Тяжелые ядра в космосе – источник радиационной опасности вблизи 

Земли и в межпланетном пространстве

Heavy Nuclei in Space – the Source of Danger

in the Vicinity of the Earth and in the Interplanetary Space

Mikhail PanasyukMoscow State University

Space Weather Effects on Humans:in Space and on Earth

International ConferenceSpace Research Institute

Moscow, RussiaJune 4-8, 2012

Apollo –11N. ArmstrongB. AldrinM. Collins

GCR (Fe)

The first “visualization” of HZE

Absorbed dose 0,5 Zv

Electrons

Nuclei

HZE particles effects

#

# S

EE

SEE

Years

Minimum of SA

Maximum of SA

Одиночные сбои и поток ГКЛ

Single Events Effects

HZE particles impact on microchips

HZE particles in the Earth’s Environment

Внешний пояс - р до ~ МэВ - е до нескольких МэВ

Внутренний пояс - р до сотен МэВ - е до нескольких МэВ

~7Rз

The Earth’s Radiation Belts

Потоки электронов и протонов различных энергий в плоскости геомагнитного экватора.

R - расстояние от центра Земли, выраженное в радиусах Земли. Стабильный пояс электронов с Ee > 20 МэВ выделен жирной

линией

Energy spectra of cosmic radiation

Solar wind (H)

Solar energetic particles Galactic and extragalactic

cosmic rays (H)

lg E (eV/nucl)3 9 12

10

-10

0

lg I

1 MeVn

6

1 GeVn 1 TeVn1keV/n

Radiation belts

Низкие высотыLow altitudes (LEO)

Радиационное окружение Земли

ISS

400 km

South Atlantic Anomaly

h=500km, 1970, B model JSFC12/66(1970)

AE8max

Магнитное поле

Частицы

h = 400 km

ЮАА

Ши

ро

та,

град

Долгота, град

SEE in the SAA

1980 1990 2000 2010Год

1E+1

1E+2

1E+3

1E+4

Пот

ок, 1

/(см

2 с)

L=1.14

L=1.16

L=1.18

L=1.20

протоны,>40 MэВ

W

Solar cycle dependence.

Protonflux

year

Atmospheric density

Secular Variations of Geomagnetic Field (Model IGRF)SAA: magnetic field secular variations

1950 1980 2010

- Magnetic field become weaker ( at h = const) - SAA moving to the west

~ 25 µ

CR track

Interection region

Sensitive region ~ 5 µ

neutrons

pα

Mg

Shielding

Semiconductor chip

Solar neutrons

Local neutrons

Albedoneutrons

GCR protons

Neutron Environment

0.1 1 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5

Ý í åðãèÿ , Ì ýÂ

1E-3

1E-2

1E-1

1E+0

1E+1

1E+2

1E+3

1E+4

1E+5

1E+6

1E+7

1E+8

1E+9

1E+10

1E+11

1E+12

1E+13

Ïîò

îê, 1

/(ñì

2*Ì

ýÂ)

Çàù èòà -10 ã/ñì 2

Ñ Ê Ë"î ò ê ð û ò û é ê î ñì î ñ"

ÃÊ Ë"î ò ê ð û ò û é ê î ñì î ñ"

n ÑÊËn ÃÊË

p ÑÊË

p ÃÊË

Secondary protons&neutrons

Local neutrons generation vs S/C mass

МИР

Neutron dose equivalent(μSv/h) Neutron dose equivalent rate was estimated using theenergy spectrum with the ICRP-74 coefficient .

Neutron dose equivalent (Goka et al)(From March 23 to July 7, All orbit)

650-750 км 1250-1350 км

2450-2550 км

Спутник APEX, эллиптическая орбита

Altitude dependence of SEE

SEP

Solar wind (H)

Solar cosmic rays

Galactic cosmic rays

lgE (эВ/нукл)3 9 12

1010

10-10

100

По

ток

час

тиц

, о

тн.е

д

1 МэВ/нукл

6

1 ГэВ/ нукл 1 ТэВ/ нукл1кэВ/нукл

Solar Energetic Particles

SEE during SEP’s events and modeling of SEE

SEE at LEO

How many HZE particles in SEP events?

HZE abundance in SEP

1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5E MeV

1E-71E-61E-51E-41E-31E-21E-1

1E+01E+11E+21E+31E+41E+51E+61E+71E+81E+9

1E+101E+11

Flu

ence

#/(

cm**

2*M

eV)

p

Fe

2000/07/1472 hours

ULEIS

SIS

GOES-8

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5E MeV

1E-5

1E-4

1E-3

1E-2

1E-1

1E+0

Flu

ence

(Fe)

/Flu

ence

(p)

2000/07/14 - Fluence 72 hours

P**G

E**G

Nymmik, 2012,private communication

HZE abundance in SEP

1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6E MeV

1E-81E-71E-61E-51E-41E-31E-21E-1

1E+01E+11E+21E+31E+41E+51E+61E+71E+81E+9

1E+101E+11

F #

/(cm

**2*

MeV

)p

O

Fe

Abundance of HZE particles on the tail of SEP’s events is unerestimated?

Nymmik, 2012,private communication

«Нейтронный отклик» солнечных вспышек

“Neutron’s response” of solar flares

Neutron dose equivalent(μSv/h)

We have investigated the neutron dose equivalent insidethe ISS on the influence of solar flare.

Neutron dose equivalent(For 24 hours from 12(UT) on April 15)

Animation\animation.htm

Galactic cosmic rays

Галактические космические лучи

Потоки солнечнойплазмы

Направление

вращения

Солнца

Межпланетное магнитное поле Магнитосфера

планеты

R1 R2 R3< <

ГКЛ

GCR modulation

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015

Jo

(> 0

.1 G

eV

), m

-2s

-1s

r-1

Year

?

Instead of conclusions

PROBLEMS (just a sketch)

PROBLEMS

1. Limitation of knowledge to estimate the real risk

Роль фрагментов ядерных реакций p +Si

Продукты ядерного взаимодействия протонов КИ с материалом бортовой электроники генерируют с электронно-дырочные пары и дефекты, приводящие к сбою электроники

1Е-5

10 20 30 40 50 60 70 80

Порог

Насыщение

N Ne Ar Cu Kr Xe

Сеч

ени

е, с

бо

ев/ ч

асти

ц/ с

м2

ЛПЭ, МэВ /см2 /мг

1Е-3

## SEE vs LTE

However…

• Результаты испытаний

HXRHPPC на ТЗЧ

• Lintz et al, “ Single Event Effects

Hardening andCharacterization of Honeywell’s RHPPC

ProcessorIntegrated Circuit”

Rat’s expedition to Mars

Rat’s behavior is changing after 3 month’sof HZE exposure !

Expedition to Mars

Do we need one way ticket?

PROBLEMS

2. Limitation of on ground facilities for modeling of space environment

1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5

Ý í åðãèÿ , Ì ýÂ

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

1E-2

1E-1

1E+0

1E+1

1E+2

1E+3

1E+4

1E+5

1E+6

1E+7

Ïîò

îê,

íåéò

ð./(

ñì2

ñ Ì

ýÂ)

Àòì î ñô åðà Çåì ë è (â û ñî òà -16 êì , ø è ðî òà -56N)

Ï î â åðõí î ñòü Ë óí û

Ï î â åðõí î ñòü Ì àðñà

Í åé òðî í û î ò ÃÊËÌ àêñè ì óì ÑÀ - ñï ë î ø í û åÌ è í è ì óñ ÑÀ - ï óí êòè ðí àÿ

Neutrons in space and in the Earth’s atmosphere

How to minimize risk from HZE?

Electronics Onground space qualification tests (certification)

with using of accelerator’s facilities – just a black hole for funds

What to do ?- To combine design/manufacturing process with

radiation testing - To imply special soft/scheme/construction decisions to minimize SEE - Planning of missions

ЮАА

Ши

ро

та,

град

Долгота, град

Одиночные сбои в ЮААPlanning of missionsSpacecraft is a robot, but with elements a manual management by people

How to minimize risk from HZE?

Humans- To combine design/manufacturing process with

radiation testing

- To imply special soft/scheme/construction

decisions to minimize SEE

- Planning of missions, new estimation of risks

How to minimize risk from HZE?

Humans Planning of missions

Probably, we are on a way of developing temporal limitation for long-duration space missions on concept of new risk’s estimation

Time – the only real shield against HZE particles for human’s body in space

Thank you