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가설 설정
- 모델링 후 각각에 대해 구형 분할 방법을 적용하여 각 장치의 위치별 누적 방사선량을 추정하였다. 상세한 기계 구조 모델링은 본체와 탑재체의 정확한 디자인을 입수한 뒤에 수행될 예정이며 본 논문에서는 위성 본체에 의한 차폐 효과를 두께 0.5 mm의 알루미늄으로 이뤄진 구형 껍질 (spherical shell)과 같다고 가정한 뒤 계산하였다.
제안 방법
- 2008년 말에 발사되어 12년간 지구 정지궤도에서 운용될 예정인 통신해양기상위성 대한 우주방사선 환경을 모사하고 주요 탑재체 중 하나인 통신 탑재체 내의 전자 소자에 미치는 효과를 추정하였다. 포획된 전자가 가장 높은 선속을 나타냈으며, 이로 인해 총 이온화 방사선 효과에 가장 큰 영향을 줄 것으로 예상되었다.
- 이러한 고 궤도의 특성을 고려하여 통신해양기상위성의 우주 방사선 환경을 포획된 입자, 태양 양성자 그리고 우주선으로 나누어 시뮬레이션 하였다. 각각에 대해 NASA AP8/AE8, JPL91 그리고 NRL CREME86 모델을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였으몌2~5], 모든 방사선원으로부터 총 이온화 방사능 효과를 계산하기 위해 SHIELDOSE-II 코드를 사용하여 Dose -Depth 곡선을 구하였다. 또한 우주선에 의한 단일사건효과 발생률 계산에 필요한 LET 스펙트럼은 CREME의 내부 코드를 사용하여 계산하였다.
- 위성의 발사 후 임무 수행궤도에 이르기 전까지의 천이 궤도(Geostationary Transfer Orbit, GTO)는 전체 임무 수행 기간에 비해 매우 짧은 시간에 통과하므로 본 시뮬레이션에서 생략하였다. 그리고 위성의 임무수명은 7 년이지만 통신탑재체의 임무수명은 12년을 목표로 하고 있으므로, 12년을 기준으로 시뮬레이션하였다.
- 사용하였다. 또한 두 시뮬레이션 결과에 대해 알루미늄 2 mm로 구성된 차폐물을 통과한 후의 선속 분포를 계산하였다.
- 각각의 우주 방사선원의 시뮬레이션은 NASA AP8/AE8 모델, JPL91 모델 그리고 NRL CREME 모델을 통해 수행되었다. 또한 우주 방사선 환경이 위성 내 통신 탑재체에 미치는 영향을 예측하기 위해 여기서 얻어진 시뮬레이션 결과들을 총 이온화 방사선 효과분석에 필요한 Dose-Depth 곡선과 단일사건효과 분석에 필요한 LET 스펙트럼으로 변환하였으며, 구형 분할 방법 (spherical sector method)을 적용하여 각 장치의 위치별로 예상되는 총 이온화 방사능 효과를 계산하였다.
- 각각에 대해 NASA AP8/AE8, JPL91 그리고 NRL CREME86 모델을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였으몌2~5], 모든 방사선원으로부터 총 이온화 방사능 효과를 계산하기 위해 SHIELDOSE-II 코드를 사용하여 Dose -Depth 곡선을 구하였다. 또한 우주선에 의한 단일사건효과 발생률 계산에 필요한 LET 스펙트럼은 CREME의 내부 코드를 사용하여 계산하였다.
- 그림 10과 그림 11은 주요 장치에 대한 기계적 모델링의 결과를 나타낸다. 모델링 후 각각에 대해 구형 분할 방법을 적용하여 각 장치의 위치별 누적 방사선량을 추정하였다. 상세한 기계 구조 모델링은 본체와 탑재체의 정확한 디자인을 입수한 뒤에 수행될 예정이며 본 논문에서는 위성 본체에 의한 차폐 효과를 두께 0.
- 시뮬레이션에서 구한 에너지에 대한 선속 분포들을 SHIELDOSE-II를 사용하여 Dose-Depth 곡선으로 변환하였다. 포획된 양성자 및 우주선은 각각 낮은 에너지와 낮은 선속으로 인해 고려 대상에서 제외하였다.
- 앞서 통신해양기상위성의 통신 탑재체가 임무 수행 기간 동안 겪게 될 위성 외부의 우주 방사선 환경을 우주 방사선원 별로 구분하여 시뮬레이션 하였다. 이 시뮬레이션에서 구한 선속 분포들을 이용하여 우주 방사선에 의한 전자 소자들의 영향을 예측하기 위해서 총 이온화 방사선 효과에 대해서는 Dose-Depth 곡선으로, 단일 사건효과에 대해서는 LET 스펙트럼으로 변환시켜줘야 한다.
- 다음과 같다(표 2). 위성의 발사 후 임무 수행궤도에 이르기 전까지의 천이 궤도(Geostationary Transfer Orbit, GTO)는 전체 임무 수행 기간에 비해 매우 짧은 시간에 통과하므로 본 시뮬레이션에서 생략하였다. 그리고 위성의 임무수명은 7 년이지만 통신탑재체의 임무수명은 12년을 목표로 하고 있으므로, 12년을 기준으로 시뮬레이션하였다.
- 포획된 양성자 및 전자의 시뮬레이션에는 AP8 모델과 AE8 모델이 각각 사용되었다[2, 3]. 이 모델들은 NASA에서 개발한 실험적 모델(empirical model)로 1960년대에서 1970년대까지 발사된 여러 위성들에서 측정된 데이터들을 축적하여 지구자기좌표(geomagnetic coordinate) 에 대한 적분 선속(integral flux)을 제공한다. 지구 자기권에 포획된 입자들은 태양 주기에 따른 지구 대기 팽창 등에 의해 영향을 받게 되며, 이를 반영하여 NASA 모델에서는 각 입자 별로 태양 극대기용 MAX모델과 태양 극소기용 MIN 모델을 선택할 수 있다[6].
- 하였다. 이 시뮬레이션에서 구한 선속 분포들을 이용하여 우주 방사선에 의한 전자 소자들의 영향을 예측하기 위해서 총 이온화 방사선 효과에 대해서는 Dose-Depth 곡선으로, 단일 사건효과에 대해서는 LET 스펙트럼으로 변환시켜줘야 한다.
- 또한 저궤도에서는 극지방에서만 존재하는 태양 양성자의 경우 바깥쪽 반 알렌 방사선대에 속하는 고 궤도에서는 적도 부근에서도 위성에 영향을 준다. 이러한 고 궤도의 특성을 고려하여 통신해양기상위성의 우주 방사선 환경을 포획된 입자, 태양 양성자 그리고 우주선으로 나누어 시뮬레이션 하였다. 각각에 대해 NASA AP8/AE8, JPL91 그리고 NRL CREME86 모델을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였으몌2~5], 모든 방사선원으로부터 총 이온화 방사능 효과를 계산하기 위해 SHIELDOSE-II 코드를 사용하여 Dose -Depth 곡선을 구하였다.
- 그러므로 통신해양기상위성의 설계 및 제작 단계에서 이러한 우주 방사선 환경을 예측하여 대비하는 것은 필수적이다[2]. 이를 위하여 통신해양기상위성의 통신 탑재체가 임무 수행 중 겪게 될 우주 방사선 환경을 시뮬레이션 하여 포획된 입자들, 태양 양성자, 그리고 우주선으로 나누어 방사선 입자들에 대한 선속 (flux) 분포를 구하였다. 각각의 우주 방사선원의 시뮬레이션은 NASA AP8/AE8 모델, JPL91 모델 그리고 NRL CREME 모델을 통해 수행되었다.
- 차폐 두께 증가에 따른 발생률 감소 효과는 소자의 내성이 강할수록 상대적으로 더 크게 나타났다. 통신 탑재체 내 각 장치 별 위치에 따른 총 이온화 방사능 효과를 예측하기 위해 구형 분할 방법을 적용하여 차폐 효과의 차이를 고려하였다. 예상되는 총 이온화 방사능 효과는 12.
- 통신해양기상위성의 임무에 대한 LET 스펙트럼을 구하기 위해 CREME에 내장된 입자전송 코드(particle transport code)를 이용하여 우주선의 에너지 선속 분포(그림 5)를 LET 스펙트럼으로 변환하였으며 그림 7과 같은 결과를 얻었다. 낮은 LET에서는 차폐 효과가 뚜렷하지만 LET가 200 MeVcrS/mg를 넘어서면 차폐체가 두꺼워 져도 단일사건효과 발생률은 거의 영향을 받지 않을 것으로 예상된다.
대상 데이터
- 포획된 양성자 및 우주선은 각각 낮은 에너지와 낮은 선속으로 인해 고려 대상에서 제외하였다. 차폐물은 알루미늄, 대상 물질은 실리콘이며 차페체 분포는 구형 껍질 형태 (spherical shell type)로 설정하여 계산하였다. 그 결과는 그림 6과 같다.
- 최악의 경우에 대한 시뮬레이션에는 1989년 10 월에 발생한 태양 사건(solar event)의 선속 분포데이터를 사용하였다. 또한 두 시뮬레이션 결과에 대해 알루미늄 2 mm로 구성된 차폐물을 통과한 후의 선속 분포를 계산하였다.
이론/모형
- 이를 위하여 통신해양기상위성의 통신 탑재체가 임무 수행 중 겪게 될 우주 방사선 환경을 시뮬레이션 하여 포획된 입자들, 태양 양성자, 그리고 우주선으로 나누어 방사선 입자들에 대한 선속 (flux) 분포를 구하였다. 각각의 우주 방사선원의 시뮬레이션은 NASA AP8/AE8 모델, JPL91 모델 그리고 NRL CREME 모델을 통해 수행되었다. 또한 우주 방사선 환경이 위성 내 통신 탑재체에 미치는 영향을 예측하기 위해 여기서 얻어진 시뮬레이션 결과들을 총 이온화 방사선 효과분석에 필요한 Dose-Depth 곡선과 단일사건효과 분석에 필요한 LET 스펙트럼으로 변환하였으며, 구형 분할 방법 (spherical sector method)을 적용하여 각 장치의 위치별로 예상되는 총 이온화 방사능 효과를 계산하였다.
- 지구 자기권에 포획된 입자들은 태양 주기에 따른 지구 대기 팽창 등에 의해 영향을 받게 되며, 이를 반영하여 NASA 모델에서는 각 입자 별로 태양 극대기용 MAX모델과 태양 극소기용 MIN 모델을 선택할 수 있다[6]. 우주 방사선 영향 평가는 기본적으로 보수적인 관점을 취하므로 더 높은 선속 분포를 나타내는 AP8MIN모델과 AE8MAX 모델이 선택되었다. 각 모델들의 선속 데이터는 지구자기좌표 (geomagnetic coordinate)# 사용하므로 적절한 변환 기준을 적용하여 지리 좌표 (geographical coordinate)로 변환해 주어야한다.
- 5에서 구한 Dose-Depth 곡선을 이용하여 통신 탑재체 내의 장치별 누적 방사선량을 추정하기 위해서는 각 장치의 위치에서 위성 본체(Platform) 또는 탑재체 덮개 (Payload Housing)에 의한 차폐의 두께 분포를 구해야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 그림 9와 같은 구형 분할 방법(Spherical Sector Method)를 사용하였다[6].
- 각 모델들의 선속 데이터는 지구자기좌표 (geomagnetic coordinate)# 사용하므로 적절한 변환 기준을 적용하여 지리 좌표 (geographical coordinate)로 변환해 주어야한다. 이를 위해 지구자기장 모델로 Jensen Cain 1960 모델을 선택하여 변환의 기준으로 사용하였다. 포획된 양성자 및 전자에 대한 시뮬레이션 결과를 각각 그림 1과 그림 2에 나타냈다.
- 통신해양기상위성의 우주선 환경에 대한 시뮬레이션에는 Naval Research Laboratory에서 개발한 CREME 모델을 사용하였다. 90% worst case cosmic ray(M=3)로 설정하였으며, 태양 양성자와 마찬가지로 지구에 의한 그림자 효과와 지구 자기장에 의한 차폐 효과가 고려되었다.
- 양성자의 경우 100 keV에서 수백 MeV까지, 전자의 경우 수십 keV에서 10 MeV까지의 에너지가 분포하며 고도 및 위도에 따라 크게 달라진다. 포획된 양성자 및 전자의 시뮬레이션에는 AP8 모델과 AE8 모델이 각각 사용되었다[2, 3]. 이 모델들은 NASA에서 개발한 실험적 모델(empirical model)로 1960년대에서 1970년대까지 발사된 여러 위성들에서 측정된 데이터들을 축적하여 지구자기좌표(geomagnetic coordinate) 에 대한 적분 선속(integral flux)을 제공한다.
성능/효과
- CREME 모델을 사용하였다. 90% worst case cosmic ray(M=3)로 설정하였으며, 태양 양성자와 마찬가지로 지구에 의한 그림자 효과와 지구 자기장에 의한 차폐 효과가 고려되었다. 우주선에 대한 CREME 모델을 이용한 시뮬레이션 결과 중에서 양성자와 주요 중이온들에 대한결과를 그림 5에 나타냈다.
- 나타내었다. 단일사건효과가 발생하기 시작하는 문턱 LET가 높을수록, 즉 다시 말해 단일사건효과에 대한 내성이 강할수록 차폐 증가에 의한 발생률 감소 효과가 더 크게 나타났다.
- 알루미늄 차폐체의 두께가 2 nun일 때 500 krad(Si), 4 mm일 때 34 krad(Si)로 예상되었다. 또한 우주선에 의한 단일사건효과 발생률 계산에 필요한 LET 스펙트럼 구하였으며, 총이온화 방사선 효과에 비해 상대적으로 낮은 차폐 효과를 나타내었다. 차폐 두께 증가에 따른 발생률 감소 효과는 소자의 내성이 강할수록 상대적으로 더 크게 나타났다.
- 에너지까지 분포한다. 알루미늄으로 구성된 2mm 차폐물 통과 후의 선속 분포는 저에너지선 속은 크게 줄어들지만 10 MeV 이상의 고 에너지 양성자들은 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 그러므로 위성 내부의 전자 소자에 대한 총 이온화 방사능 효과뿐만 아니라 단일 사건 효과에도 기여할 것으로 예상된다.
- 약 10-100 krad(Si)의 방사선량이 예상되었으며, 동일한 외부 우주 방사선 환경에 대해서 모듈의 기계 구조 및 덮개의 두께에 따라 차폐 효과의 차이에 의해 방사선량이 최고 8배까지 달자질 수 있음을 확인하였다.
- 통신 탑재체 내 각 장치 별 위치에 따른 총 이온화 방사능 효과를 예측하기 위해 구형 분할 방법을 적용하여 차폐 효과의 차이를 고려하였다. 예상되는 총 이온화 방사능 효과는 12.8-99.9 krad(Si)로 최대 8배까지 차이가 나타남을 알 수 있었다. 임무 수행 기간 동안의 발생률은 LET 스펙트럼을 각 소자들의 단일사건효과에 대한 단면적 곡선과 결합하여 예측될 수 있을 것이다.
- 태양 양성자는 최악 상황에서 평소보다 1000배 정도 높은 선속을 나타냈으며, 이로 인한 단일사건효과 발생률을 급격한 증가가 예상되었다. 우주선은 매우 낮은 선속을 나타내어 총 이온화 방사능 효과는 거의 없지만 높은 LET 때문에 단일사건효과에는 크게 기여할 것으로 예상되었다. 총 이온화 방사선 효과의 분석에 필요한 Dose-Depth 곡선을 구하였으며 차폐 증가에 의한 효과가 매우 크게 나타났다.
- 또한 우주선에 의한 단일사건효과 발생률 계산에 필요한 LET 스펙트럼 구하였으며, 총이온화 방사선 효과에 비해 상대적으로 낮은 차폐 효과를 나타내었다. 차폐 두께 증가에 따른 발생률 감소 효과는 소자의 내성이 강할수록 상대적으로 더 크게 나타났다. 통신 탑재체 내 각 장치 별 위치에 따른 총 이온화 방사능 효과를 예측하기 위해 구형 분할 방법을 적용하여 차폐 효과의 차이를 고려하였다.
- 우주선은 매우 낮은 선속을 나타내어 총 이온화 방사능 효과는 거의 없지만 높은 LET 때문에 단일사건효과에는 크게 기여할 것으로 예상되었다. 총 이온화 방사선 효과의 분석에 필요한 Dose-Depth 곡선을 구하였으며 차폐 증가에 의한 효과가 매우 크게 나타났다. 알루미늄 차폐체의 두께가 2 nun일 때 500 krad(Si), 4 mm일 때 34 krad(Si)로 예상되었다.
- 포획된 전자가 가장 높은 선속을 나타냈으며, 이로 인해 총 이온화 방사선 효과에 가장 큰 영향을 줄 것으로 예상되었다. 태양 양성자는 최악 상황에서 평소보다 1000배 정도 높은 선속을 나타냈으며, 이로 인한 단일사건효과 발생률을 급격한 증가가 예상되었다. 우주선은 매우 낮은 선속을 나타내어 총 이온화 방사능 효과는 거의 없지만 높은 LET 때문에 단일사건효과에는 크게 기여할 것으로 예상되었다.
- 포획된 전자가 가장 높은 선속을 나타냈으며, 이로 인해 총 이온화 방사선 효과에 가장 큰 영향을 줄 것으로 예상되었다. 태양 양성자는 최악 상황에서 평소보다 1000배 정도 높은 선속을 나타냈으며, 이로 인한 단일사건효과 발생률을 급격한 증가가 예상되었다.
- 그 결과는 그림 6과 같다. 포획된 전자에 의해 누적되는 방사선량은 알루미늄 차폐 두께가 두꺼워질수록 크게 줄어들지만 태양 양성자는 2 mm 이상의 영역에선 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 차폐 두께가 5 nun를 넘어서면서 태양 양성자의 영향이 포획된 전자보다 크게 나타나지만(표 3) 제동복사(bremsstrahlung) 의 대부분이 전자에 의해 발생하므로 차폐 두께와 무관하게 포획된 전자의 영향이 지배적임을 알 수 있다.
후속연구
- 알루미늄으로 구성된 2mm 차폐물 통과 후의 선속 분포는 저에너지선 속은 크게 줄어들지만 10 MeV 이상의 고 에너지 양성자들은 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 그러므로 위성 내부의 전자 소자에 대한 총 이온화 방사능 효과뿐만 아니라 단일 사건 효과에도 기여할 것으로 예상된다.
- 것을 목표로 2003년 9월에 개발을 시작한정지궤도 위성이다. 임무 수행을 위해 국가재난관리 체계의 구축을 위한 기상관측탑재체, 해양자원 관리 및 해양환경 보전을 위한 해양관측 탑재체, 광대역 위성 멀티미디어 시험 서비스 및 우주인증을 위한 통신탑재체 등이 탑재될 계획이다. 정지궤도위성에 최초로 해수 온도변화를 감시하는 전용센서를 탑재하여 대기, 해수면의 온도 및 수증기량의 변화를 실시간으로 감시할 수 있다.
- 우주선에 대한 CREME 모델을 이용한 시뮬레이션 결과 중에서 양성자와 주요 중이온들에 대한결과를 그림 5에 나타냈다. 태양 양성자보다도 1000배 이상 낮은 선속을 나타내므로 통신해양기상위성 내의 전자 소자에 대한 총 이온화 방사선효과 분석에서는 무시할 수 있으며, 단일 사건효과에 대한 분석에만 고려될 것이다.
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