Химия высоких энергий, 2021, T. 55, № 1, стр. 54-59

КРИТЕРИАЛЬНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ДЛИТЕЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ АК НА ПОЛИМЕРЫ КА

При моделировании длительного воздействия АК на полимеры в качестве критерия эквивалентности экспозиции в ионосфере и на стенде принято равенство потери массы $\Delta {{M}_{W}}$ (уменьшения толщины $\delta {{x}_{W}}$) материала

где индекс $N$ соответствует натурным условиям; $M$ – испытаниям на стенде. Так как $\Delta {{M}_{W}} = {{\rho }_{W}}{{R}_{e}}{{F}_{{AK}}} = {{\rho }_{W}}\delta {{x}_{W}},$ из (1) следует соотношение, связывающее параметры, характеризующие условия эксплуатации материалов в ионосфере, с их значениями на стенде где ${{\rho }_{W}},$ ${{R}_{e}}$ – плотность, объемный коэффициент потери массы тестируемого материала; $E_{{AK}}^{{(N)}}$ = 5 эВ, $E_{{iAK}}^{{(M)}}$ – энергия ионов АК на стенде. Из (2) следует условие для коэффициента ускорения испытаний на стенде

Если $E_{{iAK}}^{{(M)}} = E_{{AK}}^{{(N)}} = 5\,\,{\text{эB}}$ и ${{R}_{e}}\left( {E_{{iAK}}^{{(M)}}} \right) = {{R}_{e}}\left( {E_{{AK}}^{{(N)}}} \right)$ – режим 1, то

Когда $E_{{iAK}}^{{(M)}} > E_{{AK}}^{{(N)}}$ и ${{R}_{e}}\left( {E_{{iAK}}^{{(M)}}} \right) > {{R}_{e}}\left( {E_{{AK}}^{{(N)}}} \right)$ – режим 2, то

где

Из (4), (5) следует ${{k}_{{2y}}} \gg {{k}_{{1y}}},$ т.е. процесс испытаний в режиме 1 “ускоряется” пропорционально $\xi $ [10–12]. По результатам стендовых измерений потери массы полимера $\Delta {{M}_{W}}\left( {E_{{iAK}}^{{(M)}}} \right)$ и (или) уменьшения толщины $\delta {{x}_{W}}\left( {E_{{iAK}}^{{(M)}}} \right)$ для известных значений параметров $E_{{AK}}^{{(M)}},$ $E_{{iAK}}^{{(M)}},$ ${{t}^{{(M)}}},$ характеризующих условия тестирования, вычисляется объемный коэффициент потери массы

Для оценки параметров ${{F}_{{AK}}}\left( {E_{{AK}}^{{(N)}}} \right)$ и ${{R}_{e}}\left( {E_{{AK}}^{{(N)}}} \right)$ в ионосфере для соотношения (2) в качестве эталонного материала может быть использован полиимид kapton-H. Из отношения ${{\Delta {{M}_{W}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta {{M}_{W}}} {\Delta {{M}_{k}}}}} \right. \kern-0em} {\Delta {{M}_{k}}}}$ = = ${{{{\rho }_{W}}{{R}_{{{{e}_{W}}}}}{{F}_{W}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\rho }_{W}}{{R}_{{{{e}_{W}}}}}{{F}_{W}}} {{{\rho }_{k}}{{R}_{{{{e}_{k}}}}}{{F}_{k}}}}} \right. \kern-0em} {{{\rho }_{k}}{{R}_{{{{e}_{k}}}}}{{F}_{k}}}}$ = ${{{{\rho }_{W}}\delta {{x}_{W}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\rho }_{W}}\delta {{x}_{W}}} {{{\rho }_{k}}\delta {{x}_{k}}}}} \right. \kern-0em} {{{\rho }_{k}}\delta {{x}_{k}}}}$ для фиксированных значений флюенса АК следует

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

Величина флюенса ${{F}_{{AK}}}\left( {E_{{AK}}^{{(N)}}} \right)$ в ионосфере, соответствующая условиям стендовых испытаний, определится из (2) после подстановки ${{R}_{e}}\left( {{{E}_{{iAK}}}} \right)$ и ${{R}_{e}}\left( {E_{{AK}}^{{(N)}}} \right)$ из (6), (7). Область допустимых нагрузок при стендовых испытаниях определяется условием $\Phi _{{AK}}^{{(N)}} \leqslant \Phi _{{AK}}^{{(M)}} \leqslant \Phi _{{AK}}^{{(\max )}}$ [13]. Это соответствует требованию: процессы на поверхности материала, инициированные одним соударением, не должны перекрываться во времени. Должны выполняться условия: полимеры $\Phi _{{AK}}^{{(\max )}}$ ≤ 10²⁰ атомО/см² с; металлы – $\Phi _{{AK}}^{{(\max )}}$ ≤ 10²⁷ атомО/см² с [13].

ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальные исследования проводились на стенде Института технической механики НАН Украины. Детали проведения экспериментов приведены в [11]. В качестве испытуемых материалов использовались пленки толщиной ${{x}_{W}}$ ≈ ≈ 50.7 мкм: полиамид kapton-H (объемная плотность ${{\rho }_{W}}$ ≈ 1.42 г/см³) и тефлон FEP-100A (${{\rho }_{W}}$ ≈ 2.15 г/см³). Образцы – диски с диаметром облучаемой поверхности 45 мм – размещены на подложке из сплава АМг-6М толщиной 3 × 10^–1 см. Подложка служила термостатом. Измерение и контроль температуры пленки и подложки осуществлялись термопарами диаметром 0.1 мм. При облучении образцов АК температура пленок не превышала ~350 К. Весовые характеристики материалов вне вакуумной камеры за 1 ч до и 1 ч после экспозиции в плазме измерялись на аналитических весах с погрешностью не более 1 × 10^–4 г. Взвешивание вне вакуумной камеры с интервалом 1 ч до и после вакуумирования и облучения плазмой обеспечивает идентичные условия определения массы $\delta {{M}_{W}} = {{M}_{1}} - {{M}_{2}},$ где ${{M}_{1}},$ ${{M}_{2}}$ – масса образца до и после экспонирования в плазме и в вакууме. Вклад адсорбированных газов $\delta {{M}_{a}}$ в воздухе при атмосферном давлении до и после вакуумирования и облучения плазмой определяется по формуле $\delta {{M}_{W}} = \left( {{{M}_{1}} + \delta {{M}_{a}}} \right)$ – $\left( {{{M}_{2}} + \delta {{M}_{a}}} \right).$

В качестве источника высокоскоростных ионов потоков плазмы атомарно-молекулярного кислорода $\left( {{{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}{\text{ + O}}_{{\text{2}}}^{{\text{ + }}}} \right)$ использовался газоразрядной ускоритель с “саморазгоном” плазмы [10, 11]. В струе с равномерным распределением параметров получены потоки: ${{N}_{{iAK}}}$ ≈ 10⁸–10¹⁰ см^–3 и ${{E}_{{iAK}}}$ ≈ ≈ 5–100 эВ. Для диагностики разреженной плазмы служит СВЧ-интерферометр, работающий на частоте 5.45 ГГц, и система электрических зондов. Состав остаточного газа в вакуумной камере стенда контролируется масс-спектрометром МХ 7307 [12]. Соответствие зондовых и СВЧ-измерений концентрации ионов ${{N}_{i}}$ и электронов ${{N}_{e}}$ позволяет при условии квазинейтральности ${{N}_{e}} \approx {{N}_{i}}$ оценить наличие отрицательных ионов $N_{i}^{ - }$ в плазме ${{\left( {{{N}_{e}} + N_{i}^{ - }} \right)}_{{{\text{зонд}}}}} \approx {{N}_{{e{\text{СВЧ}}}}}$ и суммарную концентрацию ${{N}_{e}} \approx {{N}_{{i\sum }}} = {{N}_{{ia}}} + {{N}_{{im}}}$ атомарных ${{N}_{{ia}}}$ и молекулярных ${{N}_{{im}}}$ ионов.

Степень диссоциации ионного компонента потока плазмы кислорода ${{\xi }_{{{{d}_{i}}}}}$ контролируется электрическими зондами [12]

где ${{I}_{{i\Sigma }}}$ – ионный ток насыщения; $e$ – заряд электрона; ${{U}_{{im}}}$ и ${{M}_{i}}$ – скорость и масса молекулярных ионов; ${{\varphi }_{W}} = {{\varphi }_{p}} - \varphi {}_{0}$ – потенциал зонда ${{\varphi }_{p}}$ относительно потенциала плазмы ${{\varphi }_{0}};$ ${{I}_{{0i}}} = \left( {{{{{A}_{p}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{A}_{p}}} \pi }} \right. \kern-0em} \pi }} \right){{N}_{{i\sum }}}{{U}_{{im}}}$ – ионный ток на зонд при ${{\varphi }_{W}} = 0;$ ${{A}_{p}}$ – площадь поверхности цилиндрического зонда.

Остаточное давление в вакуумной камере стенда 1 × 10^–5 Па. При натекании рабочего газа – кислорода высшей очистки 5 × 10^–3 Па. Основными компонентами в плазменной струе являются быстрые ионы ${{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}$ и ${\text{O}}_{{\text{2}}}^{{\text{ + }}}.$ В камере ионизации и на срезе ускорителя плазма практически полностью ионизована. В рабочем сечении струи размером ~0.3 м ${{N}_{e}} \approx {{N}_{{i\sum }}}$ ≈ 6 × 10⁹ см^–3, степень диссоциации ${{\xi }_{{{{d}_{i}}}}}$ ≈ 0.7, концентрация ионов: ${{N}_{{{{{\text{O}}}^{ + }}}}}$ ≈ 4 × 10⁹ см^–3 и ${{N}_{{{\text{O}}_{2}^{ + }}}}$ ≈ 2 × 10⁹ см^–3.

Поверхность полимера в плазме приобретает равновесный отрицательный потенциал φ_f ~ ~ $ - \left( {{{k{{T}_{e}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{k{{T}_{e}}} e}} \right. \kern-0em} e}} \right)\ln \left( {{{{{j}_{e}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{j}_{e}}} {{{j}_{i}}}}} \right. \kern-0em} {{{j}_{i}}}}} \right),$ где ${{j}_{{e,i}}}$ – плотность электронного (e) и ионного (i) тока; k – постоянная Больцмана. В слое пространственного заряда ионы АК ускоряются. Кинетическая энергия ионов, направленная по нормали к поверхности, увеличивается: $e\left( {{{\varphi }_{f}} - {{\varphi }_{0}}} \right)$ ≈ 1–2 эВ. Флюенс АК запишется

где ${{N}_{{\text{O}}}}$ и ${{U}_{{\text{O}}}}$ – концентрация и скорость быстрых нейтральных атомов О. Быстрые $\left( {{{U}_{{\text{O}}}} \approx {{U}_{{{{{\text{O}}}^{ + }}}}}} \right)$ нейтральные атомы О в плазме атомарно-молекулярного кислорода образуются при захвате электронов быстрыми ионами АК (ударно-радиационная рекомбинация); при диссоциативной рекомбинации электрона с молекулярным ${\text{O}}_{2}^{ + }$ ионом; и при ионно-молекулярных обменных реакциях ионов ${{{\text{O}}}^{ + }}$ с молекулами остаточного газа и ${{{\text{O}}}_{2}}$ [14]. Приближенно ${{{{N}_{{\text{O}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{N}_{{\text{O}}}}} {{{N}_{{{{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{N}_{{{{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}}}}}}$ ≤ ${{{{{{N}_{{i\Sigma }}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{N}_{{i\Sigma }}}} N}} \right. \kern-0em} N}}_{{{{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}{\text{ + O}}_{{\text{2}}}^{{\text{ + }}}}}},$ где ${{N}_{{{{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}{\text{ + O}}_{{\text{2}}}^{{\text{ + }}}}}} \simeq \sim 1$ × 10¹² см^–3 – концентрация ионов на срезе ускорителя, а ${{N}_{{i\Sigma }}} \simeq $6 × 10⁹ см^–3, т.е. ${{{{N}_{{\text{O}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{N}_{{\text{O}}}}} {{{N}_{{{{{\text{O}}}^{ + }}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{N}_{{{{{\text{O}}}^{ + }}}}}}} \ll 1$ и (10) запишется в виде

ПОТЕРЯ МАССЫ ПОЛИМЕРАМИ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ИОНАМИ АК

На рис. 1 приведены зависимости потери массы $\Delta {{M}_{W}}$ от флюенса ${{F}_{{AK}}}$ (${{E}_{{AK}}}$ ≈ 5 эВ) для полиимида kapton-H и тефлона FEP-100A. Зависимости объемного коэффициента потери массы ${{R}_{e}}$ полимеров от энергии ионов АК представлены на рис. 2. Для фиксированных значений ${{E}_{{iAK}}}$ и ${{F}_{{AK}}}$ из зависимостей $\Delta {{M}_{W}}\left( {{{F}_{{iAK}}}} \right)$ и ${{R}_{e}}\left( {{{E}_{{iAK}}}} \right),$ приведенных на рис. 1, 2, следует ${{\Delta {{M}_{W}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta {{M}_{W}}} {\Delta {{M}_{k}}}}} \right. \kern-0em} {\Delta {{M}_{k}}}} = {\text{const}}$ и ${{{{R}_{{{{e}_{{_{W}}}}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{R}_{{{{e}_{{_{W}}}}}}}} {{{R}_{{{{e}_{k}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{R}_{{{{e}_{k}}}}}}} = {\text{const}}{\text{.}}$ Аналогичные данные при ${{E}_{{AK}}}$ = = 5 эВ (спутниковые измерения) и ${{E}_{{iAK}}}$ = 20 эВ (стендовые испытания) для широкого ряда полимеров ${{\Delta {{M}_{W}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta {{M}_{W}}} {\Delta {{M}_{k}}}}} \right. \kern-0em} {\Delta {{M}_{k}}}} \approx {\text{const}}$ и ${{{{\rho }_{W}}{{R}_{{{{e}_{W}}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\rho }_{W}}{{R}_{{{{e}_{W}}}}}} {{{\rho }_{k}}{{R}_{{{{e}_{k}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{\rho }_{k}}{{R}_{{{{e}_{k}}}}}}} = {\text{const}}$ приведены в [27].

На рис. 3 приведены зависимости потери массы kapton-H от флюенса высокоэнергичных ионов О⁺, ${\text{N}}{{{\text{e}}}^{{\text{ + }}}},$ ${\text{X}}{{{\text{e}}}^{{\text{ + }}}}$ и ${{{\text{N}}}^{ + }}{\text{ + N}}_{{\text{2}}}^{{\text{ + }}}.$ Унос массы полимера при облучении ионами ${{{\text{O}}}^{{\text{ + }}}}{\text{ + }}\,\,{\text{O}}_{{\text{2}}}^{{\text{ + }}}$ определяют кинетическое распыление и химическое травление. При облучении полимера ионами ${\text{N}}{{{\text{e}}}^{{\text{ + }}}}$, ${\text{X}}{{{\text{e}}}^{{\text{ + }}}}$ и ${{{\text{N}}}^{ + }}{\text{ + }}\,{\text{N}}_{{\text{2}}}^{{\text{ + }}}$ унос массы обусловлен только кинетическим распылением. По данным рис. 3 унос массы полиимида kapton-H за счет кинетического распыления практически на порядок меньше $\Delta {{M}_{k}}$ из-за химического травления О⁺. Измеренная величина $\delta {{x}_{W}}$ полимера в потоке АК при фиксированных значениях ${{E}_{{iAK}}},$ ${{F}_{{iAK}}}$ и рассчитанные значения ${{\delta {{x}_{W}}\left( {{{E}_{{iAK}}}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\delta {{x}_{W}}\left( {{{E}_{{iAK}}}} \right)} {\delta {{x}_{k}}\left( {{{E}_{{iAK}}}} \right)}}} \right. \kern-0em} {\delta {{x}_{k}}\left( {{{E}_{{iAK}}}} \right)}}$ = = ${{\delta {{x}_{W}}\left( {5\,\,{\text{эВ}}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\delta {{x}_{W}}\left( {5\,\,{\text{эВ}}} \right)} {\delta {{x}_{k}}\left( {5\,\,{\text{эВ}}} \right)}}} \right. \kern-0em} {\delta {{x}_{k}}\left( {5\,\,{\text{эВ}}} \right)}}$ позволяют оценить величину объемного коэффициента уноса массы испытуемого полимера ${{R}_{{{{e}_{W}}}}}\left( {5\,\,{\text{эВ}}} \right)$ = ${{R}_{{{{e}_{k}}}}}\left( {5\,\,{\text{эВ}}} \right){{\delta {{x}_{W}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\delta {{x}_{W}}} {\delta {{x}_{k}}}}} \right. \kern-0em} {\delta {{x}_{k}}}}$ = = ${{R}_{{{{e}_{k}}}}}\left( {5\,\,{\text{эВ}}} \right){{\Delta {{M}_{W}}{{\rho }_{k}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta {{M}_{W}}{{\rho }_{k}}} {\Delta {{M}_{k}}{{\rho }_{W}}}}} \right. \kern-0em} {\Delta {{M}_{k}}{{\rho }_{W}}}}.$

Если при стендовых испытаниях: ${{E}_{{iAK}}}$ = 80 эВ, ${{N}_{{iAK}}} \simeq 4$ × 10⁹ см^–3, ${{t}^{{(M)}}} \simeq 3\,\,{\text{ч}}$ = 1.08 × 10⁴ с, флюенс ${{F}_{{AK}}}\left( {{{E}_{{iAK}}}} \right)$ = 1.34 × 10²⁰ см^–2, то ${{R}_{{{{e}_{k}}}}}\left( {{{E}_{{iAK}}}} \right)$ ≈ 1.04 × × 10^–22 см³/атомО и $F_{{AK}}^{{(N)}}\left( {E_{{AK}}^{{(N)}}} \right) \simeq 4.5$5 × 10²¹ см^–2. В ионосфере флюенс $F_{{AK}}^{{(N)}}$ = 4.5 × 10²¹ см^–2 ($E_{{AK}}^{{(N)}}$ = = 5 эВ) при среднем уровне солнечной активности соответствует годовой экспозиции полимера на высоте $h$ ≈ 380 км (МКС), коэффициент ускорения стендовых испытаний kapton-H равен ${{k}_{{2y}}}$ ≈ ≈ 3 × 10³, а при облучении полимера ионами ${{E}_{{iAK}}}$ = = 5 эВ коэффициент ускорения – ${{k}_{{1y}}}$ ≈ 2 × 10¹.

ВЫВОДЫ

Разработана процедура физического моделирования длительного, при высоких флюенсах, воздействия АК на полимеры в ионосфере Земли. При реализации процедуры используются: высокоэнергичные ионы АК потока разреженной плазмы и полиимид kapton-H в качестве эталонного материала. Для оценки эквивалентности условий взаимодействия “АК–полимер” в ионосфере и на стенде принято условие равенства потери массы полимера. В обоснование процедуры получены зависимости уноса массы, объемного коэффициента потери массы полиимида kapton-H и тефлона FEP-100A от флюенса и энергии ионов АК. Показано, что при облучении полиимида kapton-H ионами АК с энергией 30–80 эВ унос массы из-за химического травления практически на порядок больше, чем потери массы из-за кинетического распыления, флюенс АК и коэффициент ускорения испытаний полиимида на два порядка больше, чем коэффициент ускорения в потоке ионов АК с энергией 5 эВ.