望遠鏡碰到的這些粒子的水平,主要是由它軌域的傾角和高度來決定的。

在地球靜止以及高度傾斜的軌域上的望遠鏡,會遭遇到跟磁層之外差不多的瞬態粒子水平。因為這些粒子能量高,想保護望遠鏡系統不被影響根本做不到。

繞著地球軌域飛行的望遠鏡能夠透過飛過地球同步軌域的最高處或者低地軌域的最高處,從而避開被困粒子帶那種高放射線的區域。

哪怕是在這些軌域裏,像南大西洋異常(SAA)很突出的近地軌域,還有地球同步軌域的外邊緣,都會碰到中等程度的捕獲放射線。

遮蔽能有助於減少或者消除電子帶來的影響,可要是想吸收能量更高的質子,就得有大量的遮蔽,而這通常不是望遠鏡設計時會選的。

空間裏存在著一種電子和質子組成的低能電漿,通量能達到 1012 厘米 2/秒,不過薄薄一層材料就能輕松阻擋住這種電漿,所以它對大多數航天器裏的電子裝置沒啥危害。

不過呢,它對於表面材料,像光學塗層這些,造成的損害,電漿環境存在的差異,也許會引發航天器表面充放電的情況。

【放射線效應】

放射線效應涵蓋了表面被侵蝕、電介質充放電還有對電子裝置的破壞。表面侵蝕是太陽風電漿與低能粒子導致的,游離層裏的原子氧以及紫外線的暴露或許也是引起表面侵蝕的因素。

比如說,有部份證據顯示,這些影響合起來或許會讓 HST 上的外部絕緣被侵蝕掉,而航天器充放電得透過恰當的接地以及恰當的介質遮蔽去解決。

通常來講,破壞性最強的放射線效應就是那些會對電子產品產生影響的,而對電子產品的影響能分成兩種:短期的和長期的。

短期效應是單粒子游離造成的,叫「單事件效應」(SEEs),可見光譜是單個帶電粒子穿過電子器件的敏感結導致的,其凈效應就是電路受幹擾,或許會遺失數據(這一效應稱作「單事件中斷」或者 SEU)。

對探測器而言,短期效應沒準也會特別嚴重:要是有個能量足夠大的粒子穿過關鍵的器件區域,甚至能讓其永久失效。

遮蔽對於 see 沒啥太好的效果,這是因為它們是被高能粒子誘匯出來的,要處理破壞性故障,首選的辦法是用 SEE 放射線硬化部件。

長期影響能分成兩類,一類叫總游離劑量(TID),另一類叫位移損傷劑量(DDD)。TID指的是材料裏沈積的累積能量造成電子學長期退化的情況。

DDD 有著差不多的長期降解特點,不過這是源於另外一種機制:材料裏的原子核不在原來的晶格位置了,發生了位移。

隨著時間慢慢過去,可能會有足夠的位移出現,從而改變裝置的特性,其中探測器尤其容易被 DDD 影響到。

這些長期的效應,主要是被卡在範艾倫帶裏的質子和電子,還有太陽事件引發的質子造成的。要是有別的源在,銀河系宇宙射線帶來的影響基本可以不用管。

電子產品能夠「放射線硬化」,以此來減輕這些影響,還能借助遮蔽來消除多數的退化。通常,ccd 會采用重遮蔽,不過過度遮蔽產生的中子會讓 DDD 增多。

【放射線水平與天文台位置的關系】

以下是對太空望遠鏡常見所處位置(像是近地球軌域、地球靜止或地球同步軌域以及第二個拉格朗日點)的空間放射線環境的總結。

在近地軌域上,高能粒子透過範艾倫帶的南大西洋異常現象時會不斷累積。一般來說,典型的航天器遮蔽能吸收能量較低、品質較輕的電子,所以在近地軌域中,大多數放射線效應是由捕獲的質子導致的。

在海拔 1000 公裏以下,總的游離和非游離劑量一般沒啥問題。

LEO 的銀河宇宙射線和太陽粒子環境跟航天器軌域的傾角有關,傾角越大,受到銀河系宇宙射線和太陽粒子的影響也就越大。

另外,這一航天器在磁極上遭遇了高強度的太陽質子和重離子的撞擊,在太陽粒子事件的時候,這些撞擊的水平大幅上升。

一般來說,表面充電和深介電充電對於 LEO 區域的航天器沒啥危險,因為航天器進出被困電子區域的速度太快,電荷沒法有效積累。

【地球靜止軌域和地球同步軌域】

地球同步和地球靜止軌域的粒子暴露主要由外帶電子所主導。

雖說航天器在 36000 公裏的高度,已經超過了外帶峰值粒子的水平,可它們還是會碰到高能電子,並且積累總游離劑量效應。

遮蔽只是一種不太完全管用的辦法,在這一區域也有高水平的低能量捕獲質子出現,而且有可能對探測器產生影響。

高能宇宙射線帶來的單事件效應出現的頻率跟行星際水平差不多,衛星還會時不時地接觸到太陽事件產生的粒子。

雖說地球的磁層平常能給咱們擋一擋太陽質子,可碰上太陽粒子事件它就亂套了,地球觀測航天器就得完完全全暴露在這場風暴當中。

非破壞性的事件有可能把儀器數據給弄臟了,而質子呢,因為總游離劑量還有非游離位移損傷,讓系統的退化變得更嚴重了。

地球衛星一直處在低能和高能電子環境中,這導致航天器充放電成了大問題,電子風暴帶來的電子水平差別也許會讓系統崩潰。

【拉格朗日點2】

在拉格朗日點 2(L2),航天器差不多是在 1 AU 的行星際環境裏,已經遠遠離開了粒子捕獲的範圍。

磁尾翼跟太陽風中電漿存在的差別或許會讓航天器表面產生充電的情況,而且磁尾電漿在太陽風暴的時候還會加速。

不過呢,因為風暴粒子獲取的能量沒有銀河宇宙射線或者太陽粒子那麽多,用來保護航天器免受這些影響的緩解辦法也會涵蓋磁尾族群。

在 l2 這個地方,高能粒子的暴露深受太陽周期的重大影響。太陽處於活躍階段時,航天器碰到來自太陽事件的粒子的可能性大幅提高。

下面這張圖展現的是能量大於 30 MeV 的粒子的累積分布情況,跟 LEO 和 GEO 軌域不一樣,退化效應累積得很慢。

L2 單事件效應所處的環境跟 GEO 差不多,因為銀河宇宙射線帶來了低水平的持續速率,還有太陽質子以及較重離子讓速率突然提高了。

【總結】

最後,得把在轉移或者分段軌域去 L2 時碰到的環境考慮進去,有些軌域相位得長時間經過被捕獲的質子和電子帶。

在質子帶峰值處進行觀測,其風險水平跟太陽質子事件峰值時所發現的風險水平差不多,而電子的積累會造成表面和深介質充電的風險。

參考的文獻:

【2】Bely,紐約和布雷肯裏奇,主編。,太空望遠鏡和儀器,SPIE計畫,1494卷,第86-233頁,1991.

【3】貝利和彼得羅,演講,美國國家航空暨太空總署總部,1999.

【4】荷姆斯-Siedle A. 【牛津大學放射線效應手冊】,亞當斯。出版社,1993年,第16頁.

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