Ionospheric response to solar and magnetospheric protons during January 15–22, 2005: EAGLE whole atmosphere model results

We present an analysis of the ionosphere and thermosphere response to Solar Proton Events (SPE) and magnetospheric proton precipitation in January 2005, which was carried out using the model of the entire atmosphere EAGLE. The ionization rates for the considered period were acquired from the AIMOS (Atmospheric Ionization Module Osnabrück) dataset. For numerical experiments, we applied only the proton-induced ionization rates of that period, while all the other model input parameters, including the electron precipitations, corresponded to the quiet conditions. In January 2005, two major solar proton events with different energy spectra and proton fluxes occurred on January 17 and January 20. Since two geomagnetic storms and several sub-storms took place during the considered period, not only solar protons but also less energetic magnetospheric protons contributed to the calculated ionization rates. Despite the relative transparency of the thermosphere for high-energy protons, an ionospheric response to the SPE and proton precipitation from the magnetotail was obtained in numerical experiments. In the ionospheric E layer, the maximum increase in the electron concentration is localized at high latitudes, and at heights of the ionospheric F2 layer, the positive perturbations were formed in the near-equatorial region. An analysis of the model-derived results showed that changes in the ionospheric F2 layer were caused by a change in the neutral composition of the thermosphere. We found that in the recovery phase after both solar proton events and the enhancement of magnetospheric proton precipitations associated with geomagnetic disturbances, the TEC and electron density in the F region and in topside ionosphere/plasmasphere increase at low- and mid-latitudes due to an enhancement of atomic oxygen concentration. Our results demonstrate an important role of magnetospheric protons in the formation of negative F-region ionospheric storms. According to our results, the topside ionosphere/plasmasphere and bottom-side ionosphere can react to solar and magnetospheric protons both with the same sign of disturbances or in different way. The same statement is true for TEC and foF2 disturbances. Different disturbances of foF2 and TEC at high and low latitudes can be explained by topside electron temperature disturbances.     

低能质子对卫星热控涂层太阳吸收率的影响

空间低能质子由于沉积能量在表层对卫星外露热控涂层太阳吸收率参数有较大影响,文章首次对地球同步轨道卫星6种热控涂层进行低能质子辐照试验研究,试件是S781有机白漆、SR107-ZK有机白漆、ACR-1有机白漆、OSR二次表面镜、F46二次表面镜和Kapton二次表面镜。试验采用能量48keV的质子,在真空条件下累积辐照360h,累计注量达到2×10~(15)p/cm~2。在辐照过程中原位测量热控涂层的太阳吸收率参数。这些热控涂层的太阳吸收率参数都有不同程度的明显上升。其中,有机白漆类热控涂层的太阳吸收率参数上升最快,其次是塑料薄膜类热控涂层(F46二次表面镜和Kapton二次表面镜),最稳定的是玻璃类热控涂层(OSR二次表面镜)。对试验前后试件的SEM分析和XPS分析表明,热控涂层中的颜料结构和聚合物结构在辐照下发生变化,形成不饱和链发色团和色心,使原来透明聚合物和高反射的颜料对太阳光产生吸收,从而引起热控涂层太阳吸收率参数上升。     

由地面宇宙线中子强度反演空间质子和重离子的分布

采用线性回归的方法研究了太阳活动平静时期空间高能质子和重离子微分通量与地面OULU宇宙线台站中子强度之间的相关性,利用地面中子强度数据来反演空间高能质子和重离子通量.从质子和重离子的能谱出发,结合OULU台站中子强度的数据,提出了由地面中子强度数据反演空间高能质子和重离子微分通量的新方法.文中以GOES卫星上350～420 MeV,420～510 MeV,510～700 MeV,＞700 MeV(P8～P11)四能道的高能质子和ACE卫星上的元素C为例,并将反演的数据与测量结果比较,二者符合较好.为了探索这种反演方法在空间辐射环境描述中的应用,同时利用2006年11月和12月质子通量的反演结果对反演方法进行了验证,证明利用这一反演方法可以从地面中子强度的数据很好地反演出空间质子和重离子的微分通量.      

质子单粒子翻转截面计算方法

在分析质子与硅反应的基础上,建立了质子单粒子翻转截面理论计算模型,提出了模拟计算方法。计算得到了不同能量的高能质子与硅反应产生的次级粒子种类、截面、能谱和双微分截面。采用Monte Carlo方法模拟质子与硅的反应;应用TRIM程序计算次级粒子的射程;计算得到次级粒子在存储单元的灵敏区内沉积的能量,产生的电荷。通过与临界电荷的比较,判断是否导致单粒子翻转,从而得到单粒子翻转截面。计算得到的单粒子翻转截面与实验数据符合较好。     

太阳质子通量模型研究

太阳质子事件对航天活动构成重要威胁, 预测一定时期内太阳质子通量对航天器抗辐射加固设计有重要的指导意义. 在第20至23太阳活动周的太阳质子事件数据统计分析的基础上, 建立了一个针对 E>10 MeV和 E>30 MeV太阳质子通量的新模型. 新模型与目前航天工程中常用的JPL模型相比较, 引入了太阳活动性对质子事件发生概率的影响因素, 能够评估不同太阳活动水平下的质子通量, 其结果更符合质子事件的分布特征.      

三种类型的质子耀斑

根据SMM卫星观测资料,分析了GRL,PE和GRL/PE三种类型质子耀斑在硬X射线辐射特征上的差异。结果表明,存在的差异与粒子加速区(或作用区)分别处于不同的日面高度有关。      

卫星用粒子探测系统

设计了一个卫星用电子和质子探测系统,电子和质子能量范围各为0.5～4MeV 和5～60MeV。系统具有质量轻、功耗低及可靠性高特点。     

真空100 keV质子辐照对石墨膜热性能的影响

研究了25 μm石墨膜在能量100 keV最大注量2.5×10¹⁵ p/cm²的真空质子辐照条件下的微观结构和热性能，采用拉曼光谱（Raman spectrum）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）进行微观结构分析，采用激光闪射法（LFA）进行热性能分析。石墨膜晶面间距为0.335 83 nm，石墨化度为95.0%。结果发现，质子辐照会导致石墨膜表层产生缺陷，片层间距增大，石墨化度降低，氧含量升高；随着质子辐照注量的增加，Raman光谱中D和G峰的积分面积比表明缺陷密度不断增加。25 μm石墨膜经过能量为100 keV注量为2.5×10¹⁵ p/cm²质子辐照后，石墨膜热扩散系数无明显变化。     

航天器用Parylene-C涂覆材料空间辐照适用性研究

派瑞林（Parylene）薄膜主要用于功率电刷的三防，确保电功率的稳定传输。本文对两种规格（17和27 μm）Parylene薄膜的厚度、热性能、绝缘性能、在铍青铜上的附着性能以及耐空间辐照性进行了研究。结果表明：通过真空气相沉积法制备的Parylene-C涂覆材料厚度误差可控在2 μm内；膜层在铍青铜上的附着力等级为1级，薄膜热分解温度为453 ℃，两种厚度薄膜击穿电压分别为3.65 kV（17 μm）和5.27 kV（27 μm）；经2.5×10¹⁵ p/cm²质子辐照后，膜层外观均完好，附着性能、热性能、绝缘性能仍满足工程使用需求；经2.5×10¹⁶ e/cm²电子辐照后，膜层出现严重开裂、起皮现象。对电子辐照前后膜层的热性能、红外结构等进行了进一步的研究，分析了电子辐照后膜层的失效机理并获得了Parylene-C涂覆材料膜层耐空间电子辐照上限为1×10¹⁴ e/cm²。