Эффекты накопления объемного электрического заряда в стеклообразных диэлектриках применительно к проблеме радиационной защиты систем жизнеобеспечения космических аппаратов

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 аппаратовдеградация оптических свойств радиационно-защитных покрытий и спад мощности фотоэлектрических преобразователей солнечных батарейсбои 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.

Актуальность. 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 03 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 борои силико-фосфатные стекла, способные при облучении их электронами накапливать сильные электрические поля. В ряде работ было показано, что накопленный 03 сохраняется в образцах длительное время, измеряемое годами с момента облучения, причем не только на Земле, но и на открытой поверхности космического аппарата в условиях полета в околоземном космическом пространстве [62−68 и др.]. Авторами этих работ было предложено использовать синтезированные стекла в качестве радиационно-защитных покрытий элементов космических аппаратов, 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 03, позволяющего определять величину напряженности электрического поля 03 и прогнозировать влияние поля 03 в условиях облучения образцов на околоземных орбитах.

Цель работы: разработка экспериментально-теоретического метода определения электрических потенциалов в радиационно-заряженных неорганических стеклообразных диэлектриках и прогнозирования возможных эффектов влияния электрического поля 03 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.

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 зарядке образцов неорганических стекол различной толщины при облучении линейном ускорителе электронов.

— Разработка алгоритма и программы расчета взаимодействия электронного излучения произвольного энергетического и углового распределения с материалами в присутствии неоднородного электрического поля.

— 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 для оценки влияния полученных значений напряженности поля 03 на величину поглощенной энергии электронного излучения.

Научная новизна. Разработан метод расчета взаимодействия электро нов с веществом в присутствии неоднородного электрического поля. 4

Предложена методика бета-зондирования 03 в массивных образцах диэлектриков. Методика заключается в измерении спектра тормозного излучения за образцом, генерируемого электронами радионуклидного бета-источника 8г90-У90 с последующим определением величины напряженности и глубины залегания слоя 03 при помощи расчета спектра тормозного излучения в образце в присутствии электрического поля 03. На защиту выносится;

— Алгоритм и программа расчета взаимодействия электронов с вещест-¡-, вом в присутствии неоднородного электрического поля.

— Экспериментально-теоретический метод определения величины напряженности электрического поля накопленного 03, как для тонких, так и для массивных образцов.

— Результаты оценок эффективности радиационно-защитных свойств стеклянных покрытий, способных накапливать 03. Практическая ценность работы:

— Создана спектрометрическая установка для измерения энергетических спектров бетаи гамма-излучения.

— Разработана экспериментально-теоретическая методика зондирования 03 как в тонких, так и в массивных образцах диэлектриков.

— Разработан алгоритм и программа расчета прохождения электронов с энергиями от 0.01 до 5 МэВ в материалах с атомными номерами от 2 до 30, 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 полясоздание спектрометрического комплекса и выполнение на нем экспериментальной части работыучастие 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 разработанной программы взаимодействия электронов с веществом выполнена работа по определению поглощенной дозы в кремниевом фотоэлектрическом преобразователе солнечной батареи, возвращенной с орбитального комплекса «МИР» после 11-й лет эксплуатации.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на следующих конференциях:

1. Школа-конференция молодых ученых «Современные проблемы радиационной физики твердого тела», 25 ноября — 2 декабря 2001 г., Томский политехнический университет, г. Томск, Россия.

2. Всероссийская научная конференция «Проектирование научных и инженерных приложений в среде МАТЬАВ», 28−29 мая 2002 года, Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, Москва, Россия.

3. Метод диагностики электрических полей в заряженных защитных покрытиях солнечных батарей. ГНЦ РФ ИМБП РАН, апрель 2002 г.

4. XXXIII международная конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. 26−28 мая 2003 г., НИИЯФ МГУ, Москва, Россия.

5. Актуальные проблемы российской космонавтики. 29-е академические чтения по космонавтике. МФТИ им. Н. Э. Баумана, 2005 г., Москва, Россия.

Основные публикации по теме диссертации;

1. В. В. Цетлин, Д. Ю. Махотин, В. Г. Митрикас, В. И. Редько, В. В. Миляв-ский, Т. К. Павлуыжина. Взаимодействие электронных пучков с радиаци-онно-заряжающимися неорганическими стеклами. //Тезисы XV международной конференции «Уравнения состояния вещества», Терскол-2000.

2. V. V. Tsetlin, V. I. Red’ko, V. V. Milyavskiy, V. G. Mitrikas, Т. К. Pavlush-kina, V. N. Kochkin, D. U. Makhotin. Experimental Investigation of Charged State of Dielectric Radiation-Protective Covers. //Proc. 1st International Congress on Radiation Physics, High Current Electronic and Modification of Materials. Tomsk, 24−29 Sept. 2000. Proc. 11th Conf. on Radiation Physics and Chemistry. Vol. 11, p. 104−106.

3. В. В. Цетлин, Т. К. Павлушкина, В. В. Милявский, В. И. Редько, В. Н. Кочкин, Д. Ю. Махотин. Радиоэлектреты — материалы для радиационной защиты. //Тезисы XVI международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», Эльбрус-2001.

4. Д. Ю. Махотин, В. Н. Кочкин, В. В. Цетлин. Реализация в среде MATLAB алгоритма расчета характеристик электронного излучения при прохождении через слои вещества, содержащие объемный электрический заряд. //Всероссийская научная конференция «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB», 28−29 мая 2002 г., сборник трудов, стр. 61−67, ИПУ РАН, Москва, Россия.

5. В. В. Цетлин, Д. Ю. Махотин, В. Н. Кочкин, В. И. Редько. Эффекты снижения радиационных потерь электронов в диэлектриках с объемным

12 электрическим зарядом. //Тезисы XXXIII конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, 26−28 мая 2003 г., НИИЯФ МГУ, Москва, Россия

6. Д. Ю. Махотин, В. В. Цетлин, В. А. Летин. Оценка поглощенной дозы в фотопреобразователях возвращенной панели солнечной батареи станции «МИР». //Ташкент: Гелиотехника, № 4, 2004.

7. В. В. Цетлин, Д. Ю. Махотин. Эффекты снижения радиационных и ионизационных потерь электронов при объемной электризации неорганических стекол. //М: Атомная энергия, статья находится в печати.

8. В. В. Цетлин, Т. К. Павлушкина, Д. Ю. Махотин. Повышение радиацион-но-защитных свойств стеклянных покрытий за счет внедренного электрического заряда. — М: Модель Космоса, статья находится в печати.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, основных результатов и выводов и содержит 128 страниц, включает 16 таблиц, 40 рисунковсписок литературы включает 82 наименования.

Выводы.

1. Проведенные исследования тонких образцов стекол показали, что после облучения на ускорителе электронов в них сохраняется объемный электрический заряд с напряженностью поля порядка 1.5 МВ/см при разности потенциалов 80−90 кВ, что приводит к уменьшению коэффициента прохождения на 10−12%.

2. Исследования спектров тормозного излучения за массивными образцами стекол при помощи бета-зондирования с облученной на ускорителе и тыльной сторон позволили выявить неравномерность распределения объемного электрического заряда по глубине образца.

3. Значения напряженности электрического поля 03 в массивных образцах стекол после облучения на ускорителе достигают значения 2.2 МВ/см при разности потенциалов 330 кВ, что приводит к уменьшению интеграла спектра тормозного излучения на 25%.

4. Наибольшая эффективность применения радиационно-заряжающихся стеклянных покрытий достигается при соотношении толщины покрытия с1 и ионизационного пробега электронов Я в области 0.6 < й/ К < 1

5. Результаты расчетов поглощенной энергии электронов в ФЭП СБ показали уменьшение поглощенной энергии на 7−12% при разности потенциалов электрического поля 03 -80 кВ.

Заключение

.

Обсуждение результатов исследований.

В работе было проведено исследование эффекта накопление объемного электрического заряда в стеклах различных марок. Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с результатами расчетов. Оценки напряженности электрических полей 03 в исследованных образцах согласуются с опубликованными ранее работами.

Теоретические оценки глубины залегания слоя 03, проведенные с использованием выражений, аппроксимирующих сечение генерации тормозного излучения, и расчетов генерации тормозного излучения для эффективных параметров материала, а не для конкретных изотопов, дают скорее качественные результаты. Для более точной оценки глубины залегания и напряженности поля 03 по результатам измерений спектров тормозного излучения необходима разработка алгоритма, более детального описывающего генерацию и взаимодействие гамма-квантов с веществом.

Проведенные расчеты поглощенной энергии в ФЭП СБ показали, что относительное изменение поглощенной энергии для напряженности поля 03, полученной согласно экспериментально-теоретической методики в п. 4.2, составляет 8−12% и слабо зависит от жесткости спектра, поскольку мягкая часть электронного излучения поглощается защитным покрытием, а доза в ФЭП формируется преимущественно потоком электронов с энергиями ~0.7−1.5 МэВ. Для более эффективного ослабления этой части спектра необходима большая величина объемного заряда.

Существенной особенностью проведенных теоретических оценок является то обстоятельство, что в расчетах поглощенной в ФЭП энергии учитывался вклад электронов, отраженных от тыльного защитного покрытия (рис. 4.12). В условиях отсутствия электрического поля 03 в защитных покрытиях вклад отраженных электронов составляет -5% для изотропного моноэнергетического пучка с энергией 1 МэВ. В присутствии 03 этот вклад возрастает и для напряженности поля 5 МВ/см составляет -8%. В расчетах поглощенной в ФЭП. энергии для электронов широкого энергетического спектра неучет вклада отраженных электронов приводит к значительному занижению абсолютного значения и завышению эффекта влияния 03.

Следует отметить, что оценка поглощенной энергии в ФЭП СБ может оказаться несколько заниженной, поскольку в данном алгоритме расчета не учитывается генерация вторичных электронов. Поскольку энергии электронов на околоземных орбитах достигают 6−7 МэВ, вклад вторичных частиц может оказаться существенным. С другой стороны, вторичные частицы увеличат поток мягкой части энергетического спектра электронов, что в свою очередь может приводить к занижению оценки эффективности использования радиационно-заряжающихся защитных покрытий. Кроме этого, как было показано (рис. 4.15), наличие электрического поля 03 приводит к уменьшению поглощенной энергии в стеклянном покрытии до 30%, что может сказываться на уменьшении скорости радиационной деградации стекла.

Для оценки суммарного эффекта при использовании радиационно-заряжающихся стеклянных покрытий необходимо проведение натурных испытаний солнечных батарей на околоземных орбитах КА.