Введение к работе
Актуальность. Интерес к процессам взаимодействия заряженных частиц с твердыми диэлектриками возник в связи с проблемой радиационной стойкости конструкционных материалов в реакторостроении и в ускорительной технике. Особое место эти процессы занимают в космической технике, так как определяют ресурс функционирования космических аппаратов в условиях воздействия космического излучения радиационных поясов Земли, в первую очередь, на теплозащитные и ради-ационно-защитныэ покрытия элементов, расположенных на поверхности спутников, и фотолреобразователей солнечных батарей.
С воздействием заряженных частиц, главным образом, электронов на диэлектрические материалы обычно связывают электризацию и разрядные явления между поверхностными элементами космических аппаратов, разрушение покрытий, а также сбои в работе навигационной и телеметрической аппаратуры, приводящие к нарушению и потере связи с космическим аппаратом. Изучение процессов накопления поверхностного и объемного зарядов в диэлектрических материалах при облучении заряженными частицами позволяет предвидеть возможные негативные явления во время эксплуатации космического аппарата в условиях воздействия ионизирующего излучения в радиационных поясах Земли и межпланетном пространстве.
Радиационно-защитные оптические стеклянные покрытия, снижая поток ионизирующего излучения на защищаемые элементы космического аппарата, обеспечивают их радиационную стойкость, тем самым увеличивая ресурс работы .например, солнечных батарей (СБ), и космического аппарата в целом. Известные высокие требования к оптической прозрачности защитных покрытий СБ и жесткие ограничения, накладываемые на их весовые характеристики, определяют необходимость поиска путей снижения радиационных воздействий на фотопреобразователи при сохранении или, по возможности, уменьшении толщины покрытий.
При рассмотрении вопросов возможности повышения эффективности радиационной защиты космических аппаратов с помощью использования постоянных электрических и магнитных полей для торможения и отклонения заряженных частиц, т. е. применения активных методов для снижения воздействия ионизирующего излучения на экипаж и оборудование орбитальных станций и транспортных кораблей, были высказаны предло-
-3--жения по созданию радиационной защиты из слоев твердых диэлектрических материалов, обладающих свойством образовывать сильные внутренние электрические поля при облучении ионизирующим излучением.
Это предложение возникло и получило в дальнейшем развитие после того, как в ряде экспериментальных работ было обнаружено, что в случае образования объемного заряда в некоторых полимерах-полиме-тилметакрилате (ПММА) и полистероле (ПС) могут создаваться сильные внутренние электрические поля, достаточные для того, чтобы вызывать заметный дополнительный эффект торможения электронов в слое вещества. Однако из-за того, что времена существования сильных полей не превышали нескольких секунд после окончания облучения для реализации идеи такой защиты потребовалось решить ряд задач.
Цель представленной работы состоит в проведении теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия электронов с диэлектрическими материалами применительно к проблеме повышения эффективности радиационной защиты космических аппаратов.
Задачи работы:
-
Теоретические и экспериментальные исследования обратного рассеяния и прохождения электронов через диэлектрические материалы.
-
Разработка метода определения заряженного состояния, не зависящего от толщины и оптических свойств диэлектриков.
-
Разработка новых стеклообразных диэлектрических материалов в части исследования свойств, определяющих способность материалов накапливать при электронном облучении объемный электрический заряд и длительное время сохранять его после облучения.
-
Разработка предложений практического использования таких диэлектриков для защиты элементов космических аппаратов и для детектирования тяжелых заряженных частиц космического излучения и осколков деления ядер.
-
Изучение радиационно-защитных свойств заряжающихся стеклообразных диэлектриков на электронных пучках ускорителей и в космическом пространстве.
Научная новизна работы.
-Разработана математическая модель прохождения и обратного рассеяния электронного излучения от диэлектрических слоев при наличии электрического поля и получены зависимости глубинного распреде-
- 4 -ления плотности пучка первичных электронов, а также коэффициента обратного рассеяния и энергетических спектров обратно рассеянных и прошедших электронов от напряженности электрического поля в диэлектрических средах с различным эффективным атомным номером.
-Разработаны новые стеклообразные диэлектрические материалы , обладающие свойством образовывать под электронным облучением сильные внутренние электрические поля и длительное время сохранять их после окончания облучения не только на Земле.но и на поверхности космического аппарата в условиях полета на околоземных орбитах.
-Разработана методика экспериментального исследования взаимодействия электронов с высокоомными диэлектриками на ускорителе, основанная на одновременном измерении интегральных токовых параметров: тока падающего и обратно рассеянного пучков и токов с облучаемой и необлучаемой поверхности слоя диэлектрика во время облучения.
-Экспериментально установлены закономерности возрастания обратного рассеяния пучка электронов от диэлектриков по мере накопления объемного заряда, заключающиеся в том, что рост коэффициента обратного рассеяния происходит до некоторого предельного значения,характерного для диэлектрика с данным эффективным атомным номером.
-Предложен способ радиационной диагностики напряженности электрического поля объемного заряда, основанный на измерении коэффициента обратного рассеяния во время облучения и установлении величины напряженности поля по величине отношения предельного значения коэффициента обратного рассеяния к начальному значению.
-Установлены закономерности зависимости свойства разработанных борофосфатных стеклообразных диэлектриков от их электрофизических характеристик. Показано,что при взаимодействии электронных пучков с заряжающимися стеклами наибольшее влияние на параметры пучка оказывают электрические поля, образованные в стеклах с наименьшим значением диэлектрической проницаемости, наибольшим удельным электрическим сопротивлением и наименьшим эффективным атомным номером.
-Впервые экспериментально установлен факт, что электрическое поле объемного заряда, возникающее при электронном облучении образцов разработанных низкоатомных стекол, вызывает дополнительное снижение мощности поглощенной дозы за образцом и получены закономерности относительного спада мощности дозы от электронного и вторичного тормозного излучения за слоями заряжающихся диэлектриков во время облучения на ускорителе. При больших толщинах относительный спад дозы увеличивается, достигая 80-90 процентов.
- b --В результате проведенных расчетов получено, что в случае равномерного распределения плотности объемного заряда в слое покрытия зависимость относительного снижения мощности поглощенной дозы от отношения "толщина/пробег" описывается кривой с минимумом при значении отношения "толщина / пробег" 0,6-0,8 для электронов, начальная энергия которых лежит в диапазоне 0,1-3 МэВ.
При экспонировании на открытой поверхности ИСЗ типа"Космос" установлено,что заряженное состояние образцов борофосфатных стекол устойчиво к воздействию факторов космического полета на орбитах, лежащих в пределах высот 200-400 км.
В экспериментах на спутниках установлен факт дополнительного снижения на 35-50% мощности поглощенной дозы от космического излучения за заряженными на Земле тонкими стеклянными пластинами .
Практическая значимость работы:
- сформулирован и экспериментально подтвержден в наземных и
космических условиях принцип радиационной защиты от электронного
излучения, основанный на использовании покрытий из диэлектрических
материалов, в которых эффект снижения поглощенной дозы достигается
за счет совместного воздействия на электроны со стороны вещества
диэлектрика и сильного электрического поля объемного заряда;
-разработан способ определения заряженного состояния диэлектриков и радиационной диагностики напряженности электрических полей, образующихся в объеме диэлектрика, по измерениям коэффициента обратного отражения во время облучения на электронных ускорителях, который использован при отборе материалов для устройств, работающих в полях ионизирующего излучения вне зависимости от их оптических свойств, структуры и химического состава и толщины образцов;
-разработанные высокоомные стеклообразные диэлектрики могут быть использованы в качестве защитных покрытий полупроводниковых фотопреобразователей для повышения радиационной стойкости солнечных батарей, особенно для высокоорбитальных космических аппаратов;
-предложен способ детектирования тяжелых ядер и осколков деления с помощью стеклянных чувствительных элементов, которые после экспонирования тяжелыми заряженными частицами перед травлением в кислоте должны быть подвергнуты облучению электронными потоками. Образующиеся при химическом травлении дендритообразные треки легко идентифицируются не только благодаря их форме, но и размерам, превышающим размеры треков в обычных незаряжающихся стеклах на
- б -
один-два порядка, способ испытан на космических спутниках при мони-торировании радиационных условий на орбите.
Реализация результатов работы в науке и технике.
-
Результаты исследований использованы в НПО "Квант" при проектировании солнечных батарей высокоорбитальных космических аппаратов, работающих в условиях радиационной электризации.
-
Обнаруженные особенности взаимодействия тяжелых заряженных частиц с разработанными борофосфатными стеклами, использованы в ГНЦ -ИМБП в новом способе регистрации тяжелых заряженных частиц. По этому способу зарегистрированы тяжелые заряженные частицы космического излучения в околоземном пространстве на ИСЗ "Космос-690,-782,и-936".
-
Установленные связи между свойством образовывать устойчивый во времени объемный электрический заряд под действием ионизирующего излучения, составом и технологией изготовления и выработанные рекомендации использованы в Государственном научно-исследовательском институте стекла при изготовлении таких стекол.
4.Результаты исследований, представленные в настоящей работе, используются в проектных работах в РКК "Энергия".
На защиту выносятся следующие положения:
1.Математическая модель прохождения и обратного рассеяния электронов от стеклообразных диэлектриков в присутствии электрического поля.
2.Результаты экспериментальных исследований закономерностей возрастания коэффициента обратного рассеяния электронов от лантано-содержащих борофосфатных стекол в процессе образования объемного электрического заряда при облучении на электронном ускорителе.
3. Метод радиационной диагностики напряженности электрического поля объемного заряда в диэлектриках, основанный на измерении коэффициента обратного рассеяния в процессе облучения на ускорителе.
4.Данные исследований свойств новых стеклообразных диэлектрических материалов накапливать объемный электрический заряд во время облучения на электронном ускорителе.
5.Данные исследования устойчивости заряженного состояния стекол в условиях полета на ИСЗ типа "Космос".
6.Данные исследования радиационно-защитных характеристик покрытий из заряжающихся стекол в лабораторных и космических условиях.
Аппробация работы.
Материалы диссертационной работы доложены на следующих научно-технических конференциях:
Всесоюзные научные конференции по защите от излучений ядерно-технических установок N1 и 2 (Москва, МИФИ, 1974 и 1978гг. ),ЫЗ (Тбилиси.ИПМ ТГУ им.Векуа,1981г.), N5 (Протвино,ИФВЭ,1989г.),N6(Обнинск Калужской обл. ФЭИ,1994г.); Int.Congr.on Protection against Accelerator and Space Radiation.-CERN, Geneva, apr. 26-30. 1971; IV Научно-техническая конференция"Электрическая релаксация и электрет-ный эффект в твердых диэлектриках"(Москва, МИЭМ,1975); Всесоюзное совещание по вторичному электронному излучению, образующемуся в материалах под действием ионизирующих квантов и частиц (Ленинград, РИ АН, 1976); ХШ Всесоюзная конференция по электронной микроскопии (г.Сумы-87, октябрь 14-16) и научные семинары "Имитация воздействия космической среды на материалы и элементы" (НИИЯФ МГУ,1979-1990 гг.);"Радиационные процессы в веществе" (Филиал НИИФХИ им Л.Я.Карпова г.Обнинск) и семинары по радиационной защите и дозиметрии излучения в космосе ГНЦ РФ-ИМБП (1967-1995).
Материалы диссертации опубликованы в 17 печатных работах, 8 научно-технических отчетах ИМБП и др. организаций и в описаниях 7 авторских свидетельствах.
Диссертационная работа включает исследования, выполненные в период с 1965 по 1994 г. в ГНЦ РФ-ИМБП в рамках плановых научно-исследовательских тем и договоров с ГНПО "КВАНТ" и РКК"ЭНЕРГИЯ"
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 248 страницах машинописи, включая 16 таблиц, 61 рисунок и состоит из введения, 5 глав, содержащих анализ состояния вопроса и постановку задачи, описание материалов собственных теоретических и экспериментальных исследований, заключения и приложения.