Химия высоких энергий, 2022, T. 56, № 1, стр. 50-58

ВВЕДЕНИЕ

Малые космические аппараты (МКА) функционируют в условиях воздействия потоков электронов и ионов в широком диапазоне энергий (0.001–10⁵ МэВ) солнечной, космической радиации входящих в состав радиационных поясов Земли (РПЗ), солнечных космических лучей (СКЛ) и галактических космических лучей (ГКЛ), которые относят к основным составляющим ионизирующего излучения (ИИ) космического пространства (КП), или космической радиации, которая является одной из главных причин возникновения отказов в работе блоков радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА) КА и уменьшения сроков активного существования аппаратов [1, 2].

Надежность БРЭА связана с обеспечением радиационной устойчивости электронно-компонентной базы (ЭКБ) при ограниченной потребляемой мощности и массогабаритных характеристиках. Известно [3, 4 ] , что гарантийный срок пребывания КА на околоземной орбите или при межпланетном полете зависит от выбора условий эксплуатации, применения радиационно-стойких электронных компонент в составе БРЭА и методики испытания, прогнозирования. На материалы и элементы оборудования, находящиеся на поверхности МКА, значительное радиационное воздействие оказывают также электроны и ионы горячей магнитосферной плазмы с энергиями ~1–100 кэВ. В зависимости от условий эксплуатации КА на орбите интенсивность космической радиации различна.

Известно [2, 5], что в околоземном пространстве МКА подвергается воздействию ионизирующего излучения, которое представляет собой поток первичных заряженных частиц (электроны, протоны и тяжелые заряженные частицы), и вторичных частиц – результата ядерных превращений, связанных с первичными частицами. В результате воздействия ИИ на БРЭА вследствие ионизационных и ядерных потерь энергии первичных и вторичных частиц в чувствительных элементах наблюдаются различные сбои и отказы [5, 6].

Наибольшее предпочтение для выбора условия эксплуатации МКА отдают низким околоземными круговым и эллиптическим солнечно-синхронным орбитам (CCО) [5, 7]. Целесообразность и привлекательность солнечно-синхронных орбит для движения МКА обусловлены линией светораздела, которая отделяет освещенную часть Земли от неосвещенной части – за счет постоянного движения МКА в дневной области, что приводит к эффективному использованию солнечных батарей. ССО, имеющая постоянную ориентацию относительно Солнца, используется для съемок поверхности Земли.

В рамках данной работы специальное рассмотрение одиночных сбоев не проводится, однако используемые расчетные методы позволяют вычислять спектры линейными потерями энергии (ЛПЭ) и исследовать в дальнейшем эффекты воздействия одиночных частиц.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В данной работе будут исследованы воздействия потоков электронов и протонов [8] на защитное стекло К-208 состав которого: SiO₂ – 69.49%; В₂О₃ – 11.93%; Na₂O – 10.33%; К₂О – 6.25%; СеО₂ – 2.0% соответствует отраслевому стандарту ОСТ 3-3677-82 и стекло SiO₂ – 100% (толщиной 100 мкм) находящейся на внешней поверхности трехпереходной структуры солнечной батареи и на поверхности датчиков (толщиной 100–500 мкм) освещенности TCS3472 с ИК-фильтром, датчика угла ADPD2140 в видимой спектральной и инфракрасной области спектра, соответственно, наноспутника в соответствии с его условиями эксплуатации на круговой солнечно-синхронной орбите (ССО) с наклонением 97.447°, периодом обращения – 94.74 мин и апоцентром – 516.2 км. Выбор круговой ССО обусловлен тем, что наноспутник при движении по орбите в основном будет находиться под ЕРПЗ и хорошо защищeн от СКЛ геомагнитным полем [9].

Известно, с одной стороны, что при облучении заряженными частицами диэлектриков с низкой проводимостью в них формируются области с высокой плотностью заряда [10], поле которого может привести к развитию электростатического разряда между областью локализации заряда и поверхностью диэлектрика. Рост разрядных каналов происходит в результате разрушения диэлектрика и образования проводящей фазы. Появление каналов представляет собой сложный стохастический процесс, который сопровождается ионизацией, газовыделением, разогревом и т.д., приводящими к образованию в стекле проводящей фазы. Поэтому до настоящего времени не разработана количественная теория формирования проводящих каналов.

С другой стороны, воздействие потоков протонов, электронов ССО приводит к образованию радиационных дефектов, которые становятся источниками поглощения в видимой области электромагнитного солнечного спектра, что может привести к изменению пропускания светового излучения [10].

Выбор круговой ССО в качестве эксплуатационной позволяет обеспечить более безопасные условия эксплуатации с точки зрения воздействия космической радиации на бортовую аппаратуру наноспутника.

Для обеспечения выполнения задач ориентации наноспутника SamSat–ION на ССО проводятся исследования для обеспечения работоспособности датчика освещённости при воздействии потоков протонов и электронов на стекло К-208, которое планируется использовать в качестве защитного стекла от ионизирующего излучения. Характеристикой радиационной стойкости является оценка поглощаемой дозы в защитном стекле.

ОЦЕНКА РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ

Удельные ионизационные потери энергии в веществе с многокомпонентным химическим составом можно вычислить по формуле [11]:

где M – молекулярный вес соединения, N_i – количество атомов сорта i с атомным весом A_i в молекуле, (dE/dx)_i – удельные ионизационные, радиационные потери для данного простого вещества, (МэВ/мг ∙ см²) можно определить в соответствии с [11, 12].

Для однокомпонентного материала ионизационные потери запишем в виде:

где E – удельная энергия ионизационных потерь; х – путь пройденный заряженной частицей; $r_{e}^{2}$ – радиус электрона; m_e – масса электрона; c – скорость света; N_А – число Авогадро; Z – атомный номер атомов вещества; A – массовое число атомов вещества; $I = \left( {13.5Z} \right) \times 1.6 \times {{10}^{{ - 12}}}$ – средний ионизационный потенциал атомов поглощающего вещества среды (эрг); δ, ${{f}^{m}}$ – поправки, учитывающие эффект плотности и связанности K- L‑электронов; $\beta = {\upsilon \mathord{\left/ {\vphantom {\upsilon c}} \right. \kern-0em} c},$ $\varepsilon = {T \mathord{\left/ {\vphantom {T {{{m}_{e}}{{c}^{2}}}}} \right. \kern-0em} {{{m}_{e}}{{c}^{2}}}}.$

В частности, для электронов поправка

а для позитронов

Расчеты эффекта плотности достаточно сложны, поэтому на практике для вычисления величины δ используют выражения Штернхеймера, которые справедливы как для электронов, так и для тяжелых частиц:

Здесь

где p – импульс частицы, m – ее масса, ρ – плотность вещества (г/см³).

Значения X₁ и X₀ для твердых веществ в соответствии с [11, 12] запишем

Формула Бете–Блоха для тяжелых частиц имеет вид [11, 12]

где z – величина заряда частицы, Q_max – максимальная энергия, передаваемая атомным электронам от налетающей частицы с массой M и Лоренц-фактором γ:

Поправки δ на эффект плотности среды рассчитываются также, как и для электронов. Поправка U – учитывает эффект связанности электронов на K- и L-оболочках, для ее вычисления используются эмпирические формулы [11]:

где $\eta = {{\beta \left( {T + m{{c}^{2}}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\beta \left( {T + m{{c}^{2}}} \right)} {mc}}} \right. \kern-0em} {mc}},$

Радиационные потери для электронов определим следующим образом [11]:

где $F(x) = \int_0^x {\ln (1 + y)\frac{1}{y}} dy,$ $\varepsilon = {{E}_{k}} + {{m}_{e}}{{c}^{2}},$ – полная энергия электрона, $p$ – импульс электрона; $K = 4\pi r_{e}^{2}{{m}_{e}}{{c}^{2}}{{N}_{A}} = 0.307$ МэВ/г см².

При определении потерь для веществ сложного состава, к которым относится большинство материалов, применяемых в космической технике, используется композиционный закон Брэгга. Если вещество состоит из двух типов атомов – 1 и 2, тогда потери частиц в сложном веществе определяются по формуле [13]:

где ${{\left( {\frac{{dE}}{{dx}}} \right)}_{{1,2}}}$ – потери в чистом веществе, состоящим из атомов типа 1 или 2,

Здесь ${{Z}_{1}},$ ${{Z}_{2}},$ ${{Z}_{{\text{w}}}}$ – зарядовые числа в атоме 1, атоме 2, сложном веществе, ${{n}_{1}},$ ${{n}_{2}},$ ${{n}_{{\text{w}}}}$ – число атомов типа 1, типа 2, сложного вещества в единице объ-ема.

Пробег заряженной частицы с начальной кинетической энергией E₀ движущейся в некоторой среде, определяется как длина пути, который она проходит до полной остановки и рассчитывается по формуле [11]

где ${{\left( {\frac{{dE}}{{dx}}} \right)}_{i}} = {{\left( {\frac{{dE}}{{dx}}} \right)}_{{{\text{ион}}}}} + {{\left( {\frac{{dE}}{{dx}}} \right)}_{{{\text{рад}}}}}$ – суммарные потери энергии.

ПОГЛОЩАЕМАЯ ДОЗА В ЗАЩИТНОМ СТЕКЛЕ

Определим годовую поглощенную дозу для защитного стекла К-208 и SiO₂ толщиной 100–500 мкм при воздействии потока электронов, протонов в соответствии с условиями эксплуатации наноспутника на ССО в соответствии с [14] по формуле:

где δ – толщина материала; D – величина поглощенной дозы, Гр; ${{dN} \mathord{\left/ {\vphantom {{dN} {d{{E}_{p}}}}} \right. \kern-0em} {d{{E}_{p}}}}$ и ${{dN} \mathord{\left/ {\vphantom {{dN} {d{{E}_{e}}}}} \right. \kern-0em} {d{{E}_{e}}}}$ – дифференциальные энергетические спектры, протонов и электронов соответственно; ${{dE{\kern 1pt} '} \mathord{\left/ {\vphantom {{dE{\kern 1pt} '} {dx}}} \right. \kern-0em} {dx}}$ – ионизационные потери протонов в веществе защиты, МэВ · г^–1 · см²; B – коэффициент перехода от поглощенной энергии к дозе, равный B = = 1.6 × 10–10 Гр МэВ^–1 г; E ' – энергия протонов на глубине материала δ, связанная с энергией протонов, падающих на поверхность материала с энергией E, соотношением “пробег-энергия” где $R(E{\kern 1pt} ')$ и $R\left( E \right)$ – пробеги протонов с энергиями $E{\kern 1pt} '$ и $E,$ соответственно, в веществе защиты.

Поглощенная доза от спектра электронов, распределенных по закону ${{dN} \mathord{\left/ {\vphantom {{dN} {d{{E}_{e}}}}} \right. \kern-0em} {d{{E}_{e}}}},$ рассчитывается по формуле

где ${{D}_{n}}\left( \delta \right)$ – среднее значение поглощенной дозы, рассчитывается методом, основанном на рассмотрении многократного рассеяния в веществе с учетом ионизационных потерь [14].

Результаты ионизационных и радиационных потери, длина пробега протонов, электронов для стекла К-208 и SiO₂ рассчитаны по формулам (2)–(4), (6) приведены на рис. 1, а результаты поглощенной дозы приведены на рис. 2 соответственно.

Определим интегральные потоки протонов и электронов, прошедших в стекле К-208 в приближении однослойной стопы по формуле

где ${{E}_{i}}$ – энергия, ${{\Phi }_{0}}(0,{{E}_{i}})$ – поток протонов и электронов на ССО соответственно, ${{R}_{{K208}}}({{E}_{i}})$ – длина пробега протонов и электронов; ${{h}_{{K208}}}$ – толщина защитного стекла.

Результаты расчета представлены на рис. 3, 4 и в табл. 1.

Анализ полученных результатов показывает, что потери энергии (рис. 1а, 1б), длины пробега (рис. 1в, 1г) электронов, протонов в защитном стекле К-208 и SiO₂ сравнимы (различие менее 1%). Это совпадение обусловлено высокой радиационной стойкостью стекла SiO₂. Характер изменения зависимостей длины пробегов определяется потерями энергий электронов и протонов. Эти частицы в области больших энергий будут проникать на глубину (толщину) стекла с малыми потерями.

Проведем анализ числовых значений поглощенной годовой дозы в стекле К-208 и SiO₂ приведенных на рис. 2а–2в. Из рис. 2а, 2б следует, что годовая поглощаемая доза для стекла К-208 толщиной 100–500 мкм изменяется от 325.2 до 154.4 рад при воздействии потока протонов с энергиями от 0.1 до 400 МэВ, а при воздействии потока электронов от 1.4 × 10⁵ рад до 1.7 × 10⁴ рад в диапазоне энергий 0.04–7 МэВ. Эти изменения в зависимости от толщины стекла наблюдаются на рис. 2в.

Из графических зависимостей следует, что в узком интервале энергий протоки протонов (≈10 МэВ) и электронов (≈0.1 МэВ) поглощаются в тонком поглощающимся слое стекла из-за малой длины пробега, которая связана с изменениями ионизационных и радиационных потерь при взаимодействии протонов и электронов со стеклом, причем их характер различный. В дальнейшем характер зависимости поглощаемой дозы от энергии протонов и электронов переходит в состояние насыщения несмотря на изменение потока частиц, участвующих в прохождении внутри стекла. Поглощаемая доза создается малым количеством частиц с большой энергией протонов и электронов. Эти процессы можно объяснить различием механизмами взаимодействия электронов и протонов, участвующих в передачи энергии атомам стекла. Эффективность передачи энергии электронов атомам стекла значительно выше, чем у протонов. Вклад в поглощаемую дозу электронов значительно превосходит в численном значении по сравнению с протонами участвующих во взаимодействии. Радиационная стойкость защитного стекла К-208 в соответствии многочисленными публикациями [15, 16] обусловлена наличием СеО₂ – 2.0%. В [15] показано, что введение в боросиликатное стекло ионов церия (Ce) и присутствие в матрице двух его зарядовых состояний (Се³⁺, Се⁴⁺) в определенном соотношении обеспечивают не только радиационно-оптическую устойчивость, но и отсекают вредное ультрафиолетовое излучение. Однако сравнительные расчетные результаты, приведeнные на рис. 1а–2в величины годовой поглощаемой дозы для защитного стекла К-208 (с СеО₂) и SiO₂ практически не отличаются, это различие составляет менее 1.0%. Следовательно, радиационная стойкость защитного стекла К-208 в основном определяется наличием в нем SiO₂, как основной компоненты.

Результаты расчета представлены на рис. 3, 4 и в табл. 1 показывает, что протоны проходят в стекле толщиной: 100, 150, 300, 500 мкм с энергией более 2, 3, 4 и 5 МэВ; а электроны проходят в стекле толщиной: 100, 150, 300, 500 мкм с энергией более 0.04, 0.054, 0.082 и 0.11 МэВ соответственно.

Поглощенная доза создается протонами и электронами малых энергий ССО. Число протонов, электронов больших энергий невелико, но их воздействие на фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), датчики освещенности, угла, БРЭА в процессе эксплуатации может привести к появлению в запрещенной зоне полупроводника локальных уровней, дефектов, что приводит к снижению значений таких физических параметров, как проводимость, время жизни носителей и др. Самым чувствительным к воздействию радиации параметром ФЭП является время жизни неосновных носителей заряда.

Под действием облучения существенно изменяется режим работы ФЭП и его выходные характеристики. Это обусловлено влиянием радиации на основные физические параметры, от которых зависит эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований влияния ионизирующего, радиационного, тормозного излучений на функционирование наноспутника было установлено:

Изменение интегрального потока протонов, электронов от их энергии в защитном стекле свидетельствуют не только об участии и вкладе в величину поглощаемой энергии, но и о потоке высокоэнергетических прошедших частиц в стекле. Получены результаты расчета интегральных потоков в защитном стекле К-208 и SiO₂ при воздействии протонов и электронов круговой ССО для различных толщин и показана доля прошедших частиц (в приближении однослойной стопы), которые воздействуют на фотоэлектрические преобразователи, радиоэлектронные элементы бортовой радиоэлектронной аппаратуры, датчик освещенности, датчика угла.

Длина пробега, поглощаемая доза протонов, электронов в стекле К-208 при наличии химического состава в соответствии с ОСТ 3-3677-82 и SiO₂ совпадают, различие менее 1%.

Защитные стекла К-208 и SiO₂ толщиной 150 мкм могут быть использованы для обеспечения защиты датчиков освещенности и датчика угла от воздействия орбитальных потоков протонов и электронов в области малых энергий с учетом коэффициента пропускания в оптическом диапазоне. Годовая поглощаемая доза для стекла К-208 и SiO₂ изменяется в допустимых пределах при воздействии потока протонов и электронов, что приемлемо для функционирования радиоэлектронных элементов выполненных на основе кремния для ограниченного времени эксплуатации наноспутника SamSat–ION.

Для защиты радиоэлектронных элементов БРЭА от высокоэнергетического ионизирующего излучения необходимо использовать стандартные методы, основанные на локальном способе защиты для обеспечения гарантированных режимов эксплуатации наноспутника на круговой ССО в течение года.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена в рамках проекта 0777-2020-0018, финансируемого из средств государственного задания победителям конкурса научных лабораторий образовательных организаций высшего образования, подведомственных Министерству науки и высшего образования РФ.