Приборы и техника эксперимента, 2021, № 4, стр. 79-88

УСЛОВИЯ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛИТЕЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОТОКОВ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА НА ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ К.А.

В качестве критерия эквивалентности при физическом (стендовом) моделировании длительного воздействия высокоскоростных потоков АК принято условие равенства уноса массы ΔM_W или уменьшения толщины полимерной пленки δx_W при экспозиции ее в ионосфере Земли и на специализированном стенде

где индекс “N” соответствует натурным условиям ионосфере Земли; “M” – условиям стендовых испытаний. Так как ΔM_W = ρ_W R_e F_АК = ρ_W δx_W (ρ_W и R_e – плотность и объемный коэффициент потери массы тестируемого материала), то из (1) следует соотношение, устанавливающее связь между параметрами, характеризующими условия эксплуатации материалов в ионосфере Земли, с их значениями при тестировании образца материала на стенде где $E_{{AK}}^{{(N)}}$ = 5 эВ, $E_{{iAK}}^{{(M)}}$ – энергия ионов АК в потоке плазмы атомарно-молекулярного кислорода на стенде.

Из (2) следуют условия для коэффициента ускорения испытаний на стенде

Режимы испытаний:

1. $E_{{iAK}}^{{(M)}} = E_{{AK}}^{{(N)}}$ = 5 эВ и ${{R}_{e}}(E_{{iAK}}^{{(M)}}) = {{R}_{e}}(E_{{AK}}^{{(N)}})$,тогда

2. $E_{{iAK}}^{{(M)}} > E_{{AK}}^{{(N)}}$ и ${{R}_{e}}(E_{{iAK}}^{{(M)}}) > {{R}_{e}}(E_{{AK}}^{{(N)}})$,

тогда

где $\xi = {{\left( {\frac{{E_{{iAK}}^{{(M)}}}}{{E_{{AK}}^{{(N)}}}}} \right)}^{{0.5}}}\frac{{{{R}_{e}}(E_{{iAK}}^{{(M)}})}}{{{{R}_{e}}(E_{{AK}}^{{(N)}})}} \gg 1.$

Из (4), (5) следует ${{k}_{{2y}}} \gg {{k}_{{1y}}},$ т.е. процесс испытаний в режиме 1 “ускоряется” пропорционально $\xi $. При стендовых испытаниях полимерного материала по результатам измерения потери массы $\Delta {{M}_{W}}(E_{{iAK}}^{{(M)}})$ и (или) уменьшения толщины δx_W $(E_{{iAK}}^{{(M)}})$ для известных значений параметров, характеризующих условия тестирования $F_{{iAK}}^{{(M)}},E_{{iAK}}^{{(M)}},$ t^(M), вычисляется объемный коэффициент потери массы полимера

Для оценки значений параметров ${{F}_{{AK}}}(E_{{AK}}^{{(N)}})$ и ${{R}_{e}}(E_{{AK}}^{{(N)}}),$ характеризующих условия эксплуатации материала в ионосфере, в соотношении (2) может быть использован полиимид kapton-H в качестве эталонного материала. Из отношения $\Delta {{M}_{W}}{\text{/}}\Delta {{M}_{k}}$ = = ${{\rho }_{W}}{{R}_{{{{e}_{W}}}}}{{F}_{W}}{\text{/}}{{\rho }_{k}}{{R}_{{{{e}_{k}}}}}{{F}_{k}} = {{\rho }_{W}}\delta {{x}_{W}}{\text{/}}{{\rho }_{k}}\delta {{x}_{k}}$ следует

где индекс “W” – тестируемый материал, “k” – полиимид kapton-H.

Для фиксированных значений флюенса АК соотношение (7) запишется в виде

Величина флюенса ${{F}_{{AK}}}(E_{{AK}}^{{(N)}})$ для условий эксплуатации тестируемого полимера в ионосфере, соответствующих условиям стендовых испытаний, определится из (2) после подстановки ${{R}_{e}}({{E}_{{iAK}}})$ и ${{R}_{e}}(E_{{AK}}^{{(N)}})$ из (6), (8).

Область допустимых нагрузок при ускоренных испытаниях определяется условием для плотностей потока АК $\Phi _{{AK}}^{{(N)}} \leqslant \Phi _{{AK}}^{{(M)}} \leqslant \Phi _{{AK}}^{{(\max )}}$ [14]. При физическом стендовом моделировании длительного взаимодействия потока АК с материалами к.а. это условие соответствует требованию: процессы на поверхности тестируемого материала, инициированные одним соударением, не должны перекрываться во времени. На стенде для концентрации и плотности потока должны выполняться условия $N_{{AK}}^{{(M)}}\, \leqslant \,{{10}^{{12}}}$ см⁻³ и $\Phi _{{AK}}^{{(M)}}\, \leqslant \,{{10}^{{18}}}$ атомовО/(см² · с). Эти условия приемлемы для большинства материалов к.а.: для полимеров $\Phi _{{AK}}^{{(\max )}} \leqslant {{10}^{{20}}}$ атомовО/(см² · с), для металлов – $\Phi _{{AK}}^{{(\max )}} \leqslant {{10}^{{27}}}$ атомовО/(см² · с) [14].

ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальные исследования проводились на стенде Института технической механики НАН Украины. Стенд относится к классу плазменных газодинамических труб. Безмасляная откачивающая система производительностью по воздуху до 50 м³/с (вакуумный электроразрядный агрегат и система турбомолекулярных насосов), наличие криопанелей, охлаждаемых жидким азотом, дают возможность создавать в вакуумной камере стенда – цилиндре ∅1.2 м и длиной 3.5 м – статическое разрежение ~1 ⋅ 10⁻⁵ Па, а при натекании газа ~1 ⋅ 10⁻³ Па.

Образцы испытуемых материалов и диагностические средства стенда размещены на подвижных платформах (верхней и нижней) с четырьмя степенями свободы каждая. Платформы обеспечивают угловые и поперечные перемещения в горизонтальной плоскости, перемещения в вертикальной плоскости и вращение вокруг вертикальной оси. Точность отсчета для линейных перемещений – 0.5 мм, для угловых – 0.5°. В ходе эксперимента образцы испытуемых материалов и диагностические зонды могут перемещаться практически в любую точку потока плазмы и объема вакуумной камеры стенда.

В качестве испытуемых материалов использовались полимерные пленки толщиной ${{x}_{W}} \approx $ 50.7 мкм: полиимид kapton-H (C₂H₁₀O₅N₂, объемная плотность ${{\rho }_{W}} \approx $ 1.42 г/см³) и тефлон FEP-100A ((C₂F₄)_n, ${{\rho }_{W}} \approx $ 2.15 г/см³). Образцы изготовлены в виде дисков ∅50 мм с диаметром облучаемой поверхности пленки ~45 мм. Испытуемые материалы размещены на подложке – диске из алюминий-магниевого сплава АМг-6М толщиной 3 мм, который выполняет роль термостата. Образцы испытуемых материалов в потоке плазмы показаны на рис. 1. Диаметр рабочей зоны струи на расстоянии 60 см от среза источника плазмы равен ~20 см. Рабочая зона струи плазмы – область с равномерным распределением концентраций и скорости ионов АК. Измерение и контроль температуры пленки и подложки осуществлялись миниатюрными термопарами ∅0.1 мм. В ходе экспериментов температура пленок не превышала ~350 К.

Для измерения весовых характеристик тестируемых материалов использовались аналитические весы с погрешностью не более 1 ⋅ 10⁻⁴ г. Унесенная масса – разность показаний весов за 1 ч до и через 1 ч после экспозиции в потоке плазмы. Такое взвешивание вне вакуумной камеры с интервалом 1 ч до и после вакуумирования и облучения плазмой обеспечивает идентичные условия определения массы. Доля адсорбированного газа при экспозиции образца в воздухе при атмосферном давлении составляет 10−15% от потери массы полиимида kаpton-H при облучении его в течение 1 ч ионами АК с энергией ${{E}_{{iAK}}}$ = 5 эВ.

В качестве источника высокоэнергичных ионов потоков плазмы атомарно-молекулярного кислорода $({{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}} + {\text{O}}_{{\text{2}}}^{{\text{ + }}})$ использовался газоразрядный ускоритель с “саморазгоном” плазмы (с ионизацией рабочего тела ${{{\text{O}}}_{{\text{2}}}}$ электронным ударом и осцилляцией электронов во внешнем магнитном поле). Применение ускорителя плазмы позволяет получать в рабочей части вакуумной камеры стенда (области с равномерным распределением плотности, скорости ионов и индукции внешнего магнитного поля) потоки АК с концентрацией ${{N}_{{iAK}}} \approx {{10}^{8}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {{10}^{{10}}}$ см⁻³ и энергией ионов ${{E}_{{iAK}}} \approx 5{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 100$ эВ. Энергия направленного движения потока ионов ${{E}_{{iAK}}}$ контролируется многоэлектродным зондом. Разброс измеренных значений ${{E}_{{iAK}}}$ не превосходит ±4.5%.

На образцы воздействуют ионы и быстрые нейтральные атомы АК. Суммарный флюенс АК в месте расположения образцов полимерных материалов может быть представлен в виде суммы флюенса ионов ${{F}_{{{{{\text{O}}}^{ + }}}}}$ и флюенса ${{F}_{{\text{O}}}}$ быстрых нейтральных атомов

где ${{N}_{{\text{O}}}}$ и ${{U}_{{\text{O}}}}$ – концентрация и скорость быстрых нейтральных атомов кислорода.

ИОНЫ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА В ПОТОКЕ ПЛАЗМЫ

Для определения концентрации ионов в потоке разреженной плазмы на стенде используется система электрических зондов [15]. Регистрация вольт-амперных характеристик зондов производится в автоматическом режиме. Погрешность измерения зондового тока не более ±2%. Потенциал плазмы измеряется по точке расхождения характеристик холодного и нагретого зонда. Разброс значений потенциала плазмы не превосходит ±4%. Пик ионного тока насыщения, регистрируемый зондом при вращении в горизонтальной плоскости (вокруг вертикальной оси), соответствует ориентации оси зонда вдоль по потоку, а полуширина пика ионного тока насыщения пропорциональна степени неизотермичности разреженной плазмы – отношению температуры ионов к температуре электронов ${{T}_{i}}{\text{/}}{{T}_{e}}$.

Электрический цилиндрический зонд используется и для определения степени диссоциации ${{\xi }_{{di}}}$ ионного компонента потока плазмы атомарно-молекулярного кислорода непосредственно в рабочей части струи у поверхности испытуемых образцов. Степень диссоциации ионного компонента плазмы атомарно-молекулярного кислорода можно представить в виде

а ионный ток насыщения ${{I}_{{i\Sigma }}}$ на цилиндрический зонд, ориентированный перпендикулярно вектору скорости потока плазмы, равен степень диссоциации ионного компонента определится по формуле Здесь ${{N}_{{i\sum }}} = {{N}_{{ia}}} + {{N}_{{im}}}$ (индекс “а” соответствует атомарным, “m” – молекулярным ионам кислорода); ${{I}_{{ia}}}$, ${{I}_{{im}}}$ – ионный ток насыщения атомарных и молекулярных ионов; ${{A}_{p}}$ – площадь поверхности зонда; $e$ – заряд электрона; ${{U}_{{im}}}$, ${{M}_{i}}$ – скорость и масса молекулярных ионов; ${{\varphi }_{W}} = {{\varphi }_{p}} - \varphi {}_{0}$ – потенциал зонда ${{\varphi }_{p}}$ относительно потенциала плазмы ${{\varphi }_{0}}$; ${{I}_{{0i}}} = ({{A}_{p}}{\text{/}}\pi ){{N}_{{i\sum }}}{{U}_{{im}}}$ – ионный ток на зонд при ${{\varphi }_{W}} = 0$.

Параллельно с электрическими зондами для определения концентрации заряженных частиц в потоке плазмы служит микроволновый интерферометр, работающий на частоте 5.45 ГГц. Равенство значений концентраций заряженных частиц по результатам зондовых и микроволновых измерений позволяет, с использованием условия квазинейтральности плазмы, оценить:

– наличие отрицательных ионов в потоке плазмы атомарно-молекулярного кислорода, ${{({{N}_{e}}\, + \,N_{i}^{ - })}_{{{\text{probe}}}}}$ ≈ ≈ N_emicrowave, где ${{N}_{e}}$ – концентрации электронов, $N_{i}^{ - }$ – концентрация отрицательных ионов;

– суммарную концентрацию положительных атомарных и молекулярных ионов ${{N}_{e}} \approx {{N}_{{i\sum }}}$ = N_ia + N_im.

Такой подход оправдан, так как микроволновая диагностика основана на рассеянии электромагнитного излучения на свободных электронах ионизованной среды.

Состав остаточного газа в вакуумной камере стенда контролируется масс-спектрометром МХ 7307 [16]. По результатам масс-спектроскопического анализа при статическом давлении 2 ⋅ 10⁻⁵ Па в остаточном газе в вакуумной камере стенда преобладают CO + N₂ и H₂ с концентрацией нейтральных молекул ${{N}_{n}} \approx 4.8 \cdot {{10}^{9}}$ см⁻³. При рабочем давлении 5 ⋅ 10⁻³ Па в плазменной струе основными компонентами являются быстрые ионы ${{{\text{O}}}^{ + }}$ и ${\text{O}}_{2}^{ + }$. В камере ионизации и на срезе ускорителя плазма практически полностью ионизована ${{N}_{{{{{\text{O}}}^{ + }} + {\text{O}}_{2}^{ + }}}} \approx {{N}_{{i\sum }}} \approx {{N}_{e}}$. В рабочем сечении струи суммарная концентрация ионов ${{N}_{{i\sum }}} \approx 6 \cdot {{10}^{9}}$ см³. Концентрация ионов ${{{\text{O}}}^{ + }}$ атомарного кислорода при ${{\xi }_{{di}}} \approx 0.7$ равна ${{N}_{{{{{\text{O}}}^{ + }}}}} \approx 4 \cdot {{10}^{9}}$ см⁻³, а ионов ${\text{O}}_{2}^{ + }$ молекулярного кислорода – ${{N}_{{{\text{O}}_{2}^{ + }}}} \approx 2 \cdot {{10}^{9}}$ см⁻³. Приведенные оценки позволяют определить флюенс ионов АК ${{F}_{{AK}}} \approx {{N}_{{{{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}}}}{{U}_{{{{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}}}}t$, воздействующих на полимеры в потоке плазмы атомарно-молекулярного кислорода.

БЫСТРЫЕ НЕЙТРАЛЬНЫЕ АТОМЫ В ПОТОКЕ ПЛАЗМЫ

Концентрация ${{N}_{{\text{O}}}}$ быстрых $({{U}_{{\text{O}}}} \approx {{U}_{{{{{\text{O}}}^{ + }}}}})$ нейтральных атомов АК, возникших при соударениях частиц, пропорциональна коэффициентам:

– радиационной и ударно-радиационной рекомбинаций ${{\beta }_{r}}$ при захвате свободных электронов быстрыми ионами АК (${{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}} + {{e}^{ - }} \to {\text{O}} + h\nu $; $h\nu $ – электромагнитное излучение);

– диссоциативной рекомбинации ${{\beta }_{{dis}}}$ электронов плазмы с молекулярными ионами $({\text{O}}_{{\text{2}}}^{{\text{ + }}}{\text{ + }}{{e}^{ - }} \to $ → O + O);

– ионно-молекулярных обменных реакций ${{\beta }_{{im}}}$ (перезарядка ионов ${{{\text{O}}}^{ + }}$ при столкновениях с нейтральными молекулами остаточного газа и кислорода).

На рис. 2 приведены зависимости коэффициентов радиационной и ударно-радиационной ${{\beta }_{r}}$ рекомбинации свободных электронов при столкновениях с положительными ионами от температуры ${{T}_{e}}$ электронов в потоке разреженной плазмы. При этом принято [17]: сечение $\sigma _{{{{{\text{O}}}^{ + }}}}^{r}$ радиационного захвата электронов положительными ионами ${{{\text{O}}}^{ + }}$ на уровни атомов АК с главным квантовым числом $q = 1,2,3$, …, 12 равно сечению $\sigma _{{{{{\text{H}}}^{ + }}}}^{r}$ захвата электронов протонами ${{{\text{H}}}^{ + }}$ с $q = 1,{\text{ }}2,{\text{ }}3$, …, 12, т.е. для высоких уровней энергии захвата электрона положительным ионом ${{\beta }_{r}}({{{\text{O}}}^{ + }}) \approx {{\beta }_{r}}({{{\text{H}}}^{ + }})$. Для температуры электронов плазмы ${{T}_{e}} \approx 3$ эВ (стенд) значение коэффициента ${{\beta }_{r}}$ и количество актов рекомбинации в одну секунду: ${{n}_{r}} \approx {{\beta }_{r}}{{N}_{{{{{\text{O}}}^{ + }}}}}{{N}_{e}}$ приведены в табл. 1. Этим значениям соответствует максимальная концентрация образовавшихся быстрых нейтральных атомов кислорода $N_{{\text{O}}}^{r} \approx {{n}_{r}}{\text{/}}{{\nu }_{{ei}}}$ (${{\nu }_{{ei}}}$ – частота соударения “ион АК – электрон”).

Для коэффициента диссоциативной рекомбинации ${{\beta }_{{dis}}}$ в ионосферной плазме на высотах ~200−500 км при температурах электронов ${{T}_{e}} \sim 1300{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 2500$ К [19, 23] приняты наиболее вероятные значения ${{\beta }_{{dis}}} \approx {{10}^{{ - 9}}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {{10}^{{ - 8}}}$ см³/с. С учетом температурной зависимости ${{\beta }_{{dis}}} \sim T_{e}^{{{{ - 3} \mathord{\left/ {\vphantom {{ - 3} 2}} \right. \kern-0em} 2}}}$ [21, 23, 24] для оценки величины коэффициента ${{\beta }_{{dis}}}$ может быть использована аппроксимация β_dis ≈ ${{\beta }_{{0dis}}}{{({{T}_{e}}{\text{/}}{{T}_{{0e}}})}^{{ - 3/2}}}$, где ${{T}_{{0e}}} \approx 2000$ К и ${{\beta }_{{0dis}}} \approx {{10}^{{ - 9}}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {{10}^{{ - 8}}}$ см³/с. Для температуры электронов на стенде ${{T}_{e}} \approx $ 3.5 ⋅ 10⁴ К (3 эВ) значение ${{\beta }_{{dis}}}$ приведено в табл. 1. Табличное значение ${{\beta }_{{dis}}}$ согласуется с измеренным при температуре ${{T}_{e}} \approx 1 \cdot {{10}^{4}}$ К значением коэффициента, приведенным в [25, 26]. Число актов рекомбинации ${{n}_{{dis}}} \approx {{\beta }_{{dis}}}{{N}_{{{\text{O}}_{2}^{ + }}}}{{N}_{e}}$ и диапазон значений концентрации $N_{{\text{O}}}^{{dis}} \approx {{n}_{{dis}}}{\text{/}}{{\nu }_{{ei}}}$ быстрых нейтральных атомов АК для стенда приведено в табл. 1.

Быстрые нейтральные атомы АК в плазме атомарно-молекулярного кислорода образуются и в результате ионно-молекулярной обменной реакции ${{{\text{O}}}^{ + }} + {{{\text{O}}}_{2}} \to {\text{O}}_{2}^{ + } + {\text{O}}$. Расчетные и экспериментальные значения коэффициента ${{\beta }_{{im}}}$ для этой реакции из [19, 23], а также количества актов рекомбинации ${{n}_{{im}}} \approx {{\beta }_{{im}}}{{N}_{{{{{\text{O}}}^{ + }}}}}{{N}_{{{{{\text{O}}}_{2}}}}}$ с образованием нейтральных атомов АК на стенде, соответствующих этому диапазону значений коэффициента ${{\beta }_{{im}}}$, приведены в табл. 1. Если ${{N}_{{{{{\text{O}}}_{2}}}}} \approx {{N}_{{{\text{O}}_{2}^{ + }}}}$, то для частиц с энергией ~5−100 эВ частота столкновений ионов ${{{\text{O}}}^{ + }}$ с молекулами О₂ соответствует диапазону значений ${{\nu }_{{im}}} \approx 2 \cdot {{10}^{1}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 1 \cdot {{10}^{2}}$ с⁻¹ [18, 27]. Количество быстрых нейтральных атомов, образовавшихся при ионно-молекулярной обменной реакции, на стенде равно $N_{{\text{O}}}^{{im}} = {{n}_{{im}}}{\text{/}}{{\nu }_{{im}}}$ (табл. 1).

Часть быстрых атомов О, образовавшихся в результате реакций рекомбинации с заряженными частицами плазмы, исчезает из объема в результате реакций рекомбинации при столкновениях с молекулами остаточного газа – CO, N₂ и H₂ [26, 28]. Концентрация остаточных газов (без расхода газа) ${{N}_{n}} \approx 4.8 \cdot {{10}^{9}}$ см⁻³. Максимальные значения коэффициентов рекомбинации атомов О с молекулами CO, N₂ и H₂ при тепловых скоростях не превосходят константы скорости упругого (газокинетического) столкновения ${{\beta }_{{am}}} \sim {{10}^{{ - 10}}}$ см³ с⁻¹ [28]. При высоких энергиях константа скорости рекомбинации приближается к газокинетическим значениям [28].

Средние значения коэффициентов рекомбинации ${{\beta }_{{am}}}$ [см³ с⁻¹] при столкновениях атомов АК с молекулами остаточного газа: H₂ – 6 ⋅ 10⁻¹⁶–2 ⋅ 10⁻¹⁰, N₂ – 3 ⋅ 10⁻¹⁷–6 ⋅ 10⁻¹¹, СО – 2 ⋅ 10⁻¹⁴–7 ⋅ 10⁻¹¹ [26, 28]. С использованием этих данных и данных табл. 1 для концентрации быстрых нейтральных атомов, образующихся в результате обменно-столкновительных реакций на стенде, получим:

– радиационная и ударно-радиационная рекомбинация $N_{{\text{O}}}^{r}{\text{/}}{{N}_{{{{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}}}} \approx 4 \cdot {{10}^{{ - 8}}}$;

– диссоциативная рекомбинация $N_{{\text{O}}}^{{dis}}{\text{/}}{{N}_{{{{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}}}}$ ≈ ≈ $2.5 \cdot ({{10}^{{ - 7}}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {{10}^{{ - 6}}})$;

– ионно-обменные столкновения $N_{{\text{O}}}^{{im}}{\text{/}}{{N}_{{{{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}}}}$ ≈ ≈ $6 \cdot {{10}^{{ - 5}}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 4 \cdot {{10}^{{ - 3}}}$;

– столкновения с остаточными газами $N_{{\text{O}}}^{{am}}{\text{/}}{{N}_{{{{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}}}}$ ≈ ≈ ${{10}^{{ - 1}}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {{10}^{{ - 5}}}$.

Таким образом, с учетом столкновительных реакций для быстрых атомов АК и ионов АК с высокой точностью выполняется условие ${{N}_{{\text{O}}}}{{U}_{{\text{O}}}}{\text{/}}{{N}_{{{{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}}}}{{U}_{{{{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}}}} \ll 1$.

При облучении испытываемых образцов потоком плазмы атомарно-молекулярного кислорода определяющим является воздействие ионов АК, и формула (9) может быть представлена в виде

ПОТЕРЯ МАССЫ ПОЛИМЕРАМИ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫМИ ИОНАМИ АК

На рис. 3 приведены зависимости уноса массы $\Delta {{M}_{W}}$ полиимида kapton-H и тефлона FEP-100A от флюенса ${{F}_{{AK}}}$ (энергия частиц 5 эВ).

Приведенные рис. 3 зависимости свидетельствуют о том, что при фиксированных значениях флюенса АК для полимерных пленок полиимид kapton-H и тефлон FEP-100A при ${{E}_{{AK}}} \approx 5$ эВ отношения $\Delta {{M}_{k}}{\text{/}}\Delta {{M}_{{FEP}}} \approx {\text{const}}$ и $\delta {{x}_{k}}{\text{/}}\delta {{x}_{{FEP}}}\, \approx \,{\text{const}}$. Аналогичное соотношение имеет место и для других полиимидных пленок ПМ-1Э, ПМ-А и полиэтилена [16].

Зависимость объемного коэффициента потери массы ${{R}_{e}}$ полиимида kapton-H и тефлона FEP-100A от энергии ионов АК представлены на рис. 4.

Для фиксированных значений энергии ионов АК и флюенса ${{F}_{{AK}}}$ из приведенных на рис. 3 и 4 зависимостей $\Delta {{M}_{W}}({{F}_{{AK}}})$ и ${{R}_{e}}({{E}_{{iAK}}})$ следует $\Delta {{M}_{W}}{\text{/}}\Delta {{M}_{k}}$ = = const и ${{R}_{e}}_{{_{W}}}{\text{/}}{{R}_{{{{e}_{k}}}}} = {\text{const}}$. Аналогичные данные при ${{E}_{{AK}}} = 5$ эВ (спутниковые измерения) и ${{E}_{{iAK}}}$ = = 20 эВ (стендовые испытания) для широкого ряда полимеров: $\Delta {{M}_{W}}{\text{/}}\Delta {{M}_{k}} \approx {\text{const}}$ и ${{\rho }_{W}}{{R}_{{{{e}_{W}}}}}{\text{/}}{{\rho }_{k}}{{R}_{{{{e}_{k}}}}}$ = = const приведены в [41].

На рис. 5 приведены зависимости потери массы полиимида kapton-H от флюенса высокоэнергичных ионов О⁺, ${\text{N}}{{{\text{e}}}^{{\text{ + }}}}$, ${\text{X}}{{{\text{e}}}^{{\text{ + }}}}$ и ${{{\text{N}}}^{ + }}{\text{ + N}}_{2}^{ + }$.

Унос массы полиимида при облучении ионами ${{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}} + {\text{O}}_{2}^{ + }$ определяют два механизма: кинетическое распыление и химическое травление. При облучении полимера ионами ${\text{N}}{{{\text{e}}}^{{\text{ + }}}}$, ${\text{X}}{{{\text{e}}}^{{\text{ + }}}}$ и ${{{\text{N}}}^{ + }} + {\text{N}}_{2}^{ + }$ унос массы определяет только кинетическое распыление. Приведенные на рис. 5 данные свидетельствуют о том, что при одинаковых энергиях ионов унос массы полиимида kapton-H за счет кинетического распыления практически на порядок меньше $\Delta {{M}_{k}}$ из-за химического травления.

При проведении испытаний в потоке АК отношение измеренной величины $\delta {{x}_{W}}$ полимера к рассчитанной $\delta {{x}_{k}}$ для фиксированных значений ${{E}_{{iAK}}}$ и ${{F}_{{iAK}}}$ $\delta {{x}_{W}}({{E}_{{iAK}}}){\text{/}}\delta {{x}_{k}}({{E}_{{iAK}}})$ = $\delta {{x}_{W}}(5\,эВ){\text{/}}\delta {{x}_{k}}$ (5 эВ) позволяет оценить величину объемного коэффициента уноса массы испытуемого полимера: ${{R}_{{{{e}_{W}}}}}$ (5 эВ) = ${{R}_{{{{e}_{k}}}}}(5\,эВ)\delta {{x}_{W}}{\text{/}}\delta {{x}_{k}}$ = ${{R}_{{{{e}_{k}}}}}$ (5 эВ) $\Delta {{M}_{W}}{{\rho }_{k}}{\text{/}}\Delta {{M}_{k}}{{\rho }_{W}}$.

Искомыми величинами при проведении испытаний полимерных конструкционных материалов космических аппаратов при облучении их высокоэнергичными ионами АК являются объемный коэффициент уноса массы ${{R}_{{{{e}_{W}}}}}$ и флюенс ${{F}_{{AK}}}$, соответствующие условиям эксплуатации полимера в ионосфере Земли при энергиях атомов кислорода $E_{{AK}}^{{(N)}} \approx $ 5 эВ. Процедура определения ${{R}_{{{{e}_{W}}}}}$ ($E_{{AK}}^{{(N)}} \approx 5$ эВ) и $F_{{AK}}^{{(N)}}(E_{{AK}}^{{(N)}})$ включает несколько последовательных операций:

1) на стенде в потоке ионов АК энергией ${{E}_{{iAK}}}$ и флюенсом ${{F}_{{iAK}}}({{E}_{{iAK}}})$ измеряется потеря массы $\Delta {{M}_{W}}({{E}_{{iAK}}}$, F_iAK) материала или соответствующее уменьшение толщины полимерной пленки $\delta {{x}_{W}}({{E}_{{iAK}}}$, F_iAK);

2) величина объемного коэффициента потери ионов полимера вычисляется по формуле ${{R}_{{{{e}_{W}}}}}({{E}_{{iAK}}}) = \delta {{x}_{W}}({{E}_{{iAK}}}){\text{/}}{{F}_{{iAK}}}({{E}_{{iAK}}})$;

3) для объемного коэффициента потери массы эталонного полимера kapton-H используется соотношение ${{R}_{{{{e}_{k}}}}}({{F}_{{iAK}}})$ = $0.4{{({{\alpha }_{i}}{{E}_{{iAK}}})}^{{1.268}}} \cdot {{10}^{{ - 24}}}$ см³/атомовО;

4) при фиксированном ${{F}_{{iAK}}}$ флюенсе $\delta {{x}_{W}}({{E}_{{iAK}}}){\text{/}}\delta {{x}_{k}}({{E}_{{iAK}}})$ = ${{R}_{{{{e}_{W}}}}}({{E}_{{iAK}}}){\text{/}}{{R}_{{{{e}_{k}}}}}({{E}_{{iAK}}}) = {\text{const}}$ искомая величина объемного коэффициента потери массы определяется по формуле ${{R}_{{{{e}_{W}}}}}(5\;{\text{эВ}})$ = = ${{R}_{{{{e}_{k}}}}}({{E}_{N}} = 5\;эВ){{R}_{{{{e}_{W}}}}}({{E}_{{iAK}}}){\text{/}}{{R}_{{{{e}_{k}}}}}({{E}_{{iAK}}})$, а искомый флюенс АК – из соотношения $F_{{AK}}^{{(N)}}(E_{{AK}}^{{(N)}})$ = = $F_{{iAK}}^{{(M)}}(E_{{iAK}}^{{(M)}}){{R}_{{{{e}_{k}}}}}(E_{{iAK}}^{{(M)}}){\text{/}}{{R}_{{{{e}_{k}}}}}(E_{{AK}}^{{(N)}})$.

При стендовых испытаниях ${{E}_{{iAK}}}$ = 80 эВ, ${{N}_{{iAK}}} \simeq 4 \cdot {{10}^{9}}$ см⁻³ и времени экспозиции полимера в потоке плазмы АК ${{t}^{{(M)}}} \simeq 3\;ч$ = 1.08 · 10⁴ с и флюенсе $F_{{iAK}}^{{(M)}}(E_{{iAK}}^{{(M)}})$ = 1.34 · 10²⁰ см⁻² следует ${{R}_{{{{e}_{k}}}}}(E_{{iAK}}^{{(M)}}) \approx 1.04 \cdot {{10}^{{ - 22}}}$ см³/атомовО, а $F_{{AK}}^{{(N)}}(E_{{AK}}^{{(N)}})$ ≃ ≃ 4.5 · 10²¹ см⁻². В ионосфере при $E_{{AK}}^{{(N)}} = 5$ эВ и среднем уровне солнечной активности флюенс $F_{{AK}}^{{(N)}}$ = 4.5 · 10²¹ см⁻² соответствует годовой экспозиции полимера на высоте $h \approx 380$ км (МКС). При ${{E}_{{iAK}}} = 80$ эВ коэффициент ускорения стендовых испытаний полиимида kapton-H по формуле (5) равен ${{k}_{{2y}}} \approx 3000$, в то время как при облучении полимера потоком АК с энергией ионов ${{E}_{{iAK}}} = 5$ эВ коэффициент ускорения ${{k}_{{1y}}} \approx 20$ – формула (4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана процедура проведения стендовых испытаний полимерных материалов на стойкость к длительному воздействию атомарного кислорода в ионосфере Земли. Процедура включает облучение полимеров высокоэнергичными (30−80 эВ) ионами АК потока разреженной плазмы и использование полиимида kapton-H в качестве эталонного материала. Критерием эквивалентности условий физического моделирования длительного взаимодействия “полимер – АК” в ионосфере и экспозиции “полимер – поток ионов” на стенде служит равенство потери массы материала. Для обоснования процедуры используются зависимости уноса массы и объемного коэффициента потери массы полиимида kapton-H и тефлона FEP-100A от флюенса и энергии ионов АК.

Установлено:

– при облучении полиимида kapton-H ионами АК с энергией 30−80 эВ унос массы за счет химического травления практически на порядок больше, чем потери, обусловленные кинетическим распылением;

– коэффициент ускорения стендовых испытаний при облучении полимера высокоэнергичными ионами ${{k}_{{2y}}} \approx 3000$ на два порядка больше, чем коэффициент ускорения ${{k}_{{1y}}} \approx 20$ в потоке АК с энергией частиц 5 эВ.