ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, № 3, с. 73-78
УДК 541.183.26,541.183.5
ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПРИ СОВМЕСТНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРОНОВ И УЛЬТРАФИОЛЕТА
© 2013 г. Р. Х. Хасаншин1, А. Б. Надирадзе2
1ОАО "Композит", Москва, Россия 2Московский авиационный институт (НИУ), Москва, Россия Поступила в редакцию 21.09.2012 г.
Представлены результаты экспериментального исследования влияния фоторадиационного воздействия (ультрафиолет и электроны 45 кэВ) на оптические свойства кварцевого стекла и осажденных на нем углеводородных пленок загрязнения. Установлено, что под действием облучения, моделирующего космические условия, происходит существенное уменьшение коэффициента пропускания солнечного излучения загрязненными стеклами. Показано, что процесс деградации оптических свойств углеводородных пленок связан с образованием в них дополнительных центров поглощения электромагнитного излучения и протекает с насыщением. Определены значения коэффициента ослабления солнечного излучения облученных пленок, образованных продуктами газовыделения полимерного материала ЭКОМ-1.
БО1: 10.7868/80207352813030128
ВВЕДЕНИЕ
Изменение оптических свойств функциональных поверхностей космических аппаратов (КА), как правило, обусловлено осаждением на них продуктов собственной внешней атмосферы (СВА) и действием ионизирующих излучений космического пространства (КП). Такие изменения ведут, например, к увеличению коэффициента поглощения солнечной энергии и к уменьшению коэффициента пропускания терморегулирующих и оптических покрытий. В результате этих изменений нормальная работа жизненно важных систем КА может быть нарушена.
Накопление осадка продуктов СВА происходит, главным образом, за счет осаждения органических веществ с высоким молекулярным весом. В условиях КП явления такого рода сопровождаются полимеризацией и увеличением скорости роста пленки [1, 2]. Под действием ионизирующих излучений в полимерных пленках образуются как промежуточные (заряженные и нейтральные) активные частицы, так и стабильные продукты радиолиза, оптическое поглощение которых смещено в длинноволновую область относительно собственного поглощения исходного материала [3]. Совместное воздействие ультрафиолета (УФ) и ионизирующих излучений (фоторадиационное воздействие) может привести к деградации оптических свойств, значительно превышающей эффект от радиационного воздействия [4], за счет образования в пленках загрязнения дополнитель-
ных центров поглощения электромагнитного излучения.
Цель настоящего исследования состояла в анализе влияния фоторадиационного воздействия на оптические свойства кварцевого стекла, поверхность которого предварительно была подвергнута действию молекулярного потока, моделирующего поток частиц СВА КА.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для проведения экспериментов были изготовлены образцы прямоугольной формы размером 10 х 25 мм из оптического кварцевого стекла марки КУ-1 толщиной 0.25 мм. Спектр пропускания образцов стекла представлен на рис. 1. Измерения коэффициентов пропускания образцов (чистого и с осажденным конденсатом) проводились на двух-лучевом спектрофотометре Сагу-500 в спектральном диапазоне 200—3300 нм со спектральным разрешением 2 нм. Зондирующее излучение направлялось перпендикулярно поверхности образца, размер его пятна на поверхности составлял около 3 х 5 мм. Фотометрическая погрешность измерений не превышала 0.3%.
Воздействие продуктов частиц СВА моделировалось в вакуумной камере установки УВ-1/2 "ОАО Композит". Источником молекулярного потока служил полимерный композиционный материал ЭКОМ-1, нанесенный на металлическую подложку в виде диска диаметром 100 мм. Температура материала источника, масс-спектр которого представлен на рис. 2, составляла 120 ± 1°С.
100 г
0 _I_I_I_I_I_I_IM_I_
400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 X, нм
Рис. 1. Спектр пропускания кварцевого стекла КУ-1.
Спектр образца материала источника многолинейчатый. Из летучих компонентов, способных конденсироваться на поверхности кварцевого стекла при температуре 15°С, можно выделить пик с m/z = 249, который обусловлен диалкилфта-латами. Основные пики принадлежат алкановому и алкеновому рядам. Следует также выделить пики с массами 256 и 284, которые принадлежат пальмитиновой и стеариновой кислотам соответ-
ственно. Достаточную интенсивность имеет также пик с массой 368.
Динамика потери массы материала источника контролировалась с помощью кварцевых микровесов. Они представляют собой измерительное автогенераторное устройство, предназначенное для преобразования изменения массы, присоединенной к поверхности кварцевого пьезорезонатора, в приращение выходной частоты автогенератора. Пьезорезонатор кварцевых микровесов реагирует на изменение присоединенной к его поверхности массы, происходящее за счет конденсации или испарения летучих продуктов, выделенных образцом. Массовая чувствительность пьезорезонатора при частоте 8 МГц составляла 5 х 10-9 г/(см2 Гц). Результаты измерения скорости массовыделения источника приведены на рис. 3.
Как видно из этого рисунка, в первые 3—4 ч происходит стабилизация скорости массовыде-ления, причем в последующие 25—30 часов скорость массовыделения меняется незначительно. Исследуемые образцы помещались в зону действия источника через два часа после его включения. Время воздействия молекулярного потока на образцы составляло 4, 8 и 24 часа (длительность экспозиции выбиралась исходя из динамики потери массы материала — источника молекулярного потока). При этом масса осажденного вещества составила для первой группы образцов
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
57
- 28
279 291 320 336 404 416 430 459475 515 IIMiJb^jiiibiiiiAAAAiillMliM
50
100
150
200
250 300 m/z
350
400
450
500
Рис. 2. Масс-спектр продуктов газовыделения материала источника (ЭКОМ-1) при температуре 120°С.
0.12 г
0 5 10 15 20 25 30
Время работы источника, ч Рис. 3. Зависимость массы вещества, выделившегося из материала источника (ЭКОМ-1, Т = 120°С), от времени.
2.0 х 10-5 г/см2, для второй группы — 3.1 х 10-5 г/см2, для третьей группы — 7.4 х 10-5 г/см2. Взаимное расположение, размеры источника и образцов обеспечивали равномерность осаждения продуктов газовыделения на их поверхностях. Образцам чистого стекла, а также загрязненным образцам из первой, второй и третьей группы были присвоены номера № 1, № 2, № 3 и № 4 соответственно.
Затем образцы подвергались совместному воздействию электромагнитного излучения ксено-новой лампы ДКсШРБ (мощность до 5 кВт, водяное охлаждение) и потока электронов. Для этого образцы (по одному из каждой группы) прикреплялись зажимами к плоской алюминиевой пластине, которая болтами соединялась с охлаждаемым столиком установки УВ-1/2. Облучение проводилось при следующих условиях: температура образцов 15 ± 1°С; давление в камере Р = 1.0 х 10—4 Па; энергия электронов Ее = 45 кэВ; средняя плотность потока электронов фе = 0.65 х 1014 м-2 • с-1; кратность облученности Es = 1 УФ-эквивалент солнечной освещенности (ЭСО).
Образцы были подвергнуты пяти уровням воздействия. В табл. 1 приведены флуенсы электро-
нов, воздействовавших на чистый (№ 1) и загрязненные (№ 2—№ 4) образцы. Плотность потока электронов контролировали с помощью цилиндров Фарадея с относительной погрешностью ±5%. Доза УФ-излучения в эквивалентных солнечных часах (ЭСЧ) с первого по пятый уровень воздействия составляла соответственно: 1 — №1 = 17.5 УФ ЭСЧ; 2 — №2 = 52.5 УФ ЭСЧ; 3 — №3 = 84.5 УФ ЭСЧ; 4 — №4 = 122.5 УФ ЭСЧ; 5 — №5 = 175.2 УФ ЭСЧ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенные исследования показали, что совместное воздействие УФ и потока электронов существенно изменяет оптические свойства углеводородной пленки, осажденной на поверхности кварцевого стекла. На рис. 4 представлены спектры пропускания чистого образца № 1 (рис. 4а) и загрязненных образцов № 2—№ 4 (рис. 4б, в, г) до и после воздействия излучения. На всех графиках спектры расположены сверху вниз в порядке возрастания уровня воздействия. Верхние линии на этих графиках — спектры пропускания необлу-ченных образцов.
Как видно из рис. 4, облучение привело к заметному уменьшению коэффициента пропуска-
Таблица 1. Флуенсы электронов, воздействовавших на образцы
№ образца Ф1 х 1019, 1/м2 Ф2 х 1020, 1/м2 Ф3 х 1020, 1/м2 Ф4 х 1020, 1/м2 Ф5 х 1020, 1/м2
1 (чистый) 4.108 1.235 2.060 2.889 4.196
2 4.560 1.354 2.254 3.157 4.463
3 4.076 1.224 2.042 2.866 4.194
4 4.165 1.254 2.092 2.937 4.184
(а)
95
90 ^ 85
Н
80 75 70
100
80 -
Н 60 40 20
100 г
80 -
н
60
40 -
400 800 1200 1600 2000 2400 X, нм
(в)
Н
100 80 60 40 20
400 800 1200 1600 2000 2400 X, нм
400 800
1200 1600 2000 2400 X, нм
(г)
400 800 1200 1600 2000 2400 X, нм
Рис. 4. Влияние облучения на спектры пропускания образцов: № 1 (а), № 2 (б), № 3 (в), № 4 (г).
0
ния практически на всех образцах, включая стекло без пленки (образец № 1). Кроме того, визуально было обнаружено изменение цвета загрязняющих налетов. Наиболее сильно изменился коэффициент пропускания в коротковолновой части исследуемого спектра (200—800 нм). Интегральные коэффициенты пропускания солнечного излучения образцов до и после облучения приведены в табл. 2.
Динамика изменения интегральных коэффициентов пропускания солнечного излучения образцов, представленных на рис. 5, например "чистого" образца № 1, связана как с появлением наведенной (радиационно-стимулированной) оптической плотности, так и с осаждением на его поверхности летучих веществ, излучаемых элементами конструкции вакуумной камеры (фоновые потоки массы). Причиной уменьшения ко-
Таблица 2. Интегральные коэффициенты пропускания солнечного излучения образцов
Уровень воздействия
Образцы
№ 1
№ 2
№ 3
№ 4
Фх +
Ф2 + №2 Ф3 + №3 Ф4 + №4
Ф5 + Ш5
0.932 0.916 0.914 0.912 0.906 0.900
0.927 0.908 0.897 0.886 0.876 0.869
0.924 0.893 0.883 0.876 0.868 0.859
0.878 0.844 0.832 0.825 0.814 0.796
0
Со
Н
0.94, г
0.92'
0.90
0.88, -----
0.86
0.84 -
0.82 —г-№ 1
- _■_№ 2
-»-№ 3
0.80 - -«-№ 4
0 20 40 60
80 100 120 140
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.