光学材料带电粒子辐照效应等效模拟试验方法研究

刘 海，刘 刚，肖景东，董尚利，何世禹

（哈尔滨工业大学 空间材料与环境工程重点实验室，哈尔滨150001）

0 引言

航天器在轨服役期间发生的各种空间环境效应是导致航天器故障的重要因素，在地面开展各种空间环境效应模拟试验是确保航天器在轨可靠性和寿命的重要保障。航天器的高可靠和长寿命对空间环境试验技术与方法提出了更高的要求[1-5]。航天器在轨诸多空间环境效应中，材料的空间环境效应问题最突出，因此，开展航天材料的空间环境效应研究在航天技术发展过程中具有非常重要的作用[6]。经过几十年的发展，我国已基本建立起了材料级空间环境试验体系，但与航天大国比还有明显差距。

带电粒子辐照效应是重要的空间环境效应，长期辐照后会对航天器及其材料造成一定的损伤。针对带电粒子辐照效应，国际上已开展了大量试验，也建立了一些关于材料辐照效应的模拟试验相关标准，比如《Space systems and operations—space environment simulation: Guideline for radiation exposure of nonmetallic materials》（ISO CD15856）、美国的《Simulated space environment testing of thermal control materials with electromagnetic and particulate radiation》（ASTM E512-94）、俄罗斯的《Материалы полимергые: Методы радиационных испытаний》（ГОСТ Р 25645.323-88）等，它们在相应的空间环境模拟试验中起到了非常重要的作用。我国在材料级辐照试验方面尚没有建立起完善的标准体系，主要参考国外的一些标准来进行相关试验。经过多年的技术发展和经验积累，已经具备较好的试验技术与研究基础[7]，可以通过一些基础研究为我国材料级辐照试验标准体系的建立提供技术支撑。为适应未来航天技术的发展需求，在“十二五”期间将建立一系列新标准[8]。

光学材料是一类重要的航天材料，对空间带电粒子辐射环境非常敏感。很多光学材料和由光学材料组成的光学器件在经历一定量的辐照后，其光学性能会发生显著退化[9-14]。本文针对光学材料开展了带电粒子辐照试验的研究，下面将重点介绍这些试验及其结果。

1 辐照效应模拟的几个关键问题

1.1 不同辐照源的辐照效应

在空间电离辐射环境模拟试验中通常采用电子、质子和γ射线等辐照源。光学材料的辐照效应是一种总剂量效应，即材料光学性能的变化主要取决于其内部的吸收剂量，主要辐照效应损伤特征表现为着色。不同种类辐射源对光学材料的作用效应是有差别的。γ射线具有非常强的穿透能力，主要引起材料电离效应，材料受到的辐射较均匀。电子辐照效应也是以电离效应为主，电子能量较大时还会产生一定的位移效应，但是在一定能量下，电子会穿透较薄的样品。质子辐照下通常会同时引起电离和位移效应，由于质子射程小，导致材料内部吸收剂量分布不均匀。

1.2 带电粒子辐照的能谱效应

空间带电粒子以质子和电子为主，每种来源的粒子具有特定的能谱分布。由于不同能量的粒子在材料中的射程不同，在空间实际能谱作用下沿材料深度方向上的剂量分布是不均匀的，也就导致了材料在深度方向上的损伤程度不同。

1.3 质子和电子综合辐照效应

质子和电子是两种不同性质的带电粒子，它们同时辐照时与单独辐照产生的效应会有所差异，即存在协合效应。图1是石英玻璃在100 keV的质子和电子综合辐照试验下的透过率变化。

图1 100 keV质子和电子综合辐照对石英玻璃的协合效应Fig. 1 Synergistic effects of combined irradiation on silica glass by 100 keV proton and electron with various fluences

在辐照注量Ф＜2×1015cm-2时，综合辐照导致的石英玻璃透过率变化要明显大于同等注量下单因素辐照结果的加和；在辐照注量 Ф=2×1015cm-2时，两者的水平相当；超过这一注量后，综合辐照的效应又明显地小于两个单因素单独辐照效应的加和。质子和电子的这种协合效应不仅取决于粒子种类，还存在着明显的注量依赖关系：即在一定的辐照注量以内，质子和电子综合作用是相互加强的；超过临界注量后，综合辐照作用又是相互削弱的。

质子和电子综合辐照的协合效应在很多材料中存在，所以在总剂量试验中，选用单源辐照和多源综合辐照，在结果上是有所差别的。

1.4 带电粒子的顺次辐照效应

图2为用1 MeV能量和100 keV能量的两种质子辐照镀增透膜的K208玻璃，分别改变它们的辐照顺次所得到的玻璃透过率变化。研究表明：在相同注量下，不同能量质子辐照先后顺序对试验结果影响较小，实际上很多光学材料辐照效应主要取决于总剂量分布，与辐照顺序没有直接关联。这一研究结果为用不同能量的粒子开展能谱效应模拟研究提供了依据。

图2 两种能量质子按不同顺序辐照后镀增透膜K208玻璃透过率变化Fig. 2 Transmittance variation of the K208 silica glass coated with an antireflection film after various irradiation sequences by protons with two energy levels

1.5 加速试验的附加效应

带电粒子的附加效应往往是由增大的剂量率导致的，主要表现为温度效应和表面充电效应等。辐照引起的表面温升取决于粒子的束流密度和能量。图3给出的是试验得到的石英玻璃表面温升随质子和电子的能量及束流密度的变化关系。表面温升可能会导致光学材料内部色心在辐照过程中因发生退火效应而消失，这一现象与材料及其色心类型有关，应该根据实际情况加以控制。

图3 石英玻璃表面温升与质子或电子能量及束流密度关系Fig. 3 Influence of proton or electron irradiation with various energies and beam densities on surface temperature of the K208 silica glass

单独电子辐照可以在光学表面形成较高的负电位，并在材料内部引发局部放电。放电频率与电子束流密度及材料种类有关。图4是表面镀滤光膜和增透膜的两种K208玻璃试样在160 keV电子辐照后表面形貌。对于表面镀膜的试样，放电主要沿表面膜进行，并且造成表面膜损伤，损伤程度不仅与电子束流密度有关，还与膜的种类有关。

图4 能量160 keV、注量1×1015 cm-2电子辐照两种玻璃基试样的表面放电损伤Fig. 4 Surface discharged damage morphology of two silica glass specimens after irradiation by 160 keV electron with a fluence of 1×1015 cm-2

2 带电粒子辐照效应等效模拟试验方法

基于前面的分析，要准确模拟空间带电粒子对光学材料的辐照效应，须选择合适的设备和方法以模拟出空间辐照条件下在材料内部形成的吸收剂量分布。

2.1 辐照源选择

鉴于不同辐照源的效应有所差别，为了准确模拟空间质子和电子能谱效应，关键是选择合适的带电粒子辐照设备。根据我国带电粒子辐照设备的情况，对于能量低于200 keV的辐照试验，宜选择空间综合辐照模拟设备；而能量高于200 keV的辐照试验宜选择相应能力的质子和电子加速器。

2.2 辐照能量的选择

近地轨道空间带电粒子环境主要包括地球辐射带电子与质子以及太阳宇宙线和银河宇宙线高能质子，这些带电粒子具有非常宽的能谱范围，但是数量上还是以低能粒子为主，高能粒子通量很小，对总剂量效应的贡献不大。

在确定试验方案时，根据试验对象的结构和辐照损伤的特点，可对带电粒子能谱进行适当分段，在每一段内选取一个能量进行试验。因为高能粒子对总剂量效应贡献较小，在设备选择和试验中有一定的局限和困难，所以应该根据实际情况确定一个合理的能量上限。

2.3 辐照注量的选择

针对每一个能量粒子，其辐照注量的确定原则为总注入能量等于它所在能量区间的能谱的能量注量。

轨道能谱的年能量注量可表示为

式中：ΦEi为轨道能谱的年能量注量，MeV/(a·cm2)；Φ( E)为作用于反射镜表面的微分能谱。

试验粒子的年辐照注量用可表示为

其单位为a-1·cm-2。

2.4 辐照束流密度的选择

辐照束流密度的选择涉及到加速试验问题。根据一些试验结果，对一般空间用光学材料，当辐照粒子能量小于 200 keV时，建议束流密度不超过0.3 µA/cm2；当粒子能量大于200 keV时，应根据实际情况适当降低束流密度。

2.5 辐照分组与顺序

鉴于综合辐照存在协合效应，有一个试验方案策划：相同能量段内的试验，尽量选择质子和电子同时辐照，如果条件不允许则进行顺次辐照；不同能量试验，采用质子和电子顺次辐照，辐照顺序根据实际情况选择，要考虑试验后性能测试应该在最短的时间内完成。

3 试验方法应用实例

3.1 试验目的

通过模拟试验以考察在地球同步轨道带电粒子辐照环境下某种光学反射镜性能的变化规律。

3.2 试验方案策划

根据吸收剂量分布等效试验方法，首先将地球辐射带电子与质子以及太阳宇宙线和银河宇宙线质子能谱划分为若干能量区间，计算每一能量区间的能量注量，并将3个质子能谱相同能量区间的能量注量值相加。在每一能量区间内选取一个能量作为试验能量，然后根据式(2)计算相应的注量。表1给出了针对某种光学反射镜而制定的试验方案。整个试验分为6组，第1组为低能综合辐照试验，电子能量选为80 keV，质子能量选为100 keV；第2组也为低能综合辐照试验，电子和质子能量均选为160 keV；第3组和第4组分别是能量为0.5 MeV、1 MeV的电子辐照试验；第5组和第6组分别是能量为0.5 MeV、2 MeV的质子辐照试验。每个试样经过 6组辐照试验后，获得了轨道整个能谱的能量，并且剂量沿试样深度方向的分布也接近于空间的实际情况，所得到的结果应该是真实可信的。

表1 地球同步轨道带电粒子等效模拟试验方案Table 1 Equivalent simulation test scheme for charged particles in GEO

3.3 试验结果

图 5是反射镜试样在模拟试验前后的反射率测试结果。由图5可见：在超过1年辐照注量后，在 350～500 nm光谱波段反射镜的反射率发生明显退化，而且退化程度随辐照注量增加而加剧；在500～800 nm波段内，反射率比较稳定。

图5 模拟试验前后反射镜的反射率Fig. 5 Reflectivity of the reflector before and after the simulation test

4 结束语

根据空间带电粒子能谱对具有一定厚度光学材料的作用特点，以及我国辐照设备的发展现状，采用不同能量的质子和电子组合来模拟在空间带电粒子作用下材料内部的吸收剂量分布，是对光学材料比较合理的等效模拟试验方法。

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[1] 黄本诚. 我国空间环境模拟技术发展的回顾与展望[J].环模技术, 1997(专刊): 2-6

Huang Bencheng. Review on development of space environment simulation technology in China[J]. Environment Simulation Technology, 1997(Special Issue): 2-6

[2] 金恂叔. 论环境试验在航天器质量和可靠性保证中的作用[J]. 环模技术, 1997(2): 1-12

Jin Xunshu. The role of environment test on quality and reliability of spacecraft[J]. Environment Simulation Technology, 1997(2): 1-12

[3] 金恂叔. 论航天器的综合环境试验[J]. 环模技术, 1999(2): 14-22

Jin Xunshu. The complex environmental test of spacecraft[J]. Environment Simulation Technology, 1999(2): 14-22

[4] 向树红, 于丹, 孙国江, 等. 环境工程在卫星研制生产中的应用[J]. 装备环境工程, 2006, 3(3): 15-18

Xiang Shuhong, Yu Dan, Sun Guojiang, et al. Application of environmental engineering in the development and manufacture of satellites[J]. Equipment Environmental Engineering, 2006, 3(3): 15-18

[5] 何传大. 长寿命应用卫星的空间环境模拟试验问题[J].中国空间科学技术, 1987(6)

He Chuanda. Space environmental simulation test problem for long life applied satellite[J]. Chinese Space Science and Technology, 1987(6)

[6] 王立, 邢焰. 航天器材料的空间应用及其保障技术[J].航天器环境工程, 2010, 27(1): 35-40

Wang Li, Xing Yan. Materials in space applications and the support technology[J]. Spacecraft Environmemt Engineering, 2010, 27(1): 35-40

[7] 童靖宇. 我国空间环境试验的现状与发展建议[J]. 航天器环境工程, 2008, 25(3): 237-241

Tong Jingyu. A review on spacecraft environment experiments in China and some proposals[J]. Spacecraft Environmemt Engineering, 2008, 25(3): 237-241

[8] 冯伟泉. 航天器材料空间环境适应性评价与认定准则研究[J]. 航天器环境工程, 2010, 27(4): 139-143

Feng Weiquan. Evaluation and validation of space environmental applicability of spacecraft materials[J]. Spacecraft Environmemt Engineering, 2010, 27(4): 139-143

[9] Liu Hai, Geng Hongbin, He Shiyu, et al. Effects of space environment factors on optical materials[J]. Journal of Spacecraft and Rocket, 2005, 42(6): 1066-1069

[10] Liu H, Wei Q, He S Y, et al. Changes in optical constants of Al film reflector induced by 60 keV proton radiation[J]. Chinese Physics, 2006, 15(5): 1086-1089

[11] 刘海, 何世禹, 魏强, 等. 140 keV质子辐照对石英玻璃光谱性能影响的研究[J]. 光学学报, 2003, 23(3): 364-369

Liu Hai, He Shiyu, Wei Qiang, et al. A study on effects of proton radiation with 140 keV on the spectrum property of quartz glass[J]. Acta Optica Sinica, 2003, 23(3): 364-369

[12] 魏强, 何世禹, 刘海, 等. 太空反射镜空间环境效应评述[J]. 光学技术, 2004, 30(4): 413-420

Wei Qiang, He Shiyu, Liu Hai, et al. Review of space environment effects on reflection mirror[J]. Optical Technique, 2004, 30(4): 413-420

[13] Liu Hai, Guan Minchao, He Shiyu, et al. On-groundsimulating proton spectrum in space[C]//9thInternational Space Conference on Protection of Materials and Structures From the Low Earth Orbit Environment (ICPMSE-9). Toronto, Canada, 2008-06: 629-636

[14] Wei Qiang, Liu Hai, He Shiyu, et al. Characterization of surface morphology charges induced by proton irradiation of an aluminum film reflector[C]//9thInternational Space Conference on Protection of Materials and Structures From the Low Earth Orbit Environment(ICPMSE-9). Toronto, Canada, 2008-06: 657-664