На правах рукописи

УДК 621.039-78:537.533.7

МАХОТИН Денис Юрьевич

ЭФФЕКТЫ НАКОПЛЕНИЯ ОБЪЕМНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА В СТЕКЛООБРАЗНЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОБЛЕМЕ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Специальность: 05.26.02 – Безопасность в чрезвычайных ситуациях (авиационная и ракетно-космическая техника, технические наук

и)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2006

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации – Институте медико-биологических проблем Российской Академии Наук.

Научный руководитель:

Доктор технических наук Цетлин Владимир Владимирович.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР Гецелев Игорь Владимирович Доктор технических наук Беркович Юлий Александрович

Ведущая организация:

ФГУП «Научно-производственное предприятие "Квант"»

Защита состоится «» _ 2006 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 002.111.02 при Государственном научном центре Российской Федерации – Институте медико-биологических проблем РАН по адресу:

123007, Москва, Хорошевское шоссе, 76а.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Государственного научного центра Российской Федерации – Институте медико-биологических проблем РАН (ГНЦ РФ – ИМБП РАН).

Автореферат разослан «» _ 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.111.02, доктор биологических наук Назаров Н. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (ОЗ) 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 (Цетлин 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 поверхности 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 ОЗ и прогнозировать влияние поля ОЗ 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 ОЗ. Теоретическая часть работы включает в себя создание алгоритма расчета взаимодействия электронов с веществом в присутствии электрического поля ОЗ для расчета величины напряженности создаваемого им электрического поля при помощи моделирования условий эксперимента, а также для прогнозирования возможного эффекта влияния поля ОЗ на поток электронов в околоземном космическом пространстве или на облучательных установках.

Задачи работы:

– Создание установки для радиационного зондирования материалов с внедренным ОЗ на базе сцинтилляционного метода с использованием современных технологий.

– Отработка методики радиационного зондирования образцов неорганических стекол, обладающих способностью накапливать ОЗ 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 ОЗ на величину поглощенной дозы электронного излучения.

Научная новизна. Разработан метод расчета взаимодействия электронов с веществом в присутствии неоднородного электрического поля.

Предложена методика бета-зондирования ОЗ в массивных образцах диэлектриков. Методика заключается в измерении спектра тормозного излучения за образцом, генерируемого электронами радионуклидного бета-источника Sr90–Y90 с последующим определением величины напряженности и глубины залегания слоя ОЗ при помощи расчета спектра тормозного излучения, генерируемого в образце в присутствии электрического поля ОЗ.

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 ОЗ, как для тонких, так и для массивных образцов.

– Результаты теоретических оценок эффективности радиационно-защитных свойств стеклянных покрытий, способных накапливать ОЗ.

Практическая ценность работы:

– создана спектрометрическая установка для измерения спектров бета- и гаммаизлучения;

– разработана экспериментально-теоретическая методика зондирования ОЗ 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 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 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-и лет эксплуатации.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались 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 MATLAB”, 28-29 мая 2002 г., 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, 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.

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.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, основных результатов и выводов и содержит 123 страницы, включает 16 таблиц, 39 рисунков; список литературы включает 81 источник.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

.

Во введении обоснованы актуальность работы, ее цель, решаемые задачи, отражены научная новизна и значимость результатов исследований.

В первой главе на основе данных литературы сделан обзор экспериментальных и теоретических методов диагностики и определения величины электрического поля внедренного электрического заряда в диэлектрических материалах.

В ряде работ по изучению эффекта объемной электризации диэлектриков было установлено, что, в целях использования в качестве радиационно-защитных покрытий, неорганические стекла предпочтительнее заряжающихся полимерных материалов благодаря их более высокой теплостойкости и твердости, а также высокой исходной оптической прозрачности. В настоящей работе использовались боро- и силикофосфатные стекла с различными модификаторами, разработанные с целью изучения возможности повышения эффективности радиационной защиты при помощи заряжающихся диэлектрических материалов (Цетлин В. В., 1998).

Накопленный при облучении стекол на ускорителе ОЗ создает электрическое поле, дополнительно ослабляющее поток электронов, падающих на образец. Для оценки эффективности использования этого эффекта на орбитах искусственных спутников Земли необходимо оценить величины электрических полей, реально наблюдающихся в наземных экспериментах. Поскольку на сегодняшний день не существует надежных неразрушающих методов прямого измерения напряженности электрического поля в диэлектрических материалах, для оценки напряженности необходимо использовать экспериментально-теоретическую методику: сначала методом -зондирования измерять коэффициенты прохождения -излучения радионуклидного источника Sr90–Y90 до и после зарядки образцов, затем проводить теоретическое моделирование эксперимента, в ходе которого подбирать значение напряженности электрического поля, приводящее к соответствующему изменению коэффициента прохождения. Результаты оценок напряженности электрического поля ОЗ в этом случае позволят при помощи расчетов оценить уменьшение поглощенной энергии электронного излучения в фотоэлектрическом преобразователе солнечной батареи для различных спектров электронов, характерных для различных орбит искусственных спутников.

Таким образом, поскольку основной задачей настоящей работы является прогнозирование возможных эффектов влияния электрического поля ОЗ на характеристики электронных пучков в различных условиях облучения, в первую очередь необходимо выбрать и отработать методику зарядки и последующей диагностики внедренного в образцы ОЗ для оценки величины создаваемой им напряженности поля.

Во время облучения образцов на линейном ускорителе для контроля процесса зарядки в предыдущих работах (Цетлин В. В. и др., 1993) осуществлялось измерение мощности поглощенной дозы за образцом с помощью алмазного дозиметра ионизирующего излучения АДИИ–2. Для определения наличия электрического поля ОЗ в образцах после прекращения облучения на ускорителе была выбрана методика бетазондирования, заключающаяся в сравнении коэффициентов прохождения, определяемых как интеграл энергетического спектра прошедших за образец электронов радионуклидного источника Sr90–Y90 до и после его зарядки. Для осуществления бетазондирования был выбран сцинтилляционный метод регистрации частиц, обладающий высокой эффективностью к электронам и гамма-квантам и сравнительно низким коэффициентом отражения электронов. Кроме этого, сцинтилляционный метод регистрации достаточно прост в реализации, поскольку не требует азотного охлаждения детекторов. Существенным недостатком является сравнительно низкое энергетическое разрешение, не позволяющее проводить измерения абсолютных активностей изотопов с высокой степенью точности, но вполне достаточное для измерения коэффициентов прохождения электронов.

В настоящей работе использовались те же методы диагностики электрического потенциала. Для измерения спектров прошедших за образец электронов радионуклидного источника Sr90–Y90, а также спектров тормозного излучения за массивными образцами, была собрана спектрометрическая установка на базе АЦП, выполненного в виде платы расширения персонального компьютера.

Для определения напряженности электрического поля объемного заряда по результатам бета-зондирования образцов (измерению коэффициентов прохождения) необходимым условием является разработка алгоритма расчета взаимодействия электронов с веществом в присутствии электрического поля ОЗ, позволяющего подобрать значение напряженности электрического поля ОЗ, приводящее к такому же изменению расчетного значения коэффициента прохождения, как и в эксперименте.

Для решения этой задачи был выбран метод статистических испытаний (Монте-Карло). При современном уровне развития вычислительной техники он позволяет решать задачу переноса электронов в сложной трехмерной геометрии без каких-либо приближений, использовавшихся ранее для увеличения скорости расчета.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию эффекта объемной электризации диэлектрических стекол.

Как и в выполненной ранее работе (Цетлин В. В., 1998), зарядка образцов проводилась при помощи облучения на линейном ускорителе электронов в Малой Ускорительной Лаборатории Московского Инженерно-Физического Института (МУЛ МИФИ). Ускоритель позволяет получать импульсные пучки электронов в диапазоне энергий 0.3 – 3 МэВ при длительности импульса 50 мкс. Плотность ток пучка на образце варьировалась в пределах 0.01 – 0.25 мкА/см2.

Образцы стекол располагались на расстоянии 35 см от выходного окна ускорителя. На таком расстоянии электроны пучка претерпевают значительное угловое рассеяние в воздухе при потере энергии 70 кэВ. В результате на образец падал широкий пучок электронов с энергетическим распределением, близким к нормальному. Стабильность тока пучка в процессе облучения непрерывно контролировалась по току электронов, попадающих на металлическое кольцо (рис.1).

Рисунок 1. Схема облучения образцов на линейном ускорителе.

Толщина образцов выбиралась меньшей, сравнимой или превышающей ионизационный пробег электрона R. В процессе облучения проводились измерения мощности дозы излучения за образцом. Для этих целей с тыльной стороны образца стекла располагался кристаллический алмазный детектор ионизирующего излучения АДИИ– 2 с высокой чувствительностью к электронному и гамма излучению.

Результаты, полученные в экспериментах на ускорителе, полностью согласуются с работами (Цетлин В. В., 1998), выполненными ранее. Наибольшее относительное снижение мощности дозы происходит при толщине образца порядка