Fagstoff

Ionisert atmosfære – plasma

Publisert: 06.10.2010, Oppdatert: 09.12.2010

Den øvre delen av atmosfæren inneheld nøytrale gassar og plasma. Plasma er ioniserte gassar som har liten energi, mindre enn 100 KeV, og som ikkje lagar spesiell strålingseffekt.

Plasma

Det er to hovudtypar plasma som er viktige for satellittar i jordbaner:

  • plasma med høg tettleik, storleik 106 per cm3 ved ekvator, og låg energi (0,1 eV), som vi finn i ionosfæren ved magnetisk ekvator i ca. 300 km høgd, og
  • plasma med høg energi (5 til 20 KeV) og låg tettleik (<1 per cm3), som vi finn i samband med geomagnetiske stormar.


Satellittar i låge baner med høg inklinasjon kjem inntil nordlyssona. Da vil dei bli utsette for høgenergiplasma med energi i KeV-området.

Plasma fører til elektrostatisk opplading av ulike delar av ein satellitt, sjølv om plasma totalt sett er elektrisk nøytralt. Typisk fart for satellittar i låge jordbaner er 8 km/s. Dei negative elektrona er mykje raskare, og dei vil derfor bombardere satellitten frå alle sider, som om han stod i ro.

Dei positive iona derimot, er langsamare, typisk 1 km/s. Dermed kjem det til ein serie kollisjonar med positive partiklar som hovudsakleg vil vere på framsida av satellitten, i ”baugen”. Dermed vil baksida på satellitten bli meir negativt ladd enn framsida, og vi får spenningsskilnader som kan føre til elektriske utladningar med skade som følgje.

Ein måte å unngå elektrostatisk oppladning med påfølgjande gneistutladning er å bruke elektrisk leiande materiale på overflata. Men dette kan ikkje brukast på solcellepanel som er ekstra sterkt utsette. Ei løysing er å dekkje solcellene med eit nesten gjennomskodeleg materiale som til dømes indiumoksid, som kan redusere den elektriske motstanden og gi ei langsam utjamning av elektriske potensialskilnader.

Høgenergi partikkelstråling

Partiklar med høg energi, hundrevis av KeV, kan valde alvorlege skadar på satellittar i jordbaner. Slike partiklar inneheld hovudsakleg elektron og proton frå det ytre rommet og frå sola. Fluks og energi for desse partiklane er hovudsakleg bestemde av høgd over jordoverflata og av solaktiviteten.

Galaktisk kosmisk stråling inneheld 90 % proton og nokre få alfapartiklar. Energien er i GeV-området, mens fluksen er svært låg, til dømes 2,5 partiklar/cm2/s.

Solvind inneheld hovudsakleg proton og elektron med lågare energi. Gjennomsnittleg tettleik i rolege periodar er ca. 5 proton per cm3, som flyg bort frå sola med ein fart på ca. 400 km/s. Dette svarar til ein fluks på 2 x 108 proton/cm2 med ein gjennomsnittleg energi på nokre keV. I aktive periodar kan fluksverdiane variere med ein faktor på 20, og energien kan gå opp til nokre hundre MeV.

Høgenergipartiklar kan skade elektronikk om bord i satellittar på to måtar:

  • Ein mekanisk kollisjon med krystallstrukturen i eit halvleiargitter kan valde feil i krystallstrukturen, som igjen fører til endra elektriske eigenskapar. Proton valdar meir skade enn elektron.
  • Når positive eller negative partiklar trengjer inn i ein krystallstruktur, fører det til ionisering av materialet. Når slik ionisering blir akkumulert, blir ”samla opp”, kan det etter ei tid føre til skade på halvleiarkomponentar og på dielektrisk materiale.

 

I tillegg til langtidsverknaden av stråling kan vi snakke om momentane endringar.

Den vanlegaste blir på engelsk kalla Single Event Upset (SEU) og går ut på at lagra data endrar verdi. Dette kan bli oppdaga ved hjelp av feilrettande kodar, og så lenge talet på feilaktige bit er tilstrekkjeleg lågt, kan feila rettast opp. Slike feilrettande kodar blir også brukte ved dataoverføringar for å rette bitfeil.

Single Event Latchup (SEL) går ut på at ein digitalkrins blir skadd på ein slik måte at feilen ikkje kan rettast opp, og Single Event Burnout (SEB) vil seie at ei straumforsyning blir skadd slik at det blir kortslutning i systemet.

For å lage stadig meir kompakte elektroniske krinsar blir dimensjonane jamt mindre. Det fører til at krinsane også blir meir sårbare for slike feil. Skjerming av halvleiarkomponentar blir dermed viktigare heile tida.

Relatert innhald

Generelt