Cuando las trampas cargadas o las partículas transitorias de eventos solares o fuentes cósmicas interactúan con las superficies expuestas de las naves espaciales, sus efectos pueden afectar el sistema de varias maneras. Los efectos del entorno espacial natural incluyen carga de naves espaciales, efectos de eventos únicos, dosis ionizante total y daños por desplazamiento. Sin embargo, el efecto específico depende del tipo, la energía y posiblemente la fuente de la partícula del evento. Los iones pesados ​​atrapados no tienen suficiente energía para causar efectos de evento único y generar la ionización requerida y no hacen una contribución significativa a la dosis ionizante total.
Efectos de las partículas espaciales y la radiación en el funcionamiento de los satélitesde las erupciones solares y radiación Si bien los rayos cósmicos galácticos y las partículas del sol cósmico, que están fuertemente influenciados por los protones atrapados en sus cinturones, pueden causar GDA, no se sabe que los electrones causen GDA. Además, aunque sus mecanismos físicos son diferentes, la radiación ionizante del entorno espacial provoca tanto la dosis ionizante total como los efectos de un solo evento.

Carga de nave espacial

La carga de la nave espacial es la carga que se acumula en las superficies de la nave espacial o dentro de la nave espacial. Provoca electrostática de la superficie de una nave espacial con respecto al entorno de plasma circundante y cambios potenciales en diferentes partes de la nave espacial. Los principales entornos espaciales naturales que contribuyen a la carga de las naves espaciales incluyen el entorno de plasma térmico, los electrones de alta energía, la radiación solar y los campos magnéticos. Aunque tiene muchos efectos, las descargas electrostáticas parecen ser las más peligrosas. Las descargas electrostáticas pueden causar daños estructurales, deterioro de los componentes de la nave espacial y anomalías operativas debido a daños en los componentes electrónicos.
carga de la nave espacial, diferencial Se puede dividir en dos como carga superficial y carga dieléctrica interna. La carga superficial puede ser absoluta o diferencial, mientras que el plasma de baja energía (<100 kev) y las corrientes fotoeléctricas provocan la carga superficial. La carga absoluta ocurre cuando el potencial del satélite está igualmente cargado con respecto al plasma ambiental. La carga diferencial ocurre cuando partes de la nave espacial se cargan con diferentes potenciales entre sí. La carga diferencial también puede ser causada por la autosombra del satélite. La carga diferencial de las superficies de las naves espaciales es más dañina que la carga absoluta (en relación con el plasma ambiental). El primero puede tener efectos de descarga que pueden interrumpir las operaciones del satélite, como daños materiales físicos y generación de interferencia electromagnética y pulsos transitorios resultantes.
Los resultados de la descarga también incluyen ruido en los datos y el cableado, la dispersión y la atracción de especies químicamente activas. Se ha informado de carga diferencial después de subtormentas geomagnéticas, lo que resulta en la inyección de electrones kev en la magnetosfera. La carga interna se origina a partir de electrones de alta energía (> 100 kev) y penetran en el equipo de la nave espacial, acumulando la carga dentro de los materiales aislantes. Es más dañino ya que ocurre en materiales dieléctricos y conductores bien aislados que están muy cerca de circuitos electrónicos sensibles. Sobre la base de los datos del satélite combinado de oscilación y efectos de radiación obtenidos en órbita estacionaria, la mayoría de las anomalías de las naves espaciales inducidas por el medio ambiente no se deben a la carga dieléctrica de la superficie ni a fallas de un solo evento. Se debe a la carga dieléctrica profunda y los pulsos de descarga resultantes.

Efectos de evento único

Los efectos de evento único son eventos discretos que ocurren cuando una partícula ionizante de un solo evento ha acumulado suficiente energía en un dispositivo para causar un efecto. Suele ser causada por dos fuentes de radiación espacial, protones de alta energía y rayos cósmicos. Los fenómenos de evento único se pueden clasificar en cuatro, que son los siguientes:
• Accidente de evento único,
• Enganche de evento único,
• Grabación de un solo evento,
• Rotura de puerta de enlace de evento único,
Accidente de evento único, microprocesadorUn cambio de estado causado por iones o radiación electromagnética que golpean un nodo sensible en un dispositivo microelectrónico como una memoria semiconductora o transistores de potencia. Este cambio de estado es el resultado de la carga gratuita creada por la ionización en o cerca de un nodo clave de un elemento lógico, por ejemplo, el bit de memoria. El error que ocurre en la salida o en la operación del dispositivo como resultado de la huelga se denomina error leve. Los mecanismos de colapso de evento único de iones pesados ​​y protones en dispositivos son, por ejemplo, memorias dinámicas de acceso aleatorio y acumulación de energía de rayos cósmicos galácticos en dispositivos.
Efectos de las partículas espaciales y la radiación en el funcionamiento de los satélitesUn solo evento de bloqueo puede causar un reinicio o reescritura en dispositivos normales como componentes analógicos, digitales u ópticos, mientras que puede tener efectos en los circuitos de interfaz circundantes. Un accidente grave de evento único es una interrupción funcional de evento único en el que un accidente de evento único en el circuito de control del dispositivo coloca al dispositivo en un modo de prueba, parada o estado no especificado. Esto detiene las operaciones normales y requiere un reinicio de energía para recuperarse. El enganche de evento único se utiliza en circuitos integrados para identificar un tipo particular de cortocircuito que puede ocurrir en un circuito diseñado defectuoso. Es la generación de un camino de baja impedancia entre los rieles de suministro de energía de un circuito MOSFET que puede desencadenar una estructura parásita que interrumpe el correcto funcionamiento de la pieza y posiblemente provoque su destrucción por exceso de corriente.
Los pestillos de un solo evento son fallas difíciles y pueden causar daños permanentes. Esto puede causar una alta corriente de operación, exceder las especificaciones del dispositivo, bajar el voltaje del bus o dañar la fuente de alimentación. El bloqueo puede ser causado por protones en dispositivos muy sensibles. Un solo evento se borra o se borra mediante un enclavamiento, reinicio de apagado o apagado del dispositivo, y depende en gran medida de la temperatura. Si la energía no se desconecta rápidamente, puede ocurrir una falla catastrófica debido a sobrecalentamiento, metalización o falla del puente. Quema de un solo evento, una potencia transistorEs una condición causada por la condición de alta corriente en el circuito. Es un fenómeno muy localizado, que incluye el quemado de la fuente de drenaje, la ruptura de la puerta, los bits congelados en los MOSFET y BJT de potencia y el ruido en los dispositivos conectados con carga.
La rotura de puerta de evento único es la formación de un camino conductor en el óxido de la puerta o ruptura dieléctrica localizada, que causa una quemadura devastadora. Ocurre en MOSFET, BJT y CMOS. Los eventos de partículas de erupciones solares constituyen el entorno de producción de choques de un solo evento más extremo para las naves espaciales, especialmente en el espacio interplanetario. Los experimentos en el satélite de efectos de radiación mostraron un aumento significativo durante una erupción solar. Según los datos del satélite de efectos de radiación, se ha informado que la mayoría de los colapsos de un solo evento provienen de protones de alta energía a través de interacciones nucleares en lugar de la deposición directa de protones o rayos cósmicos. Para los satélites en órbita terrestre baja, los protones atrapados son la mayor amenaza de efectos de eventos únicos, particularmente en la Anomalía del Atlántico Sur.

Dosis ionizante total

La dosis ionizante total se refiere a la cantidad de energía generada por los procesos de ionización y depositada en materiales como semiconductores o aislantes cuando las partículas energizadas pasan a través de ellos. Puede causar mal funcionamiento del dispositivo o daño biológico a los astronautas. Las cargas varadas de la radiación pueden acumularse en el óxido de puerta de un MOSFET y causar un cambio en el voltaje de umbral. Si el deslizamiento es lo suficientemente grande, dicho dispositivo no se puede apagar incluso cuando se aplican cero voltios. Bajo esta condición, se dice que el dispositivo falla al entrar en modo de agotamiento. La dosis ionizante total se debe principalmente a los electrones y protones del evento de partículas solares y la transición de la Anomalía del Atlántico Sur.
En la órbita terrestre baja, la principal fuente de dosis son los electrones y los protones del cinturón interior, mientras que la fuente principal son los electrones del cinturón exterior y los protones solares en órbita fija. El primer mal funcionamiento del satélite registrado causado por la dosis total fue Telstar. El satélite fue lanzado el día después de la prueba nuclear Starfish el 9 de julio de 1962. El arma nuclear de aproximadamente 1,4 megatones fue detonada aproximadamente a 400 km sobre la isla Johnston en el Océano Pacífico. La explosión produjo partículas beta (electrones) que se inyectaron en el campo magnético de la Tierra, creando un cinturón de radiación artificial. Este cinturón de electrones artificial duró hasta principios de la década de 1970. Como resultado, Telstar recibió una dosis total de 100 veces la esperada antes de fallar por completo. Se sabe que hasta siete satélites dentro de los 7 meses en la prueba nuclear Starfish se producen principalmente por daños en las células solares.

Daño por desplazamiento

Cuando las partículas energéticas caen sobre un material sólido, pierden su energía en los procesos ionizantes y no ionizantes a medida que atraviesan el material. El resultado de la pérdida de energía es el desplazamiento de pares de huecos de electrones y átomos o la generación de daños por desplazamiento. Las vacantes, es decir, la ausencia de un átomo de su posición reticular normal, y las transiciones, es decir, el movimiento de un átomo desplazado a una posición no reticular, son los defectos reticulares primarios creados originalmente. La combinación de una brecha y un espacio intermedio adyacente se conoce como Frenkel o par cercano. Dos vacantes adyacentes pueden crear un defecto conocido como divacancia. Además, se pueden formar grupos más grandes de vacíos locales en el silicio irradiado. Un defecto resultante de las cavidades y los intermedios adyacentes a los átomos de impureza son los complejos defecto-impureza. Después de ser formados por la radiación incidente, los defectos deben reorganizarse para crear una configuración más estable. La medida en que los defectos cambian las propiedades de los materiales y dispositivos semiconductores a granel depende de la naturaleza de los defectos particulares y del tiempo que sigue a la formación del defecto a una temperatura determinada.
Efectos de las partículas espaciales y la radiación en el funcionamiento de los satélitesLa eficacia del daño por desplazamiento inducido por la radiación depende de factores como la condición del bombardeo, el tipo de partícula, la energía, la irradiación y la temperatura de medición, el tiempo después de la irradiación, el historial térmico después de la irradiación, el nivel de inyección, el tipo de material, el tipo de contaminación y la concentración. El daño por desplazamiento provoca el deterioro de los materiales y las propiedades del dispositivo. Representa la colisión entre una partícula entrante y un átomo reticular, lo que hace que el átomo se desplace de su posición reticular original. El daño por desplazamiento también puede reducir la vida útil de los portadores minoritarios y un efecto típico es la distorsión de la ganancia y la corriente de fuga en los transistores bipolares.

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

Escritor: Ozlem Guvenc Agaoglu

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