Fagstoff

Ionisert atmosfære – plasma

Publisert: 01.09.2010, Oppdatert: 07.11.2011
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

Den øvre delen av atmosfæren består av nøytrale gasser og plasma. Plasma er ioniserte gasser som har liten energi, mindre enn 100 KeV, og som ikke lager spesiell strålingseffekt.

Plasma

Det er to hovedtyper plasma som har betydning for satellitter i jordbaner:

  • høy tetthet, størrelsesorden 106 per cm3 ved ekvator, og lav energi (0,1 eV), som vi finner i ionosfæren ved magnetisk ekvator i ca. 300 km høyde, og
  • høy energi (5 til 20 KeV) og lav tetthet (<1 per cm3), som vi finner i forbindelse med geomagnetiske stormer.


Satellitter i lave baner med høy inklinasjon kommer i berøring med nordlyssonen. Da vil de bli utsatt for høyenergiplasma med energi i KeV-området.

Plasma fører til elektrostatisk oppladning av forskjellige deler av en satellitt, selv om plasma totalt sett er elektrisk nøytralt. Typiske bevegelseshastigheter for satellitter i lave jordbaner er 8 km/s. De negative elektronene beveger seg mye raskere, og de vil derfor bombardere satellitten fra alle sider, som om den stod i ro.

De positive ionene derimot, beveger seg langsommere, typisk 1 km/s. Dermed oppstår det en serie kollisjoner med positive partikler som hovedsaklig vil være på forsiden av satellitten, i ”baugen”. Dermed vil baksiden på satellitten bli mer negativt ladet enn forsiden, og vi får spenningsforskjeller som kan føre til elektriske utladninger med påfølgende skade.

En måte å unngå elektrostatisk oppladning med påfølgende gnistutladning er å bruke elektrisk ledende materiale på overflaten. Dette kan imidlertid ikke brukes på solcellepaneler som er ekstra sterkt utsatt. En mulighet er å dekke solcellene med et nesten gjennomsiktig materiale som for eksempel indiumoksid, som kan redusere den elektriske motstanden og gi en langsom utjevning av elektriske potensialforskjeller.

Høyenergi partikkelstråling

Partikler med høy energi, hundrevis KeV, kan forårsake alvorlige skader på satellitter i jordbaner. Slike partikler består hovedsakelig av elektroner og protoner fra det ytre rom og fra solen. Fluks og energi for disse partiklene er hovedsakelig bestemt av høyde over jordoverflaten og av solaktiviteten.

Galaktisk kosmisk stråling består for 90 % av protoner samt noen få alfapartikler. Energien er i GeV-området, mens fluksen er meget lav, for eksempel 2,5 partikler/cm2/s.

Solvind består hovedsakelig av protoner og elektroner med lavere energi. Gjennomsnittlig tetthet i rolige perioder er ca. 5 protoner per cm3 som beveger seg bort fra sola med en hastighet på ca. 400 km/s. Dette tilsvarer en fluks på 2 x 108 protoner/cm2 med en gjennomsnittlig energi på noen keV. I aktive perioder kan fluksverdiene variere med en faktor på 20, og energien kan gå opp til noen hundre MeV.

Høyenergipartikler kan skade elektronikk ombord i satellitter på to måter:

  • En mekanisk kollisjon med krystallstrukturen i et halvledergitter kan forårsake feil i krystallstrukturen, som igjen fører til forandrede elektriske egenskaper. Protoner forårsaker mer skade enn elektroner.
  • Når positive eller negative partikler trenger inn i en krystallstruktur, fører det til ionisering av materialet. Når slik ionisering akkumuleres, ”samles opp”, kan det etter en tid føre til skade på halvlederkomponenter og på dielektrisk materiale.

Ved siden av langtidsvirkningen av stråling kan vi snakke om momentane forandringer.

Den vanligste kalles på engelsk Single Event Upset (SEU) og består i at lagrede data forandrer verdi. Dette kan oppdages ved hjelp av feilrettende koder, og så lenge antallet feilaktige bit er tilstrekkelig lite, kan feilene rettes opp. Slike feilrettende koder brukes også ved dataoverføringer for å rette bitfeil.

Single Event Latchup (SEL) består i at en digitalkrets blir skadet på en slik måte at feilen ikke kan rettes opp, og Single Event Burnout (SEB) betyr at en strømforsyning blir skadet slik at det blir kortslutning i systemet.

For å lage stadig mer kompakte elektroniske kretser gjøres dimensjonene stadig mindre. Det fører til at kretsene blir stadig mer sårbare for slike feil. Skjerming av halvlederkomponenter blir dermed stadig viktigere.

Relatert innhold

Faglig

Til fordypning

Generelt