Měření radiačního stínění z uhlíkových kompozitů pro ochranu elektroniky na nízké oběžné dráze Země

Abstract

Kozmické lode na nízkej obežnej dráhe Zeme sú nepretržite vystavené neľútostnému, zložitému a vysoko dynamickému prostrediu vesmírneho žiarenia blízko Zeme. Satelitné komponenty a najmä štandardná elektronika netolerantná voči radiačnému žiareniu sú obzvlášť citlivé na veľké fluktuácie a výsledné veľké dávky a radiačné účinky vesmírneho prostredia. Na zmiernenie niektorých účinkov radiačného škodenia na elektroniku používa vesmírny priemysel materiály na tienenie žiarenia. V tejto práci je vyvinutá experimentálna technika na meranie, skúmanie a vyhodnocovanie vlastností tienenia materiálov voči žiareniu a aplikovaná na nové kompozitné materiály vyrábané a poskytované tímami materiálového výskumu v Českej republike. V rámci tejto práce sa uskutočnili špecializované vedecké experimenty s mikrotrónovým elektrónovým urýchľovačom, robotickým röntgenovým skenerom a zostavou röntgenového mikrozobrazovania. Okrem toho sa analyzovali aj údaje z cyklotrónového protónového urýchľovača. Celkovo bolo spracované veľké množstvo dát dané veľkým počtom skúmaných vzoriek (spolu 41 vzoriek) a viacerými študovanými radiačnými prostrediami a nastaveniami. Dáta boli veľmi podrobne spracované pomocou niekoľkých algoritmov a softvérových skriptov. Výstup spracovania dát je poskytovaný vo forme fyzikálnych produktov (tok, dávkový príkon, zloženie). Tieto výsledky sú vyhodnocované a prezentované vo forme grafov a taktiež tabuliek s hodnotami normalizovanými pre rovinnú hustotu materiálu. Študované vzorky sa porovnávajú s konvenčnými jadrovými materiálmi štandardne používanými na tienenie žiarenia (napr. Al, Cu, Ta, Pb). Vzhľadom na radiačné prostredie na nízkej obežnej dráhe Zeme majú najlepšie tieniace vlastnosti špecifické skúmané uhlíkové kompozity.

Spacecraft in Low Earth Orbit (LEO) are continuously exposed to the harsh, complex and highly dynamic near Earth space radiation environment. Satellite components, in particular those using standard and COTS electronics are especially susceptible to the large fluences and resulting large doses and radiation effects of the space environment. To mitigate part of the radiation damage effects on electronics, space industry uses materials for radiation shielding. In this work, a novel high-resolution experimental technique to measure, examine and evaluate the radiation shielding properties of materials is developed and applied on novel composite materials produced and provided by material research teams in Czech Republic. Dedicated scientific experiments using a microtron electron accelerator, a robotic X-ray scanner and an X-ray micro imaging setup were conducted as part of this thesis. Additionally, data from a cyclotron proton accelerator were also analyzed. Alltogether, an extensive amount of data was processed given by the large number of samples examined (41 samples in total) and several radiation environments and setups studied. The data was processed in high detail using several algorithms and software scripts. The output of data processing is provided in the form of physical products (flux, dose rate, composition). These results are evaluated and produced as both graphic plots and table format with values normalized for the material's planar density. The studied samples are also compared with conventional nuclear materials standardly used for radiation shielding (e.g. Al, Cu, Ta, Pb). Given the radiation environment in LEO, the best shielding properties belong to specific carbon composites.