رضا امجدی فرد
-
فرآیند شناسایی و اولویت بندی فناوری های چالشی در توسعه فناوری های کلیدی در ساخت یک ماهواره به منظور توسعه بومی، یک فرآیند چند مرحله ای و رفت و برگشتی خواهد بود که نیازمند استفاده از خرد جمعی و دخیل کردن نظرات کلیه ذینفعان در کنار استفاده از روش های تحلیلی به منظور شناسایی الزامات و ارزیابی گزینه ها است. این فرآیند با شناسایی افراد خبره در هر حوزه تخصصی شروع شده و در ادامه با استخراج داده های مورد نیاز و ارزیابی آنها به اولویت بندی گزینه های فناوری، شناسایی فناوری های چالشی و استراتژی اکتساب مورد نیاز و در نهایت اولویت بندی آنها ختم می گردد. در این مقاله روشی به منظور شناسایی و اولویت بندی فناوری های اساسی زیرسیستم توان الکتریکی در یک ماهواره پیاده سازی شده تا به کمک نتایج آن درخصوص توسعه بومی فناوری های ضروری زیرسیستم فوق تصمیم گیری و اقدام نمود. به منظور ارزیابی بهتر نتایج، اجزای زیرسیستم توان به سه دسته که شامل منابع تولید انرژی، منابع ذخیره ساز انرژی و نهایتا مدارهای الکترونیکی می باشند، تقسیم بندی شده اند. نتایج حاصل از اجرای روش پیشنهادی حاکی از مناسب بودن روش پیشنهادی است. می توان از این روش برای سایر زیرسیستم ها یا در سطوح پائین تر نیز استفاده نمود.کلید واژگان: زیرسیستم توان الکتریکی, فناوریهای فضایی, اولویت بندی, تصمیم گیری چند معیاره, روش جمع وزنیThe prioritization and verification of space emerging technologies is a multi-step, iterative process that needs to collective intelligence (the participation of all stakeholders), as well as the use of analytical methods to identify requirements. This process begins with identifying specialists who have enough knowledge and experience regarding to each technology, and followed by extracting and evaluating the necessary data, prioritizing technology options, identifying challenging technologies and the essential acquisition strategy, and finally prioritizing them. In this article, we implemented a method to identify and prioritize some space technologies which could be used in the electrical power subsystem (EPS) of a satellite. Based on the results, it would be possible to choose the best method to access the required technology; national development or benefiting of available technology in the market. To evaluate the suggested method, the power subsystem components are divided into three categories: electrical power generation sources, energy storage sources, and power electronic circuits. Applying the proposed method shows that the selected technologies are those is recently used in space. This method can also be applied to other subsystems.Keywords: Electrical Power Subsystem, Space Technologies, Prioritization, Multiple Criteria Decision Making, Simple Additive Weighting
-
تشعشعات فضایی یکی از چالش های طراحی ماهواره در سطح سیستم است. پرتوهای فضایی منجر به افت کارایی یا ایجاد خرابی های دائمی در قطعات و تجهیزات به کارگرفته شده در ماهواره ها را دارند. در مقاله حاضر با رویکرد شبیه سازی و محاسباتی تغییرات شار ذرات پرانرژی در مدار GTO، آسیب پرتویی تک رخدادی و بازده زیرسیستم توان ماهواره در این مدار با عمر عملیاتی مشخص تحلیل و بررسی می شود. در این پژوهش از نرم افزار تحت وب SPENVIS برای شبیه سازی محیط تشعشعی فضا و آسیب های پرتویی ماهواره GTO به منظور استخراج پارامترهای مقاوم سازی استفاده شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی تشعشعی در فاز طراحی اولیه با تاکید بر عبور ماهواره از دوکمربند تابشی ون آلن نشان می دهد بیشینه شار پروتون و الکترون ها از مرتبهp/cm2.s 108 می باشد. همچنین شار پرتوها در مدار GTO با افزایش انرژی آنها به شدت کاهش می یابد. به طوری که انرژی الکترون ها حداکثر تا MeV 7 و پروتون ها تا MeV400 است. نتایج نشان می دهد که برای کاهش دز به سطح krad10، حفاظی ازجنس آلومینیوم به ضخامت 6 میلی متر لازم است. افت حدودا %33 کارایی برای پانل های خورشیدی در طول یک سال یکی از چالش های سیستمی آسیب های تشعشعی بر ماهواره در این مدار است. همچنین شبیه سازی ها نشان می دهد با افزایش ضخامت حفاظ از 4 به 6 میلی متر نرخ کلی وقوع آسیب SEU حدود 30 درصد کاهش می یابد.
کلید واژگان: مدار GTO, طراحی سیستمی, نرم افزار SPENVIS, تشعشعات فضاییThe space environment includes different types of particles originating from both within and without the solar system. They can categorize depending on their origin (cosmic-galactic, solar, and Van Allen belts), and can cause severe damage to electronic components or functional failure of the equipment. Therefore, the radiation environment is an important concern in the system-level design of a satellite. The correct evaluation of radiation effects should occur as early as possible in the design procedure, and be upgraded as necessary throughout the development of project phases. Space-borne technology provides global data set of uniform quality and rapid data acquisition and also, global coverage collected data is updated in every time range. Due to space standards of NASA and ESA, one of the effective factors on degradation of space systems is radiation damages. The space radiation environment varies dramatically with the latitude, longitude, and altitude of the orbit, and also varies significantly with time. Satellite in the geosynchronous transfer orbit (GTO) faces significant amounts of particles including the high-energy electrons and protons trapped in the Van Allen belts (extend from an altitude of about 640km to 580000km). These particles are the source of three kinds of damage to electronic equipment (total ionizing dose (TID), displacement damage (DD), and single event effects (SEE)). In this article, the flux of the different energetic particles in the GTO is obtained by employing SPENVIS web-based software. SPENVIS is developed by a consortium led by the Royal Belgian Institute for space aeronomy for ESA’s space environments and effect section. Results show that the radiation fluxes have very drastic changes during every orbit time due to passing through the Van Allen Belts. The maximum flux of protons and electrons is in the range of 108 p/cm2.s. The sensitive electronic components cannot tolerate the total ionizing dose made by this amount of flux density. Therefore, to reduce the dose below the specified limits by the manufacturer, an aluminum shield must be used. Results show that in order to decrease the dose below the 10krad, the thickness of the shield should be equal to 6mm. This amount of shield is much thicker than those are used in LEO (Low Earth Orbit), and increases the total mass of the satellite. Regarding electric power generated by solar panels of satellite benefiting AZUR SPACE solar cell (3G30) If the thickness of the protective coating (cover-glass) of the cells is considered equal to 100 um, the efficiency loss of. Therefore, to support the subsystems and payloads over the whole mission life, the more solar panel is needed in comparison with satellites in LEO. Besides, the simulations show that with the increase of the thickness of the shielding from 4mm to 6 mm, the overall rate of single event upset (SEU) decreases from 3.7225E-06 /bit to 2.6556E-06 /bit (about 30%).
Keywords: GTO Orbit, System-Level Design, SPENVIS, Space Radiation -
سنجش قابلیت اطمینان مبدل های الکترونیک قدرت به دلیل عملکرد آنها تحت تنش های حرارتی و الکتریکی، اهمیت زیادی داشته و نیازمند کمی سازی است. محیط فضا به دلیل دامنه و سرعت زیاد تغییرات دما از جمله محیطهای پرتنش برای قطعات و تجهیزات الکترونیکی است. عملکرد هنجار یا ناهنجار یک مبدل براساس شرایط محیطی، ساخت و بهره برداری تعیین می شود. شاخص های خرابی فعلی تنها مبتنی بر داده های خرابی های قبلی بوده و بر اساس اطلاعات تاریخچه عملکرد مبدل محاسبه می شوند که فرآیند پیرشدگی به شدت بر آنها اثرگذار است. در این مقاله، با کمک داده های حاصل از پایش وضعیت مبدل به صورت زمان واقعی شاخصی جدید معرفی می شود. هر مبدل با استفاده از شبکه های عصبی تکثیرکننده مدلسازی شده و ضریب بازسازی شبکه یا خطای بازسازی به عنوان شاخص پایایی یا ضریب ناهنجاری مبدل لحاظ خواهد شد. در حقیقت، سنجش قابلیت اطمینان مبتنی بر قیاس بین یک مدل مرجع از شرایط سلامت مبدل و عملکرد ناهنجار آن در آینده صورت می پذیرد. در روش پیشنهادی یک تابع توزیع نرمال بر روی سیگنال خطای بازسازی شده، برازش و درصد فاصله آنها به عنوان ضریب ریسک ناهنجاری معرفی می-شود. مزایای این روش عبارتند از لحاظ نمودن تمامی عدم قطعیت ها در فرآیند ساخت کلید قدرت و شرایط کاری آن، عدم نیاز به فرآیند آزمون پیرشدگی در تهیه داده خرابی و لحاظ نمودن تمامی خرابی ها. در زیرسیستم توان الکتریکی فضاپیماها می توان با استفاده از روش فوق، قابلیت اطمینان مبدل های الکترونیک قدرت را بر اساس داده های اخذ شده از نمونه های کیفی ارزیابی نمود.کلید واژگان: تخمین طول عمر مفید باقیمانده, کلیدهای قدرت نیمه هادی, شبکه های عصبی, تشخیص ناهنجاریReliability assessment of power converters is extremely important due to the degradation of the converter performance under the thermal and electrical stresses. The space environment is one of the stressful environments for electronic components and equipment due to the range and high speed of temperature changes.The normal or abnormal operation of a converter depends on the quality of the manufacturing process and the environmental and operating conditions. The failure indices usually are obtained based on the previous failures data which are calculated using the history of the main parameter of the converter. These indices are strongly influenced by the aging process. In this article, a new real-time indicator is introduced using the monitoring of the main parameters of the converter. The indicators are calculated using Replicator Neural Network (RNN). In fact, these indicators are obtained based on a comparison between a reference model of the converter in normal conditions and the estimation of abnormal operation of the converter in the future. In the proposed method, a normal distribution function is used to find the limits of error signals. The proposed method has several advantages such as considering all the uncertainties during the process of manufacturing the device, no need for the aging test data, and including all the failure types. In the Electrical power subsystem of a spacecraft, the reliability of power converters can be assessed based on the obtained data from the qualification models, benefiting the proposed method.Keywords: Remaining useful lifetime estimation, Semiconductor devices, Neural Network Failure diagnostic
-
حفاظت فضانوردان و قطعات الکترونیکی موجود در ماهواره ها و فضاپیماها در برابر پرتوهای فضایی یکی از مهم ترین الزامات اولیه در ماموریت های فضایی می باشد. در این کار با محاسبه دز ناشی از پرتوهای فضایی بر بدن انسان و قطعه سیلیکونی با استفاده از کد مونت کارلوی MCNPX به ارزیابی تاثیر سه ماده آلومینیوم، بعنوان رایج ترین ماده، پلی اتیلن و یک ساختار graded-z در حفاظ سازی پرتوهای فضایی پرداخته شده است. دز ناشی پرتوهای فضایی پس از اعمال حفاظ هایی از آلومینیوم، ساختار graded-z و پلی اتیلن محاسبه شده است. نتایج نشان داد با استفاده از پلی اتیلن و حدود %4/4 افزایش وزن نسبت به حفاظ آلومینیومی، می توان دز ناشی از فوتون را بیش از %50 در بدن انسان و %30 در قطعات سیلیکونی، و دز ناشی از پروتون ها را تا حدود %30 هم برای فضانوردان و هم قطعات الکترونیکی کاهش داد. حفاظ graded-z در تضعیف دز ناشی از فوتون ها بسیار عالی عمل کرده اما در تضعیف دز ناشی از پروتون ها ناکارآمد ظاهر شد.کلید واژگان: آسیب بیولوژیکی, تابش فضایی, MCNPX, حفاظ سازی, ساختار graded-zProtection of astronauts and electronic components in satellites and spacecraft against space rays is one of the most important primary requirements in space missions. In this work, the effect of three materials, aluminum, as the most common material, polyethylene and a graded-z structure, in the protection of space radiations has been evaluated. The calculations of the dose caused by these radiations on the human body and a silicon piece have been carried out by MCNPX Monte Carlo code,. The dose caused by cosmic rays has been calculated after applying shields of aluminum, graded-z structure and polyethylene. The results showed that by using polyethylene and about 4.4% increase in weight compared to the aluminum shield, it is possible to reduce the dose caused by photons by more than 50% in the human body and 30% in silicon parts, and the dose caused by protons by about 30%. It cut both for astronauts and electronic components. Graded-z shielding performed very well in the dose attenuation caused by photons, but appeared ineffective in the dose attenuation caused by protons.Keywords: biological damage, Space Radiation, MCNPX, Protection, graded-z structure
-
این مقاله فعالیت های خورشیدی و پدیده های آن را از منظر مخاطرات بر نحوه عملکرد زیرساخت های شهری، سیستم های صنعتی و ساختار اقتصادی متاثر از اینگونه پدیده ها بررسی می نماید. همچنین با توجه به تحلیل ها و نتایج موجود نیازمندی های اساسی جهت جلوگیری از شدت آسیب های وارده ناشی از این پدیده ها نیز معرفی شده است. رویدادهای اقلیم فضا می تواند باعث اختلال در شبکه انرژی الکتریکی، ارتباطات مخابراتی-رادیویی، خطوط حمل و نقل هوایی، زمینی، ریلی و علاوه بر آن باعث آسیب به خطوط لوله، صنعت نفت و معدن، و هوانوردی شود که هر کدام از این موارد به عنوان یک زیرساخت اقتصادی در این مقاله بررسی شده است. همچنین اثر این پدیده ها در آسیب و اختلال بر عملکرد در ماهواره ها با ماموریت موقعیت یابی جهانی، مخابراتی و پیش بینی آب و هوا بررسی شده است. با توجه به اهمیت موارد مذکور، در این مقاله سعی شده است به بررسی تحقیقات صورت پذیرفته در پاره ای از کشورهای دیگر در خصوص تاثیر پدیده های اقلیم فضا در سیستم های اقتصادی-اجتماعی نیز پرداخته و اختلالات و خرابی های ناشی از آن در صنایع و زیرساخت های اقتصادی-اجتماعی جامعه مورد مطالعه قرار گیرد. این امر به نوبه خود می تواند در شکل گیری زمینه های لازم و اقدامات پیشگیرانه در مواجهه با مخاطرات اقلیم فضا جهت سوق دادن جامعه علمی به بررسی موارد مشابه در کشور برای ایجاد تمهیدات مدیریتی و فناوری های مرتبط کمک نماید.کلید واژگان: اقلیم فضا, خورشید, زیرساخت-های شهری, اثرات اقتصادی اقلیم فضا. اثرات اقتصادی-اجتماعیThis paper investigates solar activities and its phenomena from the perspective of risks on the functioning of urban infrastructures, industrial systems and economic structure affected by such phenomena. Also, according to the existing analyzes and results, basic requirements have been introduced to prevent the severity of the resulting injuries. Space weather events can cause disruptions in the power grid, telecommunications and radio communications, airlines, railways, and in addition cause damage to pipelines, oil and mining industry. Also, these phenomena can cause damage and dysfunction in satellites that are used for global positioning, communication and weather forecasting. Considering the importance of the items mentioned in this article, an attempt has been made to investigate the research done in some other countries regarding the impact of space weather phenomena on socio-economic systems and to study the disruptions and failures caused by this impacts in the industries and socio-economic infrastructures of the society. This studies can help in the formation of the necessary fields and preventive actions in facing the dangers of space weather in order to lead the scientific community to investigate similar cases in the country in order to create related management and technological measures.Keywords: Space weather, Sun, Urban infrastructure, Economic effects of space weather. Socio-Economic effects
-
در این مقاله برای اولین بار امکان استفاده از آرایه های خورشیدی دارای متمرکزکننده، در کنار سایر ساختارهای رایج آرایه های خورشیدی برای ماهواره های مکعبی مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور هفت ساختار مختلف آرایه های خورشیدی برای بیش از 24 پیکربندی مختلف ماهواره های مکعبی از ابعاد 0.25U تا 27U تعریف و پیاده سازی شده اند. آنگاه با محاسبه پارامترهای سیستمی مهمی نظیر چگالی توان تولیدی آرایه های خورشیدی، هزینه توان تولیدی، قابلیت اطمینان آرایه های خورشیدی و همچنین یک پارامتر پیشنهادی، به نام فاکتور تناسب شکل، کارآمدی این ساختارها برای پیکربندی معرفی شده ارزیابی و با یکدیگر مقایسه شده اند. برای ارزیابی میزان کارآمدی، یک تابع هزینه متشکل از چهار پارامتر مذکور با ضرایب منطقی تعریف شده و مقایسه های لازم انجام گرفته است. نتایج نشان می دهد که در کنار استفاده از آرایه های خورشیدی بازشونده، آرایه های خورشیدی دارای متمرکزکننده می تواند علاوه بر رفع چالش تولید توان کافی، قابلیت های جدیدی برای ماهواره های مکعبی کوچک فراهم نماید.کلید واژگان: ماهواره مکعبی, زیرسیستم توان الکتریکی, آرایه خورشیدی, متمرکز کننده, پارامترهای سیستمیIn this paper, the feasibility and performance of using solar arrays equipped with sun concentrators, along with other conventional solar array structures, in CubeSats, is investigated for the first time. For this purpose, seven different structures of solar arrays have been defined and implemented for more than 24 different CubeSat configurations from 0.25U to 27U. Then, by calculating important system-level parameters such as power generation density, power generation cost, reliability of solar arrays, and also a newly proposed parameter, called shape fit factor, the performance of these structures for the introduced configurations are evaluated and compared. To this end, and by considering rational coefficients, a cost function consisting of the four above-mentioned parameters is defined as the degree of merit of different solar array structures used in each CubeSat configuration. The results show that alongside the use of deployable solar arrays, using concentrating solar arrays can provide new capabilities for CubeSats to overcome the challenge of generating sufficient power.Keywords: CubeSat, Electrical power subsystem, solar array, Concentrator, System-level Parameter
-
شرایط محیطی فضا اثرات نامطلوبی بر عملکرد مدارات الکترونیکی دارد. عدم وجود سازوکار همرفت در انتقال حرارت، تاثیرات پلاسما، پرتوهای فضایی و اجرام فضایی از جمله عوامل خرابی یا کاهش عمر تجهیزات به کار گرفته شده در ماهواره ها هستند. در این میان پرتوهای فضایی منشا بروز آسیب های متنوعی بر مواد و قطعات استفاده شده در ماهواره ها به شمار می روند. یکی از این آسیب ها "دز یون ساز تجمعی" است که یک اثر تدریجی بوده و به مرور زمان منجر به خرابی و کاهش کیفیت و عمر قطعات الکترونیکی می شود. داشتن اطلاعات دقیق از محیط پیرامونی ماهواره این امکان را فراهم می سازد تا با طراحی مناسب و بهینه بر عمر و قابلیت اطمینان آن افزود. دزیمترها ابزار مناسبی برای سنجش پرتوها هستند که متناسب با نوع پرتوی یون ساز و میزان تابش انتخاب می شود. در پژوهش حاضر تلاش شده است تا با توجه به محیط عملیاتی یک ماهواره، جزییات طراحی، ساخت و تست یک دزیمتر برای سنجش دز یون ساز تجمعی ارایه شود. اساس کار این دزیمتر بر پایه اندازه گیری تغییرات افت ولتاژ ناشی از پرتوهای جذب شده بر روی یک نیمه هادی از نوع RadFET است. صحت عملکرد طرح فوق با ارایه نتایج شبیه سازی و آزمون های عملکردی تایید می شود. پاسخ سریع، توان مصرفی کم و پایداری حرارتی مناسب، از جمله ویژگی های این دزیمتر است.کلید واژگان: دزیمتر, دز یون ساز تجمعی, ماهواره, RadFETThe space environment can cause severe problems for electronic circuits. The plasma, radiation, debris, and no thermal convection are some space environment-specific conditions. Space radiations are the source of several damages, such as total ionizing dose (TID). During a satellite’s mission life, the TID gradually degrades the quality of the electronic components. Designing reliable equipment requires enough information about the mission environment. Some part of this information could be obtained employing dosimetry. There are several dosimeters based on the type and intensity of radiation sources. In the present work, a dosimeter has been introduced that could measure the TID for a satellite in a low earth orbit. This dosimeter uses a RadFET to measure the TID. The simulation results and implemented version of the dosimeter verify the accuracy and quality of the proposed dosimeter. The low power consumption, fast data recording, and thermal stability are some of the features of the proposed dosimeterKeywords: Dosimeter, Total Ionizing Dose, Satellite, RadFET
-
امروزه مبدل های رزنانسی بدلیل قابلیت پیاده سازی تکنیک های سوییچ زنی در ولتاژ صفر یا جریان صفر بسیار مورد توجه می باشند. استفاده از این دو تکنیک منجر به کاهش تلفات دینامیک در مبدل شده که نتیجه آن افزایش راندمان و کاهش نویز در مقایسه با مبدل های سوییچینگ متداول با مدولاسیون پهنای پالس می باشد که از سوییچ زنی سخت استفاده می کنند. اما در مقابل، به دست آوردن مدل سیگنال کوچک برای مبدل های رزنانسی بسیار پیچیده و دشوار می باشد زیرا مقدار متوسط متغیرهای حالت در هر سیکل سوییچ زنی، برابر با صفر بوده و لذا نمی توان از روش های متداول نظیر متوسط گیری در فضای حالت استفاده نمود. در این مقاله از تکنیک توابع توصیف گسترده برای به دست آوردن معادلات حالت یک مبدل ایزوله رزنانسی سری استفاده شده است. به منظور صحه گذاری معادلات به دست آمده، روش میدل بروک پیشنهاد شده است. به کمک این روش می توان دیاگرام بد را با اعمال تغییرات و انجام چندین اندازه گیری بر روی یک مبدل، به دست آورد. بر این اساس در مرحله صحه گذاری، ابتدا یک مبدل رزنانسی طراحی و پیاده سازی شده است. در مرحله بعد با اعمال تغییرات ضروری برای بکارگیری روش میدل بروک، داده های مورد نیاز اندازه گیری و پس از پردازش، با نتایج حاصل از پیاده سازی معادلات استخراج شده در محیط متلب که مبتنی بر معادلات حالت به دست آمده می باشند، مقایسه می شوند. مقایسه نتایج صحت معادلات حالت به دست آمده را تایید می کنند.
کلید واژگان: مبدل رزنانسی, تابع توصیف گسترده, معادلات فضای حالت, میدل بروکResonant converter due to implementation of zero voltage switching (ZVS) or zero current switching (ZCS), are very interested. Although using these techniques, increases the efficiency and also decreases the generated EMI noise, obtaining the small-signal model of these converters is very complicated. The state-space variables mostly change as a sinusoid curve, so the average of these variables is equal to zero. Therefore the traditional method such as state-space averaging is not applicable in order to obtaining the state space equation of the converter. In this article, the state space equation is obtained by using the extended describing functions. To verify the obtained equation, the Middlebrook method is suggested. By means of this method, the bode-plot of the open-loop transfer function could be obtained based on the existing hardware. So an isolated series resonant converter is implemented and the required signals are measured in order to draw the bode-plot of the open-loop transfer function based on Middlebrook method. Verification is performed by comparing the experimental results with simulation results.
Keywords: Resonant converter, Extended describing function, State-space equation, MiddleBrook -
تابش های محیط فضا بر عملکرد و طول عمر قطعات اپتیکی و الکترونیکی محموله ماهواره ها تاثیرگذار است.در این پژوهش، اثرآسیب تابشی دز یونیزان کل بر عملکرد زیرسیستم لیزر محموله لیداریک ماهواره، در مدار 500 کیلومتری، با ماموریت سه ساله، شبیه سازی شده است. شبیه سازی های تابشی بر روی دو قسمت محیط بهره و پمپ با استفاده از برنامه نویسی C++ در جعبه ابزار GEANT4انجام گرفته است. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد دز تابشی دریافت شده در قسمت محیط بهره، در حالت بدون محافظ، برابر با rad 1951 است و این در حالی است که دز القایی با در نظر گرفتن شیلد آلومینیومی با ضخامت2 میلی متر به حدود rad 275 برای محیط بهره و حدود rad 623 برای پمپ لیزر کاهش می یابد. همچنین براساس محاسبات، با در نظرگرفتن مدت زمان ماموریت و مساحت جانبی، حجم حساس به تابش تعداد ذرات برخوردکننده برابر با 1012×7 خواهد بود. نتایج شبیه سازی نشان می دهد اثر تابشی دز یونیزان کل بر بخش لیزر باعث افزایش15 درصدی جریان آستانه و کاهش توان اپتیکی می شود.کلید واژگان: تابش های فضایی, دز یونیزان کل, لیزر, لیدار, محیط بهرهSpace environment radiation affects the operation and life-time of optical and electronic devices on satellites payloads. LIDAR payloads include electro-optical components such as laser section. LIDAR payloads are usually setup on various platforms. Space-borne remote sensing technology provides global data set of uniform quality and rapid data acquisition and also specially provides key information for evaluating the local, regional of aerosol irradiative forcing in global climate system, cloud properties and precipitation, Air pollution and hydrologic cycle. Also, global coverage collected data is updated in every time range. On the other hand, high expenditures of design, manufacture and using advanced technology are caused an increase in design and manufacture of high reliability LIDAR payloads, the mission duration and its quality in space. Due to space standards of NASA and ESA, one of the effective factors on degradation of space systems is radiation damages. In this research, effect of Total Ionizing Dose (TID) radiation on the operation of LIDAR subsystem orbiting 500 km altitude orbit with a 3-year mission is simulated. Radiation simulations on gain medium (Nd:YAG) and pump (laser diode) are performed by GEANT4 and C programming.
Laser subsystem in LIDAR payload includes 3 different parts. These parts are Nd:YAG, mirrors and laser diodes pump. Space radiation sources are classified in three types: Van Allen radiation belts, Galactic cosmic rays (GCR), periodic gradual activities of sun. The sun emits neutralized plasma (almost protons and electrons) to the space. Some energetic particles originated from solar winds and GCRs are trapped in Earth magnetic field. These belts are expanded from 1000km to 65000 km and consist of electrons up to 7Mev and protons up to 300Mev. GCR particles are mainly protons with very high speed originated from out of the galaxy. The most populated particles in 500km altitude are electrons and protons. In order to simulate the radiation effects, Input data such as average flux number of incident particles, total number of particles passing through the sensitive volume are needed. These input data will be entered in GEANT4 toolkit by C. Most important input data are flux, total number of incident particles during the mission, Energy range, geometry, materials definition and their properties, sensitive volume definition are needed physics and initial position of particles. The most important radiation damages related to lasers and solid state optical devices are total ionizing dose and displacement damage. TID is resulted from passing charged particles through matter, while displacement damage is due to collision of passing particles with atoms of matter. TID effects depend on two factors. The first factor is generation of electron-hole pairs in dielectric layers (such as oxides). The second factor is trapping sites (oxide and interface). This damage results in degradation and possible failure, such as threshold voltage shift, decrease in drive current, switching frequencies, leakage current, noises, etc. In bipolar transistors, hfe degradation, leakage current, offset voltage, changes in offset current, bias current and gain degradation in analog devices are possible effect. In other devices, frequency shift in crystals, mechanical degradations and changes in dielectric parameters are considered.
The results demonstrated that the absorbed dose from different space radiation sources for Nd:YAG and laser diode are important. Also, differences between the absorbed doses in 2 cases were simulated. The first case was absorbed dose with no shield against space radiation and the second one was calculating the absorbed dose with 2 mm Al7075 shielding the sensitive volumes against incoming particles. GEANT4 simulations determined that the absorbed dose in Nd:YAG when no shield was used to protect the laser parts against space radiation, was reached 1951 rad. In order to decrease the absorbed dose, the shield was used and it made considerable changes. The absorbed dose was reduced to 275 rad. Calculation showed that approximately 7×1012 protons would pass through the Nd:YAG, during the mission period. The number of passing particles through the sensitive volume depends on particle flux rate, sensitive volume sizes, mission duration. This value for GCR particles was 4×108 particles in each square centimeter. Results related to simulation of inner Van Allen radiation belt particles effect on Nd:YAG showed that the absorbed doses from the inner belt electrons and protons were about 68 rad and 187.5 rad respectively while these values for GCR protons and alpha particles were about 11 rad and 8.5 rad respectively. These values were about 481 rad, 128.5 rad, 7.5 rad and 6 rad for laser diode respectively. The total values for Nd:YAG and laser diode reached 275 rad and 623 rad. It is estimated that absorbed doses for radiation sensitive parts will be increased about 15 percent and according to the threshold current, the optical power versus threshold current curve will be changed.Keywords: Laser, Nd:YAG, Space radiation, Total Ionizing Dose, LIDAR -
محیط فضا شامل منابع مختلف تشعشعات است که انواع مختلفی از ذرات را منتشر می کنند. به دلیل سرعت و انرژی زیاد، این ذرات فضایی می توانند موادی که با آن ها برخورد می کنند را به روش های مختلف تحت تاثیر قرار دهند. یکی از مهم ترین آسیب ها که تجهیزات الکترونیکی فضایی را تحت تاثیر قرار می دهد، دز یونیزان کل است. در این مقاله اثرات دز یونیزان کل برای یک ماهواره با هندسه ای واقعی شبیه سازی شده است. با توجه به شرایط تشعشعی برآورد شده، میزان موفقیت برای ماهواره فوق ارزیابی شده است. مدل کردن این اثرات با جعبه ابزار GEANT4 و روش مونت کارلو انجام شده است. در این جعبه ابزار شبیه سازی ها با استفاده از زبان برنامه نویسی C++ انجام می شود. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد که حداکثر rad 3 طی یک ماموریت 3 ساله در مدار 500 کیلومتردر حجم حساس دز القا خواهد شد. پس از صحت سنجی نتایج، مشخص گردید که استفاده از قطعات تجاری در مدار ماموریت فوق، با لحاظ نمودن حداقل ضخامت حفاظ در نظر گرفته شده، امکان پذیر است.کلید واژگان: دوز یونیزان کل - ماهواره - تشعشع, GEANT4The Space Environment consists of various radiations sources which emit different types of particle. Due to their high energy and high speed, these space particles can affect materials which they impact, in different ways. One of the most important damages which affect electronic instruments is Total Ionizing Dose (TID).In this article, modeling of these effects is performed by GEANT4 toolkit and Monte Carlo method. This toolkit performs simulations by using C programming language. Total Ionizing Dose effects are simulated for an operational satellite. Regards to considered conditions, failure or success probability in worst case has been analyzed. Based on ECSS, results satisfy standard and mission requirements.Keywords: Total Ionizing Dose, Satellite, Radiation, GEANT4
- در این صفحه نام مورد نظر در اسامی نویسندگان مقالات جستجو میشود. ممکن است نتایج شامل مطالب نویسندگان هم نام و حتی در رشتههای مختلف باشد.
- همه مقالات ترجمه فارسی یا انگلیسی ندارند پس ممکن است مقالاتی باشند که نام نویسنده مورد نظر شما به صورت معادل فارسی یا انگلیسی آن درج شده باشد. در صفحه جستجوی پیشرفته میتوانید همزمان نام فارسی و انگلیسی نویسنده را درج نمایید.
- در صورتی که میخواهید جستجو را با شرایط متفاوت تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مطالب نشریات مراجعه کنید.