Введение к работе
Актуальность работы. Оптическое изображение является одним из важнейших объектов исследования в оптике. Изображение, формируемое современными оптическими системами, характеризуется высоким, близким к дифракционному пределу, качеством. Это обстоятельство накладывает жесікио ограничения на величины отклонении параметров ошн-ческой системы от их номинальных значений. Вследствие воздействия на ошическуго систему внешних факторов, параметры оптической системы могут испытывать недопустимые возмущения, вызывая деградацию изображения. К числу таких факюров следуеі отнести ионизирующие излучения.
Воздействие ионизирующих излучений на оптические материалы вызывает изменение их диэлектрических и механических характеристик, следствием чего можно ожидать недопустимые изменения параметров оптических систем и деградацию изображения. В отсутствие представлений о свойствах зависимости оптического изображения от параметров радиационного воздействия и, соответственно, невозможностью прогноза и про-іиподсйствия радиационно - инициируемой деградации изображения іема исследований являє гея актуальной.
В оптическом материаловедении радиационно - инициируемые эф-фекіьі составляют предмет активных исследований. Традиционно, приоритеты этих исследований сосредоточены преимущественно на изучении природы и свойств инициируемого ионизирующими излучениями приращения оптической плотности материала. Значительно меньшее внимание \делиеіся изучению радиационно - инициируемых изменении показателей преломления оптических материалов и их механических свойств.
Проведенные в работе оценки инициируемых ионизирующими излучениями изменений показателей преломления, деформаций образцов промышленных стекол указывают на возможность значимого влияния них эффектов на параметры оптических систем и, тем самым, возможность деградации качества изображения, формируемого оптической системой в условиях радиационного воздействия, с одной стороны, и возможность разработки коррекции остаточных аберраций оптической си-
стемы направленным воздействием ионизирующих излучений на ее элементы, с другой стороны.
Цель работы состояла:
в разработке методов исследования и оценки радиационно - инициируемых аберраций оптических систем;
в разработке методов оценки инициируемых ионизирующими излучениями изменений характеристик оптических материалов и их оценка;
в исследовании зависимое параметров оптических систем от природы и свойств радиационного дефектообразования в материалах оптических элементов;
в разработке методов оценки показателей надежности оптических систем в условиях радиационного воздействия;
в разработке физических основ методов коррекции параметров оптических систем ионизирующими излучениями.
Объектами исследования были модельные оптические системы, модельные и промышленные стекла.
Анализ физического содержания работы показал, что не ограничивая общности исследований, разработка базовых положений теории ра-диацнонно - инициируемых аберраций может быть осуществлена при изучении зависимости структуры оптического изображения формируемого простейшей оптической системой, диафрагмированной тонкой фокусирующей линзой, в условиях воздействия на нее различных ионизирующих излучений.
Материаловедческие аспекты работы выполнены на базе силикатных кроновых и флинтовых стекол, используемых в космическом оптическом приборостроении. Кроме того, для исследования природы и свойств инициируемого ионизирующими излучениями дефектообразования и его влияния на изменения свойств стекол содержащих ионы переменной валентности использовались модельные стекла с различной концентрацией церия к железа.
Научная новизна результатов. В прикладную оптику введено представление о радиационно - инициируемых ( радиационных ) аберрациях оптических систем, физическом явлении ранее не описанном в научно -технической литературе. В прикладную оптику и радиационное материаловедение введено представление о дозовых коэффициентах, характери-
стиках описывающих радиационио - инициируемые изменения свойств оптических и конструкционных материалов и оптических систем, адекватных і реновациям прикладной оптики. Использование представлений о лозовом коэффициенте линейного расширения материала и поглощенной дозе ионизирующего излучения, основной физической величины принятой в дозиметрии в качестве меры действия излучения на вещество, позволило расширить уравнения Гука для анализа упруго - напряженного состояния твердою тела в нолях ионизирующих излучений и сформулировать основы аналоговых методов исследования деформаций оптических элементов. В рабо іе сформулировано положение о динамических отказах оптических систем, инициируемых воздействием интенсивных потоков ионизирующих излучений, разработаны основы методов оценки характеристик динамических отказов. Показана возможность альтернативности механизмов возникновения отказов: вследствие недопустимого снижения качества изображения, вызываемого радиационными аберрациями, либо вследствие инициируемой радиационным воздействием недопустимой потери эиерге-іики рабочего светового поля. Исследование инициируемых ИИ изменении показателен преломления и деформаций оптических материалов по-іволили сделать заключение о возможности разработки оригинальных методов коррекции остаточных аберраций оптических систем дифракционного качества.
Научное значение работы. Проведенные в работе исследования расширяют представления о физических явлениях инициируемых ИИ в оптических материалах и приборах. Проблема прогноза вскрытой в работе деградации структуры изображения стимулирует развитие широкого спектра исследований в прикладной оптике, радиационном материаловедении и дозиметрии. Например, актуальной задачей прикладной оптики является разработка методов оценки радиационио - инициируемой деградации качества изображения формируемого реальной оптической системой \з условиях заданной радиационной нагрузки. В перечень актуальных задач радиационного материаловедения, в свете полученных результатов, необходимо внести задачи связанные с оценкой дозовых коэффициентов и изучением их свойств. Так обеспечение радиационной стойкости предполагает минимизацию дозовых коэффициентов, в то время как для проблемы аберрационной коррекции оптических систем актуальными являются ис-
следования направленные на их максимизацию. Как проблема оценки де-ірададии структуры оптического изображения, так и проблема его улучшения сопряжены с необходимостью знания пространственно - временных характеристик поглощенной дозы ионизирующих излучений в оптических элементах, что актуализирует разработку методов оценки поглощенных доз » многокомпонентных средах. Полученная в работе система уравнений для описания упруго - напряженного состояния твердых тел в полях ионизирующих излучений и вскрытая ее математическая эквивалентность с уравнениями Дюамеля - Неймана открывает, с одной стороны, возможность использования разработанных в теории термоупругости методов для анализа радиационно - инициируемых деформаций, а, с другой стороны, яштяется базой для разработки методов аналогового моделирования эффектов в твердых телах, инициируемых тепловой или, соответственно, радиационной нагрузкой.
Практическое значение результатов работы. Полученные в работе результаты о природе и свойствах радиационно - инициируемых аберраций оптических систем являются основой методов прогноза надежности оптических систем, эксплуатация которых предполагает воздействия на них ионизирующих излучений. Например, космических оптических систем, современные тенденции условий эксплуатации которых актуализируют результаты работы.
Введенные в работе представления о дозовых коэффициентах, параметрах материала сопряженных с основной физической величиной принятой и дозиметрии и радиационном материаловедении в качестве меры воздействия ионизирующего излучения на вещество, обеспечивают: возможность систематизации радиационно - оптической устойчивости оптических материалов, относительно простой оценки инициируемых излучением оптических и механических эффектов.
Проблема коррекции остаточных аберраций является неотъемлемой, достаточно трудоемкой, частью производства оптических систем дифракционного качества. В этой связи результаты работы, свидетельствующие возможность разработки новых высокотехнологичных способов ее реализации представляет значительный практический интерес.
Вскрытая в работе возможность аналоговых методов исследования радиационно - инициируемых эффектов способна существенно упростить
оценки параметров надежности сложных изделий и обеспечить значительный экономический эффект. Па защиту выносятся:
-
Положение о радиационно - инициируемых аберрациях оптических систем, физическом явлении вызываемом в оптических системах дифракционного качества ионизирующими излучениями. Методология исследования радиационных аберраций и обуславливаемых ими эффектов разрушения структуры оптического изображения.
-
Представление о дозовых коэффициентах твердых тел как характеристиках их "отклика" на воздействие ионизирующих излучений и параметрах радиационно - оптической устойчивости материалов.
-
Метод исследования упруго - напряженного состояния твердых тел в условиях радиационной нагрузки, основу которого составляют модифицированные уравнения Гука.
-
Физические основы аналогового моделирования радиационно -инициируемых эффектов в оптических и конструкционных материалах и элементах.
-
Концепция оценки параметров надежности ОС в условиях негативного воздействия ионизирующих излучений, основу которой составляет анализ радиационно - инициируемой деградации качества формируемого ими изображения.
-
Концепция аберрационной коррекции ОС ионизирующими излучениями, основу которой составляет направленное изменение диэлектрических и геометрических параметров оптических элементов путем изменения зарядового состояния центров (переменной валентности) в объеме материалов оптических элементов.
Апробация работы. Материалы работы были представлены на: VII, VIII, IX Международных конференциях по радиационной физике и химии неорганических материалов (Рига, 1989; Томск 1993, 1996), Научно -технических конференциях "Эксплуатация и надежность технических систем и комплектующих изделий" (Севастополь, 1990,1991), V Всесоюзной конференции по технической физике (Челябинск, 1990), IV Европейской конференции но материалам и технологиям (С. - Петербург, 1993), V, VI Международной конференции по космическому материаловедению (Обнинск, 1992, Нордвик 1994), XVII Международном конгрессе по стеклу
(Пекин, 1995), 111 Международной конференции по физике и технологии стекла (Берлин, 1995).
Публикации и личный вклад соискателя. Материал диссертации изложен в 25 публикациях в ведущих журналах, в трудах Всесоюзных и Международных конференций. В диссертационной работе обобщены результаты исследований автора проведенных в ГОИ им. СИ. Вавилова, а также исследований, осуществленных под руководством автора в Институте Ядерной Физики АН УССР и Томском политехническом университете. Вклад соискателя в совместные работы состоял в обосновании целей, задач и методик исследований, анализе результатов работ и формулировании их выводов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Ее материал изложен на 252 страницах, включающих 39 рисунков и 17 таблиц.