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문제 정의
- 본 논문에서는 2016년 정지궤도에 발사예정인 차기군 통신위성에 탑재되는 디지털채널처리부(Digital Channel Amplifier, DCAMP)가 운용되는 우주방사능 환경 및 총누적방사선량 영향에 관하여 분석하였다.
- 본 논문에서는 위성체 외부 방사능 환경으로서 지구 자기장 내부에 포획되어 활동하는 포획된 양자 및 전자가 고려되며, 태양에서 전달되는 태양 양성자가 고려되었다. 또한 TID에 영향을 미치는 방사능은 포획된 양자 및 전자와 태양 양성자임을 알 수 있었다.
- 축적된 방사선량 분석의 목적은 예상되는 수명주기 동안 해당 부품에 축적되는 방사능의 총 조사량이 부품이 정상적으로 동작할 수 있는 방사능 조사량보다 충분히 적은 것인지 확인하는 것으로 그렇지 못한 부품이 있을 경우 통상적으로 다음과 같은 보완 작업을 통해 방사능으로 인한 저하 위험을 회피하고자 한다.
제안 방법
- 그러나 본 분석에서는 상기 언급한 일반적인 방안을 적용하기에는 개발단계(EM: Engineering Model)에 따른 제약사항으로 인해 Tailoring된 분석 방안을 적용하였다.
- 지구 자기권 내부에 포획되어 활동하는 양자 및 전자로 구분하여 디지털채널처리부에 영향을 미치는 우주 방사능 외부환경을 분석하였다. 또한, 우주방사능 외부 환경이 디지털채널처리부 내부에 전달되면서 구성되는 내부 환경 스펙트럼을 분석하였으며 그에 대한 특성분석과 알루미늄 차단 구조물을 통과한 후의 포획된 양자와 태양양자 유속 스펙트럼을 비교 분석하였다. 마지막으로, 디지털 채널처리부의 임무수행 중 계속적으로 피폭되는 전체 방사선량을 위성체 알루미늄 두께에 따른 피폭된 전체량을 분석하였다.
- 또한, 우주방사능 외부 환경이 디지털채널처리부 내부에 전달되면서 구성되는 내부 환경 스펙트럼을 분석하였으며 그에 대한 특성분석과 알루미늄 차단 구조물을 통과한 후의 포획된 양자와 태양양자 유속 스펙트럼을 비교 분석하였다. 마지막으로, 디지털 채널처리부의 임무수행 중 계속적으로 피폭되는 전체 방사선량을 위성체 알루미늄 두께에 따른 피폭된 전체량을 분석하였다.
- 본 논문에서 언급한 우주방사능 영향 분석은 2016년 정지궤도에 발사예정인 차기군통신위성에 탑재되는 정지 궤도 위성중계기의 우주방사능 환경 및 TID 영향을 우주 방사능 해석 소프트웨어인 SPENVIS를 활용하여 분석하였다.
- 그러나 차기군통신위성에 탑재될 디지털채널처리부의 위성체 종류 및 위성체 패널 내 탑재 위치 등이 미정인 상태에서 3차원적인 기구 구조물에 대한 별도의 복잡한 해석이 필요한 구형 분할 분석을 수행했을 때의 결과(TID)의 신뢰성 및 그 결과에 따른 대책 수립의 적절성에 대한 추가적인 논의가 필요하다. 본 논문에서는 그림 7과 같이 단순화된 모델링 및 최악조건에 가까운 분석을 수행하여 기구물 두께를 5mm 추정하여 TID를 계산하고, 개별 부품 설계 방사선량과의 비교를 통해 선정된 부품의 방사능 요구사항(Radiation Requirement) 만족 여부를 1차적으로 분석하였다. 위성체 구조 및 전자박스 하우징의 두께의 합을 5mm 정도로 고려하면 약 88krad의 총 방사량이 누적된다.
- 또한 TID에 영향을 미치는 방사능은 포획된 양자 및 전자와 태양 양성자임을 알 수 있었다. 우주방사능 외부환경이 위성체 내부로 통과된 후 구성되는 내부 방사능 환경 스펙트럼을 분석하였으며, 그에 대한 영향을 분석하였다. 저 에너지 입자는 알루미늄 차단 구조물을 이용하여 방사능 영향을 효과적으로 차단할 수 있음을 알 수 있었으나, 고 에너지 입자의 경우 구조물의 두께를 증가하여도 방사능 영향을 효과적으로 차단할 수 없음을 알 수 있었다.
- 위성체 구조 및 전자박스 하우징의 두께의 합을 5mm 정도로 고려하면 약 88krad의 총 방사량이 누적된다. 이를 각 반별 능동소자에 대한 설계 방사선량 레벨 값과 비교하여 분석하였다.
- 정지궤도에서 디지털채널처리부가 겪게 될 우주방사선 환경을 모사하기 위한 임무수행 궤도 정보는 표 1과 같다. 임무수명을 최악조건을 고려하여 18년을 목표로 하여 전산모사를 하였다. 특히, 고 궤도의 특성을 고려하여 우주 방사선 환경을 포획된 입자, 태양 양성자로 구분하였다.
- 지구 자기권 내부에 포획되어 활동하는 양자 및 전자로 구분하여 디지털채널처리부에 영향을 미치는 우주 방사능 외부환경을 분석하였다. 또한, 우주방사능 외부 환경이 디지털채널처리부 내부에 전달되면서 구성되는 내부 환경 스펙트럼을 분석하였으며 그에 대한 특성분석과 알루미늄 차단 구조물을 통과한 후의 포획된 양자와 태양양자 유속 스펙트럼을 비교 분석하였다.
- 태양 양성자의 경우 포획된 양성자와는 달리 공간적 분포나 에너지 분포가 불안정하므로 누적 효과인 총 이온화 방사선 효과의 평가에는 평균화된 모델인 JPL91 모델을 사용하는 반면, 순간 효과인 단일사건 효과의 평가에는 CREME 모델을 사용하여 태양 양성자에 대한 최악의 경우(Worst Case)를 분석한다. JPL91 모델을 이용한 분석에서 신뢰 수준은 95%로 설정하였으며, 지구에 의한 그림자 효과와 지구 자기장에 의한 차폐효과가 고려되었다.
- 임무수명을 최악조건을 고려하여 18년을 목표로 하여 전산모사를 하였다. 특히, 고 궤도의 특성을 고려하여 우주 방사선 환경을 포획된 입자, 태양 양성자로 구분하였다. 각각에 대해 NASA AP8/AE8, JPL91 그리고 NRL CRE ME86 모델을 사용하여 전산모사를 수행하였다[3].
- 이 분석을 통하여 총누적방사선량 계산 및 부품 쉴딩이 고려되어야 한다. 특히, 총누적방사선량 분석은 부품에 축적되는 방사선량과 부품의 설계 방사선량 조사를 통해 각 부품의 설계 방사선량이 예측된 방사선량과 비교하여 충분한 여유를 가지고 있는지 분석한다. 여기서 “설계 방사선량”은 개별 능동소자가 기능이나 성능의 오류 없이 동작할 수 있는 방사능 축적량을 의미하며 제조사 제공자료 또는 신규 시험을 통해 얻을 수 있다.
대상 데이터
- 최악의 경우에 대한 시뮬레이션에는 1989년 10월에 발생한 태양사건의 선속 분포 데이터를 사용하였다. JPL91모델로부터 구한 태양 양성자의 선속 분포(그림 4)의 경우 포획된 양성자가 전자에 비해 훨씬 낮은 선속을 나타내지만 200 MeV의 높은 에너지까지 분포한다.
이론/모형
- 태양 양성자의 경우 포획된 양성자와는 달리 공간적 분포나 에너지 분포가 불안정하므로 누적 효과인 총 이온화 방사선 효과의 평가에는 평균화된 모델인 JPL91 모델을 사용하는 반면, 순간 효과인 단일사건 효과의 평가에는 CREME 모델을 사용하여 태양 양성자에 대한 최악의 경우(Worst Case)를 분석한다. JPL91 모델을 이용한 분석에서 신뢰 수준은 95%로 설정하였으며, 지구에 의한 그림자 효과와 지구 자기장에 의한 차폐효과가 고려되었다. 태양 양성자 효과는 태양 활동의 극대기에서 고려된다.
- 특히, 고 궤도의 특성을 고려하여 우주 방사선 환경을 포획된 입자, 태양 양성자로 구분하였다. 각각에 대해 NASA AP8/AE8, JPL91 그리고 NRL CRE ME86 모델을 사용하여 전산모사를 수행하였다[3]. 모든 방사선원으로부터 총 이온화 방사능 효과를 계산하기 위해 SHILDOSE-II 코드를 사용하여 Dose-Depth 곡선을 구하였다.
- 각각에 대해 NASA AP8/AE8, JPL91 그리고 NRL CRE ME86 모델을 사용하여 전산모사를 수행하였다[3]. 모든 방사선원으로부터 총 이온화 방사능 효과를 계산하기 위해 SHILDOSE-II 코드를 사용하여 Dose-Depth 곡선을 구하였다.
- 각 모델들의 선속 데이터는 지구자기좌표를 사용하므로 적절한 변환 기준을 적용하여 지리좌표로 변환해 주어야 한다. 이를 위하여 지구자기장 모델로 Jensen Cain 1960 모델을 선택하여 변환의 기준으로 사용하였다[4].
- 포획된 양성자 및 전자의 전산모사에는 AP8 모델과 AE8 모델이 각각 사용되었다. 이 모델들은 NASA에서 개발한 실험적 모델로 1960년대에서 1970년대까지 발사된 여러 위성들에서 측정된 데이터들을 축적하여 지구자기좌표에 대한 적분 선속을 제공한다.
성능/효과
- 본 논문에서는 위성체 외부 방사능 환경으로서 지구 자기장 내부에 포획되어 활동하는 포획된 양자 및 전자가 고려되며, 태양에서 전달되는 태양 양성자가 고려되었다. 또한 TID에 영향을 미치는 방사능은 포획된 양자 및 전자와 태양 양성자임을 알 수 있었다. 우주방사능 외부환경이 위성체 내부로 통과된 후 구성되는 내부 방사능 환경 스펙트럼을 분석하였으며, 그에 대한 영향을 분석하였다.
- 즉, 에너지의 세기가 적은 양자는 알루미늄 구조의 차단에 의하여 그 방사량을 효과적으로 감소시킬 수 있으나 에너지가 큰 양자의 경우 알루미늄 구조의 두께를 증가시켜도 방사량 감소효과는 거의 동일한 것으로 분석되었다. 마지막으로 디지털채널처리부가 탑재될 위성체의 임무수명기간 동안 전자부품에 계속적으로 피폭되는 전체방사량을 차폐물의 두께에 대한 차폐물 통과 후 누적되는 이온화 방사선량으로 나타내었으며, 이 값들은 차기 정지궤도 위성의 전자부품의 선택기준 및 위성체 구성품의 구조물 두께를 설정할 수 있는 기준으로 제시하였다.
- 그리고 그림 2~그림 5 의 전산모사 결과는 각각의 방사능 외부환경이 알루미늄 재질의 차단 구조물을 통과한 후 위성체 총 수명주기 동안 축적되는 총 방사량 합을 나타낸다. 알루미늄 구조의 두께가 증가함에 따라 포획된 전자의 방사량은 효과 적으로 감소됨을 알 수 있었다. 포획된 전자 값은 전자와 알루미늄의 상호작용에 의하여 생성된 2차 방사능에 의한 영향을 포함한다.
- 우주방사능 외부환경이 위성체 내부로 통과된 후 구성되는 내부 방사능 환경 스펙트럼을 분석하였으며, 그에 대한 영향을 분석하였다. 저 에너지 입자는 알루미늄 차단 구조물을 이용하여 방사능 영향을 효과적으로 차단할 수 있음을 알 수 있었으나, 고 에너지 입자의 경우 구조물의 두께를 증가하여도 방사능 영향을 효과적으로 차단할 수 없음을 알 수 있었다.
- 정지궤도의 우주환경에서 약 5mm 정도 이상의 두께에는 그 이상의 방사능 차단 효과가 미약한 것을 알 수 있었으며, 최소 5mm 이상의 평균 알루미늄 차단두께를 고려하고 있는 일반적인 위성체와 비교하였을 경우 구조설계는 우주 방사능과 관련하여 매우 효과적으로 설정되었음을 알 수 있었다. 즉, 에너지의 세기가 적은 양자는 알루미늄 구조의 차단에 의하여 그 방사량을 효과적으로 감소시킬 수 있으나 에너지가 큰 양자의 경우 알루미늄 구조의 두께를 증가시켜도 방사량 감소효과는 거의 동일한 것으로 분석되었다.
- 정지궤도의 우주환경에서 약 5mm 정도 이상의 두께에는 그 이상의 방사능 차단 효과가 미약한 것을 알 수 있었으며, 최소 5mm 이상의 평균 알루미늄 차단두께를 고려하고 있는 일반적인 위성체와 비교하였을 경우 구조설계는 우주 방사능과 관련하여 매우 효과적으로 설정되었음을 알 수 있었다. 즉, 에너지의 세기가 적은 양자는 알루미늄 구조의 차단에 의하여 그 방사량을 효과적으로 감소시킬 수 있으나 에너지가 큰 양자의 경우 알루미늄 구조의 두께를 증가시켜도 방사량 감소효과는 거의 동일한 것으로 분석되었다. 마지막으로 디지털채널처리부가 탑재될 위성체의 임무수명기간 동안 전자부품에 계속적으로 피폭되는 전체방사량을 차폐물의 두께에 대한 차폐물 통과 후 누적되는 이온화 방사선량으로 나타내었으며, 이 값들은 차기 정지궤도 위성의 전자부품의 선택기준 및 위성체 구성품의 구조물 두께를 설정할 수 있는 기준으로 제시하였다.
후속연구
- 그러나 차기군통신위성에 탑재될 디지털채널처리부의 위성체 종류 및 위성체 패널 내 탑재 위치 등이 미정인 상태에서 3차원적인 기구 구조물에 대한 별도의 복잡한 해석이 필요한 구형 분할 분석을 수행했을 때의 결과(TID)의 신뢰성 및 그 결과에 따른 대책 수립의 적절성에 대한 추가적인 논의가 필요하다. 본 논문에서는 그림 7과 같이 단순화된 모델링 및 최악조건에 가까운 분석을 수행하여 기구물 두께를 5mm 추정하여 TID를 계산하고, 개별 부품 설계 방사선량과의 비교를 통해 선정된 부품의 방사능 요구사항(Radiation Requirement) 만족 여부를 1차적으로 분석하였다.
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