張劍鋒，郭　云，楊生勝（蘭州空間技術(shù)物理研究所 .真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；.空間環(huán)境材料行為與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州　730000）

電子/質(zhì)子綜合輻照帶通濾光片的性能退化機(jī)理研究

張劍鋒a，郭云b，楊生勝a
（蘭州空間技術(shù)物理研究所 a.真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.空間環(huán)境材料行為與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

隨著航天器的壽命從5年增加到8年以上，光學(xué)薄膜在空間飛行中經(jīng)受的帶電粒子輻照時(shí)間更長(zhǎng)，光學(xué)薄膜更容易受到損傷，因此對(duì)光學(xué)薄膜抗輻射性能要求也不斷提高。開(kāi)展了光學(xué)薄膜帶通濾光片電子/質(zhì)子綜合輻照實(shí)驗(yàn)，研究電子/質(zhì)子綜合輻照作用下帶通濾光片的性能退化規(guī)律，借助于XPS和AFM等表面分析技術(shù)對(duì)帶通濾光片微觀分析，研究帶通濾光片在電子/質(zhì)子綜合輻照下的退化機(jī)理。為帶通濾光片空間適應(yīng)性研究提供基礎(chǔ)，同時(shí)為帶通濾光片工藝設(shè)計(jì)與可靠性提供技術(shù)支撐。

帶通濾光片；電子/質(zhì)子輻照；性能退化

0　引言

隨著我國(guó)空間技術(shù)的不斷發(fā)展，空間光學(xué)薄膜技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)獨(dú)特的光學(xué)薄膜應(yīng)用技術(shù)，為空間探測(cè)、遙感等提供了技術(shù)基礎(chǔ)。光學(xué)薄膜濾光片在成像光學(xué)系統(tǒng)中主要用于光譜選擇、能量增強(qiáng)以及色差均衡等，廣泛應(yīng)用于各種空間相機(jī)、光譜儀、望遠(yuǎn)鏡中。

隨著高分辨對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星等低地球軌道航天器壽命從5年增加到8年以上，光學(xué)薄膜濾光片在空間飛行中要經(jīng)受的帶電粒子輻照影響時(shí)間更長(zhǎng)，條件更為苛刻，帶電粒子（質(zhì)子和電子）對(duì)光學(xué)薄膜的影響也逐漸變大，暴露帶電粒子的輻照環(huán)境中的光學(xué)薄膜更容易受到損傷，損傷的表現(xiàn)形式主要是薄膜開(kāi)裂、脫落、折射率及光學(xué)厚度發(fā)生變化，使其光學(xué)性能發(fā)生嚴(yán)重退化，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)分辨率降低，成像質(zhì)量下降。因此空間環(huán)境是引起光學(xué)薄膜性能退化和失效的主要原因之一。

因此，通過(guò)開(kāi)展帶通濾光片電子/質(zhì)子綜合輻照實(shí)驗(yàn)，研究在電子/質(zhì)子綜合輻照作用下帶通濾光片的性能退化規(guī)律，同時(shí)用表面分析方法開(kāi)展帶通濾光片微觀分析，研究電子/質(zhì)子綜合輻照對(duì)帶通濾光片光學(xué)性能與表面化學(xué)結(jié)構(gòu)和形貌變化的直接聯(lián)系，研究電子/質(zhì)子綜合輻照與帶通濾光片的作用機(jī)理，為通濾光片的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供建議。

1　實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用雙束加速器進(jìn)行光學(xué)薄膜帶通濾光片電子、質(zhì)子綜合輻照實(shí)驗(yàn)，電子、質(zhì)子輻射總量相當(dāng)于低軌8年的總注量。同時(shí)按要求對(duì)試樣進(jìn)行透射率和微觀結(jié)構(gòu)分析。

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為表面鍍制硫化鋅（ZnS）和碲化鉛（PbTe）多層膜系的帶通濾光片，工作波長(zhǎng)在9 000～12 000 nm范圍的遠(yuǎn)紅外區(qū)域。選取單晶Ge作為基底材料，選用折射率比值較大的PbTe和ZnS材料為光學(xué)薄膜。最表層為硫化鋅（ZnS）膜層。材料為直徑12 mm的圓形樣品，并用無(wú)水乙醇對(duì)試樣表面進(jìn)行超聲清洗5 min。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用蘭州空間物理研究所的雙束加速器（Dual Beam Accelerator）對(duì)光學(xué)薄膜帶通濾光片進(jìn)行電子、質(zhì)子綜合輻照實(shí)驗(yàn)。設(shè)備由1臺(tái)質(zhì)子加速器和1臺(tái)電子加速器組成，可進(jìn)行電子、質(zhì)子單一和綜合輻照實(shí)驗(yàn)。雙束加速器能夠比較準(zhǔn)確地模擬空間電子、質(zhì)子環(huán)境，是目前國(guó)際上比較先進(jìn)的地面模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備。用于開(kāi)展絕緣材料內(nèi)帶電研究，電離總劑量研究、位移損傷研究。雙束加速器由直線電子加速器、電子束流管、直線質(zhì)子加速器、質(zhì)子束流管以及真空樣品室五大部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1　雙束加速器實(shí)物圖

1.3實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)條件為真空度優(yōu)于1.0×10-4Pa時(shí)，質(zhì)子、電子能量為100 keV，質(zhì)子注量率為2×109e/cm2·s，電子注量率為2×1010e/cm2·s，質(zhì)子總注量為4.0×1011e/ cm2、電子總注量2.24×1013e/cm2時(shí)（相當(dāng)于低軌8年的電子質(zhì)子總注量），當(dāng)電子和質(zhì)子達(dá)到在軌8年的總注量時(shí)在軌分別停止輻照，取出樣品，并按要求對(duì)試樣進(jìn)行透射率和微觀結(jié)構(gòu)分析。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選用美國(guó)Frontier Optica傅利葉紅外光譜儀對(duì)帶通濾光片在波長(zhǎng)為9 000～12 000 nm范圍內(nèi)進(jìn)行透過(guò)率測(cè)試。電子質(zhì)子綜合輻照前帶通濾光片的透過(guò)率峰值為83.6%，峰值位置10 500 nm。電子質(zhì)子綜合輻照后帶通濾光片的透過(guò)率峰值為71.2%，峰值位置10 588 nm。通過(guò)對(duì)比可知，帶通濾光片電子質(zhì)子綜合前后的透過(guò)率降低，透過(guò)率峰值從83.6%降至71.2%，峰值降低12.4%，中心波長(zhǎng)從10 500 nm移動(dòng)到10 588 nm，中心波長(zhǎng)漂移88 nm，通帶向長(zhǎng)波方向發(fā)生漂移。

圖2　帶通濾光片電子、質(zhì)子綜合輻照前后的透過(guò)率對(duì)比圖

通過(guò)EscaLab-220iXL X射線光電子能譜儀對(duì)電子質(zhì)子綜合輻照后的帶通濾光片進(jìn)行XPS分析。當(dāng)能量為100 keV的電子、質(zhì)子作用到帶通濾光片光學(xué)薄膜表面時(shí)，帶通濾光片表面出現(xiàn)Pb和Te元素（表1和圖3）。

通過(guò)Pb元素譜圖分析，得到的結(jié)果如圖4所示，可以看出Pb能譜圖有明顯疊加，通過(guò)用高斯型曲線對(duì)Pb元素譜圖進(jìn)行了擬合。擬合結(jié)果顯示，Pb存在不同價(jià)態(tài)。Pb共分解出結(jié)合能位于137.2、138.1和139.0 eV處的三條子譜線，這三條子譜線的結(jié)合能分別與PbO2、PbTe和PbO的Pb4f結(jié)合能相對(duì)應(yīng)。因此，濾光片光學(xué)薄膜表面存在PbO2、PbTe和PbO。分析可知，其中PbO2和PbO是由PbTe氧化而成。

圖3　電子、質(zhì)子綜合輻照前后帶通濾光片XPS全譜圖

表1　電子、質(zhì)子綜合帶通濾光片表面成分和元素百分含量

圖4　Pb4f的XPS譜圖和高斯擬合圖

通過(guò)Te元素譜圖分析，得到的結(jié)果如圖5所示，可以看出Te能譜圖明顯有疊加，通過(guò)用高斯型曲線對(duì)Te元素譜圖進(jìn)行了擬合。擬合結(jié)果顯示，Te存在不同價(jià)態(tài)。Te共分解出結(jié)合能位于576.7、572.6 eV處的兩條子譜線，這兩條子譜線的結(jié)合能分別與TeO2和PbTe的Te3d結(jié)合能相對(duì)應(yīng)。因此，濾光片光學(xué)薄膜表面存在TeO2和PbTe。分析可知，其中部分TeO2是由PbTe氧化而成。

圖5　Te3d的XPS譜圖和高斯擬合圖

2.2實(shí)驗(yàn)討論

通過(guò)XPS分析可知，在電子、質(zhì)子綜合輻照作用下，帶通濾光片表面的S和Zn的元素百分含量降低，同時(shí)出現(xiàn)Pb和Te元素，如表1所列。通過(guò)解譜分析，帶通濾光片表面存在PbO2、PbO、TeO2和PbTe。因此，可以判斷帶通濾光片表面膜層中的Zn-S鍵發(fā)生斷裂，導(dǎo)致S和Zn元素的釋放。這致使濾光片外層ZnS部分剝落，形成表面點(diǎn)狀缺陷，通過(guò)原子力顯微鏡分析，如圖6所示，可以觀察到帶通濾光片表面膜層出現(xiàn)點(diǎn)狀缺陷，表面變的較為粗糙，暴露出下一層的PbTe膜層，PbTe在空氣中氧化生成PbO2、PbO、TeO2。

在電子、質(zhì)子綜合輻照作用下，帶通濾光片表面的ZnS薄膜中的Zn-S鍵部分?jǐn)嗔?，?dǎo)致S和Zn元素的釋放，改變了ZnS膜層結(jié)構(gòu)，ZnS折射率降低；ZnS膜層部分被剝蝕，暴露出下一層的PbTe膜層，電子和質(zhì)子直接轟擊在PbTe膜層上，導(dǎo)致PbTe膜層更加致密，PbTe膜層光譜特性發(fā)生變化，PbTe膜層折射率增加。同時(shí)，PbTe薄膜暴露在大氣環(huán)境中，氧氣可改善PbTe薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能，使PbTe膜層折射率增加。根據(jù)透過(guò)率計(jì)算公式，當(dāng)ZnS膜層折射率變小，PbTe膜層折射率變大，帶通濾光片透過(guò)率降低。并且，由于帶通濾光片表面粗糙度增加，致使入射光入射到帶通濾光片表面時(shí)的入射角度增大，入射光部分被散射，也導(dǎo)致帶通濾光片透過(guò)率降低。同時(shí)，根據(jù)中心波長(zhǎng)計(jì)算公式，PbTe膜層折射率變大時(shí)，中心波長(zhǎng)變大。

因此，在電子、質(zhì)子綜合輻照作用下，帶通濾光片宏觀性能表現(xiàn)為透過(guò)率降低，帶通向長(zhǎng)波方向漂移。

圖6　電子、質(zhì)子綜合輻照前后濾光片表面形貌對(duì)比圖

3　結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展帶通濾光片電子、質(zhì)子綜合輻照實(shí)驗(yàn)和微觀分析研究表明，電子、質(zhì)子綜合輻照對(duì)帶通濾光片的硫化鋅（ZnS）和碲化鉛（PbTe）膜層有一定的損傷，導(dǎo)致帶通濾光片的中心波長(zhǎng)漂移，透過(guò)率降低，性能下降。建議通過(guò)優(yōu)化帶通濾光片膜系設(shè)計(jì)和制備工藝，提高帶通濾光片的抗輻射性能，為帶通濾光片的空間應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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THEDETERIORATIONMECHANISMSOFTHE SYNERGISTIC RADIATIONOFPROTON AND ELECTRONSON BANDPASSFILTER

ZHANG Jian-fenga，GUO Yunb，YANG Sheng-shenga
（a.Scienceand Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，b.Scienceand Technology on Material Performance Evaluating in Space Environm ent Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

As the life of the spacescraft increased from five years tomore than eightyears，the longer thatoptical film suffered from the radiation of space charged particles，the easier for optical film to getdamaged.Therefore，it isnecessary to continue to improve the requirements to the capacity and anti-radiation performance of optical film.In this article，the radiation of proton and electrons experimentof bandpass filterhasbeenmade.Research the deterioration of bandpass filter which isunder the radiation of proton and electrons.Analysis themicro-mechanism of the bandpass filter irradiation damagebased on the XPSand AFM surfaceanalysis technique.Providebandpass filterspace adaptabilityw ith a basic research，at the same time，someadvice for further improvementof bandpass filter’sdesignwasgiven.

bandpass filter；radiation of proton and electrons；the deterioration

O47

A

1006-7086（2016）04-0210-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.04.006

2016-03-21

真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（9140C550102140C55235）

張劍鋒，男，（1978-），陜西咸陽(yáng)人，主要從事空間環(huán)境效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)研究。E-mail：zhangjfak2002@163.com。