劉 海，劉 剛，肖景東，董尚利，何世禹

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間材料與環(huán)境工程重點實驗室，哈爾濱150001）

0 引言

航天器在軌服役期間發(fā)生的各種空間環(huán)境效應(yīng)是導(dǎo)致航天器故障的重要因素，在地面開展各種空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗是確保航天器在軌可靠性和壽命的重要保障。航天器的高可靠和長壽命對空間環(huán)境試驗技術(shù)與方法提出了更高的要求[1-5]。航天器在軌諸多空間環(huán)境效應(yīng)中，材料的空間環(huán)境效應(yīng)問題最突出，因此，開展航天材料的空間環(huán)境效應(yīng)研究在航天技術(shù)發(fā)展過程中具有非常重要的作用[6]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國已基本建立起了材料級空間環(huán)境試驗體系，但與航天大國比還有明顯差距。

帶電粒子輻照效應(yīng)是重要的空間環(huán)境效應(yīng)，長期輻照后會對航天器及其材料造成一定的損傷。針對帶電粒子輻照效應(yīng)，國際上已開展了大量試驗，也建立了一些關(guān)于材料輻照效應(yīng)的模擬試驗相關(guān)標準，比如《Space systems and operations—space environment simulation: Guideline for radiation exposure of nonmetallic materials》（ISO CD15856）、美國的《Simulated space environment testing of thermal control materials with electromagnetic and particulate radiation》（ASTM E512-94）、俄羅斯的《Материалы полимергые: Методы радиационных испытаний》（ГОСТ Р 25645.323-88）等，它們在相應(yīng)的空間環(huán)境模擬試驗中起到了非常重要的作用。我國在材料級輻照試驗方面尚沒有建立起完善的標準體系，主要參考國外的一些標準來進行相關(guān)試驗。經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展和經(jīng)驗積累，已經(jīng)具備較好的試驗技術(shù)與研究基礎(chǔ)[7]，可以通過一些基礎(chǔ)研究為我國材料級輻照試驗標準體系的建立提供技術(shù)支撐。為適應(yīng)未來航天技術(shù)的發(fā)展需求，在“十二五”期間將建立一系列新標準[8]。

光學(xué)材料是一類重要的航天材料，對空間帶電粒子輻射環(huán)境非常敏感。很多光學(xué)材料和由光學(xué)材料組成的光學(xué)器件在經(jīng)歷一定量的輻照后，其光學(xué)性能會發(fā)生顯著退化[9-14]。本文針對光學(xué)材料開展了帶電粒子輻照試驗的研究，下面將重點介紹這些試驗及其結(jié)果。

1 輻照效應(yīng)模擬的幾個關(guān)鍵問題

1.1 不同輻照源的輻照效應(yīng)

在空間電離輻射環(huán)境模擬試驗中通常采用電子、質(zhì)子和γ射線等輻照源。光學(xué)材料的輻照效應(yīng)是一種總劑量效應(yīng)，即材料光學(xué)性能的變化主要取決于其內(nèi)部的吸收劑量，主要輻照效應(yīng)損傷特征表現(xiàn)為著色。不同種類輻射源對光學(xué)材料的作用效應(yīng)是有差別的。γ射線具有非常強的穿透能力，主要引起材料電離效應(yīng)，材料受到的輻射較均勻。電子輻照效應(yīng)也是以電離效應(yīng)為主，電子能量較大時還會產(chǎn)生一定的位移效應(yīng)，但是在一定能量下，電子會穿透較薄的樣品。質(zhì)子輻照下通常會同時引起電離和位移效應(yīng)，由于質(zhì)子射程小，導(dǎo)致材料內(nèi)部吸收劑量分布不均勻。

1.2 帶電粒子輻照的能譜效應(yīng)

空間帶電粒子以質(zhì)子和電子為主，每種來源的粒子具有特定的能譜分布。由于不同能量的粒子在材料中的射程不同，在空間實際能譜作用下沿材料深度方向上的劑量分布是不均勻的，也就導(dǎo)致了材料在深度方向上的損傷程度不同。

1.3 質(zhì)子和電子綜合輻照效應(yīng)

質(zhì)子和電子是兩種不同性質(zhì)的帶電粒子，它們同時輻照時與單獨輻照產(chǎn)生的效應(yīng)會有所差異，即存在協(xié)合效應(yīng)。圖1是石英玻璃在100 keV的質(zhì)子和電子綜合輻照試驗下的透過率變化。

圖1 100 keV質(zhì)子和電子綜合輻照對石英玻璃的協(xié)合效應(yīng)Fig. 1 Synergistic effects of combined irradiation on silica glass by 100 keV proton and electron with various fluences

在輻照注量Ф＜2×1015cm-2時，綜合輻照導(dǎo)致的石英玻璃透過率變化要明顯大于同等注量下單因素輻照結(jié)果的加和；在輻照注量 Ф=2×1015cm-2時，兩者的水平相當；超過這一注量后，綜合輻照的效應(yīng)又明顯地小于兩個單因素單獨輻照效應(yīng)的加和。質(zhì)子和電子的這種協(xié)合效應(yīng)不僅取決于粒子種類，還存在著明顯的注量依賴關(guān)系：即在一定的輻照注量以內(nèi)，質(zhì)子和電子綜合作用是相互加強的；超過臨界注量后，綜合輻照作用又是相互削弱的。

質(zhì)子和電子綜合輻照的協(xié)合效應(yīng)在很多材料中存在，所以在總劑量試驗中，選用單源輻照和多源綜合輻照，在結(jié)果上是有所差別的。

1.4 帶電粒子的順次輻照效應(yīng)

圖2為用1 MeV能量和100 keV能量的兩種質(zhì)子輻照鍍增透膜的K208玻璃，分別改變它們的輻照順次所得到的玻璃透過率變化。研究表明：在相同注量下，不同能量質(zhì)子輻照先后順序?qū)υ囼灲Y(jié)果影響較小，實際上很多光學(xué)材料輻照效應(yīng)主要取決于總劑量分布，與輻照順序沒有直接關(guān)聯(lián)。這一研究結(jié)果為用不同能量的粒子開展能譜效應(yīng)模擬研究提供了依據(jù)。

圖2 兩種能量質(zhì)子按不同順序輻照后鍍增透膜K208玻璃透過率變化Fig. 2 Transmittance variation of the K208 silica glass coated with an antireflection film after various irradiation sequences by protons with two energy levels

1.5 加速試驗的附加效應(yīng)

帶電粒子的附加效應(yīng)往往是由增大的劑量率導(dǎo)致的，主要表現(xiàn)為溫度效應(yīng)和表面充電效應(yīng)等。輻照引起的表面溫升取決于粒子的束流密度和能量。圖3給出的是試驗得到的石英玻璃表面溫升隨質(zhì)子和電子的能量及束流密度的變化關(guān)系。表面溫升可能會導(dǎo)致光學(xué)材料內(nèi)部色心在輻照過程中因發(fā)生退火效應(yīng)而消失，這一現(xiàn)象與材料及其色心類型有關(guān)，應(yīng)該根據(jù)實際情況加以控制。

圖3 石英玻璃表面溫升與質(zhì)子或電子能量及束流密度關(guān)系Fig. 3 Influence of proton or electron irradiation with various energies and beam densities on surface temperature of the K208 silica glass

單獨電子輻照可以在光學(xué)表面形成較高的負電位，并在材料內(nèi)部引發(fā)局部放電。放電頻率與電子束流密度及材料種類有關(guān)。圖4是表面鍍?yōu)V光膜和增透膜的兩種K208玻璃試樣在160 keV電子輻照后表面形貌。對于表面鍍膜的試樣，放電主要沿表面膜進行，并且造成表面膜損傷，損傷程度不僅與電子束流密度有關(guān)，還與膜的種類有關(guān)。

圖4 能量160 keV、注量1×1015 cm-2電子輻照兩種玻璃基試樣的表面放電損傷Fig. 4 Surface discharged damage morphology of two silica glass specimens after irradiation by 160 keV electron with a fluence of 1×1015 cm-2

2 帶電粒子輻照效應(yīng)等效模擬試驗方法

基于前面的分析，要準確模擬空間帶電粒子對光學(xué)材料的輻照效應(yīng)，須選擇合適的設(shè)備和方法以模擬出空間輻照條件下在材料內(nèi)部形成的吸收劑量分布。

2.1 輻照源選擇

鑒于不同輻照源的效應(yīng)有所差別，為了準確模擬空間質(zhì)子和電子能譜效應(yīng)，關(guān)鍵是選擇合適的帶電粒子輻照設(shè)備。根據(jù)我國帶電粒子輻照設(shè)備的情況，對于能量低于200 keV的輻照試驗，宜選擇空間綜合輻照模擬設(shè)備；而能量高于200 keV的輻照試驗宜選擇相應(yīng)能力的質(zhì)子和電子加速器。

2.2 輻照能量的選擇

近地軌道空間帶電粒子環(huán)境主要包括地球輻射帶電子與質(zhì)子以及太陽宇宙線和銀河宇宙線高能質(zhì)子，這些帶電粒子具有非常寬的能譜范圍，但是數(shù)量上還是以低能粒子為主，高能粒子通量很小，對總劑量效應(yīng)的貢獻不大。

在確定試驗方案時，根據(jù)試驗對象的結(jié)構(gòu)和輻照損傷的特點，可對帶電粒子能譜進行適當分段，在每一段內(nèi)選取一個能量進行試驗。因為高能粒子對總劑量效應(yīng)貢獻較小，在設(shè)備選擇和試驗中有一定的局限和困難，所以應(yīng)該根據(jù)實際情況確定一個合理的能量上限。

2.3 輻照注量的選擇

針對每一個能量粒子，其輻照注量的確定原則為總注入能量等于它所在能量區(qū)間的能譜的能量注量。

軌道能譜的年能量注量可表示為

式中：ΦEi為軌道能譜的年能量注量，MeV/(a·cm2)；Φ( E)為作用于反射鏡表面的微分能譜。

試驗粒子的年輻照注量用可表示為

其單位為a-1·cm-2。

2.4 輻照束流密度的選擇

輻照束流密度的選擇涉及到加速試驗問題。根據(jù)一些試驗結(jié)果，對一般空間用光學(xué)材料，當輻照粒子能量小于 200 keV時，建議束流密度不超過0.3 μA/cm2；當粒子能量大于200 keV時，應(yīng)根據(jù)實際情況適當降低束流密度。

2.5 輻照分組與順序

鑒于綜合輻照存在協(xié)合效應(yīng)，有一個試驗方案策劃：相同能量段內(nèi)的試驗，盡量選擇質(zhì)子和電子同時輻照，如果條件不允許則進行順次輻照；不同能量試驗，采用質(zhì)子和電子順次輻照，輻照順序根據(jù)實際情況選擇，要考慮試驗后性能測試應(yīng)該在最短的時間內(nèi)完成。

3 試驗方法應(yīng)用實例

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

通過模擬試驗以考察在地球同步軌道帶電粒子輻照環(huán)境下某種光學(xué)反射鏡性能的變化規(guī)律。

3.2 試驗方案策劃

根據(jù)吸收劑量分布等效試驗方法，首先將地球輻射帶電子與質(zhì)子以及太陽宇宙線和銀河宇宙線質(zhì)子能譜劃分為若干能量區(qū)間，計算每一能量區(qū)間的能量注量，并將3個質(zhì)子能譜相同能量區(qū)間的能量注量值相加。在每一能量區(qū)間內(nèi)選取一個能量作為試驗?zāi)芰?，然后根?jù)式(2)計算相應(yīng)的注量。表1給出了針對某種光學(xué)反射鏡而制定的試驗方案。整個試驗分為6組，第1組為低能綜合輻照試驗，電子能量選為80 keV，質(zhì)子能量選為100 keV；第2組也為低能綜合輻照試驗，電子和質(zhì)子能量均選為160 keV；第3組和第4組分別是能量為0.5 MeV、1 MeV的電子輻照試驗；第5組和第6組分別是能量為0.5 MeV、2 MeV的質(zhì)子輻照試驗。每個試樣經(jīng)過 6組輻照試驗后，獲得了軌道整個能譜的能量，并且劑量沿試樣深度方向的分布也接近于空間的實際情況，所得到的結(jié)果應(yīng)該是真實可信的。

表1 地球同步軌道帶電粒子等效模擬試驗方案Table 1 Equivalent simulation test scheme for charged particles in GEO

3.3 試驗結(jié)果

圖 5是反射鏡試樣在模擬試驗前后的反射率測試結(jié)果。由圖5可見：在超過1年輻照注量后，在 350～500 nm光譜波段反射鏡的反射率發(fā)生明顯退化，而且退化程度隨輻照注量增加而加??；在500～800 nm波段內(nèi)，反射率比較穩(wěn)定。

圖5 模擬試驗前后反射鏡的反射率Fig. 5 Reflectivity of the reflector before and after the simulation test

4 結(jié)束語

根據(jù)空間帶電粒子能譜對具有一定厚度光學(xué)材料的作用特點，以及我國輻照設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，采用不同能量的質(zhì)子和電子組合來模擬在空間帶電粒子作用下材料內(nèi)部的吸收劑量分布，是對光學(xué)材料比較合理的等效模擬試驗方法。

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