Odkrycia promieniowania kosmicznego dokonał austriacki fizyk Wiktor Hess już na początku XX wieku, długo przed nastaniem ery kosmicznej. Podczas swoich badań wykorzystujących loty balonowe zauważył, że jonizacja atmosfery wzrasta wraz z wysokością. Na podstawie uzyskanych wyników, wnioskował, że za wrastającą jonizację odpowiedzialne jest promieniowanie docierające do atmosfery ziemskiej „od góry”, czyli z kosmosu. Jego badania zostały potwierdzone przez amerykańskiego noblistę Roberta Millikana, któremu zawdzięczamy termin „promieniowanie kosmiczne”. [1]

Promieniowanie kosmiczne jest ogólną nazwą na wysokoenergetyczne cząstki takie jak protony, neutrony, elektrony, cząstki alfa i inne cięższe jądra atomów oraz kwanty gamma, które docierają do nas zarówno z odległych rejonów Drogi Mlecznej (a czasem nawet spoza naszej galaktyki), jak i z bliższego otoczenia, gdzie ich źródłem jest nasze Słońce.

Źródła promieniowania kosmicznego: Słońce, czarne dziury, Mgławica Kraba (pulsar), galaktyki aktywne, supernowe oraz inne źródła. 
źródło grafiki: http://www.isee.nagoya-u.ac.jp/en/pub/nanda/cosmicrays_e.pdf

Szczęśliwie Ziemia otoczona jest wystarczająco grubą warstwą atmosfery, a także dostatecznie silnym polem magnetycznym, aby uchronić jej mieszkańców przed dużymi dawkami niebezpiecznego promieniowania [3]. Niestety statki kosmiczne i satelity wynoszone wysoko poza ochronny płaszcz naszej planety są nieustannie narażone na liczne zagrożenia związane z promieniowaniem kosmicznym.

Zagrożenia te objawiają się w różnoraki sposób, a wszystkich efektów nie sposób opisać w jednym artykule. Systemy elektroniczne są niezwykle czułe zarówno na długotrwałe działanie promieniowania, jak i pojedyncze uderzenia wysokoenergetycznych cząstek. Materiały wykorzystane do budowy statków kosmicznych ulegają stopniowej degradacji, panele słoneczne obniżają swoją sprawność. produkując mniej energii elektrycznej, a instrumenty optyczne cierpią na efekty mętnienia/przyciemniania.

Promieniowanie kosmiczne w przypadku naszego satelity zagraża przede wszystkim jego podsystemom elektronicznym. Efekty jego działania możemy podzielić na dwie kategorie: powolną degradację komponentów związaną z całkowitą pochłoniętą dawką promieniowania (TID), oraz tzw. single event effects (SEE) – zdarzenia spowodowane pojedynczą cząstką uderzającą w struktury półprzewodnikowe elementów elektronicznych. Mówiąc obrazowo – degradację spowodowaną przez TID można porównać do stopniowego zużywania się opony samochodowej pod wpływem tarcia o nawierzchnię, natomiast SEE można postrzegać jako przypadkowe, natychmiastowe przebicie opony podczas jazdy, którego nie sposób przewidzieć.

Całkowita dawka pochłonięta (TID)
Cząstki promieniowania kosmicznego nieustannie „bombardujące” satelitę deponują swoją energię w strukturach półprzewodnikowych prowadząc do kreacji pary elektron-dziura. Dodatnio naładowane dziury pozostają na długi czas w obszarach bramkowych tranzystorów MOS, stopniowo zmieniając ich charakterystyki. Ponieważ wprowadzane zmiany kumulują się i są praktycznie nieodwracalne, w dłuższej perspektywie czasu prowadzą do nieprawidłowej pracy podsystemów elektronicznych.

Single event effects (SEE)
W odróżnieniu od TID, mechanizm działania SEE jest natychmiastowy. Już jedna cząstka deponująca odpowiednią ilość energii potrafi spowodować katastrofalne w skutkach zniszczenia. Jednym z nich jest możliwość zmiany stanu bitu w pamięci satelity (single event upset, SEU), co może prowadzić do uszkodzenia danych, nieprawidłowego wykonywania programu czy też jego trwałego uszkodzenia. Kolejnym groźnym skutkiem są single event latch-upy (SEL), skutkujące włączeniem pasożytniczego tyrystora w strukturach półprzewodnikowych, który wywołuje “zwarcie” w samym środku układu scalonego. Efekt ten może być zniwelowany tylko poprzez chwilowe odcięcie zasilania urządzenia (reset zasilania). W najlepszym wypadku prowadzą one do zwiększonego zużycia energii elektrycznej, w wielu przypadkach kończą się niestety nieodwracalnymi zniszczeniami.

 

Jak chronimy się przed promieniowaniem kosmicznym?

Ochrona przed promieniowaniem kosmicznym w przypadku misji PW-Sata2 odbywa się na wielu różnych poziomach – zaczynając od starannego doboru komponentów, z których zbudowany jest satelita i specjalne projekty podsystemów, przez odpowiednie oprogramowanie odporne na uszkodzenia związane ze zmianami bitów (SEU), a kończąc na systemowym podejściu do problemu, które miało zapewnić realizację głównych celów misji nawet w przypadku wystąpienia poważnej awarii.

Na potrzeby misji kosmicznych projektuje się i produkuje specjalne komponenty elektroniczne (rad-hard), które wykazują dużo większą odporność na promieniowanie w porównaniu do komponentów powszechnie wykorzystywanych w przemyśle i urządzeniach konsumenckich na Ziemi. Ich dostępność, wysokie ceny a także (bardzo często) duże rozmiary są nie do zaakceptowania przy budowie niewielkiego i niskobudżetowego nanosatelity studenckiego. Na szczęście okazuje się, że nawet wśród powszechnie dostępnych komponentów „z półki”, tzw. COTS (Commercial Off The Shelf), można znaleźć takie, które całkiem nieźle radzą sobie w warunkach panujących na niskiej orbicie okołoziemskiej. Wyzwaniem jest jednak wybór odpowiednich komponentów, gdyż producenci nie przeprowadzają testów pod kątem niszowych z komercyjnego punktu widzenia zastosowań kosmicznych. Nieocenionym źródłem wiedzy są poprzednie misje satelitów – raz wykorzystany komponent, który sprawdził się na orbicie bardzo chętnie jest wykorzystywany w kolejnych projektach – mówimy wtedy, że dany komponent ma „flight heritage”. Badania komponentów pod kątem radiacji są wykonywane przez same agencje kosmiczne, które bardzo często dzielą się swoimi wynikami. Obszerne dane dostępne są dzięki jednostkom naukowym takim jak Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN, gdzie co prawda nie buduje się urządzeń pracujących w kosmosie, ale akceleratory cząstek elementarnych, które w wyniku zderzeń generują promieniowanie niemal identyczne do tego panującego w kosmosie.

Zazwyczaj dobór komponentów jest dopiero pierwszym krokiem. Możemy wybrać układy, które wytrzymują dostatecznie duże dawki pochłonięte promieniowania, czy też wykazują niewielką podatność na zdarzenia SEE, ale ta podatność nigdy nie będzie zerowa, a im większe skomplikowanie układu, tym może być ona większa i bardziej dotkliwa. Z tego powodu stosuje się specjalne zabezpieczenia nadprądowe, ang. latch-up current limitter (LCL), które są w stanie wykryć wystąpienie SEL i natychmiast zresetować układ, najczęściej ratując go, dosłownie mówiąc, przed spaleniem. Zdarza się jednak tak, że niektóre SEL mogą być niezauważone przez zabezpieczenia z powodu ich łagodnej postaci (niewielki prąd „zwarciowy”), a mimo to są groźne dla budżetu mocy całego satelity. Do takich zdarzeń, na szczęście łagodnych w skutkach, doszło w ciągu misji PW-Sata2 kilkukrotnie (w mikrokontrolerze komputera pokładowego EFM32 oraz odbiorniku radiowym satelity). Poniższe wykresy pokazują pobór prądu związanego z latch-upem oraz spowodowane nim nagłe rozładowanie akumulatorów. Telekomenda wysłana przez zespół operatorów satelity pozwoliła na zrestartowanie komponentu i usunięcie latch-upa. Wkrótce potem satelita ponownie naładował swoje akumulatory i mógł prowadzić dalsze eksperymenty.

Duży spadek napięcia akumulatorów spowodowany wysokim poborem prądu podczas single event latch-upa. Po resecie zasilania komputera pokładowego satelity, który doświadczył problemów radiacyjnych sytuacja wróciła do normy (dodatni budżet mocy pozwolił na naładowanie akumulatorów).

Pobór prądu podczas single event latch-upa mikrokontrolera komputera pokładowego (EFM32) był ponad 100 mA większy niż w stanie normalnym.

Większość naszych problemów z SEE występuje w bardzo specyficznym miejscu na orbicie – podczas przelotów przez obszar anomalii południowoatlantyckiej. Ziemskie pole magnetyczne zakrzywia tor ruchu naładowanych cząstek takich jak elektrony i protony powodując uwięzienie ich na orbicie okołoziemskiej, tworząc dwa pasy – zwane pasami Van Allena – będące obszarami o znacznie podwyższonej radiacji.

Pasy Van Allena: wewnętrzny pas protonowy i zewnętrzny składający się głównie z elektronów o wysokich energiach.
źródło grafiki: Kayali S., NASA Jet Propulsion Laboratory. Space Radiation Effects on Microelectronics.

Na szczęście najniżej położony, wewnętrzny pas rozpościera się na wysokościach 1000 km do 6000 km nad powierzchnią Ziemi, a orbita satelity PW-Sat2 sięga zaledwie 590 km (i cały czas się obniża). Jednak wspomniana anomalia to obszar, gdzie wewnętrzny pas Van Allena obniża się nawet do 200 km nad powierzchnią Ziemi. Na poniższej mapie pokazany został obszar występowania anomalii na wysokości zbliżonej do orbity PW-Sata2.

Anomalia południowoatlantycka na wysokości 560 km.
źródło grafiki: https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/rosat/gallery/display/saa.html

Kolejnym rozwiązaniem projektowym, motywowanym nie tylko promieniowaniem, jest redundancja, czyli zwielokrotnianie podsystemów w taki sposób, aby w przypadku awarii jednego z nich możliwe było wykorzystanie zapasowego. W nanosatelitach, przez ograniczenia rozmiaru oraz masy, bardzo często nie można sobie pozwolić na pełną redundancję każdego podsystemu. W satelicie PW-Sat2 zostały wybrane najbardziej krytyczne i czułe na promieniowanie elementy, co pozwoliło na zapewnienie bezpieczeństwa całego systemu. Zazwyczaj dość czułymi elementami są pamięci, doświadczające SEU, czyli zmian stanu bitów w swoich komórkach. Jednym z rozwiązań stosowanym w naszym satelicie jest wykorzystanie trzech oddzielnych pamięci przechowujących dokładnie te same dane. W przypadku zmiany któregoś z bitów (co nastąpi z bardzo dużym prawdopodobieństwem tylko na jednej pamięci dla konkretnego bitu) komputer pokładowy może przeprowadzić głosowanie, odtwarzając prawidłową postać danych. Podobna operacja wykonywana jest dla pamięci SRAM z której korzysta mikrokontroler komputera pokładowego (dwie fizyczne pamięci + EDAC). Szczególnie istotne było zapewnienie redundancji dla komponentów eksperymentalnych, których reakcja na promieniowanie nie jest jeszcze znana – fotodiody cyfrowe wykorzystywane w eksperymentalnym czujniku Słońca również zostały zwielokrotnione trzykrotnie.

Oprogramowanie komputera pokładowego (OBC) zostało zapisane w pamięci aż w sześciu kopiach, dzięki czemu w przypadku uszkodzenia którejś z kopii możliwe jest automatyczne odtworzenie poprawnego oprogramowania. Dla bezpieczeństwa OBC wyposażony jest również w odrębne oprogramowanie, tzw. safemode, które przechowywane jest na niewielkiej, ale bardziej odpornej pamięci typu EEPROM. Podczas swojej pracy komputer pokładowy korzysta z jeszcze jednego mechanizmu zapewniającego poprawność danych – scrubbingu.

Z punktu widzenia systemowego, w przypadku awarii jakiegoś ważnego podsystemu np. komputera pokładowego, główny cel misji – otwarcie żagla deorbitacyjnego – mógł być wykonany przez układ zasilania, który posiada redundancję w postaci dwóch niezależnych mikrokontrolerów.

Jednak misja PW-Sata2 to nie tylko zmaganie się z warunkami środowiska panującego na orbicie, ale także próba jego poznania.

Jak badamy promieniowanie kosmiczne – eksperyment RadFET

Dodatkowym eksperymentem prowadzonym na pokładzie satelity PW-Sat2 jest czujnik dawki pochłoniętej promieniowania jonizującego (TID), którego w naszej nomenklaturze określamy “eksperymentem RadFET”.

Cele eksperymentu są dwojakie:

  • przetestowanie w warunkach kosmicznych niezwykle taniego dozymetru przystosowanego do pomiaru niewielkich dawek promieniowania (TID), wykonanego w pełni z komercyjnych elementów COTS,
  • porównanie danych pomiarowych z symulacjami.

Pierwszy cel zakłada znaczne obniżenie kosztów przyrządu, jego dostępność i czas budowy dzięki zastosowaniu powszechnie dostępnych komponentów. Bardzo istotny, jak w całym projekcie PW-Sata2, jest aspekt edukacyjny – projekt czujnika pozwala na zmierzenie się z wieloma problemami precyzyjnych, wrażliwych na zmiany temperatury pomiarów wartości elektrycznych.

Drugi cel zakłada dostarczenie społeczności konstruktorów satelitów informacji o rzeczywistych dawkach otrzymywanych na niskiej orbicie okołoziemskiej. Porównanie danych pomiarowych z symulacjami, pozwoli podnieść ich dokładność dla zbliżonych misji. PW-Sat2 został umieszczony na bardzo intensywnie eksploatowanej orbicie SSO, co powoduje szczególną użyteczność danych w przyszłości. Wykonując stosunkowo proste przeliczenia można zastosować dane pomiarowe uzyskane przez naszego satelitę przy projektowaniu kolejnych statków kosmicznych.

Jak działa czujnik?

Idea działania czujnika, który najczęściej występuje pod nazwą “radfet” nie jest nowa – jako elementy sensoryczne wykorzystuje on tranzystory typu MOSFET, które zmieniają swoje parametry elektryczne wraz z pochłanianiem coraz większej dawki promieniowania. W tym celu najczęściej produkuje się wyspecjalizowane tranzystory, szczególnie czułe na promieniowanie, aby łatwo można było wykryć zachodzące zmiany. W naszym przypadku musieliśmy znaleźć ogólnodostępne tranzystory, które doznają dostatecznie dużej degradacji  pod wpływem promieniowania, aby zapewnić sensowną czułość instrumentu pomiarowego. Po długich poszukiwaniach i przeglądach literatury wytypowane zostało kilka modeli, które później były intensywnie testowane i kalibrowane. Ostatecznie wybór padł na układ scalony CD4007, który zawiera w jednej obudowie trzy tranzystory MOSFET typu P oraz 3 tranzystory typu N. Tranzystory typu P świetnie nadają się do pomiaru dawki promieniowania, natomiast jeden z tranzystorów typu N został wykorzystany w celu zapewnienia kompensacji temperaturowej. Jest ona niezbędna, gdyż napięcie progowe tranzystora typu P (parametr dzięki którego zmianom określana jest dawka pochłonięta promieniowania) znacznie bardziej zmienia się na skutek wahań temperatury (a te na orbicie mogą wynosić nawet kilkadziesiąt stopni) niż pod wpływem promieniowania.

Ciekawą cechą czujnika jest to, że działa on nieprzerwanie, przez cały czas akumulując dawkę promieniowania i nie wymaga do tego zasilania energią elektryczną. Jedynie odczyt aktualnej wartości napięcia progowego (VT) wymaga włączenia układu zasilająco-pomiarowego.

Schemat ideowy pomiaru napięcia progowego tranzystora.

W zaprojektowanym układzie tranzystor P-MOSFET zasilany jest stałym prądem (ID), a wysokorozdzielczy, 24-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (AD7714) dokonuje pomiaru napięcia progowego (VT). Aby obsłużyć wszystkie kanały pomiarowe wykorzystane są klucze analogowe ADG708. Dane odczytywane są poprzez mikrokontroler ATMega324p kontrolujący eksperyment, a następnie przekazywane do komputera pokładowego satelity za pomocą magistrali I2C.

Na czerwono zaznaczono obszar zajmowany przez czujnik RadFET.

Schematy oraz płytki PCB wersji rozwojowych czujnika można znaleźć w naszym repozytorium. Także lotna wersja czujnika, zintegrowana z płytką Payloadu dostępna jest w publicznym repozytorium. Udostępniamy również oprogramowanie wbudowane płytki PLD. Szerszą dokumentację zawierają prace inżynierskie autorów czujnika.

Przebieg i wyniki pomiarów

Odczyt napięcia progowego realizowany jest zawsze na żądanie operatorów, poprzez telekomendę wysyłaną ze stacji naziemnych. Telekomenda zawiera m.in informacje o tym ile próbek pomiarowych ma być zapisanych w pamięci pokładowej satelity. Zazwyczaj odczyt czujnika zajmuje kilkadziesiąt minut (mniej niż jedną orbitę). Następnie dane w formie surowej są na żądanie operatorów przesyłane do stacji naziemnych i analizowane: dokonywana jest walidacja poprawności danych, kompensacja temperaturowa i uśrednianie. Następnie zmiany napięcia progowego tranzystorów przeliczane są na dawkę pochłoniętą promieniowania kosmicznego. Do tej pory odczyt czujnika został wykonany 13 razy, a uzyskane wyniki zostały przedstawione na poniższych wykresach. Wszystkie, zawsze aktualne wyniki dostępne są pod tym adresem.

Napięcie progowe tranzystora zmieniło się do tej pory o mniej niż 3.5 mV. Jak przekłada się to na wyniki w jednostkach związanych z promieniowaniem?

Na osi pionowej przedstawiona jest dawka pochłonięta promieniowania kosmicznego (TID) w miligrejach, na osi poziomej – liczba dni spędzonych na orbicie. Niestety ze względu na przebieg misji i inne eksperymenty niemożliwe było równomierne rozłożenie punktów pomiarowych w czasie, jednakże teraz odczyty planowane są w regularnych, dwutygodniowych odstępach.

Wyniki są zgodne z oczekiwaniami – dawka pochłonięta powinna wzrastać w stałym tempie, przynajmniej do czasu mocniejszej zmiany (obniżenia) orbity przez satelitę. W ciągu prawie 6 miesięcy podsystemy elektroniczne wewnątrz struktury PW-Sata2 otrzymały dawkę promieniowania ponad 650 mGy. Jest to wartość nawet 1200 razy większa w porównaniu do dawki jaką pochłonęłyby pozostając na Ziemi. Należy również pamiętać, że podzespoły takie jak kamery, czujniki Słońca i ogniwa fotowoltaiczne pozbawione osłon w postaci aluminiowych ścianek satelity otrzymują wielokrotnie większe dawki promieniowania.

Symulacje uzyskane w programie SPENVIS (model SHIELDOSE-2) dają zbliżone wyniki z pomiarami (zgodne co do rzędu wielkości). Zgodność na takim poziomie jest w pełni zadowalająca, ze względu na wiele zmiennych, które ciężko uwzględnić w modelach symulacyjnych – np. rzeczywiste materiały tłumiące promieniowanie i ich grubość.

Symulacja dawki pochłoniętej promieniowania w zależności od grubości aluminiowej osłony dla misji trwającej 1 rok na orbicie SSO 590 km. Model zakłada jednorodną, aluminiową osłonę radiacyjną w kształcie sfery. Określenie rzeczywistego ekranowania wprowadzanego przez złożoną strukturę satelity jest utrudnione.

Ciekawe z punktu badawczego jest porównanie wyników uzyskanych przez inne satelity badające radiację. Nanosat-1b znajduje się na bardzo podobnej orbicie SSO, a do swoich pomiarów wykorzystuje wyspecjalizowane tranzystory RadFET produkowane przez Tyndall National Institute. Po roku misji na orbicie czujnik wskazał dawkę prawie 100 radów, co odpowiada 1 Gy (w przypadku PW-Sata2 po roku na orbicie prognozowane jest 1.3 Gy).

Umiejscowienie czujników radfet w satelicie Nanosat-1b.
źródło grafiki: https://escies.org/download/webDocumentFile?id=49251

Wyniki pomiarów czujników radfet na satelicie Nanosat-1b.
źródło grafiki: https://escies.org/download/webDocumentFile?id=49251

Podsumowanie

Na dzień dzisiejszy możemy z powiedzieć, że cele, które były motywacją do przeprowadzenia eksperymentu, zostały w pełni osiągnięte, a dzięki dużo dłuższemu działaniu satelity na orbicie udało się zgromadzić dane nieporównywalnie lepsze jakościowo niż było to oczekiwane. Eksperyment będzie kontynuowany tak długo, jak tylko będzie na to pozwalał stan PW-Sata2. Więcej naukowych analiz i wyników dotyczących eksperymentu RadFET przedstawimy w przygotowywanych publikacjach.

Jeśli masz pytania dotyczące tematyki wpisu lub innych eksperymentów – napisz do nas!

[1] https://timeline.web.cern.ch/robert-millikan-coins-term-cosmic-rays
[2] Geiger, H.; Rutherford, Lord; Regener, E.; Lindemann, F. A.; Wilson, C. T. R.; Chadwick, J.; Gray, L. H.; Tarrant, G. T. P.; et al. (1931). „Discussion on Ultra-Penetrating Rays”. Proceedings of the Royal Society of London A. 132 (819): 331. Bibcode:1931RSPSA.132..331G. doi:10.1098/rspa.1931.0104
[3] http://www.esa.int/Our_Activities/Human_and_Robotic_Exploration/Lessons_online/The_effects_of_magnetic_fields