Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Эффекты накопления объемного электрического заряда при взаимодействии электронного излучения с диэлектриками (обзор литературы) 14
1.1. Данные экспериментальных исследований явления образования объемного электрического заряда при облучении диэлектрических материалов 14
1.2. Экспериментальные методы исследования объемной электризации 22
1.3. Феноменологические теории 27
Общие теоретические задачи 27
Возможности методов исследования прохождения быстрых электронов в веществе на основе решения кинетического уравнения переноса 28
Возможности методов исследования прохождения быстрых электронов в веществе методом статистических испытаний (Монте-Карло) 31
1.4. Постановка задачи исследования 33
Глава 2 Экспериментальное исследование эффекта накопления объемного электрического заряда в диэлектриках, материалы и методы 36
2.1. Материалы 36
2.2. Облучение образцов стекол на линейном ускорителе электронов 40
2.3. Пространственное распределение объемного электрического заряда 43
2.4. Диагностика заряженного состояния диэлектрика 47
Измерение энергетических спектров прошедших электронов 49
Измерение энергетических спектров тормозного излучения за образцом 49
Результаты бета-зондирования тонких образцов 51
Результаты бета-зондирования массивных образцов 57
2.5. Результаты и выводы 61
Глава 3 Исследование взаимодействия электронов с веществом методом статистических испытаний (Монте-Карло) 63
3.1. Общая характеристика метода 63
3.2. Алгоритм расчета взаимодействия электронов с веществом, содержащим слой объемного электрического заряда. Теория взаимодействия электронов с веществом 66
3.3. Верификация алгоритма расчета взаимодействия электронов с веществом, содержащим слой объемного электрического заряда 86
3.4. Результаты и выводы 93
Глава 4 Результаты исследования радиационно-защитных свойств заряжающихся неорганических стекол 94
4.1. Исследование влияния электрического поля объемного заряда на прохождение моноэнергетических пучков электронов 94
4.2 Определение напряженности электрического поля 03 по результатам бета зондирования тонких образцов 100
4.3. Определение напряженности электрического поля 03 по результатам бета зондирования массивных образцов 105
4.4. Оценка эффективности радиационно-защитных свойств заряжающихся стеклянных покрытий в околоземном космическом пространстве 107
Оценка эффективности радиационно-защитных свойств заряжающихся стеклянных покрытий для различных орбит КА 116
Заключение 119
Обсуждение результатов исследований 119
Результаты работы 121
Выводы 123
Литература 124
Приложение А 129
Приложение Б 136
- Данные экспериментальных исследований явления образования объемного электрического заряда при облучении диэлектрических материалов
- Алгоритм расчета взаимодействия электронов с веществом, содержащим слой объемного электрического заряда. Теория взаимодействия электронов с веществом
- Исследование влияния электрического поля объемного заряда на прохождение моноэнергетических пучков электронов
- Оценка эффективности радиационно-защитных свойств заряжающихся стеклянных покрытий в околоземном космическом пространстве
Введение к работе
Актуальность темы.
Вопросам взаимодействия ионизирующего излучения с веществом уделяется большое внимание, поскольку связаны они со стойкостью конструкционных материалов и ресурсом работы элементов аппаратуры, предназначенной для эксплуатации в условиях высоких радиационных нагрузок.
Особое место эти вопросы занимают в космической технике. С воздействием заряженных частиц, главным образом электронов, на диэлектрические материалы связаны такие эффекты, как: электризация и разрядные явления между элементами, расположенными на поверхности космических аппаратов; деградация оптических свойств радиационно-защитных покрытий и спад мощности фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей; сбои в работе навигационной и телеметрической аппаратуры, приводящие к нарушению или потере связи с космическим аппаратом. Изучение процессов поверхностной и объемной электризации диэлектриков при облучении заряженными частицами позволяет предвидеть возможные негативные явления во время эксплуатации космического аппарата (КА) в условиях воздействия ионизирующего излучения естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ) и межпланетного пространства.
Интерес к исследованиям накопления объемного электрического заряда (03) диэлектриками обусловлен еще и возможностью применения этого эффекта в космосе для повышения эффективности радиационной защиты элементов КА. Актуальность задачи повышения эффективности радиационной защиты в космосе определяется жесткими требованиями к массе конструкций. Применение диэлектрических материалов, способных накапливать объемный электрический заряд непосредственно во время полета КА, может позволить повысить эффективность защиты, не увеличивая массу покрытий, или даже снизить массу, поскольку эффект дополнительного ослабления потока электронов эквивалентен увеличению толщины защитного слоя.
В результате исследований, проводившихся в последние годы, были синтезированы многокомпонентные боро- и силико-фосфатные стекла, способные при облучении их электронами накапливать сильные электрические поля. В ряде работ (Цет-лин В. В. и др., 1993; Цетлин В. В., 1998; и др.) было показано, что накопленный объемный электрический заряд сохраняется в образцах длительное время, измеряемое годами с момента облучения, причем не только на Земле, но и на открытой поверхно-
сти космического аппарата в условиях полета в околоземном космическом пространстве. Авторами этих работ было предложено использовать синтезированные стекла в качестве радиационно-защитных покрытий элементов космических аппаратов (КА), в том числе фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей.
Общее направление настоящего исследования является продолжением перечисленных выше работ и определяется необходимостью разработки современного комплексного теоретико-экспериментального метода диагностики внедренного объемного заряда, позволяющего определять величину напряженности электрического поля 03 и прогнозировать влияние поля 03 в условиях облучения образцов на околоземных орбитах.
Цель работы: разработка теоретико-экспериментального метода для определения электрических потенциалов в радиационно-заряженных неорганических стеклообразных диэлектриках и прогнозирования возможных эффектов влияния электрического поля объемного заряда на характеристики электронных пучков в различных условиях облучения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач, составляющих экспериментальную и теоретическую части работы. Экспериментальная часть заключается в отработке методики зарядки и последующей диагностики внедренного в образцы 03. Теоретическая часть работы включает в себя создание алгоритма расчета взаимодействия электронов с веществом в присутствии электрического поля 03 для расчета величины напряженности создаваемого им электрического поля при помощи моделирования условий эксперимента, а также для прогнозирования возможного эффекта влияния поля 03 на поток электронов в околоземном космическом пространстве или на облучательных установках.
Задачи работы:
Создание установки для радиационного зондирования материалов с внедренным 03 на базе сцинтилляционного метода с использованием современных технологий.
Отработка методики радиационного зондирования образцов неорганических стекол, обладающих способностью накапливать 03 в условиях радиационной электризации.
Проведение экспериментов по облучению образцов неорганических стекол различной толщины на линейном ускорителе электронов.
Разработка алгоритма расчета взаимодействия электронного излучения с произвольно заданными энергетическим и угловым распределениями с материалами в присутствии неоднородного электрического ПОЛЯ ОЗ.
Оценка величины образовавшихся полей на основе экспериментальных и теоретических данных.
Проведение расчета радиационных нагрузок в фотоэлектрическом преобразователе солнечной батареи в условиях полета на различных околоземных орбитах, оценка влияния поля 03 на величину поглощенной дозы электронного излучения.
Научная новизна. Разработан метод расчета взаимодействия электронов с веществом в присутствии неоднородного электрического ПОЛЯ.
Предложена методика бета-зондирования 03 в массивных образцах диэлектриков. Методика заключается в измерении спектра тормозного излучения за образцом, генерируемого электронами радионуклидного бета-источника Sr -Y с последующим определением величины напряженности и глубины залегания слоя 03 при помощи расчета спектра тормозного излучения, генерируемого в образце в присутствии электрического поля 03.
На защиту выносится:
Алгоритм и программа расчета взаимодействия электронов с веществом в присутствии неоднородного электрического ПОЛЯ.
Экспериментально-теоретический метод определения величины напряженности электрического поля накопленного 03, как для тонких, так и для массивных образцов.
Результаты теоретических оценок эффективности радиационно-защитных свойств стеклянных покрытий, способных накапливать 03. Практическая ценность работы:
создана спектрометрическая установка для измерения спектров бета- и гамма-излучения;
разработана экспериментально-теоретическая методика зондирования 03 как в тонких, так и в массивных образцах диэлектриков.
Разработана программа расчета прохождения электронов с энергиями от 0.01 до 5 МэВ в материалах с атомными номерами от 2 до ЗО, в присутствии неоднородного электрического поля.
- В работе представлены теоретические данные по величине энерговыделения электронного излучения в кремниевом фотоэлектрическом преобразователе солнечной батареи для спектров различных околоземных орбит КА.
Личный вклад автора заключается в выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертационной работе, включающих: разработку алгоритма и программы расчета взаимодействия электронов с веществом в присутствии неоднородного электрического поля; создание спектрометрического комплекса и выполнение на нем экспериментальной части работы; участие в экспериментах на ускорителе в Малой Ускорительной Лаборатории (МУЛ) МИФИ, а так же анализ и оформление результатов в виде публикаций и научных докладов.
Реализация полученных данных.
При помощи разработанного алгоритма взаимодействия электронов с веществом выполнена работа по определению поглощенной дозы в фотоэлектрическом преобразователе солнечной батареи, возвращенной с орбитального комплекса «МИР» после 11-й лет эксплуатации.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:
Школа-конференция молодых ученых «Современные проблемы радиационной физики твердого тела», 25 ноября - 2 декабря 2001 г., Томский политехнический университет, г. Томск, Россия.
Всероссийская научная конференция "Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB", 28-29 мая 2002 г., Институт проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН, Москва, Россия.
Метод диагностики электрических полей в заряженных защитных покрытиях солнечных батарей. ГНЦ РФ ИМБП РАН, 2002 г.
XXXIII международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. 26-28 мая 2003 г., НИИЯФ МГУ, Москва, Россия.
Актуальные проблемы российской космонавтики. 29-е академические чтения по космонавтике. МФТИ им. Н. Э. Баумана, 2005 г., Москва, Россия.
Публикации по теме диссертации:
Основные результаты и положения диссертации изложены в 3 статьях в рецензируемых изданиях, 2 сборниках трудов конференций, 3 тезисах конференций.
Объем и структура работы.
Данные экспериментальных исследований явления образования объемного электрического заряда при облучении диэлектрических материалов
Впервые явление накопления объемного заряда внутри диэлектриков удалось установить Гроссу [1,2]. Наблюдения спонтанных разрядов в плоских образцах полиметилметакрилата (ПММА) и локальный характер расположения остаточных разрядных фигур позволили ему сделать предположение о наличии внутреннего электрического поля, возникающего в материале при облучении, на глубине, соответствующей среднему пробегу электронов. Проведенная им оценка напряженности электрического поля дала величину, равную 8 МВ/см, что превышает известную диэлектрическую прочность ПММА в несколько раз.
Изучая условия образования и сохранения объемного заряда, Гросс установил, что в образцах ПММА заряд сохраняется в течение времени, не превышающего нескольких секунд после окончания облучения, а в образцах из боросиликатных стекол - более продолжительное время, исчисляемое месяцами [1,2].
Nablo S. V. с сотрудниками [3], а позднее Евдокимов и Ягушкин [4] провели измерение пробега электронов в оптически прозрачных образцах из ПММА и полистирола (ПС). Глубина проникновения частиц идентифицировалась по границе области флуоресценции образцов в процессе облучения. Посредством скоростной киносъемки было зарегистрировано постепенное сокращение глубины области свечения, которое происходило по мере увеличения флюенса падающих на образец электронов. Глубина области свечения изменялась от некоторой максимальной до некоторой минимальной величины, отсчитываемой от облучаемой поверхности плоского образца. Максимальная глубина области свечения примерно соответствовала экстраполированному пробегу электронов в веществе диэлектрика в отсутствие электрического поля, а минимальная была в 3.7 раза меньше. Сокращение области свечения связывалось с нарастанием напряженности электрического поля вследствие роста плотности накапливаемого объемного заряда. Уменьшение пробега электронов с ростом величины объемного заряда было также зарегистрировано методом оптического поглощения в образцах из ПММА, полистирола и винипласта [5].
Исходя из предположения об однородности тормозящего электрического поля в области пробега электронов, авторы цитируемых работ [3,4] оценили величины максимальных напряженностей этих полей (таблица 1.1).
Другую оценку максимальной напряженности электрического поля получил Harrah L. А. в работе [5] путем измерения глубинного распределения доз по радиационному окрашиванию образцов из ПС. Такая оценка дает Емах=2.%5 МВ/см для энергии первичного пучка Г=1.5 МэВ. Как следует из сравнения этой величины с величинами, приведенными в таблице 1.1, между ними имеет место более чем двукратное расхождение. По-видимому, оно может быть объяснено как различием в свойствах исследуемых материалов и методиках проведения экспериментов, так и в теоретических приближениях, используемых для оценок величины напряженности и потенциала электрического поля.
Необходимо также отметить сделанный в работе [5] важный вывод о том, что в специальном радиационно-чувствительном полистироле распределение поглощенной дозы в заряжающемся образце смещено в сторону меньшей глубины, в отличие от не заряжающегося образца (составленного из тонких пластин полистирола). При высоких значениях флюенса заряда (выше 1 мкКл/см ) величина накопленного заряда стремится к постоянному значению, а экстраполированный пробег электронов стремится к пределу, составляющему приблизительно третью часть от пробега в отсутствии электрического поля.
L. A Harrah [5] объяснил этот эффект тем, что величина напряженности электрического поля при больших флюенсах ограничена увеличением тока утечки заряда, обусловленным радиационно-стимулированной проводимостью.
Измерение плотности тока и энергетического спектра электронов с начальной энергией 0.8 - 1.0 МэВ, прошедших через образцы из ПММА, про водились, соответственно, в работах [б] и [7]. Получено, что с ростом флюен-са заряда падающих электронов происходит уменьшение плотности тока электронов, прошедших через образец толщиной 0.425 г/см . Максимальная кратность уменьшения плотности тока составляла 16 при изменении флюенса от 0 до 1.85 мкКл/см . Кроме того, имело место смещение максимума спектра электронов, прошедших через образец из ПММА толщиной 0.13 г/см в сторону меньших энергий и заметное срезание высокоэнергетической части спектра при флюенсе 20 - 40 мкКл/см .
В 1975 году при облучении образцов из ПММА и борофосфатных стекол на электронном ускорителе был обнаружен эффект возрастания потоков обратно отраженных электронов [7]. Об увеличении числа обратно рассеянных бета-частиц от образцов диэлектриков из ПММА после их облучении на ускорителе по сравнению с числом отраженных частиц до облучения образцов сообщалось также в работах [8,9].
Релаксация объемного заряда, образующегося в диэлектриках при облучении на ускорителях, исследовалась в работах [10,11,12]. В работе [10] объектами исследований служили оптически прозрачные неорганические стекла типа "крон" и "флинт" и органические полимеры типа ПММА и поли-винилхлорида (ПВХ), применявшиеся в качестве материалов смотровых окон и уплотнений в конструкциях реакторов. Поводом для этих исследований послужило разрушение материалов вследствие образования в них электрических разрядов в полях реакторного излучения. Подобие форм разрядных фигур, образующихся под действием реакторного гамма-излучения и пучков электронов, позволило авторам работы [10] использовать ускорители электронов в качестве инструмента для создания объемного заряда в диэлектриках. В основу метода, с помощью которого изучалась релаксация заряда, было положено допущение о существовании однозначной связи между накопленным в образце объемным зарядом и густотой (или оптической плотностью) разрядных фигур.
Разряды в образцах диэлектриков в различные моменты времени после облучения вызывались ударами о поверхность образца острым металлическим электродом или заземлением металлического электрода, заранее впрессованного в диэлектрик. Относительное изменение густоты разрядных фигур определялось по изменению тока с фотоэлемента, измерявшего поток рассеянного на фигурах света [10].
Важными результатами этих измерений является, во-первых, количественное подтверждение установленного ранее в работах [1,2] факта того, что в образцах из неорганических стекол электрические поля существуют дольше, чем в образцах из ПММА; во-вторых, обнаружение состояния насыщения накопления объемного заряда в образцах из ПММА, наступавшего при флю-енсах заряда падающих электронов, превышающих 1 мкКл/см ; и, в-третьих, обнаружение различий в скорости релаксации зарядов в полимерных и стеклянных образцах.
К качественно аналогичным выводам о характере релаксации заряда в ПММА и ПС пришли авторы работы [13] путем измерения временной зависимости прохождения бета-частиц через заряженные образцы этих материа лов. Однако, количественные данные о постоянных времени релаксации в указанных работах [10,13] расходятся более, чем на порядок. Возможные причины такого расхождения авторы работы [13] усматривают в различии технологии получения полимеров.
Прохождение бета-частиц через образцы было использовано Евдокимовым с сотрудникам для определения релаксации объемного заряда в фосфатных стеклах условных марок 12, 30, 80 и 90, имеющих, соответственно, молекулярные формулы состава: 4-[Ьа2Оз-ЗР205НВ2Оз-Р2О5]; [Ьа2Оз-ЗР205]4[В2Оз-Р205]; [La203-3P205]; [15P205-3La203-2B203] [11]. Важным результатом этой работы было установление факта способности таких стекол длительное время (измеряемое сотнями суток) сохранять объемный заряд (постоянные времени спада для стекол 12, 30 и 90 составляли, соответственно, 420, 520 и ПО суток). Авторы работы измерили прохождение бета-частиц через образцы указанных стекол до и после их облучения (зарядки) на ускорителе электронов. Измерения показали, что поток бета-частиц через диэлектрики спустя небольшое время после прекращения облучения на ускорителе был существенно меньше (более, чем на порядок) потока через образцы до облучения.
Алгоритм расчета взаимодействия электронов с веществом, содержащим слой объемного электрического заряда. Теория взаимодействия электронов с веществом
Наиболее важной характеристикой электронного пучка является его энергетическое распределение, или его энергетический спектр. Выход зависящих от энергии излучения физического, химического и биологического эффектов является функцией этого энергетического спектра или его интеграла. Также он влияет на показания дозиметров, имеющих энергетическую зависимость чувствительности [72]. Вклад в формирование спектра вносят первичные электроны пучка, вторичные электроны, включая -частицы высоких порядков, и электроны, освобожденные при взаимодействии со средой фотонов, присутствующих в пучке или возникающих внутри среды. Также интерес представляет получение энергетического спектра фотонов вторичного тормозного излучения, возникающего в среде.
Подобные задачи неоднократно решались различными методами и в различных приближениях. Однако, существующие на сегодняшний день алгоритмы и рекомендованные программы достаточно трудно или просто невозможно адаптировать для задачи учета влияния поля объемного электрического заряда на характеристики излучения в том масштабе, который необходим для сравнения расчета с экспериментальными данными.
Таким образом, необходимость создания данного алгоритма взаимодействия электронов с веществом обусловлена следующими причинами:
- возможностью устранить ряд приближений, использовавшихся в предыдущих работах и не позволявших гибко и, в то же время, с достаточной точностью учесть взаимодействие электронов с электрическим полем объемного заряда;
- возможностью учесть взаимодействие электронов с электрическим полем объемного заряда, не ограниченного по величине напряженности и произвольно распределенного по глубине образца;
- возможностью разработки на базе данного алгоритма динамической модели накопления объемного электрического заряда.
Теория взаимодействия электронов с веществом.
Как уже говорилось выше, движение электрона в веществе является сложным стохастическим процессом, характеризующимся следующими основными зависимостями:
- дифференциальным и интегральным (полным) сечениями упругого рассеяния, определяющими вероятность отклонения электрона с энергией на угол & при упругом столкновении с атомом вещества, а также длину свободного пробега электрона Я (среднее расстояние, которое проходит электрон от одного упругого соударения до другого) для данного вещества;
- дифференциальным и полным сечениями неупругого рассеяния электрона в поле ядра атома, определяющими вероятность образования кванта тормозного излучения с энергией Ку (0 Ку 7), и приводящими к отклонению электрона от его первоначальной траектории;
- потерями энергии электрона на ионизацию атомов среды (ионизационные потери) и генерацию тормозного излучения (радиационные потери).
Сечение упругого рассеяния.
Наиболее точно упругое рассеяние релятивистских электронов описывает выражение для сечения упругого рассеяния Маккинли-Фешбаха [73]. Более простым выражением является выражение Резерфорда с учетом неупругих столкновений и влияния экранирования ядра орбитальными электронами [74]. Первое точно описывает сечение рассеяния для релятивистских электронов, но не позволяет получить аналитическое выражение для плотности вероятности угла рассеяния электрона. Использование этого выражения приводит к необходимости применения приближенных численных методов решения уравнений, резко увеличивающих время расчета. Применение второго выражения лишено этого недостатка, но оно дает значительную погрешность в области энергий электронов свыше 5-7 МэВ.
Требования, предъявляемые к данному алгоритму, заключаются в возможности расчета энергетических спектров электронов, подобных спектру источника Sr90-Y90 с максимальной энергией частиц до 2.27 МэВ, а также спектров электронов, характерных для околоземных орбит искусственных спутников, где поток частиц с энергиями, превышающими 7 МэВ, составляет доли процента полного потока. В соответствии с такими требованиями целесообразно применить сечение упругого рассеяния Резерфорда.
Чтобы принять во внимание экранирование ядра атомными электронами, необходимо ввести дополнительный параметр rj, называемый парамет-ром экранирования. Это можно сделать, заменив множитель (l-cos«9) в формуле Резерфорда на (l+277-cos . Влияние неупругих столкновений налетающей частицы с атомными электронами можно приближенно учесть с по-мощью замены величины Z (атомный номер элемента в таблице Д. И. Менделеева) на Z(Z+1) [74]. Модифицированное таким образом дифференциальное сечение упругого рассеяния электрона с кинетической энергией Г (в еди-ницах YYIQC ) на угол $, отнесенное к одному атому, определяется выражением
Далее, интегрируя (3.4) по элементу телесного угла получим выражение для полной вероятности рассеяния Р(Т). Для использования этого распределения в расчете необходимо заменить розыгрыш случайного числа из распределения Р{Т) розыгрышем случайного числа, равномерно распределенного на интервале (0,1). Наиболее распространенный метод такого преобразования называется методом обратных функций [75,76] и заключается в следующем. Если fix) есть плотность вероятности случайной величины х, a g{s) - плотность вероятности равномерной на интервале (0,1) случайной величины є, то они связаны соотношением
Исследование влияния электрического поля объемного заряда на прохождение моноэнергетических пучков электронов
Экспериментальные исследования прохождения моноэнергетических пучков электронов, нормально падающих на поверхность образца, проведенные рядом авторов, и, в том числе, выполненные в рамках данной работы, позволяют выделить три характерные области по соотношению толщины образцов d и среднего ионизационного пробега электронов пучка R. К первой области относятся условия, при которых пучок полностью поглощается в материале (d R). В этом случае в процессе облучения наблюдается сокращение глубины проникновения электронов в материал в результате увеличения плотности объемного заряда [3,4,5].
Ко второй области следует отнести случай, когда толщина образца составляет 0.6 -1 величины среднего ионизационного пробега частиц (0.6 dIR 1). Как уже говорилось в п. 2.2, в этом случае наблюдается наибольший эффект влияния поля объемного заряда на измеряемые характеристики моноэнергетического пучка электронов, поскольку в процессе облучения при накоплении 03 поток проходящих частиц может снижаться вплоть до нуля.
К третьей области относится случай dIR 0.6, при котором наличие электрического поля 03 практически не сказывается на прохождение пучка, нормально падающего на образец. Кроме этого, в каждом из перечисленных случаев наблюдается рост коэффициента обратного рассеяния. Проведенные теоретические исследования согласуются с экспериментальными наблюдениями и теоретическими расчетами, проводимыми ранее, и позволяют выявить зависимости различных характеристик электронных пучков от величины накопленного объемного заряда. В таблицах А.1-А.6 (приложение А) приведены результаты расчетов прохождения моноэнергетических пучков электронов через стекло марки Ц-13 толщиной 0.5 и 1.0 мм при различных напряженностях электрического поля ОЗ. Слой объемного заряда располагался в центре образца (рис. 2.4 А).
В таблицах АЛ, А.З и А.5 представлены результаты расчетов, соответствующие области d R для нормального (А.1, А.З) и изотропного (А.5) падения пучка на поверхность образца. В таблицах А.2, А.4 и А.6 представлены результаты расчетов, соответствующие областям d R для нормального (А.2, А4) и изотропного (А.6) падения пучка на поверхность образца.
Зависимость коэффициента обратного отражения от энергии нормально падающего пучка при увеличении разности потенциалов электрического поля 03 имеет максимум в области d/R 0.6 (рис. 4.1), поскольку в этой области наблюдается существенно более высокий рост коэффициента отражения от разности потенциалов электрического поля 03 (рис. 4.2).
При полном поглощении нормально падающего пучка в образце наблюдается уменьшение максимальной глубины поглощения электронов до 50-60% и уменьшение поглощенной в образце энергии (рис. 4.3) до 30-40% при разности потенциалов поля 03 0.3 MB. Для оценки эффективности защиты заряжающимся диэлектрическим покрытием в расчете использовался слой кремния толщиной 0.35 мм, соответствующий фотоэлектрическому преобразователю солнечной батареи. Расчет поглощенной энергии в пластине кремния, расположенной за слоем стекла, при нормальном падении пучка показывает (рис. 4.4), что в области dIR -0.6 наблюдается спад поглощенной энергии, достигающий нуля при разности потенциалов электрического поля 03 -0.3 MB. При уменьшении соотношения dIR наличие поля 03 практически перестает сказываться на величине поглощенной энергии.
В условиях изотропного падения пучка на образец сохраняются похожие тенденции зависимостей - наибольший рост коэффициента обратного отражения в области dIR - 0.6 и наличие максимума зависимости коэффициента отражения от энергии падающего пучка при увеличении разности потенциалов электрического поля 03 (рис. 4.5). Наблюдается практически такой же спад максимальной глубины поглощения электронов и поглощенной в образце энергии (рис. 4.6). Абсолютные значения максимальной глубины поглощения электронов и поглощенной в стекле энергии представлены на рис. 4.7.
На рис. 4.8 представлены относительные изменения коэффициента прохождения за образцом стекла и поглощенной энергии в пластине кремния, расположенной за стеклом, для изотропно падающего пучка электронов. С увеличением энергии пучка, в отличие от условий нормального падения, относительные изменения коэффициента прохождения и поглощенной энер гии в пластине кремния стремятся к постоянной величине -0.8 при разности потенциалов 0.3 MB.
Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее эффективно и целесообразно применение защитных диэлектрических заряжающихся покрытий для снижения дозовых нагрузок на объекты в области 0.6 d/R 1.
Оценка эффективности радиационно-защитных свойств заряжающихся стеклянных покрытий в околоземном космическом пространстве
Оценка радиационной защищенности элементов КА заключается в определении ослабления потока излучения в слое защиты и поглощенной дозы излучения за этой защитой. Для выполнения оценки радиационной защищенности элементов КА необходимо знать потоки частиц, составляющих космическое излучение. Как известно [82 и др.], существует несколько различных источников космического излучения, потоки частиц которых имеют различные пространственные распределения и энергетические спектры, и, следовательно, вносящие различный вклад в величину поглощенной дозы. Этими источниками являются электроны и протоны естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ), галактические космические лучи (ГКЛ), и солнечные космические лучи (СКЛ), включающие потоки электронов и протонов, возникающих во время солнечных протонных событий или «солнечных вспышек» (СПС).
Вклад того или иного вида космического излучения в поглощенную дозу для различных частей КА зависит от толщины защиты. В приповерхностных слоях поглощенная доза формируется преимущественно электронами, имеющими малую проникающую способность благодаря своему относительно малому весу и наличию электрического заряда, и низкоэнергетическими протонами. При больших толщинах защиты преимущественный вклад дают протоны высоких энергий и тяжелые ядра. Далее поглощенная доза формируется вторичным излучением, генерируемым высокоэнергетическими протонами, гамма квантами и нейтронами высоких энергий.
Частицы ГКЛ характеризуются сравнительно небольшими потоками (до 5 част.-см" -с") и высокими энергиями (до 10 МэВ) частиц. СКЛ образуются в результате возрастаний солнечной активности, проявлениями которой являются хромосферные вспышки. Большие потоки высокоэнергетических частиц СКЛ и ГКЛ представляют существенную опасность для экипажей и наиболее чувствительной к радиации бортовой аппаратуры КА в межпланетном пространстве. Основной же вклад в величину поглощенной дозы на околоземных орбитах вносят частицы ЕРПЗ, имеющие непрерывное энергетическое распределение в диапазоне от десятков кэВ до сотен МэВ для протонов и десятков МэВ для электронов.
Определение пространственного и энергетического распределения частиц ЕРПЗ, особенно на малых высотах, является весьма слолшой задачей вследствие влияния плотных слоев атмосферы и структуры геомагнитного поля. Потоки электронов ЕРПЗ испытывают различные вариации в зависимости от уровня геомагнитной возмущенности, фазы солнечного цикла и местного времени. Причем вариации потоков электронов различных энергий неодинаковы, что приводит к изменению их энергетического спектра [82].
Для анализа изменений формы энергетического спектра электронов удобно использовать значение спектрального индекса SI - отношение потоков частиц с энергиями выше пороговых, характеризующее жесткость спектра. В качестве исходных данных были использованы значения потоков электронов на геостационарной орбите, измеряемые спутниками Geostationary Operations Environmental Satellites (GOES). Эти данные, свободно предоставляемые Space Environment Center of National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA), Boulder, USA (http://sec.noaa.gov/), объективно отражают картину радиационной обстановки. Параметры орбиты спутника GOES-10: высота -42000 км, наклонение 0.68 градуса.
Спутники GOES оснащены пороговыми детекторами электронного излучения, измеряющими потоки электронов с энергиями выше 0.6 и 2.0 МэВ. Значения потоков добавляются каждые 5 минут. Для анализа был взят интервал с 19.03.2003 по 25.01.2005, в течение которого значения потоков усреднялись по суткам, по полученным значениям определялся спектральный ин F деке SI = _ аб. Усредненные значения потоков и спектральный индекс ПреД-ставлены на рис. Б.1 (приложение Б). На графике спектрального индекса красной горизонталью отмечена медиана (SIMEDIAN), отвечающая значениям потоков средней жесткости. Синяя и зеленая горизонтали соответствуют мягкому (SISOFT) И жесткому (SIHARD) спектрам. На графике пороговых потоков электронов маркерами показаны значения, характеризующие потоки различной жесткости, определенные по соответствующим спектральным индексам. Усреднением этих значений с последующей их аппроксимацией функцией вида F = а е были получены энергетические спектры электронов различной жесткости. Полученные энергетические спектры и коэффициенты аппроксимирующей функции представлены на рис. 4.10.
В расчетах поглощенной дозы в фотоэлектрическом преобразователе солнечной батареи использовались спектры, экстраполированные в диапазоне энергий 0.05 - 7.0 МэВ. При этом плотность вероятности, по которой разыгрываются значения энергии падающих электронов, изменяется на 6-7 порядков. Для точного учета вклада в поглощенную энергию от всех электронов падающего спектра он разбивался на 6 диапазонов с фиксированными весовыми коэффициентами. Для каждого диапазона выполнялось по 3 расчета со статистикой 5-Ю частиц, результаты которых складывались с соответствующими весовыми коэффициентами и затем усреднялись.
В проведенных расчетах использовалась упрощенная геометрия фотоэлектрического преобразователя, представленная на рис. 4.11. Кремниевый фотоэлектрический преобразователь расположен симметрично между стеклянными покрытиями толщиной 0.5 мм. Угловое распределение падающего излучения принималось изотропным. Расчеты проводились для значений напряженности электрического поля в стеклянных покрытиях - 0, 1, 3, 6 и 10 МВ/см, распределение электрического поля показано на рис. 4.12.
Результаты расчетов представлены в таблице Б.1 (приложение Б). В первых столбцах приведены значения весовых коэффициентов и соответствующие диапазоны энергии электронов. Далее следуют значения поглощенной энергии в кремниевом фотоэлектрическом преобразователе, приведенные на один падающий электрон, и среднеквадратическое отклонение по трем расчетам. В таблице 4.3 представлены относительные изменения величины поглощенной энергии в зависимости от значения напряженности электрического поля в стекле.
Как видно из таблицы, наличие электрического поля приводит к ослаблению потока электронов и уменьшению поглощенной энергии. Наиболее эффективно ослабляется мягкая часть спектра, для которой уменьшение поглощенной энергии достигает 50-70%. Однако, суммарные изменения оказываются не столь велики и для напряженности поля 3 МВ/см, соответствующей разности потенциалов 0.075 MB, полученной в п. 4.2, составляют 10-12%. На рис. 4.13 представлены распределения поглощенной энергии в фотоэлектрическом преобразователе солнечной батареи для каждого из диапазонов энергий спектра средней жесткости, Е=0 МВ/см. На графике видно, что наибольший вклад в величину поглощенной энергии приходится на первый и второй диапазоны спектра. Причем, электроны второго диапазона ослабляются гораздо меньше и, как показывает таблица 4.3, их вклад возрастает при ужесточении спектра и становится определяющим.
