Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Электризация кла и проблемы, связанные с минимизацией ее последствий (обзор литературы) 26
1.1. Общие положения 26
1.2. Виды ЭСР 28
1.3. Физические процессы, ответственные за электризацию КА 30
1.4. Результаты лабораторного моделирования 36
1.5. Методика регистрации ЭСР 49
1.6. Электростатический разряд и его природа 55
1.6.1. Электрический пробой в жидкости 56
1.6.2. Особенности разряда в твердом теле 60
1.6.3. Электрический разряд в вакууме 61
1.6.4. Особенности ЭСР при радиационном заряжении 65
1.7. Токовые неустойчивости в корпусе КА, связанные с ЭСР 66
1.7.1. Обоснование для применения аппаратуры имитирующей ЭСР 69
1.7.1.1. Модель воздействия поражающих факторов ЭСР на бортовую аппаратуру КА 69
1.8.Описание электростатического разряда 71
1.8.1. Воздействие электростатических разрядов на кабельные сети 75
1.8.1.1. Воздействия ЭМИ 75
1.8.1.2. Воздействие магнитного поля 76
1.8.1.3. Воздействие электрического поля 77
1.8.1.4. Непосредственное воздействие разряда на кабель 78
1.8.2. Утечки в разъемах 80
1.8.3. Разряды в блоке электроники 80
1.8.4. Помехи в блоке электроники, вызывающие сбои в работе или выгорание отдельных элементов 82
1.9. Выводы 84
ГЛАВА 2. Исследования радиационной электропроводности полимеров под действием ионизирующих излучений различных видов 85
2.1. Объекты и методы исследования РЭ полимеров (обзор экспериментальных результатов) 85
2.1.1. Установка для исследования РИЭ полимеров под действием низкоэнергетических электронов 90
2.2. Установка для исследования РИЭ полимеров под действием электронов с энергией 8 МэВ 99
2.3. Установка для исследования РИЭ полимеров под действием импульсного гамма-нейтронного излучения 104
2.4. Сравнительные исследования радиационной электропроводности полимеров под действием ионизирующих излучений различных видов 108
2.5. Трековая модель радиационной электропроводности 111
2.6. Исследование температурной зависимости радиационной электропроводности полимеров 118
2.7. Исследования радиационной электропроводности полимеров при фоторадиационном воздействии 137
2.8. Выводы 138
ГЛАВА 3. Критерии выбора полимерных материалов внешней поверхности кла 140
3.1. Качественный критерий выбора полимерных материалов внешней поверхности КЛА 144
3.2. Исследование радиационной и пост-радиционной электропроводности полиимидов, облученных в вакууме электронами низких энергий 147
3.3 .Выводы электризации кла 160
4.1. Принцип построения модели переходных токов 162
4.2. Трансляция элементов аппаратов в составные части СЭМ 165
4.2.1. База данных 170
4.3. Составление эскизных чертежей мозаики внешней поверхности аппарата 176
4.4. Выводы 186
ГЛАВА 5. Комплекс аппаратуры для стендовых испытаний кла на стойкость к электрическим разрядам "дуга-миэм" 187
Выводы 193
Общие выводы 194
Литература 2(н
- Электростатический разряд и его природа
- Установка для исследования РИЭ полимеров под действием низкоэнергетических электронов
- Исследование радиационной и пост-радиционной электропроводности полиимидов, облученных в вакууме электронами низких энергий
- Составление эскизных чертежей мозаики внешней поверхности аппарата
Введение к работе
Актуальность темы. Космические летательные аппараты (КЛА) решают в настоящее время много задач военного, специального (например, задачи навигации, мониторинга), научного и потребительского характера (связь, телевидение, служба погоды и др.). Конкурентная борьба на рынке услуг, связанных с освоением околоземного космического пространства, требует новых подходов к компоновке КЛА и к бортовой радиоэлектронной аппаратуре (БГОА). Стремление увеличить отношение массы полезной нагрузки к общей массе КЛА привело к тому, что на ряде коммерческих искусственных спутников Земли (ИСЗ) разработчики отказались от традиционного метода компоновки БРЭА в термоконтейнерах, имеющих значительную массу. В результате в ИСЗ нового поколения ("Ямал" и др.) растет отношение массы полезной нагрузки к общей массе спутника, но примерно в той же пропорции падает помехозащищенность БРЭА. Что касается самой БРЭА, то расширение ее функциональных возможностей с одновременным уменьшением массо-габаритных показателей и снижением энергопотребления приводит к необходимости применения в ее составе новой элементной базы, отвечающей этим требованиям, но, к сожалению, более чувствительной к электромагнитным помехам.
Указанные обстоятельства на одно из первых мест в задаче повышения ресурса активного функционирования и бесперебойной работы КЛА на орбите выдвигают проблему защиты его систем от поражающих факторов электризации. К таким факторам в первую очередь относятся электростатические разряды на поверхности КЛА, которые возникают в результате накопления статических зарядов на диэлектрических материалах, контактирующих с внешней средой, под воздействием потоков электронов во время геомагнитных возмущений. Время пребывания в таких условиях составляет около 10 % от общего времени эксплуатации. Электростатические разряды (ЭСР) создают электромагнитные помехи, которые приводят к обратимым и необратимым отказам в работе БРЭА. При этом существенно снижается надежность работы и ресурс активного функционирования КЛА.
Решению актуальной проблемы повышения стойкости КЛА к воздействию факторов электризации и посвящена настоящая работа.
Цель работы. Повышение стойкости космических летательных аппаратов к воздействию факторов электризации.
Для достижения поставленной цели необходимо было последовательно решить следующие задачи:
1. Провести анализ причин электризации КЛА, возникновения ЭСР на его поверхности и способов минимизации их последствий.
-
Выполнить анализ процессов объемного заряжения материалов внешней поверхности КЛА при их облучении потоками электронов и определить важнейшие свойства этих материалов, определяющие накопление и сток зарядов го объема на поверхность.
-
Создать комплекс экспериментального оборудования и методик исследования явлений электропереноса в полимерных материалах внешней поверхности КЛА. С помощью этого комплекса провести систематическое изучение явлений электропереноса в полимерных материалах, облучаемых различными видами ионизирующей радиации.
-
На основе экспериментальных и теоретических исследований явлений электропереноса в облучаемых диэлектриках сформулировать критерий выбора полимерных материалов для внешней поверхности КЛА.
-
Разработать структурную электрофизическую модель электризации КЛА и программное обеспечение для ее реализации в любых типах космических аппаратов.
-
На основе проведенных исследований в области радиационной физики диэлектриков и структурного электрофизического моделирования разрядных процессов на реальных КЛА разработать методы и аппаратуру для стендовых испытаний космических аппаратов на стойкость к ЭСР.
Методология работы. Для достижения поставленной целевой задачи в диссертационной работе обосновывается проведение научных изысканий в двух направлениях.
Первое направление работ сопряжено с решением ряда теоретических, экспериментальных и прикладных задач радиационной физики диэлектриков. Конечной целью решения этих задач является исключение возможности протекания электроразрядных процессов за счет научно обоснованного выбора полимерных материалов внешней поверхности КЛА.
Второе направление предполагает создание оборудования, разработку методик и проведение стендовых испытаний КЛА на стойкость к факторам электризации с целью выявления и последующей доработки потенциально ненадежных устройств БРЭА.
Компромисс услови^объединяющий два направления в одно целое, заключается в следующем:
- выбор материалов внешней поверхности КЛА должен обеспечить частоту и мощность ЭСР, не превышающую некоторого порогового уровня;
- БРЭА КЛА должна безотказно работать при этом уровне ЭСР.
Научная новизна работы. На основе проведенного комплекса исследований по изучению явлений электропереноса в облучаемых полимерных диэлектриках проведена ранее отсутствовавшая классификация полимерных материалов по механизму радиационной электропроводности (РЭ) на три группы (свободно-зарядовый механизм РЭ, геминальный механизм РЭ и смешанный механизм РЭ). Разработан количественный критерий, позволяющий отнести полимерный материал к одной из трех групп по механизму РЭ.
Предложена трековая модель РЭ, базирующаяся на классической модели РЭ Роуза-Фаулера-Вайсберга (РФВ) и учитывающая заторможенность процесса рекомбинации зарядов в полимерах с геминальной РЭ. Модель позволяет рассчитать величину РЭ полимера под действием нейтронов и тяжелых заряженных частиц по имеющимся данным РЭ под действием электронов или гамма-квантов.
Разработана структурная электрофизическая модель (СЭМ) электризации КЛА, основанная на представлении его конструкции в виде эквивалентной схемы из R, L и С элементов. При любом ЭСР на внешней поверхности реального КЛА программное обеспечение СЭМ позволяет рассчитать уровень электромагнитной наводки на входе любого электронного блока БРЭА в (гермо)контейнере.
Практическая ценность.
-
Разработан комплекс оригинальных методик измерения РЭ полимерных материалов внешней поверхности КЛА, в том числе материалов экранно-вакуумной теплоизоляции. Разработанные методики вошли состашюй частью в ОСТ "Материалы полимерные. Методы определения и прогнозирования радиационных свойств".
-
Выполнены измерения РЭ широкой номенклатуры полимерных материалов, используемых в космической технике и ядерной энергетике. Результаты измерений систематизированы и вошли составной частью в официальные справочные издания по применению органических диэлектриков в нолях ионизирующих излучений.
-
Сформулирован критерий выбора диэлектрических материалов для внешней поверхности КЛА, основанный на их способности обеспечивать сток заряженных частиц из объема материала на поверхность без электрических разрядов.
-
Разработанная в диссертации СЭМ электризации КЛА изложена в руководстве для конструкторов "Комплексная методология определения параметров электростатической зарядки, электрических полей и пробоев на КЛА в условиях их
радиационной электризации" под ред. Л.С. Новикова и Г.В. Бабкина, ЦНИИ-МАШ, 1995 г. и рекомендована к применению на предприятиях отечественной космической промышленности.
5. Разработан оригинальный метод и комплекс аппаратуры "Дуга-МИЭМ" для проведения стендовых испытаний КЛА на стойкость к факторам электризации. Аппаратура "Дуга-МИЭМ" рекомендована к применению на предприятиях отрасли руководством для конструкторов "Основные правила повышения безопасности космических аппаратов в условиях радиационной электризации" под ред. Г.М.Чернявского, ГОНТИ-1-1990.
Основные практические результаты работы использованы при конструировании и испытаниях следующих КЛА и их наиболее уязвимых узлов на предприятиях отрасли:
ИСЗ "Ямал" - НПО "Энергия";
71X6, 5В95 - НПО им. С.А. Лавочкина;
разгонный блок КЛА "Бриз" - КБ "Химмаш";
стыковочный узел орбитальной станции "Альфа" - КБ "Салют";
радиационный холодильник изд.652 и фрагменты БКС для КА серии "Метеор" и "Электро" - ВНИИ Электромеханики.
Разработанная под руководством автора диссертационной работы аппаратура "Дуга-МИЗМ" внедрена и используется для стендовых испытаний КЛА на предприятиях отрасли:
НПО "Энергия";
НПО им. С.А. Лавочкина;
- КБ "Полет" г. Омск;
-КБ "Салют".
Технический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на предприятиях отрасли оценивается увеличением ресурса активного функционирования КЛА на орбите в і ,5 * 2 раза.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Комплекс экспериментальных методик для исследований явлений электропереноса в полимерных материалах, облучаемых различными видами ионизирующей радиации:
методика измерения радиационной электропроводности (РЭ) под действием электронов низких энергий (30 ... 80 кэВ) в диапазоне температур (150 ... 520) К;
методика измерения РЭ под действием электронов с энергией 8 МэВ;
методика измерения РЭ под действием у-квантов Со60;
методика измерения РЭ под действием у-л излучения реактора Барс-2;
методика измерения РЭ при одновременном облучении образца полимера электронами низких энергий и квантами света с 1 эВ < hv < 5 эВ;
методика определения подвижности избыточных носителей в полимере методом времени пролета.
-
Классификация полимерных материалов по механизму РЭ и количественный критерий, позволяющий определить механизм РЭ в данном полимере (свободнозарядовый, геминальный или смешанный).
-
Трековая модель РЭ, базирующаяся на классической модели РЭ РФВ и учитывающая заторможенность процесса рекомбинации зарядов в полимерах с ге-минальной РЭ.
-
Эффект аномального увеличения темновой электропроводности некоторых полиимидов после их облучении ионизирующей радиацией в вакууме и его связь со строением диангидридной компоненты полимерного звена полиимида.
-
Критерий выбора диэлектрического материала для внешней поверхности КЛА, основанный на его способности обеспечивать сток заряженных частиц из объема материала на поверхность СЭМ без электрических разрядов.
-
Структурная электрофизическая модель КЛА, основанная на представлении конструкции КЛА в виде эквивалентной схемы из R, L, С элементов, которая позволяет рассчитать на входе любого электронного блока в (гермо)контейнере уровень импульсной помехи от заданного электростатического разряда на внешней поверхности КЛА.
-
Метод проведения стендовых испытаний КЛА и аппаратура "Дуга-МИЭМ" для его реализации.
Апробации работы. Результаты работы ежегодно докладывались на постоянно действующем Всесоюзном совещании по радиационной стойкости полимерных материалов в условиях открытого космоса с 1979 по 1987 гг. в г. Обнинске, на VII Всесоюзном совещании по радиационной физике органических материалов (г. Новосибирск, 1983 г.), на научной конференции "Ломоносовские чтения" (МГУ, Москва, 1982 г.), на Первом международном совещании стран СЭВ "Радиационная
физика твердого тела" (Сочи, 1989 г.), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Электрическая релаксация и кинетические явления в твердых телах" (Сочи, 1991 г.), ца 6-ом международном симпозиуме по материалам космического применения (Нидерланды, 1994 г.).
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, изложены в монографии, двух обзорах, одном учебном пособии, одном руководстве для конструкторов, 46 статьях, 4 тезисах докладов на Международных и Всесоюзных конференциях и 5 авторских свидетельствах на изобретения.
Объем работы. Общий объем диссертации - «ЇВДир. машинописного текста, включая^СЬгр. иллюстраций и список цитируемой литературы. Работа состоит из введешю, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 212 работ отечественных и зарубежных авторов.
Электростатический разряд и его природа
В настоящее время надежно установлено, что электризация космических аппаратов, эксплуатируемых на геостационарной орбите (ГСО) или высокоэллиптических орбитах, связана с воздействием на аппарат потоков электронов и ионов космической плазмы, в частности в моменты суббурь в магнитосфере Земли. Установлено, что если в спокойной магнитосфере на ночной стороне КА приобретает отрицательный потенциал порядка сотен вольт (не более 1 кВ), то в условиях суббури потенциалы достигают единиц и десятков киловольт [1-7].
Знак и величина потенциала, приобретаемого аппаратом в целом (общая зарядка) или его отдельными изолированными частями (дифференциальная зарядка), зависят от соотношения интенсивностей процессов, обеспечивающих поступление на поверхность КА и сток с нее положительных и отрицательных зарядов. Основными составляющими тока, текущего через поверхность КА, являются следующие: токи электронов и ионов окружающей плазмы, вторично-эмиссионные токи, обусловленные первичными токами плазмы, фотоэлектронный ток под действием УФ-излучения Солнца, а также токи утечки на корпус аппарата или токи зарядки электрических емкостей между различными проводящими поверхностями, изолированными друг от друга. Результирующий потенциал поверхности КА определяется условием квазистационарного равновесия, когда суммарный ток, текущий через любой элемент поверхности, равен нулю.
Элемент поверхности КА приобретает отрицательный потенциал в том случае, если электронный ток плазмы, приносящий отрицательный
заряд, превосходит суммарную величину вторично-эмиссионных токов и первичного ионного тока. Максимальное значение отрицательного потенциала , как это нетрудно видеть из энергетических соображений, определяется прежде всего энергией первичных электронов, т. е. температурой космической плазмы, воздействующей на аппарат. В области ГСО во время геомагнитных бурь это значение общего потенциала КА, рассматриваемого как единое проводящее тело, составляет минус 10-20 кВ.
Положительное заряжение КА происходит в режиме торможения уходящих с поверхности вторичных фотоэлектронов, поэтому положительный потенциал при общей зарядке КА при освещении Солнцем не превышает 10 В.
Однако общая ситуация и в этом случае не столь проста. Дело в том, что поверхность современных КА почти полностью покрыта диэлектрическими материалами (терморегулирующие покрытия, защитные стекла солнечных батарей, эмали и т.д. ), которые могут оказаться частично или полностью в тени. Отдельные участки поверхности КА могут приобретать разные потенциалы, и происходит дифференциальное заряжение (ДЗ) аппарата, представляющее наибольшую опасность для его функционирования из-за возникновения электрических разрядов между отдельными участками поверхности и элементами конструкции КА.
До сих пор речь шла о дифференциальной и общей зарядке КА как о чисто поверхностном эффекте. Это некоторое переупрощение реальной задачи. Если учесть, что электроны с энергией несколько десятков килоэлектронвольт проникают на значительную (до 20 мкм) глубину и происходит их накопление по всей облучаемой толщине изоляционного материала, так что в действительности имеет место глубинный ход потенциала.
Общие вопросы формирования потенциального рельефа на поверхности, распределения электрического поля в окрестности аппарата, образования седловидных точек в его распределении и их влияние на за- ряжение как неосвещенных, так и освещенных участков поверхностей, включая вопросы численного расчета потенциального рельефа и его изменения во времени, подробно рассмотрены в литературе [8].
Сам по себе факт заряжения КА, в том числе и дифференциального, хотя и доставляет ряд неприятностей для исследовательской геофизической аппаратуры на борту аппарата, все же не представлял бы такой опасности для работоспособности штатной аппаратуры, если бы не сопровождающие это явление электростатические разряды (ЭСР). Вопрос о происхождении и инициировании ЭСР чрезвычайно важен, так как именно с ним связаны проблемы защиты К А от электризации.
Из общих соображений следует различать два основных типа разрядов: сквозной объемный пробой (ЭСР-ОП) поверхностно заряженного диэлектрического слоя на металлическую подложку и скользящий вдоль поверхности диэлектрика (ЭСР-СП) пробой вакуумного промежутка между соседними участками поверхности или соседними проводящими (но изолированными друг от друга) элементами конструкции. Оба типа разряда, но в особенности последний, сопровождается выбросом плазмы в окружающее пространство.
В общем случае схема развития пробоя может быть описана следующим образом. На металлическую подложку нанесен диэлектрический слой толщиной порядка 100 мкм. Во время магнитосферной бури и в отсутствие прямого Солнца происходит накопление объемного отрицательного заряда в слое диэлектрика толщиной до 20 мкм. Отличительной чертой ЭСР в условиях открытого космического пространства является их искровой характер, и их длительность не превышает несколько микросекунд. Пиковое значение тока разряда может достигать 100 А что приводит к излучению в пространство значительной электромагнитной энергии, т. е. сопровождается генерацией электромагнитной помехи для бортовой аппаратуры КА.
Сквозные пробои на подложку обычно встречаются в случае диэлектриков с двухсторонней металлизацией. При облучении с открытой поверхностью они наблюдаются, когда величина пробега электронов сопоставима с толщиной диэлектрического слоя. В диэлектриках достаточно большой толщины (эмалевые ТРП, оптические, солнечные отражатели, защитные покрытия СБ) более вероятно развитие скользящих пробоев с выбросом заряда.
Эксперименты показали, что наиболее распространенным и приводящим к наиболее значительным негативным последствиям типом пробоя, сопровождающим электризацию диэлектрических покрытий КА, является пробой в облучаемой области диэлектрика с выбросом заряда в окружающее пространство.
Во-первых, выброс заряда в вакуум индуцирует переходные токи в цепи того элемента КА, на котором расположен диэлектрик. При сквозном пробое происходит взаимная нейтрализация отрицательного заряда, накопленного в диэлектрике, и равного ему по величине индуцированного положительного заряда подложки. При этом переходные токи во внешней цепи диэлектрика малы. В то же время выброс отрицательного заряда в вакуум сопровождается отеканием соответствующего ему положительного заряда подложки через связанные с диэлектриком элементы КА.
Установка для исследования РИЭ полимеров под действием низкоэнергетических электронов
Основа лабораторной установки для исследований обратимых радиационных эффектов в полимерах - электронно-лучевой агрегат для микросварки ЭЛА-50/5 [84]. Энергия электронов 30 - 60 кэВ, мощность дозы электронного излучения от 103 до 107 Гр/с, доза за импульс от 0,1 до 4-104 Гр, длительность импульса от 2 мкс до 10 мс. Отличительной чертой разработанной установки является схема компенсации радиационной наводки. Применение этой схемы позволило резко (на два порядка) увеличить чувствительность разработанного метода по сравнению с существующими. Устройство для измерения защищено АС на изобретение [85].
Структурная схема установки представлена на рис. 2.1. Энергия электронов пучка ступенчато изменяется в пределах 30 - 60 кэВ при изменении напряжения высоковольтного источника питания электронной позволяет варьировать длительность импульса электронного пучка от 2 мкс до 20 мс, причем в диапазоне длительностей 10 мкс - 1 мс форма импульса близка к прямоугольной. Изменением напряжения питания магнитной линзы, расположенной в электронно-оптической колонне, осуществляется требуемая расфокусировка электронного пучка. Для полного учета методических факторов было измерено распределение плотности тока пучка электронов в плоскости образца. С этой целью при помощи несложного приспособления перемещали цилиндр Фарадея с ограничивающей диафрагмой диаметром 2 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях по радиусу электронного пучка и регистрировали ток цилиндра в различных точках. Неравномерность плотности пучка по площади образца не превышает 25 % в рабочей области, что вполне удовлетворяет поставленным задачам, поскольку РИЭ всех исследованных полимеров прямо пропорциональна мощности дозы излучения.
Измерительная ячейка помещена в рабочую камеру ускорителя электронов. Динамический вакуум в рабочей камере поддерживается на уровне (1 - 3)4 О 3 Па последовательной работой форвакуумного и диффузионного насосов. Охлаждение ловушки диффузионного насоса жидким азотом позволяет повысить степень вакуума до 7 КИ Па. Эскиз конструкции измерительной ячейки изображен на рис. 2.2.
Сменные диафрагмы 6, выполненные из латуни, служат для колли- мирования пучка электронов. Верхняя диафрагма и заслонка 5 покрыты специальным люминесцирующим составом для облегчения юстировки электронной пушки. Тумблером, расположенным на пульте управления установки, управляют электромеханической системой 4 заслонки 5, которая кроме своего основного назначения преграждать путь электронам. служит для измерения тока пучка. Коэффициент обратного отражения электронов от материала заслонки был измерен при помощи цилиндра Фарадея 8 и для всех возможных значений ускоряющих напряжений и токов оказался равным 0,3. Образец полимера 7, вырезанный из пленки с помощью шаблона, представляет собой круг диаметром 40 мм с симметрично напыленными серебряными электродами 2 диаметром 32 мм. Сопротивление напыленных слоев не превышает 5 Ом. Контакт с напыленными электродами обеспечивается при помощи стальных вкладышей 1 и самарий-кобальтовых магнитов 3. Надежность контактов проверяли после каждой установки образца, измеряя сопротивление между парой магнитов 3 и парой вкладышей 1.
Кроме того, перед откачкой камеры образцы предварительно испытывали на электрическую прочность при напряженности электрического поля 2-107 В/м.
Методика исследования РИЭ полимеров на постоянном токе. Исследование РИЭ полимеров на постоянном токе проводится следующим образом. Настройкой фазосдвигающей цепи двухканального генератора импульсов Г5-35 устанавливается требуемая длительность импульса электронного пучка. Ток пучка изменяют регулировкой тока накала катода и напряжением смещения на управляющем электроде электронно-лучевой пушки. Энергия электронов задается ускоряющим напряжением. Регулировочные работы по установке требуемой энергии электронов, длительности излучения и амплитуды импульса проводят при закрытой заслонке.
Р1мпульс электронного пучка наблюдают при этом на экране осциллографа С1-48Б. При измерении амплитуды импульса необходимо учитывать коэффициент обратного рассенния электронов от материала заслонки (0,3). Указанные операции проводят в режиме однократного ручного запуска генератора Г5-35. Осциллографы С1-48 Б и С1-15 работают в ждущем режиме. Запуск развертки этих осциллографов осуществляется от генератора Г5-35. Первый этап заканчивается получением требуемых параметров импульса пучка электронов. Затем включением тумблера на пульте управления открывают заслонку и компенсируют сигнал радиационной наводки, изменяя сопротивление резистора Як и емкость конденсатора Ск. Этот этап настройки продолжается до полного исчезновения импульса радиационной наводки на экране осциллографа С1-15. При этом выполняются следующие соотношения между параметрами измерительной схемы, током радиационной наводки 1Р и током прошедших сквозь образец электронов /ц.ф: /р /?1 — /ц.ф к,. Собр — Ск Як Выполнение указанных процедур занимает 1 - 2 мин, после чего начинается собственно процесс исследования РИЭ полимеров. К образцу прикладывается постоянное напряжение требуемой величины от источника питания, производится однократный запуск импульса электронного пучка, и на экране осциллографа С1-15 наблюдается отклик РИЭ исследуемого материала. Последовательность выполнения указанных операций показана на рис. 2.3. Конденсатор С2 служит для повышения стабильности источника питания при импульсном режиме нагружения. Разработанная методика измерения позволяет снизить величину радиационной наводки на 2 - 2,5 порядка. Ее дальнейшее снижение ограничивается неизбежными фазовыми сдвигами двух сравниваемых сигналов.
Исследование радиационной и пост-радиционной электропроводности полиимидов, облученных в вакууме электронами низких энергий
Сигнал электропроводности наблюдали на осциллографе С1-15 18 с дифференциальным предусилителем 12 при 110 0. Коммутацию элементов нагревательной ячейки 15 с измерительной частью осуществляли через вакуумные токовводы 10.
В результате повышения температуры радиационно-импульсная электропроводность исследованных полимеров увеличивается, однако степень подобного влияния изменяется в широких пределах при переходе от одного полимера к другому. Естественно, что наибольшее воздействие испытывает задержанная составляющая радиационной электропроводности, быстрая составляющая при этом практически не изменяется. Особенно отчетливо это видно на примере полиоксадиазола (ПОД), ПАН, ПВХ, ПП, т. е. полимеров с доминирующей быстрой составляющей электропроводности. Так, в ПОД она вообще не изменяется во всем температурном интервале от 298 К до 500 К.
Ввиду невозможности надежного разделения упомянутых выше составляющих радиационной электропроводности, для большинства полимеров исследовали температурную зависимость задержанной составляющей, измеренной спустя 100 мкс после прохождения импульса излучения К3 в расчете на единицу мощности дозы.
Если отложить полученные таким образом зависимости в координатах уравнения Аррениуса, то получим прямые линии, из наклона которых можно формально определить энергию активации Еа,(рис.2.16, таблица 2.5). Рис. 2.15. Схема измерения температурной зависимости радиационно-импульсной электропроводности полимеров: 1 - поток электронов, 2 -заслонка, 8 - электромеханическая система управления заслонкой, 4 - диафрагма, 5 - образец полимера с напыленными электродами, 6 - цилиндр Фарадея, 7 - нагревательный элемент, 8 - термопара медь-константан, 9 - вольтметр В7-23, 10 - вакуумные токовводы, 11 - источник напряжения 0 ... 1500 В, 12 - дифференциальный предусилитель осциллографа С1-15 (условно вынесен), 18 - осциллограф С1-15, 14 - осциллограф С1-48Б, 15 - нагревательная ячейка
Значения энергии активации изменяются в довольно широких пределах от 0,06 (для полиамида (ПА)) до 0,75 эВ (для ПВХ), однако во всех случаях они оказываются существенно ниже соответствующих значений для темновой электропроводности ( 1,0 - 1,5 эВ). Следует отметить, что именно резкое увеличение темновой проводимости полярных полимеров (ПММА, ПВХ, ПВФ, гидрата целлюлозы (ГЦ)) ограничивает реальные времена наблюдения кривых спада наведенного тока. Электрическое сопротивление образцов полимеров снижается в этих условиях до 10 - 100 МОм (рис. 2.17).
Температура, при которой осуществляется облучение, изменяет не только величину радиационно-импульсной электропроводности, но и в значительной степени затрагивает характер кривой спада радиационного тока. Следует напомнить, что измерения кривых спада проведены в условиях, исключающих влияние дозы излучения за импульс на кинетику спада. Это означает, что спад радиационной электропроводности контролируется не рекомбинацией, а особенностями дисперсионного транспорта носителей заряда (как в объеме, так и в пределах геминальной пары или отдельного трека) . Таким образом, реализуется возможность исследования отдельных аспектов дисперсионного транспорта в полимерах при различных температурах.
Дозовые характеристики радиационно-импульсной электропроводности полимеров претерпевают различные изменения с повышением температуры. Так, чувствительность ПТФЭ к облучению заметно возрастает (рис. 2.18), в ПС остается практически постоянной, а в ПЭТФ даже уменьшается. Очевидно, что подобное поведение радиационноимпульсной электропроводности связано с особенностями протекания гомолитических реакций в полимерах при их облучении и влияния на них температуры. Эти вопросы специфичны для каждого полимера, и дать какие-либо заключения общего характера в настоящее время не представляется возможным. Сводные данные по исследованным полимерам
Вольт-амперная характеристика задержанной составляющей радиационноимпульсной электропроводности ПС, измеренной спустя 400 мкс после прохождения импульса излучения при 373 К. Штриховая линия - закон Ома
Интересный аспект исследований представляет вопрос о влиянии температуры облучения на общий механизм электропроводности и на вольт-амперные характеристики тока радиационной электропроводности. Прежде всего отметим, что в полимерах, радиационная электропроводность которых при комнатной температуре обусловлена свободными зарядами (ПЭТФ, ПС), влияние температуры выражено довольно слабо. Сверхлинейность вольт-амперной характеристики, обусловленная зависимостью выхода свободных зарядов от напряженности внешнего электрического поля Е0 практически не изменяется (рис. 2.19). Более того, практически отсутствует влияние электрического поля на энергию активации задержанной составляющей электропроводности. Например, в ПС энергия активации (-0,175 эВ), измеренная в электрическом поле 5-107 В/м, оказалась даже несколько выше, чем в более слабом поле 5-106 В/м (-0,165 эВ).
В полимерах с преобладающим вкладом в радиационную электропроводность геминальных ионных пар и характеризующихся высокими значениями энергии активации (ПП, ПЭВД, ПВХ, ПММА) наблюдается значительное изменение формы отклика при переходе к повышенным температурам. В этом случае резко возрастает задержанная составляющая, на фоне которой быстрая составляющая практически незаметна (подобно тому, как в ПЭТФ или ПС). Однако и в этих условиях вольт- амперная характеристика остается практически линейной (ПВХ, ПП, ПММА) . В ПТФЭ даже при 180 она все еще почти линейна. Единственное исключение в этом ряду представляет ПЭВД, в котором при 80 - 100 С наблюдается значительная сверхлинейность 1р х ЕХ0Л, свидетельствующая об участии и свободных зарядов в радиационной электропроводности.
В ПА марки “Номекс” (типичном полярном полимере) обнаружена исключительно низкая энергия активации Ес« 0,06 эВ. Если допустить, что это значение характеризует термическую глубину ловушек, то неиз бежно приходим к выводу, что этот полимер должен был бы вести себя подобно ПС или ПЭТФ. Однако это не так. Радиационная электропроводность ПА определяется не свободными зарядами, а геминальными. Поэтому более логично допустить, что ловушки на; самом деле также очень глубоки, но движение захваченных электронов происходит путем термически активируемых прыжков по туннельному механизму. В таком случае следует ожидать появления высоких энергий активации ПА при очень высоких температурах, когда скорость термического освобождения электронов из ловушек станет достаточно большой. В исследованном температурном интервале этого не наблюдалось. Возможно, что переход к более высоким температурам позволит обнаружить это интересное явление.
В ПОД задержанную составляющую электропроводности не удалось обнаружить даже при максимальной температуре 500 К.
Исследовали радиационную электропроводность ряда полимерных материалов при одновременном воздействии электронов низких (60 кэВ) энергий и квантов света с 1 эВ hv 5 эВ . Процедура исследований иллюстрируется рис. 2.20.
Радиационное воздействие на образцы материалов осуществлялось импульсами электронов с энергией 60 кэВ и длительностью 100 мкс через верхний напыленный электрод. Кванты света с энергией hv проходили в образец полимера через нижний полупрозрачный электрод. Предварительно на спектрофотометре SPECORD UY VIS измерялся коэффициент пропускания этого электрода, который составлял 0,4 ... 0,6 при сопротивлении 10 out.
Составление эскизных чертежей мозаики внешней поверхности аппарата
Рассмотрим базу данных, позволяющую по известным характеристикам диэлектрических и проводящих материалов перейти от набора характерных элементов конструкции аппарата к структурной электрофизической модели.
Для адекватного описания процессов электризации космических летательных аппаратов при воздействии на них внешних факторов в рамках структурной электрофизической модели необходимо задание данных, характеризующих как геометрическую структуру объекта, так и электрофизические характеристики применяемых материалов.
Таким образом, создание эффективной системы автоматизированного проектирования структурной электрофизической модели аппаратов невозможно без создания соответствующей базы данных. При этом необходимо структурировать входные параметры таким образом, чтобы полученная база данных в дальнейшем развивалась, т.е. без изменения ее структуры допускались бы любые изменения и добавления, необходи мость во внесении которых может возникнуть в процессе создания структурной электрофизической модели аппарата, существенно отличающегося от прототипов своей геометрией и набором применяемых материалов.
Разработанная база данных, позволяющая по известным характеристикам материалов перейти от набора характерных элементов конструкции аппарата к структурной электрофизической модели, включает в себя: - набор характерных элементов конструкции аппаратов, состоящий как из собственно элементов, так и из их эквивалентных электрических схем; - набор данных, содержащий электрофизические параметры диэлектрических материалов, такие, как диэлектрическая проницаемость, радиационная и темновая электропроводность; - набор данных об электрофизических параметрах проводящих материалов (удельная электропроводность, магнитная проницаемость и т.п.); - массив названий сегментов, необходимый для идентификации названия сегмента, введенного оператором, формирования кода сегмента и вектора запросов его параметров; - массив названий макромоделей, по своему функциональному назначению аналогичный массиву названий сегментов; - массив запросов электрофизических характеристик диэлектрических и проводящих материалов, составляющих сегмент или макромодель, предназначенный для выдачи запросов о параметрах примененных материалов оператору (при получении ответа от оператора система производит выборку значений из наборов данных, содержащих электрофизические параметры материалов); - наборы данных о средствах графической поддержки, которые включают в себя данные и сервисные подпрограммы, необходимые для проверки геометрической реализуемости и отображения пространственной геометрической модели аппарата на дисплее.
Следует отметить, что приведенная структура базы данных может совершенствоваться. Так, при необходимости добавления новых элементов или внесения изменений в набор характерных элементов конструкции аппаратов при сохранении общей структуры базы данных нужные изменения и добавления вносятся в массив названий сегментов и массив запросов характеристик диэлектрических и проводящих материалов, составляющих сегменты. В случае применения, при неизменной геометрии сегмента, новых материалов с электрофизическими характеристиками, отличными от имеющихся, необходимые изменения вносятся в наборы данных, характеризующих электрофизические параметры применяемых материалов. Структура набора характерных элементов конструкции приведена на рис. 4.2. При вводе пользователем названия определенного элемента происходит идентификация его названия с каким-либо названием из массива названий сегментов.
Результатом идентификации названия является цифровой код элемента, в соответствии с которым, производится выбор соответствующей эквивалентной электрической схемы. По данному коду формируется матрица необходимой размерности, причем значения номиналов элементов соответствующей электрической схемы при этом принимаются равными нулю. Следующим шагом работы блока является формирование вектора запросов параметров элемента посредством выборки запросов в соответствии с кодом элемента из массива запросов характеристик диэлектрических и проводящих материалов, составляющих элемент. По указанному вектору из набора данных, содержащих электрофизические характеристики диэлектрических и проводящих материалов, выбираются необходимые константы.
Информация, выбранная из базы данных, обрабатывается в соответствии с кодом элемента с помощью подпрограммы, формирующей вектор параметров элемента, а затем вычисляются номиналы эквивалентной электрической схемы элемента, которые и подставляются в матрицу.
Процесс построения структурной электрофизической модели аппарата начинается с ввода названия базового элемента из характерного набора элементов конструкции аппаратов. Далее управление передается в блок формирования матричного описания элемента, где производятся его идентификация с базовым, формирование кода и вектора запросов параметров элемента. Результат работы блока выдается в виде матричного представления базового элемента. На втором этапе работы вводится название элемента, который необходимо стыковать с базовым. Блок формирования матричного описания формирует матричное представление стыкуемого элемента. Затем на терминал выдается запрос пользователю системы о задании узлов пристыковки. После ввода пользователем с терминала требуемых узлов пристыковки подпрограммой набора данных графической поддержки производится проверка геометрической реализуемости заданной стыковки. Проверка необходима для исключения ошибок пользователя при задании узлов стыковки. Возможность возникновения ошибок при этом показана на рис. 4.7.
Далее выдается запрос о возможности последующей стыковки, и процесс повторяется до окончательного получения СЭМ КА.
Для задания импульсных источников, моделирующих разряд, необходимо знать длительность и форму импульса при дуговом разряде. Эти параметры также зависят от материала поверхностей, составляющих пробойный промежуток. Так, длительность разряда металл - металл составляет несколько сотен наносекунд, а длительность разряда диэлектрик-металл, имеющего на порядок меньшую амплитуду - единицы мик
