ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 7, с. 83-87
УДК 541.123:546.21
ИЗМЕНЕНИЯ СПЕКТРА ПРОПУСКАНИЯ СТЕКЛА МАРКИ К-208 ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПОТОКОВ
© 2014 г. Р. Х. Хасаншин1, Л. С. Новиков2
1ОАО "Композит", 141070Королев, Московская область, Россия
E-mail: rhkhas@mail.ru 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына, 119991 Москва, Россия E-mail: novikov@sinp.msu.ru Поступила в редакцию 30.10.2013 г.
Экспериментально исследовано влияние облучения электронами и протонами с энергией 40 кэВ при плотности потока 5 х 10 см-2 • с-1 на осаждение продуктов термостимулированного газовыделения полимерного композита на подложках из защитного стекла К-208, применяемого для защиты солнечных батарей космических аппаратов. Анализ полученных результатов показал, что электронное облучение, в отличие от протонного, приводит к росту оптической плотности стекла и стимулирует осаждение продуктов газовыделения. Установлено, что при совместном облучении электронами и протонами действие протонов нейтрализует основную часть эффектов, возникающих в результате электронного облучения подложек.
DOI: 10.7868/S0207352814070099
ВВЕДЕНИЕ
Радиационно-стимулированные изменения свойств оптических материалов представляют интерес как с позиции проблем физики и химии твердого тела, так и при решении прикладных задач космического материаловедения. Например, деградация оптических свойств материалов внешних поверхностей космического аппарата обусловлена в основном воздействием на них ионизирующих излучений [1, 2] и продуктов собственной внешней атмосферы [3—5]. В частности, защитные покрытия солнечных батарей и радиаторов системы терморегулирования, используемые на спутниках, функционирующих на геостационарной и высокоэллиптических орбитах, подвергаются большим радиационным нагрузкам.
Ионизирующие излучения генерируют в стекле свободные электроны и дырки, локализация которых на соответствующих ловушках приводит к появлению электронных и дырочных центров окраски. При этом они отличаются положением, полушириной и амплитудой полос поглощения, а суммарный их спектр перекрывает диапазон от ультрафиолета до инфракрасной области. Образование центров окраски в стекле достаточно подробно изучено [3, 6—9]. Результаты экспериментальных исследований показали, что действие ионизирующих излучений влияет на скорость осаждения летучих веществ на поверхностях стекол [5], однако зависимости скорости этого про-
цесса от вида, энергетического спектра и интенсивности излучения подробно не исследованы.
Целью работы было экспериментальное изучение изменения спектра пропускания стекла марки К-208 под действием на его поверхность продуктов газовыделения полимерного композита при электронном и протонном облучении.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для проведения экспериментов из стекла марки К-208 толщиной 0.17 мм были изготовлены образцы (далее подложки) квадратной формы размером 40 х 40 мм. Измерения спектров пропускания подложек проводились на двухлучевом спектрофотометре в диапазоне длин волн 200— 2500 нм со спектральным разрешением 2 нм. Зондирующее излучение направлялось перпендикулярно образцу, размер его пятна на поверхности составлял около 3 х 5 мм. Спектр пропускания исходной подложки представлен на рис. 1.
Облучение подложек и изучение действия на них молекулярных потоков проводилось в вакуумной камере установки УВ-1/2 (рис. 2), созданной для исследования физико-химических характеристик материалов при воздействии факторов космического пространства. Эксперименты проводились при следующих условиях: температура охлаждаемого столика, к которому винтами крепились подложки, составляла 15 ± 1°С; давление
100
80
^ 60 н
40 20
0
1500 2000 X, нм
Рис. 1. Спектр пропускания подложки из стекла К-208.
в камере 1.0 х 10 4 Па; энергия электронов и протонов 40 кэВ; плотность потока электронов и протонов 5 х 1010 см-2 • с-1. Источниками молекулярных потоков (МП) служили образцы полимерного композиционного материала ЭКОМ-1 — тер-морегулирующего покрытия космических аппаратов с хорошо изученной кинетикой газовыделения и известным молекулярным составом выделяющихся летучих веществ. Этот материал толщиной 100 мкм был нанесен на алюминиевые диски диаметром 100 мм. Температура образца-источника МП составляла 120 ± 1°С.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Значения энергии и плотности потока частиц были выбраны в соответствии с параметрами горячей магнитосферной плазмы на геостационарной орбите в период магнитных возмущений. Воздействие этой плазмы на диэлектрические материалы внешних покрытий может привести к поверхностным и внутренним (с выходом на поверхность) электростатическим разрядам, обусловленным электризацией. Электростатические разряды в наших экспериментах наблюдались при облучении подложек электронами и при совместном воздействии на подложки электронов и МП.
Для определения вклада радиационно-стимули-рованных центров окраски и электростатических разрядов в изменения спектра пропускания стекла в первой серии экспериментов подложки были подвергнуты воздействию только излучений. В качестве примера на рис. 3а представлены спектры пропускания подложек, облученных разными флуенса-ми электронов. Спектры на рис. 3а и б расположены сверху вниз в порядке возрастания флуенса электронов: 1 — Ф0, е = 0; 2 — Ф1е = 1.6 х 1014 см-2; 3 — Ф2, е = 3.6 х 1014 см-2; 4 — ф'3, е = 5.8 х 1014 см-2. Из
Рис. 2. Схема автоматизированного стенда УВ-1/2: 1 — вакуумная камера; 2 — измерительный столик; 3 — термостат; 4 — система вакуумной откачки и контроля вакуума; 5 — блок измерений; 6 — блок имитаторов космического пространства; 7 — электронный ускоритель; 8 — протонный ускоритель; 9 — имитатор концентрированного солнечного излучения; 10 — формирующее оптическое устройство; 11 — блок управления имитатором солнечного излучения; 12 — блок управления ускорителями; 13 — источник молекулярного потока.
рис. 3а видно, что увеличение флуенса электронов приводит к росту оптической плотности подложек. На рис. 3б приведена часть результатов, полученных во второй серии экспериментов: здесь даны спектральные коэффициенты пропускания подложек после совместного действия на них электронов и МП. При этом значения флуен-сов электронов с точностью ±2% совпадали с аналогичными величинами из первой серии экспериментов.
Анализ полученных данных показал, что при X = 600 нм изменения параметра Т после облучении подложек электронами и после совместного действие на них МП и электронов составили от 0.20 до 0.4% и от 0.35 до 0.8% соответственно. Си-нергетический эффект [10] совместного действия на подложку электронов и МП превысил суммарный эффект от их раздельного воздействия.
На следующих рисунках приводятся спектры пропускания исходной подложки (графики 1 на рис. 4а и б), подложек после действия флуенса протонов Фр,4 = 5.8 х 1014 см-2 (график 2 на рис. 4а), МП и такого же флуенса протонов (график 2 на рис. 4б). Из представленных результатов следует, что протонное облучение привело к увеличению коэффициента пропускания (от 0.03 до 0.06%) в основной части спектра, а совместное действие протонов и молекулярного потока — к снижению этой величины в диапазонах длин волн от 500 до 850 нм (ДТ < 0.1%) и от 1700 до 2400 нм (ДТ < 0.2%).
Таким образом, действие на подложки электронного и протонного излучения привело к про-
ИЗМЕНЕНИЯ СПЕКТРА ПРОПУСКАНИЯ СТЕКЛА МАРКИ К-208
85
(а)
(б)
91.0
400
н
Исходный 2 - После облучения е ■ 3 - После облучения е — 4 - После облучения е-, Фе, = 5.8 х 10,14 см
800 1200 1600 2000 2400 X, нм
92.4 92.0 91.6 91.2 90.8 90.4
90.0 400
1
V
/' 3
//\ — 1 - Исходный
г. N4 2 - После действия е- + МП, Фе = 1.6 х
1 — 3 - После действия е- + МП, Фе = 3.6 х
1 4 - После действия е-| | + МП, Фе = 1 5.8 х |
800
1200 1600 X, нм
2000 2400
Рис. 3. Спектры пропускания подложек после действия разных флуенсов электронов (а); МП и разных флуенсов электронов (б).
Н
92.6 92.4 92.2 92.0 91.8 91.6 91.4 91.2
(а)
91.0
400
- 2
- Ж
' . 1 Н
1 - Исходный
" —2 - После облученияр+, Фр = 5.8 1 1 1 х 1014 см-1 |
800
1200 1600 X, нм
2000 2400
После действия р+ + МП, Фр = 5.8 х 1014 см 1
91.0
400
800
1200 1600 X, нм
2000 2400
Рис. 4. Спектры пропускания подложек: а — исходной (1) и облученной протонами (2); б — исходной (1) и после действия МП и протонов (2).
14 см-1
14 см-1
14 см-1
тивоположным результатам. В первом случае наблюдалось снижение, во втором - увеличение коэффициента пропускания подложек. Такой результат можно объяснить двумя основными причинами: во-первых, длина пробега электрона в стекле во много раз больше, чем протона; во-вторых, при облучении электронами в подложке накапливается отрицательный заряд. Действительно, длины пробега в стекле электронов и протонов с энергией 40 кэВ равны, соответственно, 16.3 мкм [11] и 0.67 мкм [12], а его тормозная способность - это средняя скорость, с которой заряженная частица теряет энергию в какой-нибудь точке вдоль трека, - для протонов в 86 раза выше, чем для электронов. Следовательно, при одинаковой плотности потока при протонном облучении в приповерхностном слое подложки энергии выделяется во много раз больше, чем при облучении электронами.
Под действием ионизирующих излучений в стекле, кроме генерации электронно-дырочных
пар, релаксация которых может привести к образованию центров окраски, происходит аннигиляция дефектов. При протонном облучении эти процессы происходят в тонком приповерхностном слое стекла, в котором выделяется вся энергия частиц. Действие излучения при достаточной плотности выделяющейся энергии может привести к цепному процессу аннигиляции дефектов, который частично может поддерживаться энергией, запасенной в центрах окраски. Особенно интенсивно этот процесс происходит в приповерхностной области, в которой сосредоточена большая концентрация точечных дефектов. Таким образом, увеличение коэффициента пропускания образцов, облученных протонами, можно объяснить ра
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.