劉 海，劉 剛，肖景東，董尚利，何世禹

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間材料與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001）

0 引言

航天器在軌服役期間發(fā)生的各種空間環(huán)境效應(yīng)是導(dǎo)致航天器故障的重要因素，在地面開(kāi)展各種空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)是確保航天器在軌可靠性和壽命的重要保障。航天器的高可靠和長(zhǎng)壽命對(duì)空間環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)與方法提出了更高的要求[1-5]。航天器在軌諸多空間環(huán)境效應(yīng)中，材料的空間環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題最突出，因此，開(kāi)展航天材料的空間環(huán)境效應(yīng)研究在航天技術(shù)發(fā)展過(guò)程中具有非常重要的作用[6]。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)已基本建立起了材料級(jí)空間環(huán)境試驗(yàn)體系，但與航天大國(guó)比還有明顯差距。

帶電粒子輻照效應(yīng)是重要的空間環(huán)境效應(yīng)，長(zhǎng)期輻照后會(huì)對(duì)航天器及其材料造成一定的損傷。針對(duì)帶電粒子輻照效應(yīng)，國(guó)際上已開(kāi)展了大量試驗(yàn)，也建立了一些關(guān)于材料輻照效應(yīng)的模擬試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如《Space systems and operations—space environment simulation: Guideline for radiation exposure of nonmetallic materials》（ISO CD15856）、美國(guó)的《Simulated space environment testing of thermal control materials with electromagnetic and particulate radiation》（ASTM E512-94）、俄羅斯的《Материалы полимергые: Методы радиационных испытаний》（ГОСТ Р 25645.323-88）等，它們?cè)谙鄳?yīng)的空間環(huán)境模擬試驗(yàn)中起到了非常重要的作用。我國(guó)在材料級(jí)輻照試驗(yàn)方面尚沒(méi)有建立起完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，主要參考國(guó)外的一些標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)積累，已經(jīng)具備較好的試驗(yàn)技術(shù)與研究基礎(chǔ)[7]，可以通過(guò)一些基礎(chǔ)研究為我國(guó)材料級(jí)輻照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立提供技術(shù)支撐。為適應(yīng)未來(lái)航天技術(shù)的發(fā)展需求，在“十二五”期間將建立一系列新標(biāo)準(zhǔn)[8]。

光學(xué)材料是一類(lèi)重要的航天材料，對(duì)空間帶電粒子輻射環(huán)境非常敏感。很多光學(xué)材料和由光學(xué)材料組成的光學(xué)器件在經(jīng)歷一定量的輻照后，其光學(xué)性能會(huì)發(fā)生顯著退化[9-14]。本文針對(duì)光學(xué)材料開(kāi)展了帶電粒子輻照試驗(yàn)的研究，下面將重點(diǎn)介紹這些試驗(yàn)及其結(jié)果。

1 輻照效應(yīng)模擬的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 不同輻照源的輻照效應(yīng)

在空間電離輻射環(huán)境模擬試驗(yàn)中通常采用電子、質(zhì)子和γ射線等輻照源。光學(xué)材料的輻照效應(yīng)是一種總劑量效應(yīng)，即材料光學(xué)性能的變化主要取決于其內(nèi)部的吸收劑量，主要輻照效應(yīng)損傷特征表現(xiàn)為著色。不同種類(lèi)輻射源對(duì)光學(xué)材料的作用效應(yīng)是有差別的。γ射線具有非常強(qiáng)的穿透能力，主要引起材料電離效應(yīng)，材料受到的輻射較均勻。電子輻照效應(yīng)也是以電離效應(yīng)為主，電子能量較大時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一定的位移效應(yīng)，但是在一定能量下，電子會(huì)穿透較薄的樣品。質(zhì)子輻照下通常會(huì)同時(shí)引起電離和位移效應(yīng)，由于質(zhì)子射程小，導(dǎo)致材料內(nèi)部吸收劑量分布不均勻。

1.2 帶電粒子輻照的能譜效應(yīng)

空間帶電粒子以質(zhì)子和電子為主，每種來(lái)源的粒子具有特定的能譜分布。由于不同能量的粒子在材料中的射程不同，在空間實(shí)際能譜作用下沿材料深度方向上的劑量分布是不均勻的，也就導(dǎo)致了材料在深度方向上的損傷程度不同。

1.3 質(zhì)子和電子綜合輻照效應(yīng)

質(zhì)子和電子是兩種不同性質(zhì)的帶電粒子，它們同時(shí)輻照時(shí)與單獨(dú)輻照產(chǎn)生的效應(yīng)會(huì)有所差異，即存在協(xié)合效應(yīng)。圖1是石英玻璃在100 keV的質(zhì)子和電子綜合輻照試驗(yàn)下的透過(guò)率變化。

圖1 100 keV質(zhì)子和電子綜合輻照對(duì)石英玻璃的協(xié)合效應(yīng)Fig. 1 Synergistic effects of combined irradiation on silica glass by 100 keV proton and electron with various fluences

在輻照注量Ф＜2×1015cm-2時(shí)，綜合輻照導(dǎo)致的石英玻璃透過(guò)率變化要明顯大于同等注量下單因素輻照結(jié)果的加和；在輻照注量 Ф=2×1015cm-2時(shí)，兩者的水平相當(dāng)；超過(guò)這一注量后，綜合輻照的效應(yīng)又明顯地小于兩個(gè)單因素單獨(dú)輻照效應(yīng)的加和。質(zhì)子和電子的這種協(xié)合效應(yīng)不僅取決于粒子種類(lèi)，還存在著明顯的注量依賴(lài)關(guān)系：即在一定的輻照注量以?xún)?nèi)，質(zhì)子和電子綜合作用是相互加強(qiáng)的；超過(guò)臨界注量后，綜合輻照作用又是相互削弱的。

質(zhì)子和電子綜合輻照的協(xié)合效應(yīng)在很多材料中存在，所以在總劑量試驗(yàn)中，選用單源輻照和多源綜合輻照，在結(jié)果上是有所差別的。

1.4 帶電粒子的順次輻照效應(yīng)

圖2為用1 MeV能量和100 keV能量的兩種質(zhì)子輻照鍍?cè)鐾改さ腒208玻璃，分別改變它們的輻照順次所得到的玻璃透過(guò)率變化。研究表明：在相同注量下，不同能量質(zhì)子輻照先后順序?qū)υ囼?yàn)結(jié)果影響較小，實(shí)際上很多光學(xué)材料輻照效應(yīng)主要取決于總劑量分布，與輻照順序沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)。這一研究結(jié)果為用不同能量的粒子開(kāi)展能譜效應(yīng)模擬研究提供了依據(jù)。

圖2 兩種能量質(zhì)子按不同順序輻照后鍍?cè)鐾改208玻璃透過(guò)率變化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 加速試驗(yàn)的附加效應(yīng)

帶電粒子的附加效應(yīng)往往是由增大的劑量率導(dǎo)致的，主要表現(xiàn)為溫度效應(yīng)和表面充電效應(yīng)等。輻照引起的表面溫升取決于粒子的束流密度和能量。圖3給出的是試驗(yàn)得到的石英玻璃表面溫升隨質(zhì)子和電子的能量及束流密度的變化關(guān)系。表面溫升可能會(huì)導(dǎo)致光學(xué)材料內(nèi)部色心在輻照過(guò)程中因發(fā)生退火效應(yīng)而消失，這一現(xiàn)象與材料及其色心類(lèi)型有關(guān)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況加以控制。

圖3 石英玻璃表面溫升與質(zhì)子或電子能量及束流密度關(guān)系Fig. 3 Influence of proton or electron irradiation with various energies and beam densities on surface temperature of the K208 silica glass

單獨(dú)電子輻照可以在光學(xué)表面形成較高的負(fù)電位，并在材料內(nèi)部引發(fā)局部放電。放電頻率與電子束流密度及材料種類(lèi)有關(guān)。圖4是表面鍍?yōu)V光膜和增透膜的兩種K208玻璃試樣在160 keV電子輻照后表面形貌。對(duì)于表面鍍膜的試樣，放電主要沿表面膜進(jìn)行，并且造成表面膜損傷，損傷程度不僅與電子束流密度有關(guān)，還與膜的種類(lèi)有關(guān)。

圖4 能量160 keV、注量1×1015 cm-2電子輻照兩種玻璃基試樣的表面放電損傷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 帶電粒子輻照效應(yīng)等效模擬試驗(yàn)方法

基于前面的分析，要準(zhǔn)確模擬空間帶電粒子對(duì)光學(xué)材料的輻照效應(yīng)，須選擇合適的設(shè)備和方法以模擬出空間輻照條件下在材料內(nèi)部形成的吸收劑量分布。

2.1 輻照源選擇

鑒于不同輻照源的效應(yīng)有所差別，為了準(zhǔn)確模擬空間質(zhì)子和電子能譜效應(yīng)，關(guān)鍵是選擇合適的帶電粒子輻照設(shè)備。根據(jù)我國(guó)帶電粒子輻照設(shè)備的情況，對(duì)于能量低于200 keV的輻照試驗(yàn)，宜選擇空間綜合輻照模擬設(shè)備；而能量高于200 keV的輻照試驗(yàn)宜選擇相應(yīng)能力的質(zhì)子和電子加速器。

2.2 輻照能量的選擇

近地軌道空間帶電粒子環(huán)境主要包括地球輻射帶電子與質(zhì)子以及太陽(yáng)宇宙線和銀河宇宙線高能質(zhì)子，這些帶電粒子具有非常寬的能譜范圍，但是數(shù)量上還是以低能粒子為主，高能粒子通量很小，對(duì)總劑量效應(yīng)的貢獻(xiàn)不大。

在確定試驗(yàn)方案時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的結(jié)構(gòu)和輻照損傷的特點(diǎn)，可對(duì)帶電粒子能譜進(jìn)行適當(dāng)分段，在每一段內(nèi)選取一個(gè)能量進(jìn)行試驗(yàn)。因?yàn)楦吣芰Ｗ訉?duì)總劑量效應(yīng)貢獻(xiàn)較小，在設(shè)備選擇和試驗(yàn)中有一定的局限和困難，所以應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況確定一個(gè)合理的能量上限。

2.3 輻照注量的選擇

針對(duì)每一個(gè)能量粒子，其輻照注量的確定原則為總注入能量等于它所在能量區(qū)間的能譜的能量注量。

軌道能譜的年能量注量可表示為

式中：ΦEi為軌道能譜的年能量注量，MeV/(a·cm2)；Φ( E)為作用于反射鏡表面的微分能譜。

試驗(yàn)粒子的年輻照注量用可表示為

其單位為a-1·cm-2。

2.4 輻照束流密度的選擇

輻照束流密度的選擇涉及到加速試驗(yàn)問(wèn)題。根據(jù)一些試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)一般空間用光學(xué)材料，當(dāng)輻照粒子能量小于 200 keV時(shí)，建議束流密度不超過(guò)0.3 μA/cm2；當(dāng)粒子能量大于200 keV時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)降低束流密度。

2.5 輻照分組與順序

鑒于綜合輻照存在協(xié)合效應(yīng)，有一個(gè)試驗(yàn)方案策劃：相同能量段內(nèi)的試驗(yàn)，盡量選擇質(zhì)子和電子同時(shí)輻照，如果條件不允許則進(jìn)行順次輻照；不同能量試驗(yàn)，采用質(zhì)子和電子順次輻照，輻照順序根據(jù)實(shí)際情況選擇，要考慮試驗(yàn)后性能測(cè)試應(yīng)該在最短的時(shí)間內(nèi)完成。

3 試驗(yàn)方法應(yīng)用實(shí)例

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)模擬試驗(yàn)以考察在地球同步軌道帶電粒子輻照環(huán)境下某種光學(xué)反射鏡性能的變化規(guī)律。

3.2 試驗(yàn)方案策劃

根據(jù)吸收劑量分布等效試驗(yàn)方法，首先將地球輻射帶電子與質(zhì)子以及太陽(yáng)宇宙線和銀河宇宙線質(zhì)子能譜劃分為若干能量區(qū)間，計(jì)算每一能量區(qū)間的能量注量，并將3個(gè)質(zhì)子能譜相同能量區(qū)間的能量注量值相加。在每一能量區(qū)間內(nèi)選取一個(gè)能量作為試驗(yàn)?zāi)芰?，然后根?jù)式(2)計(jì)算相應(yīng)的注量。表1給出了針對(duì)某種光學(xué)反射鏡而制定的試驗(yàn)方案。整個(gè)試驗(yàn)分為6組，第1組為低能綜合輻照試驗(yàn)，電子能量選為80 keV，質(zhì)子能量選為100 keV；第2組也為低能綜合輻照試驗(yàn)，電子和質(zhì)子能量均選為160 keV；第3組和第4組分別是能量為0.5 MeV、1 MeV的電子輻照試驗(yàn)；第5組和第6組分別是能量為0.5 MeV、2 MeV的質(zhì)子輻照試驗(yàn)。每個(gè)試樣經(jīng)過(guò) 6組輻照試驗(yàn)后，獲得了軌道整個(gè)能譜的能量，并且劑量沿試樣深度方向的分布也接近于空間的實(shí)際情況，所得到的結(jié)果應(yīng)該是真實(shí)可信的。

表1 地球同步軌道帶電粒子等效模擬試驗(yàn)方案Table 1 Equivalent simulation test scheme for charged particles in GEO

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖 5是反射鏡試樣在模擬試驗(yàn)前后的反射率測(cè)試結(jié)果。由圖5可見(jiàn)：在超過(guò)1年輻照注量后，在 350～500 nm光譜波段反射鏡的反射率發(fā)生明顯退化，而且退化程度隨輻照注量增加而加??；在500～800 nm波段內(nèi)，反射率比較穩(wěn)定。

圖5 模擬試驗(yàn)前后反射鏡的反射率Fig. 5 Reflectivity of the reflector before and after the simulation test

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)空間帶電粒子能譜對(duì)具有一定厚度光學(xué)材料的作用特點(diǎn)，以及我國(guó)輻照設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，采用不同能量的質(zhì)子和電子組合來(lái)模擬在空間帶電粒子作用下材料內(nèi)部的吸收劑量分布，是對(duì)光學(xué)材料比較合理的等效模擬試驗(yàn)方法。

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