Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Общая схема организации исследований
• 2. Лабораторное оборудование для проведения радиационных испытаний
• 3. Исследование радиационных воздействий в натурных условиях
• 4. Постановка цели и задач
• Заключение
• Список использованных источников


Введение

Космический аппарат (КА) в полете подвергается воздействию обширного комплекса факторов космического пространства: потоков электронов и ионов высокой энергии, плазмы, солнечного электромагнитного излучения, метеорных частиц и т.д. В результате такого воздействия в материалах и элементах оборудования КА протекают разнообразные физико-химические процессы, приводящие к ухудшению их эксплуатационных параметров. В зависимости от характера процессов, инициируемых воздействием космической среды, происходящие изменения свойств материалов и элементов оборудования могут иметь разный временной масштаб, быть обратимыми или необратимыми, представлять различную опасность для бортовых систем КА.

Согласно имеющимся экспертным оценкам, более половины отказов в работе оборудования КА обусловлено неблагоприятным влиянием факторов космического пространства. При этом возникновение отказов связано преимущественно с теми или иными радиационными эффектами, вызываемыми воздействием на материалы КА электронов и ионов, энергии которых лежат в очень широком диапазоне: ~103-1020 эВ. Существующие в космическом пространстве потоки заряженных частиц с такими энергиями принято называть космическим ионизирующим излучением, или космической радиацией. При анализе воздействия космической радиации на материалы и элементы оборудования КА в некоторых случаях необходимо учитывать также вторичные излучения, прежде всего - потоки нейтронов и у-квантов, которые возникают, например, в результате взаимодействия первичного излучения с атмосферой Земли, грунтом Луны или Марса, а также с материалами самого КА.

Воздействие космической радиации может приводить как к постепенному ухудшению свойств материалов и характеристик бортовых систем и, как следствие, - к отказам в работе КА по истечении некоторого периода эксплуатации, так и к возникновению внезапных отказов в работе бортовой аппаратуры, непосредственно сопровождающих воздействие.



1. Общая схема организации исследований

Для решения задач, связанных с анализом радиационных воздействий на КА используются три группы методов:

- наземные лабораторные эксперименты и испытания образцов материалов, элементов и узлов оборудования;

- теоретические исследования и компьютерное моделирование;

- натурные (летные) эксперименты в космосе на борту КА.

Эти методы тесно связаны между собой и часто используются совместно.

Исходными данными для формулировки задач и выбора методов исследований являются:

- модели и стандарты космической радиации [1];

- типы орбит и время функционирования КА [2];

- конструкция КА, используемые материалы и бортовое оборудование [3].

На основании указанных данных формулируются требования к лабораторному испытательному оборудованию, математическим моделям и программам, которые должны использоваться для исследования воздействия космической радиации [4]. Затем с учетом этих требований выбираются наиболее подходящие экспериментальные методы и установки [5] и / или математические модели и программы [6].

Общая схема организации исследований представлена на рисунке 1.



Рисунок 1- Схема организации исследований воздействия космической радиации

Часто экспериментальные и математические методы используются совместно и дополняют друг друга: выбор параметров лабораторных установок производится с использованием результатов математического моделирования, а результаты лабораторных исследований радиационных эффектов являются входными данными для моделирования.

Комплексные космические эксперименты [7], в которых одновременно изучаются характеристики внешней космической среды, радиационные условия внутри КА и радиационные эффекты в различных материалах, организуются с учетом результатов как лабораторных исследований, так и математического моделирования.

Совокупность данных, получаемых всеми методами, используется для построения моделей деградации материалов и элементов оборудования КА в различных условиях эксплуатации [8] и разработки на их основе методов прогнозирования надежности и срока активного существования КА [9], а также рекомендаций по его защите от радиационных воздействий [10].

При проведении наземных испытаний материалов используют два основных подхода. В одном случае стремятся воспроизвести в лабораторных установках характеристики космической среды в полном соответствии с условиями космического пространства. Такой подход не требует каких-либо исходных предположений и дополнительных данных о характере исследуемых процессов. Однако очевидно, что в лабораторных условиях практически невозможно в полной степени воспроизвести характеристики космической радиации из-за сложности энергетических спектров и состава космических излучений, а также обеспечить одновременное воздействие на исследуемые объекты всех составляющих космического излучения. Кроме того, проведение подобных испытаний требует значительных материальных затрат. космический излучение плазма радиационный

По указанным причинам значительно чаще используется другой подход, при котором на основании тех или иных исходных предположений и сведений о физических механизмах повреждения исследуемого объекта производится выбор одной или

двух-трех составляющих космической радиации, оказывающих наибольшее повреждающее воздействие на испытуемый объект, либо используемых в качестве стандартных излучений при проведении испытаний

Лабораторные испытания материалов на радиационную стойкость проводятся, как правило, ускоренно при сокращении их длительности в 100-1000 раз по отношению к периоду эксплуатации материалов и аппаратуры в космосе. Часто практикуется также применение моноэнергетических источников излучений и замена излучений одних видов другими. Такой подход, помимо выигрыша во времени, дает значительный экономический эффект. Однако он требует знания специфики физических механизмов воздействия различных составляющих космической радиации на испытуемые объекты, поскольку недостаточная научная обоснованность ускоренных испытаний и указанных выше замен может привести к получению ошибочных результатов.

В связи с достигнутым к настоящему времени значительным увеличением вычислительных ресурсов персональных компьютеров и расширением возможностей удаленного доступа к суперкомпьютерам, эксплуатируемым в крупных научных центрах, все большее применение находят вычислительные методы моделирования радиационных воздействий на материалы и элементы оборудования КА. Имеющиеся в МГУ суперкомпьютеры BlueGene/Pи СКИФ МГУ "Чебышев" с производительностью 28 и 60 Тфлопс соответственно и введенный в эксплуатацию в 2009 г. суперкомпьютер "Ломоносов" с производительностью до 420 Тфлопс позволяют успешно решать сложные вычислительные задачи космического радиационного материаловедения. При проведении подобных вычислений можно весьма детально задать исходные характеристики космической радиации, не представляет серьезных трудностей включение в анализ нескольких воздействующих излучений и т. д. Однако и в этом случае необходимо привлечение исходных данных о физических механизмах взаимодействия излучений с рассматриваемыми объектами и характеристиках космической радиации, описываемых с помощью тех или иных моделей.

При проведении лабораторных исследований воздействия космической радиации на материалы и элементы оборудования КА применяют ряд специальных приемов и критериев соответствия условий наземных испытаний натурным условиям. Прежде всего производится обоснованный выбор вида используемого ионизирующего излучения и его интенсивности, от которой зависит степень ускоренности испытаний. При задании режима облучения исследуемого объекта принимают во внимание радиационные эффекты, зависящие от интегральной поглощенной дозы и от мощности дозы, а также доминирующие радиационно-физические и радиационно-химические процессы, вызывающие ухудшение основных эксплуатационных параметров объекта. В сложных системах стремятся выявить наиболее слабое звено, которое определяет в основном их радиационную стойкость. Далее проводится детальное исследование механизмов радиационного повреждения этого звена.

Во многих случаях радиационные процессы, зависящие от полной поглощенной дозы и мощности дозы, взаимосвязаны. Так, в полупроводниках время жизни неравновесных носителей зависит от концентрации центров рекомбинации, в качестве которых могут выступать радиационные дефекты, накапливающиеся в процессе облучения. Это обстоятельство следует учитывать при планировании и проведении лабораторных экспериментов.

При обосновании возможности замены в лабораторных экспериментах излучений одних видов другими необходимо знать какой из радиационных процессов (возбуждение атомов вещества, образование радиационных дефектов в кристаллической структуре, ядерные превращения) оказывает доминирующее влияние на свойства исследуемого объекта. Например, при воспроизведении радиационных эффектов, связанных с ионизацией атомов вещества, вид ионизирующего излучения часто оказывается несущественным. Это позволяет во многих случаях заменять реальное космическое излучение потоками электронов или у-квантов с фиксированной энергией, соблюдая равенство поглощенных доз.

Однако в тех случаях, когда наиболее критичными являются радиационные дефекты кристаллической структуры, подобная замена может оказаться некорректной, поскольку под действием энергичных электронов образуются преимущественно простые радиационные дефекты, а при облучении ионами создается значительное число крупных разупорядоченных областей, содержащих десятки и сотни простых радиационных дефектов. Влияние простых и сложных радиационных дефектов на свойства материалов может быть совершенно различным, вследствие чего весьма затруднительно указать общие эквиваленты для перехода от облучения электронами к облучению ионами или нейтронами.

2. Лабораторное оборудование для проведения радиационных испытаний

Лабораторные установки, применяемые при изучении радиационной стойкости материалов и элементов оборудования КА, в частности элементов электронного оборудования, принято разделять на два класса:

-моделирующие установки, в которых создаются ионизирующие излучения той же физической природы, что и в космическом пространстве, т. е. потоки электронов, протонов и более тяжелых ионов;

-имитирующие установки, с помощью которых в исследуемых объектах воспроизводятся доминирующие радиационные эффекты, характерные для условий эксплуатации объектов в космическом пространстве, при использовании в качестве воздействующих факторов мощного рентгеновского излучения, гамма-излучения, импульсного лазерного излучения, потока нейтронов и т.п.

Источниками излучений в моделирующих установках чаще всего служат ускорители разных типов, описываемые ниже.

Ускорители заряженных частиц

Основными отличительными признаками, по которым производится классификация ускорителей заряженных частиц, являются форма траектории движения частиц и вид электрического поля, сообщающего ускоряемым частицам энергию. Траектория может быть прямолинейной (ее частицы проходят один раз), либо многократно повторяемой круговой или спиральной. Соответственно ускорители делятся по этому признаку на линейные и циклические. Для ускорения частиц используются получаемые различными способами постоянные и переменные электрические поля. Ускорение в постоянном электрическом поле возможно только при прямолинейном движении частиц, переменные электрические поля применяются в циклических ускорителях и в ускорителях с прямолинейным движением частиц. Формирование криволинейных траекторий в циклических ускорителях осуществляется с помощью магнитных полей.

Наиболее прост принцип действия высоковольтных ускорителей с постоянным электрическим полем, называемых иногда ускорителями прямого действия. В таких ускорителях частицы приобретают энергию, проходя по прямолинейным траекториям промежуток между двумя электродами, к которым приложена разность потенциалов U.Частица с зарядом qи массой mприобретает после прохождения такого промежутка энергию

E= qU

и скорость

v= (2 qU/ да)^1/2.

Величина ускоряющего напряжения Uв подобных ускорителях может достигать 5-20 МВ. Поэтому в реальных конструкциях для обеспечения их электрической прочности, т.е. для исключения электрических пробоев, высоковольтные промежутки выполняются в виде периодических структур из чередующихся металлических электродов и разделяющих их изоляторов, которые образуют ускорительную трубку, схема представлена на рисунке 2 . Конфигурация электродов выбирается таким образом, что они оказывают фокусирующее воздействие на проходящий внутри трубки пучок частиц. На конец ускорительной трубки, находящийся под потенциалом U, устанавливается источник ускоряемых заряженных частиц, а на противоположный заземленный конец - экспериментальная камера с исследуемыми образцами и датчиками контрольно-измерительной аппаратуры. Промежуточные электроды ускорительной трубки присоединены к звеньям делителя напряжения, обеспечивающего равномерное распределение ускоряющего напряжения по длине трубки и снижение разности потенциалов на отдельных ее секциях. Ускорительные трубки могут располагаться как вертикально, так и горизонтально.

Рисунок 2- Схема фрагмента ускорительной трубки

Постоянное высокое напряжение, используемое в описываемых ускорителях, получают двумя основными способами. Один из них реализуется с помощью каскадной диодной схемы умножения напряжения, вследствие чего ускорители, построенные с ее применением, называют каскадными ускорителями, или каскадными генераторами. Другой весьма оригинальный способ, предложенный еще в 1931 г. американским физиком Ван де Граафом, заключается в создании на высоковольтном ускоряющем электроде, называемом кондуктором, большого электрического заряда и соответственно высокого потенциала путем транспортировки заряда непрерывно движущейся диэлектрической лентой или металлической цепью с диэлектрическими вставками. Ускорители, построенные по такой схеме, называют электростатическими ускорителями (генераторами) Ван де Граафа.

Для дополнительного повышения электрической прочности высоковольтных ускорителей их ускорительные трубки накрываются герметичным кожухом, внутрь которого накачивается до давления в 10-15 атмосфер газовая смесь N₂+ CO₂или обладающий более высокими электроизолирующими свойствами гексафторид серы SF₆, называемый также элегазом.

Рисунок 3 - Ускорительная трубка электростатического ускорителя AN-2500

На рисунке 3 представлен общий вид ускорительной трубки электростатического ускорителя AN-2500 производства фирмы HVE(Голландия) на энергию до 2,5 МэВ, введенного в эксплуатацию в НИИЯФ МГУ несколько лет назад. Ускоритель показан без защитного кожуха, что позволяет хорошо видеть конструкцию трубки.

Альтернативой применению высокого постоянного ускоряющего напряжения является использование для ускорения заряженных частиц относительно низкого (30-40 кВ) переменного напряжения высокой частоты, которое прикладывается к системе полых цилиндрических электродов (трубок дрейфа), электрически объединяемых в две группы, как представлено на рисунке 4. Частица приобретает дополнительную энергию за счет действия на нее ускоряющего электрического поля в зазорах между электродами. Внутри трубок поле отсутствует, и движение частиц происходит по инерции. Частота переменного напряжения и геометрические параметры системы электродов выбираются таким образом, чтобы в каждом зазоре частица попадала в ускоряющую фазу электрического поля. Для обеспечения этого условия длина трубок дрейфа увеличивается по мере удаления от входного конца системы электродов в соответствии с ростом скорости частицы.

Рисунок 4- Схема линейного ускорителя с трубками дрейфа: И - ионный источник; 1-5 - трубки дрейфа

В современных линейных ускорителях ионов описанные структуры, состоящие из трубок дрейфа, помещают в цилиндрические резонаторы, в которых создается стоячая электромагнитная волна с продольной составляющей электрического поля. Такая система более эффективна и позволяет существенно снизить электрическую мощность, требуемую для работы ускорителя.

Высокочастотные линейные ускорители электронов строятся на основе диафрагмированных волноводов с бегущей волной. В этих системах обеспечиваются условия непрерывного взаимодействия ускоряемых электронов с продольным электрическим полем бегущей волны, сообщающим электронам дополнительную энергию.

Следующим весьма обширным классом ускорителей являются циклические ускорители разных видов. Исторически первым представителем ускорителей этого класса является циклотрон, изобретение которого, как и электростатического генератора, относится к началу 1930-х гг. В циклотроне заряженные частицы приобретают высокую конечную энергию в результате многократного прохождения ускоряющего зазора, к которому приложено сравнительно небольшое электрическое напряжение. Для реализации этого принципа ускорения в рабочей камере циклотрона помимо электрического поля создается магнитное поле, направленное перпендикулярно к плоскости, в которой лежат траектории частиц. Сила Лоренца, действующая на движущиеся в поперечном магнитном поле заряженные частицы, искривляет их траектории, но не сообщает частицам дополнительной энергии. Ускорение частиц происходит только за счет энергии электрического поля.

1-дуанты; 2,4-полюсы электромагнита; 3-вакуумная камера; 5-источник ионов

Рисунок 5 - Схема циклотрона

Схема циклотрона представлена на рисунке 5. В рабочей камере размещены полые металлические электроды - дуанты, к которым через специальные штоки подводится высокочастотное напряжение. В центре камеры находится источник ионов. Частицы, покидающие источник, движутся в рабочей камере по спиральной траектории, ускоряясь при прохождении зазора между дуантами. Таким образом, необходимым условием для ускорения частиц в циклотроне является совпадение частоты обращения частиц в магнитном поле с частотой переменного электрического напряжения на дуантах, т. е. условие резонанса, аналогичное условию резонанса в рассмотренных выше высокочастотных линейных ускорителях. Ускорители, работа которых требует соблюдения этого условия, называют резонансными.

По достижении некоторого максимального радиуса траектории и, соответственно, максимальной энергии для данного циклотрона частицы выводятся из рабочей камеры в ионопровод с помощью специального устройства - дефлектора.

В описанном циклотроне частота напряжения, приложенного к дуантам, и индукция поперечного магнитного поля остаются неизменными. Путем изменения этих параметров во времени и пространстве удается повысить эффективность процесса ускорения и обеспечить достижение более высоких энергий частиц.

В изохронных циклотронах используется возрастающее по определенному закону от центра к периферии магнитное поле, что позволяет поддерживать частоту обращения ионов постоянной вне зависимости от роста их энергии и соответствующего увеличения радиуса орбит. Это дает возможность ускорять ионы на протяжении большого числа циклов и, следовательно, увеличивать их конечную энергию.

В фазотронах (синхроциклотронах), применяемых для ускорения тяжелых ионов, достижение того же конечного результата обеспечивается за счет другого приема - снижения частоты приложенного к дуантам напряжения по мере увеличения периода обращения ионов с ростом их энергии.

Синхротроны, используемые для ускорения как электронов, так и ионов, работают при неизменной частоте электрического поля, но с возрастающим во времени магнитным полем.

В синхрофазотронах, которые используются для ускорения ионов, производится изменение во времени как индукции магнитного поля, так и частоты переменного электрического поля.

Следует упомянуть еще два достаточно распространенных циклических ускорителя электронов: микротрон и бетатрон. Микротроны, как и обычные циклотроны, работают при неизменной частоте переменного электрического поля и постоянном однородном магнитном поле. Однако если на обычном циклотроне ускорение электронов невозможно из-за быстрого нарушения условий синхронизации частоты обращения частиц с частотой изменения электрического поля, то в микротронах это препятствие преодолено благодаря так называемому режиму кратного ускорения. В таком режиме период обращения электронов после получения ими очередной порции энергии при пересечении ускоряющего зазора (резонатора) увеличивается на целое число периодов высокочастотного напряжения на зазоре, вследствие чего электроны всегда проходят зазор при ускоряющей фазе напряжения.

Принцип действия бетатрона основан на индукции ускоряющего электрического поля переменным магнитным полем, которое создается электромагнитом, питаемым от источника синусоидального напряжения. Очевидно, что в таком случае индуцируемое электрическое поле будет ускоряющим по отношению к электронам только на протяжении четверти периода напряжения, питающего электромагнит. Тем не менее за это время электрон успевает совершить несколько миллионов оборотов по орбите с постоянным радиусом, приобретая на каждом обороте энергию порядка 10 эВ. В результате достигаемая на бетатронах энергия электронов составляют 10-100 МэВ.

Все описанные ускорители используются в фундаментальных и прикладных исследованиях, включая исследования радиационных воздействий на материалы и оборудование КА.

В таблице 1 приведены параметры трех электронных ускорителей, разработанных и эксплуатируемых в НИИЯФ МГУ.

Таблица 1-Ускорители электронов

Тип ускорителя	Энергия, МэВ	Ток пучка, мА
Линейный непрерывного действия	1,2	1-50
Линейный импульсный	4-12	240
Разрезной микротрон	15-70	5-40

На рисунке 6 показана нижняя часть линейного ускорителя электронов на энергию 1,2 МэВ с присоединенной экспериментальной камерой. Пучок электронов с указанной энергией проходит через магниты поперечной и продольной развертки и выводится в атмосферу через титановую фольгу толщиной 100 мкм. Размер выходного окна ускорителя составляет 5 х 50 см ². Облучение образцов производится в вакуумной камере, на входе в которую установлена такая же фольга, отделяющая камеру от атмосферы. Энергия электронов на поверхности образцов с учетом потерь в двух фольгах составляет 1,0 ± 0,03 МэВ.

Рисунок 6 - Нижняя часть линейного ускорителя электронов с присоединенной экспериментальной камерой

Энергия электронов на выходе линейного импульсного ускорителя может изменяться в пределах ~4-12 МэВ. При этом путем изменения режимов работы электронной пушки и клистрона, снабжающего высокочастотной энергией ускоряющую систему, можно обеспечить на выходе ускорителя последовательное получение потоков электронов с энергетическими спектрами, представлены на рисунке 7.



Рисунок 7 - Энергетические спектры электронов при различных режимах работы ускорителя

Здесь по оси ординат отложена относительная величина тока на выходе ускорителя. Такая последовательность спектров приближает условия облучения исследуемых образцов к условиям в радиационных поясах Земли.

Отличительной особенностью разрезного микротрона является то, что постоянный магнит, используемый для формирования замкнутых траекторий частиц в обычном микротроне, заменен двумя разнесенными поворотными магнитами, между которыми помещается ускоряющая структура, подобная используемой в линейных ускорителях. Это дает возможность значительно повысить энергию, приобретаемую электронами после прохождения одной орбиты.

Ионные ускорители НИИЯФ МГУ, как и описанные выше ускорители электронов, активно используются для моделирования радиационных воздействий на материалы и элементы оборудования

Электростатический генератор EG-2,5 Физико-энергетического института имени А.И. Лейпунского (ФЭИ) позволяет ускорять помимо протонов и дейтронов также ионы азота, кислорода, неона и аргона, что расширяет возможности моделирования радиационных эффектов.

На линейном ускорителе И-100 Института физики высоких энергий (ИФВЭ), обеспечивающем получение достаточно интенсивных пучков протонов с энергией до 100 МэВ, специалистами НИИЯФ МГУ были выполнены уникальные эксперименты по изучению процессов объемной электризации диэлектриков под действием протонов. На этом ускорителе возможно также моделирование эффектов, обусловленных ядерными взаимодействиями в материалах и элементах оборудования КА, в частности, процессов возникновения одиночных сбоев в интегральных схемах за счет ионизации вещества микросхемы продуктами ядерных взаимодействий. Фазотрон Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), имеющий более высокую энергию ускоренных протонов, хотя и при меньшем токе пучка, позволяет моделировать подобные процессы применительно к случаям воздействия на КА протонов СКЛ во время солнечных вспышек.

Моделирование возникновения одиночных сбоев в микросхемах под действием тяжелых ядер ГКЛ возможно на изохронных циклотронах У 400 и У 400М, созданных и эксплуатируемых в ОИЯИ. Эти установки, на которых проводятся уникальные работы по синтезу новых ядер, позволяют ускорять ионы с отношением заряда к массе ~0,05-0,5 при обеспечиваемых в ионных источниках зарядовых состояниях до 20-25, т.е. получать пучки тяжелых ионов достаточно высокой энергии.

Ускоритель тяжелых ионов на еще более высокие энергии (до 2-4 ГэВ/нуклон) создан в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ). В этом ускорителе ионы, получаемые в лазерном источнике, предварительно приобретают энергию ~1-4 МэВ/нуклон, а затем направляются в ускоряющее кольцо синхротрона, где их энергия доводится до указанных максимальных значений.

Многие из рассмотренных ускорителей электронов и ионов обеспечивают плотность потока частиц на облучаемом образце ~10¹⁰-10¹² см^-2-с^-1, при которой проводятся обычно ускоренные испытания материалов на стойкость к радиационным эффектам, связанным с полной поглощенной дозой. Исследования одиночных сбоев в элементах микроэлектроники на ускорителях тяжелых ионов могут проводиться при меньших плотностях потока.

Получение потоков заряженных частиц с широкими энергетическими спектрами

При планировании и проведении радиационных испытаний материалов и элементов оборудования КА с помощью моноэнергетических пучков заряженных частиц, создаваемых ускорителями, необходим корректный учет отличий эффектов, возникающих в исследуемых объектах под действием таких пучков и под действием существующих в космосе потоков частиц с протяженными энергетическими спектрами. В этих двух случаях значительно отличаются распределения числа остановившихся частиц и величины поглощенной дозы по толщине облучаемого материала. Соответственно меняется реакция материала на радиационное воздействие, на примере электроразрядных явлений, связанных с объемной электризацией диэлектриков.

Получить в лабораторных условиях распределение поглощенной дозы по толщине облучаемого материала, близкое к распределению в натурных условиях, можно путем последовательного воздействия на исследуемый образец моноэнергетическими пучками частиц с двумя-тремя отличающимися энергиями. Такое облучение достаточно просто осуществить, например, на каскадном генераторе, конструкция которого позволяет легко регулировать постоянное ускоряющее напряжение. На рисунке 8 представленны результаты расчета распределения поглощенной дозы по толщине zтерморегулирующего покрытия для условий эксплуатации на ГСО в течение семи лет (1) и при облучении протонами с двумя фиксированными энергиями (2): 40 кэВ, Ф = 3* 10¹⁵ см^-2 и 150 кэВ, Ф = U0¹⁴см^-2.



Рисунок 8-Распределение поглощенной дозы по толщине образца в натурных (1) и лабораторных (2) условиях

Выше была продемонстрирована также возможность последовательного получения на линейном ускорителе пучков электронов с достаточно широкими спектрами, укладывающимися в определенный энергетический интервал.

Следующим шагом к повышению достоверности результатов лабораторных радиационных испытаний является оснащение ускорителей устройствами, позволяющими преобразовывать моноэнергетические пучки частиц в потоки частиц с непрерывными энергетическими спектрами.

Потоки протонов с непрерывным спектром в диапазоне энергий -0,5-10 МэВ могут быть получены с помощью тормозящей пластины переменного сечения, устанавливаемой на пути первичного моноэнергетического пучка частиц представленных на рисунке 9а. Профиль пластины, характеризуемый шириной элементов структуры и их высотой, рассчитывается с учетом требуемого энергетического спектра частиц. На рисунке 9б приведен энергетический спектр протонов, получаемый после прохождения пучка протонов с исходной энергией 6,5 МэВ через профилированную пластину, в сопоставлении со спектром протонов РПЗ. Этот метод находит применение при радиационных испытаниях различных материалов и элементов оборудования, располагаемых на внешней поверхности КА.



Рисунок 9.а - Тормозящая пластина; б - Энергетический спектр протонов после прохождения через нее (1) и спектр протонов РПЗ (2)

Другая группа методов основана на управлении пучком ускорителя в процессе облучения исследуемого объекта. Эффективный способ получения потока электронов с распределенным энергетическим спектром на бетатроне разработан в Томском политехническом университете. В этом способе для формирования спектра используется специальная компьютерная программа, которая управляет процессом вывода из бетатрона электронных сгустков. Выбирая энергию и количество электронов в каждом сгустке, можно сформировать необходимый спектр. На рисунке 10 представлен полученный таким способом спектр электронов, воздействующих на объект за защитной оболочкой КА, в сопоставлении с аналогичным спектром, создаваемым электронами РПЗ.

Рисунок 10- Спектры электронов: сплошная кривая - натурный спектр в РПЗ; гистограмма - смоделированный спектр

Лабораторные экспериментальные установки

Лабораторные исследования радиационной стойкости материалов и элементов оборудования КА проводятся как правило в сочлененной с ионопроводом ускорителя экспериментальной вакуумной камере при давлении ~10^-4-10^-5 Па. В тех случаях, когда пробег заряженных частиц в веществе достаточно велик (при энергии электронов Е_е> 2 МэВ и энергии протонов Е_р> 30 МэВ) исследования можно проводить на воздухе при атмосферном давлении, выпуская пучок частиц из ионопровода через металлическую фольгу.

Экспериментальные вакуумные установки оснащаются системами мониторинга пучка и системами контроля параметров (электрических, оптических, механических и др.) испытуемых объектов. Для исследования параметров пучка, а также вторичных излучений, возникающих при взаимодействии пучка с веществом образца, используются различные детекторы.

В основе действия всех детекторов лежат те или иные физические процессы, возникающие при взаимодействии регистрируемых частиц или квантов с веществом детектора: ионизация или возбуждение атомов и молекул, вторично-эмиссионные процессы, ядерные реакции и др., причем рабочее вещество детектора может находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. По этим признакам и классифицируются главным образом существующие детекторы. Кроме того, все детекторы разделяются на спектрометрические, т. е. дающие информацию об энергии регистрируемых частиц или квантов, и счетные - регистрирующие лишь факт попадания в детектор частицы или кванта. Детекторы и разные их сочетания могут дополнительно характеризоваться способностью селективной регистрации излучений, диаграммой направленности, быстродействием и т. п.

Газовые ионизационные детекторы

К газовым ионизационным детекторам, в которых рабочим веществом служит инертный газ (Аг, Ne, Kr, Xe) с какими-либо добавками при давлении ~10⁴-10⁵ Па, относятся: ионизационная камера, пропорциональный счетчик и газоразрядный счетчик (счетчик Гейгера).

Ионизационные камеры могут работать в двух режимах: токовом (измерение плотности потока ионизирующего излучения) и импульсном (измерение энергии отдельных частиц). В соответствии с этим они применяются при решении задач дозиметрии либо при решении спектрометрических задач. Обычно с помощью ионизационных камер регистрируют тяжелые заряженные частицы с энергиями порядка единиц-десятков мегаэлектронвольт, так как выходной сигнал ионизационной камеры (ток или импульс напряжения), создаваемый только за счет начальной ионизации газа в камере, мал. Например, при регистрации а-частиц с энергией 6 МэВ каждая частица создает в рабочем объеме камеры порядка 2-10⁵ ионов и электронов, поскольку энергия, затрачиваемая на один акт ионизации, составляет около 30 эВ. Нетрудно подсчитать, что заряд частиц одного знака составляет в этом случае 3,2-10^-14 Кл, а амплитуда сигнала камеры при емкости ее электродной системы 20 пФ будет равна 1,6 мВ.

В пропорциональных счетчиках заряд, собираемый на электродах, увеличивается за счет эффекта газового усиления, т.е. размножения зарядов за счет актов вторичной ионизации. Коэффициент газового усиления составляет ~10²-10³, что позволяет регистрировать с их помощью заряженные частицы, а также кванты с энергиями порядка 50-500 кэВ. Следует, однако, учитывать, что минимальная энергия регистрируемых частиц ограничивается также толщиной входного окна, через которое частицы попадают в рабочую камеру счетчика.

Предельное энергетическое разрешение, определяемое по ширине спектральной линии на половине ее высоты, составляет для импульсных ионизационных камер около 0,5% при регистрации а-частиц с энергиями 5-10 МэВ. Для пропорциональных счетчиков этот показатель хуже при прочих равных условиях, так как относительные флуктуации выходного заряда возрастают за счет статистического характера газового усиления. Реальное энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков обычно составляет 5-10%.

Газоразрядные счетчики применяются только для регистрации (счета) отдельных частиц (электронов, протонов и т.д.) или у-квантов, поскольку амплитуда импульса на выходе счетчика не зависит от энергии регистрируемых частиц и квантов. Большая амплитуда выходного сигнала (10-30 В) позволяет применять газоразрядные счетчики без сложной усилительной аппаратуры, необходимой при работе с ионизационной камерой и пропорциональным счетчиком.

Предельная скорость счета газоразрядных счетчиков, определяемая временем исчезновения ионов в камере счетчика после регистрации предыдущей частицы (временем восстановления), составляет ~10³-10⁴ с^-1. Минимальная энергия регистрируемых частиц определяется толщиной входного окна, например, при использовании слюдяного окна толщиной 5 мкм минимальная энергия регистрируемых электронов составляет около 40 кэВ, а протонов - около 500 кэВ. Счетчики, предназначенные для регистрации электронов высокой энергии и у-квантов, обычно не имеют входных окон, а регистрируемые излучения проникают в камеру счетчика через металлические или стеклянные боковые стенки. Эффективность регистрации газоразрядными счетчиками заряженных частиц близка к 100%, а для у-квантов -0,1-1%.

Полупроводниковые детекторы

Полупроводниковые детекторы, изготавливаемые преимущественно из кремния или германия, являются в определенном смысле твердотельными аналогами импульсной ионизационной камеры: амплитуда их выходного импульса определяется количеством электронно-дырочных пар, создаваемых в рабочем веществе детектора регистрируемой частицей. Однако, поскольку на образование одной электронно-дырочной пары расходуется приблизительно на порядок меньшая энергия (3,6 эВ для Si; 2,8 эВ для Ge) по сравнению со средней энергией, затрачиваемой на один акт ионизации в газе, полупроводниковые детекторы обеспечивают более высокое энергетическое разрешение. А из-за относительно малых пробегов заряженных частиц в твердом теле полупроводниковые детекторы могут быть сделаны весьма компактными. Эти их свойства в сочетании с механической прочностью и долговечностью определили очень широкое применение полупроводниковых детекторов при решении задач спектрометрии и дозиметрии корпускулярных и квантовых излучений в энергетическом диапазоне ~10⁴-10⁸ эВ. С помощью полупроводниковых детекторов может быть обеспечена скорость счета 10⁵-10⁶ с^-1. Специальные полупроводниковые детекторы позволяют определять место попадания частицы в детектор.

Недостатками полупроводниковых детекторов являются малая, как и у ионизационной камеры, амплитуда выходного сигнала и достаточно сильно выраженная зависимость уровня собственных шумов, а следовательно - реально достижимого энергетического разрешения, от температуры. Тем не менее благодаря отмеченным положительным качествам полупроводниковые детекторы широко используются в лабораторных экспериментах.

Сцинтилляционные детекторы

Детекторы этого типа, как и полупроводниковые, позволяют решать спектрометрические и дозиметрические задачи, обеспечивая при этом большую, по сравнению с полупроводниковыми детекторами, амплитуду выходного сигнала за счет усиления сигнала фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Однако наличие ФЭУ делает сцинтилляционные детекторы весьма громоздкими, требующими во всех случаях высокого питающего напряжения и очень чувствительными к световым помехам. Кроме того, по энергетическому разрешению сцинтилляционные детекторы уступают не только полупроводниковым детектора, но и газовым ионизационным детекторам. Это связано с тем, что в системе "сцинтиллятор - фотокатод ФЭУ" на образование одного носителя заряда (фотоэлектрона) расходуется энергия ~300 эВ, т.е. соответственно в 100 и 10 раз больше по сравнению с полупроводниковым детектором и ионизационной камерой.

Поэтому, хотя сцинтилляционные детекторы были созданы значительно раньше полупроводниковых, они постепенно были вытеснены из ряда областей применения полупроводниковыми детекторами. В настоящее время они применяются преимущественно для регистрации заряженных частиц с энергиями ~10 МэВ и у-квантов.

Вторично-электронные умножители

Для регистрации заряженных частиц с энергией ниже 10-20 кэВ обычно применяются детекторы открытого типа, работа которых возможна только в вакууме, а принцип действия основан на возникновении электронной эмиссии из мишени, подвергающейся облучению регистрируемыми частицами. Такие детекторы, называемые вторично-электронными умножителями (ВЭУ) делятся на два класса: с дискретной динодной системой (подобной динодной системе ФЭУ) и с непрерывным динодом. Последние приборы также называют канальными или каналовы- ми электронными умножителями (КЭУ), так как их динод представляет собой свернутую в спираль или изогнутую стеклянную трубку диаметром -1,5-3 мм и длиной ~50-60 мм с полупроводящим покрытием. Формирование электронной лавины происходит внутри трубки (в канале).

Разновидностью подобных детекторов являются микроканальные пластины (МКП), представляющие собой изготовленные из специального стекла пластины различной формы толщиной 0,5-2 мм с многочисленными (до 10⁶ на 1 см ²) каналами диаметром 5-25 мкм между поверхностями. Поперечные размеры МКП лежат в диапазоне 20-100 мм.

Отмеченные конструкционные различия детекторов отражаются прежде всего на таких их эксплуатационных параметрах, как коэффициент усиления (достигает -10⁸ для КЭУ) и геометрический фактор. Наибольшим геометрическим фактором обладают МКП, кроме того, на их основе могут быть построены детекторы, чувствительные к месту попадания регистрируемых частиц, при существенно меньших энергиях частиц по сравнению с аналогичными полупроводниковыми детекторами. Однако МКП имеют на 3-4 порядка меньший коэффициент усиления по сравнению с КЭУ. Для устранения этого недостатка применяются двухкаскадные детекторы, состоящие из двух последовательно установленных МКП.

Минимальная энергия регистрируемых электронов для ВЭУ всех типов составляет -10-50 эВ и определяется энергетическими характеристиками процесса вторичной электронной эмиссии. Ионы регистрируются при энергиях выше 10²-10³ эВ. Эффективность регистрации сильно зависит от энергии и вида частиц. Максимальная скорость счета для КЭУ составляет порядка 10⁴ с^-1, а для ВЭУ с дискретной динодной системой и МКП она несколько выше.

Все ВЭУ используются почти исключительно как счетчики частиц. Для спектрометрии потоков электронов и ионов низких энергий перед ВЭУ устанавливаются анализаторы энергии частиц, чаще всего - электростатические.

Источники излучений имитирующих установок

В имитирующих установках, как уже указывалось, воздействие на исследуемый объект корпускулярных потоков, характерных для космического пространства, заменяется воздействием излучений иной природы при условии достаточно точного воспроизведения доминирующих радиационных эффектов, вызываемых воздействием космического излучения. Для такой замены чаще всего используются радиоактивные изотопы, испускающие у-кванты, а-частицы или продукты спонтанного деления ядер трансурановых элементов, и мощные источники рентгеновского и лазерного излучения.

Потоки у-квантов в имитаторах создаются обычно с помощью долгоживущих изотопов ⁶⁰Co(энергия квантов 1,17 и 1,33 МэВ) и ¹³⁷Cs(энергия квантов 0,66 МэВ). Существуют имитаторы построенные на основе изотопов Pu238и Pu239, которые испускают а-частицы с энергиями 5,58 и 5,23 МэВ соответственно.

Для исследования одиночных сбоев в интегральных схемах применяется изотоп ²⁵²Cf, испускающий при спонтанном делении две группы осколков: со средней массой 106,2 а.е.м. и средней энергией 102,5 МэВ (легкая группа) и средней массой 142,2 а.е.м. и энергией 78,7 МэВ (тяжелая группа). Значение ЛПЭ для таких осколков в Siравно приблизительно 43 МэВ-см ²-мг^-1, что превышает, как было показано в разд. 4.7, пороговое значение для возникновения сбоев. Однако средний пробег осколков в веществе микросхемы составляет лишь 14 мкм, вследствие чего при изучении одиночных сбоев с использованием такого источника требуется снять с микросхемы защитную оболочку. Это создает дополнительные технические трудности. Но с другой стороны, малая длина свободного пробега осколков позволяет достаточно просто осуществить плавное изменение энергии, с которой они достигают поверхности исследуемой микросхемы, путем изменения давления в экспериментальной камере, внутри которой устанавливаются радиоактивный препарат и исследуемый объект.

Исследования одиночных сбоев проводятся также с помощью пикосекундных импульсных лазеров, генерирующих фотоны с энергией, достаточной для создания электронно-дырочных пар в полупроводниковом материале. В подобных имитаторах применяется неодимовый лазер с длиной волны X = 1,06 мкм, которой соответствует энергия фотонов Еф= 1,16 эВ. За счет удвоения частоты достигаются значения X = 0,53 мкм и Еф = 2,32 эВ. При указанных длинах волн глубина проникновения излучения в материал микросхемы составляет 300 и 1,3 мкм соответственно. В созданных имитаторах энергия лазерного излучения в импульсе составляет от 0,1 до 30 мДж при длительности импульса ~10-20 пс. Диаметр сфокусированного лазерного луча на мишени равен 4-5 мкм.

В рентгеновских имитаторах создаются потоки квантов с максимальной энергией 50-100 кэВ, обеспечивающие достижение мощности поглощенной дозы в материале мишени -3-10 Гр-с^-1.

3. Исследование радиационных воздействий в натурных условиях

Для оценки характера и уровня радиационных воздействий на КА в большинстве случаев используются модели космической радиации, построенные на основании результатов измерений ее параметров с помощью бортовых приборов КА. Несмотря на достигнутые успехи в создании таких моделей, они описывают, как было показано в разд. 1, только наиболее общие закономерности изменения характеристик космических излучений и, конечно, не могут дать информацию о радиационных условиях полета конкретного КА в любой момент времени.

Тем не менее модели позволяют достаточно достоверно прогнозировать радиационные нагрузки на материалы и оборудование КА, усредняемые по длительным временным интервалам, и, соответственно, оценивать эффекты, связанные с поглощенной дозой. Однако в тех случаях, когда радиационные эффекты проявляются на достаточно коротких временных интервалах (поверхностная и объемная электризация материалов), определяются мощностью поглощенной дозы (радиолюминесценция, радиационная проводимость) или вызываются воздействием отдельных заряженных частиц (одиночные сбои), первостепенное значение для их идентификации приобретает точное знание радиационных условий на трассе полета КА, в том числе мелкомасштабных пространственно-временных вариаций параметров воздействующих излучений.

Получение таких данных обеспечивается специальными аппаратурными комплексами, устанавливаемыми на КА. В их состав входят приборы для измерения параметров космических излучений и создаваемых ими дозовых нагрузок. Корреляционные связи между радиационными воздействиями и ухудшением свойств материалов КА или возникновением отказов в работе оборудования могут выявляться как на основании данных о работе штатных бортовых систем, так и с помощью образцов материалов и различных элементов оборудования, устанавливаемых на КА в качестве испытуемых объектов.

Очевидно, что при одновременной регистрации на борту КА параметров ионизирующих излучений и вызываемых ими радиационных эффектов возможно получение наиболее достоверной информации о природе таких эффектов и условиях их возникновения. В НИИЯФ МГУ разработаны различные аппаратурные комплексы для проведения подобных исследований.

Благодаря использованию набора детекторов разных типов, которые были рассмотрены выше, аппаратура обеспечивала регистрацию электронов и протонов РПЗ в широком энергетическом диапазоне, а также более детальное исследование их потоков в области низких энергий. Последнее было предусмотрено в связи с необходимостью получения данных для прогнозирования радиационной стойкости ТРП и солнечных батарей при их эксплуатации на высокоэллиптических орбитах. Спектрометр СПА, состоящий из двух полупроводниковых детекторов и сцинтилляционного счетчика, обеспечивал изучение ионного состава излучения.

Наконец, важно отметить, что в состав данного аппаратурного комплекса была включена специально разработанная ионизационная камера, с помощью которой производились измерения поглощенной дозы, создаваемой электронами, протонами и квантами тормозного излучения. Рабочим веществом камеры являлся аргон при давлении 4-5 атмосфер. Заряд, создаваемый в камере за счет ионизации атомов аргона проникающими через ее стенки излучениями, регистрировался дискретно путем накопления его на емкости и последующего ее разряда. В зависимости от особенностей конструкции и режима работы камеры один разрядный импульс был эквивалентен поглощенной дозе от 1 до 150 мрад.

Для исследования эффектов электризации КА, обусловленных взаимодействием КА с горячей магнитосферной плазмой, был создан аппаратурный комплекс АДИПЭ (аппаратура для измерения параметров электризации). Главной отличительной особенностью этого комплекса является использование в его составе электростатических анализаторов, которые позволяли исследовать энергетические спектры электронов и протонов горячей магнитосферной плазмы в диапазоне 0,1-12 кэВ. Регистрация частиц в этих приборах производилась с помощью КЭУ. Потоки частиц с энергиями выше 30 кэВ регистрировались малошумящими полупроводниковыми детекторами, перед которыми устанавливались электростатические и магнитные анализирующие системы. Применение в составе комплекса АДИПЭ спектрометров, построенных по указанной схеме, позволило получить данные об энергетических спектрах электронов и ионов в диапазоне 30-300 кэВ и провести более детальные исследования вида и зарядового состояния регистрируемых ионов. Совместно с описанными приборами, измерявшими потоки заряженных частиц, на КА устанавливались датчики для измерения напряженности электрического поля у поверхности аппарата и регистрации возникающих электрических разрядов. Такое сочетание позволило получить достаточно полную информацию о механизмах электризации КА и вызываемых ею эффектах.

На базе аппаратурных комплексов КДК-М и АДИПЭ с учетом опыта их эксплуатации был создан комплекс ДИЭРА (диагностика и измерение электризации и радиации), рассматривавшийся как компактный патрульно-диагностический комплекс (его общая масса составляет около 6,5 кг) для установки на различные КА вместе со штатным оборудованием. Комплекс обеспечивает измерение потоков частиц горячей магнитосферной плазмы, РПЗ и СКЛ, а также величины поглощенной дозы. Таким образом, он предоставляет необходимый набор данных для анализа радиационных условий эксплуатации конкретного КА и влияния космической радиации на работу бортовых систем.

Все описанные аппаратурные комплексы построены по блочному принципу. Блоки, объединяющие детекторы и электронные устройства, устанавливаются на внешней поверхности КА и во внутренних отсеках. На рисунке 11 представлен один из блоков аппаратуры ДИЭРА.

Рисунок 11- Блок детекторов аппаратуры ДИЭРА

С помощью комплекса ДИЭРА, устанавливавшегося на геостационарных КА и аппаратах серии ГЛОНАСС, были получены обширные данные о радиационных условиях на их орбитах. На рисунке 12 представлены в качестве примера результаты измерения величины поглощенной дозы на геостационарном КА "Горизонт". Видно, что измеренные значения дозы могут в несколько раз отличаться от среднего значения, рассчитанного на основании модельных данных о радиационных условиях на ГСО.

Рисунок 12 - Результаты измерения суточной дозы на КА "Горизонт" в сопоставлении с расчетным значением (штриховая линия)



Дозиметры НИИЯФ МГУ, построенные на основе ионизационных камер, использовались на орбитальной станции "Мир" в течение всего времени ее эксплуатации. Именно с их помощью была получена уникальная информация об изменении радиационных условий в области Южно-Атлантической магнитной аномалии на протяжении 11-летнего цикла солнечной активности.