光學材料帶電粒子輻照效應等效模擬試驗方法研究

劉 海，劉 剛，肖景東，董尚利，何世禹

（哈爾濱工業大學 空間材料與環境工程重點實驗室，哈爾濱150001）

0 引言

航天器在軌服役期間發生的各種空間環境效應是導致航天器故障的重要因素，在地面開展各種空間環境效應模擬試驗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壽命對空間環境試驗技術與方法提出了更高的要求[1-5]。航天器在軌諸多空間環境效應中，材料的空間環境效應問題最突出，因此，開展航天材料的空間環境效應研究在航天技術發展過程中具有非常重要的作用[6]。經過幾十年的發展，我國已基本建立起了材料級空間環境試驗體系，但與航天大國比還有明顯差距。

帶電粒子輻照效應是重要的空間環境效應，長期輻照后會對航天器及其材料造成一定的損傷。針對帶電粒子輻照效應，國際上已開展了大量試驗，也建立了一些關于材料輻照效應的模擬試驗相關標準，比如《Space systems and operations—space environment simulation: Guideline for radiation exposure of nonmetallic materials》（ISO CD15856）、美國的《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，它們在相應的空間環境模擬試驗中起到了非常重要的作用。我國在材料級輻照試驗方面尚沒有建立起完善的標準體系，主要參考國外的一些標準來進行相關試驗。經過多年的技術發展和經驗積累，已經具備較好的試驗技術與研究基礎[7]，可以通過一些基礎研究為我國材料級輻照試驗標準體系的建立提供技術支撐。為適應未來航天技術的發展需求，在“十二五”期間將建立一系列新標準[8]。

光學材料是一類重要的航天材料，對空間帶電粒子輻射環境非常敏感。很多光學材料和由光學材料組成的光學器件在經歷一定量的輻照后，其光學性能會發生顯著退化[9-14]。本文針對光學材料開展了帶電粒子輻照試驗的研究，下面將重點介紹這些試驗及其結果。

1 輻照效應模擬的幾個關鍵問題

1.1 不同輻照源的輻照效應

在空間電離輻射環境模擬試驗中通常采用電子、質子和γ射線等輻照源。光學材料的輻照效應是一種總劑量效應，即材料光學性能的變化主要取決于其內部的吸收劑量，主要輻照效應損傷特征表現為著色。不同種類輻射源對光學材料的作用效應是有差別的。γ射線具有非常強的穿透能力，主要引起材料電離效應，材料受到的輻射較均勻。電子輻照效應也是以電離效應為主，電子能量較大時還會產生一定的位移效應，但是在一定能量下，電子會穿透較薄的樣品。質子輻照下通常會同時引起電離和位移效應，由于質子射程小，導致材料內部吸收劑量分布不均勻。

1.2 帶電粒子輻照的能譜效應

空間帶電粒子以質子和電子為主，每種來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，也就導致了材料在深度方向上的損傷程度不同。

1.3 質子和電子綜合輻照效應

質子和電子是兩種不同性質的帶電粒子，它們同時輻照時與單獨輻照產生的效應會有所差異，即存在協合效應。圖1是石英玻璃在100 keV的質子和電子綜合輻照試驗下的透過率變化。

圖1 100 keV質子和電子綜合輻照對石英玻璃的協合效應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，綜合輻照導致的石英玻璃透過率變化要明顯大于同等注量下單因素輻照結果的加和；在輻照注量 Ф=2×1015cm-2時，兩者的水平相當；超過這一注量后，綜合輻照的效應又明顯地小于兩個單因素單獨輻照效應的加和。質子和電子的這種協合效應不僅取決于粒子種類，還存在著明顯的注量依賴關系：即在一定的輻照注量以內，質子和電子綜合作用是相互加強的；超過臨界注量后，綜合輻照作用又是相互削弱的。

質子和電子綜合輻照的協合效應在很多材料中存在，所以在總劑量試驗中，選用單源輻照和多源綜合輻照，在結果上是有所差別的。

1.4 帶電粒子的順次輻照效應

圖2為用1 MeV能量和100 keV能量的兩種質子輻照鍍增透膜的K208玻璃，分別改變它們的輻照順次所得到的玻璃透過率變化。研究表明：在相同注量下，不同能量質子輻照先后順序對試驗結果影響較小，實際上很多光學材料輻照效應主要取決于總劑量分布，與輻照順序沒有直接關聯。這一研究結果為用不同能量的粒子開展能譜效應模擬研究提供了依據。

圖2 兩種能量質子按不同順序輻照后鍍增透膜K208玻璃透過率變化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 加速試驗的附加效應

帶電粒子的附加效應往往是由增大的劑量率導致的，主要表現為溫度效應和表面充電效應等。輻照引起的表面溫升取決于粒子的束流密度和能量。圖3給出的是試驗得到的石英玻璃表面溫升隨質子和電子的能量及束流密度的變化關系。表面溫升可能會導致光學材料內部色心在輻照過程中因發生退火效應而消失，這一現象與材料及其色心類型有關，應該根據實際情況加以控制。

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

單獨電子輻照可以在光學表面形成較高的負電位，并在材料內部引發局部放電。放電頻率與電子束流密度及材料種類有關。圖4是表面鍍濾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。對于表面鍍膜的試樣，放電主要沿表面膜進行，并且造成表面膜損傷，損傷程度不僅與電子束流密度有關，還與膜的種類有關。

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 帶電粒子輻照效應等效模擬試驗方法

基于前面的分析，要準確模擬空間帶電粒子對光學材料的輻照效應，須選擇合適的設備和方法以模擬出空間輻照條件下在材料內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有所差別，為了準確模擬空間質子和電子能譜效應，關鍵是選擇合適的帶電粒子輻照設備。根據我國帶電粒子輻照設備的情況，對于能量低于200 keV的輻照試驗，宜選擇空間綜合輻照模擬設備；而能量高于200 keV的輻照試驗宜選擇相應能力的質子和電子加速器。

2.2 輻照能量的選擇

近地軌道空間帶電粒子環境主要包括地球輻射帶電子與質子以及太陽宇宙線和銀河宇宙線高能質子，這些帶電粒子具有非常寬的能譜范圍，但是數量上還是以低能粒子為主，高能粒子通量很小，對總劑量效應的貢獻不大。

在確定試驗方案時，根據試驗對象的結構和輻照損傷的特點，可對帶電粒子能譜進行適當分段，在每一段內選取一個能量進行試驗。因為高能粒子對總劑量效應貢獻較小，在設備選擇和試驗中有一定的局限和困難，所以應該根據實際情況確定一個合理的能量上限。

2.3 輻照注量的選擇

針對每一個能量粒子，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問題。根據一些試驗結果，對一般空間用光學材料，當輻照粒子能量小于 200 keV時，建議束流密度不超過0.3 μA/cm2；當粒子能量大于200 keV時，應根據實際情況適當降低束流密度。

2.5 輻照分組與順序

鑒于綜合輻照存在協合效應，有一個試驗方案策劃：相同能量段內的試驗，盡量選擇質子和電子同時輻照，如果條件不允許則進行順次輻照；不同能量試驗，采用質子和電子順次輻照，輻照順序根據實際情況選擇，要考慮試驗后性能測試應該在最短的時間內完成。

3 試驗方法應用實例

3.1 試驗目的

通過模擬試驗以考察在地球同步軌道帶電粒子輻照環境下某種光學反射鏡性能的變化規律。

3.2 試驗方案策劃

根據吸收劑量分布等效試驗方法，首先將地球輻射帶電子與質子以及太陽宇宙線和銀河宇宙線質子能譜劃分為若干能量區間，計算每一能量區間的能量注量，并將3個質子能譜相同能量區間的能量注量值相加。在每一能量區間內選取一個能量作為試驗能量，然后根據式(2)計算相應的注量。表1給出了針對某種光學反射鏡而制定的試驗方案。整個試驗分為6組，第1組為低能綜合輻照試驗，電子能量選為80 keV，質子能量選為100 keV；第2組也為低能綜合輻照試驗，電子和質子能量均選為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；第5組和第6組分別是能量為0.5 MeV、2 MeV的質子輻照試驗。每個試樣經過 6組輻照試驗后，獲得了軌道整個能譜的能量，并且劑量沿試樣深度方向的分布也接近于空間的實際情況，所得到的結果應該是真實可信的。

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

3.3 試驗結果

圖 5是反射鏡試樣在模擬試驗前后的反射率測試結果。由圖5可見：在超過1年輻照注量后，在 350～500 nm光譜波段反射鏡的反射率發生明顯退化，而且退化程度隨輻照注量增加而加劇；在500～800 nm波段內，反射率比較穩定。

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

4 結束語

根據空間帶電粒子能譜對具有一定厚度光學材料的作用特點，以及我國輻照設備的發展現狀，采用不同能量的質子和電子組合來模擬在空間帶電粒子作用下材料內部的吸收劑量分布，是對光學材料比較合理的等效模擬試驗方法。

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