Увеличение сроков активного существования космических аппаратов (КА) предъявляет повышенные требования к надёжности и качеству проведения испытаний материалов космического назначения на стойкость к воздействию факторов космического пространства (ФКП). Одним из индуцированных факторов, воздействие которого может нарушить нормальное функционирование КА, является его собственная внешняя атмосфера (СВА), образующаяся за счёт потери массы материалов поверхности, утечки газов из внутренних отсеков, выбросов продуктов сгорания топлива ракетных двигателей и других процессов [3, 11].
Среди негативных проявлений действия СВА на современные и перспективные спутники, оснащаемые большим количеством высокочувствительной аппаратуры, наиболее критичными являются: загрязнение поверхности материалов и элементов оборудования конденсирующимися продуктами СВА; снижение электрической прочности открытого электротехнического и радиотехнического оборудования вследствие облегчения развития газовых форм электрического разряда при повышении давления вблизи поверхности КА; увеличение светового фона в окрестности КА за счет рассеяния света на частицах СВА.
Деградация оптических свойств материалов внешних поверхностей космического аппарата обусловлена в основном воздействием на них ионизирующих излучений [2, 12] и продуктов собственной внешней атмосферы [4, 5, 8]. В частности, защитные покрытия солнечных батарей и радиаторов системы терморегулирования, применяемые на спутниках, функционирующих на геостационарной и высокоэллиптических орбитах, подвергаются большим радиационным нагрузкам. Интенсивность электростатических разрядов (ЭСР) на поверхностях защитных покрытий солнечных батарей КА должна зависеть как от уровня их загрязнения продуктами СВА, так и от давления газов в прилегающих к ним областях.
Цель исследования
Исследованию развития ЭСР под действием электронного излучения на диэлектриках с большим сопротивлением, к которым относятся стекла К-208, используемые в качестве защитных покрытий солнечных батарей КА, посвящено большое количество работ, проведенных в лабораториях разных стран [1, 6, 7, 9, 10, 13]. Однако, до настоящего времени не построено общепринятой теории развития разрядов при облучении диэлектрических материалов заряженными частицами. При этом зависимость ЭСР от условий облучения и энергии заряженных частиц подробно не изучена. Результаты таких исследований необходимы как для обоснования режимов ускоренных радиационных испытаний защитных покрытий солнечных батарей с целью прогнозирования изменения их оптических свойств в условиях космического пространства, так и для определения влияния на ЭСР спектра ионизирующих излучений и давления СВА КА.
Представленная работа в основном посвящена анализу результатов лабораторных экспериментов, проведенных в ОАО «Композит» для изучения условий возникновения и развития ЭСР при электронном облучении образцов стекла К-208.
Материалы и методы исследования
Облучение образцов стекла К-208, стандартных размеров 40400.17 мм, прикрепленных к охлаждаемому заземленному металлическому столику моделирующей установки УВ-, схема которой показана на рис. 1, проводилось при давлении в вакуумной камере pv = 10-5510-3 Па. Энергия электронов составляла Ee0 = 40 кэВ, а плотность их потока варьировалась в диапазоне = 101021011 см-2с-1. Характеристики электронного пучка контролировались цилиндрами Фарадея на расстоянии 2 см от столика с образцом. Перед облучением поверхности образцов очищались дистиллированной водой в ультразвуковой ванне, после чего образцы сушили при температуре 100 °С.
Рис. 1. Схема автоматизированного стенда УВ-1/2: 1 – вакуумная камера; 2 – измерительный столик; 3 – термостат; 4 – система вакуумной откачки и контроля вакуума; 5 – блок измерений; 6 – блок имитаторов космического пространства; 7 – электронный ускоритель; 8 – протонный ускоритель; 9 – имитатор концентрированного солнечного излучения; 10 – формирующее оптическое устройство; 11 – блок управления имитатором солнечного излучения; 12 – блок управления ускорителями; 13 – образец материала
До и после облучения поверхности образцов исследовались с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) Solver P47 – Multi – Technique SPM. Для изучения топологии поверхности образцов использовалась полуконтактная атомно-силовая мода, которая при высокой точности измерений не разрушает поверхность.
Результаты исследования и их обсуждение
Известно, что при облучении диэлектрика с низкой проводимостью заряженными частицами, длина пробега которых в мишени меньше ее линейных размеров, в ней формируются области с высокой плотностью заряда, поле которого может привести к развитию электростатического разряда между областью локализации заряда и поверхностью диэлектрика. Максимальный пробег в стекле электронов с энергией 40 кэВ, составляющий порядка 16 мкм, во много раз (более чем в 10 раз) меньше толщины образца (170 мкм). Поэтому в подобных экспериментах сквозной электростатический пробой на металлический столик, к которому прикреплялись образцы, не рассматривается.
Рис. 2. АСМ – изображения необлученного образца стекла: (а) – кадр 1313 мкм; (б) – его сечение вдоль линии «1-1’»
Рис. 3. АСМ – изображения облученного образца: (а), (б)– кадр 1313 мкм; (б) – сечение кадра вдоль линии «2-2’» (е = 2,31010 см-2с-1)
АСМ – исследования показали, что на поверхностях некоторых необлученных образцов имеются технологические микровыступы. Например, на рис. 2 (а) представлено изображение фрагмента поверхности образца стекла до его облучения. Видно, что на поверхности имеется микровыступ, высотой до 14 нм.
Анализ АСМ-изображений поверхностей облученных образцов показал, что после облучения количество микровыступов, приходящихся на единицу площади, возрастает в несколько раз, при этом увеличиваются и их размеры. Для демонстрации сказанного на рис. 3 показано изображение облученного образца, структура поверхности которого до облучения имела вид, представленный на рис. 2.
Помимо аккумулирования термализованных в стекле электронов при облучении в нем происходит отжиг структурных дефектов, содержание которых особенно велико в его приповерхностном слое. Отжиг дефектов, в свою очередь, сопровождается появлением радиационно-стимулированных напряжений и радиационно-стимулированной диффузией, способствующих ускорению транспортных процессов, обеспечивающих перенос материала к центрам роста микровыступов на поверхности стекла.
В экспериментах наблюдались два типа разрядов: первый – «разряд микровыступ на поверхности стекла – окружающая ионизованная атмосфера» приводил к увеличению числа и размеров микровыступов (см. рис. 2-3), второй – разряд, развивающийся по поверхности стекла с образованием на ней разрядных каналов. Оба разряда сопровождались выбросом в окружающее пространство плазмы и изменениями структуры поверхности стекла.
При разрядах первого типа стекло быстро переходит из твёрдого в жидкое, и далее – в газообразное и в плазменное состояние, что приводит к увеличению размеров микровыступов за счёт накопления на них остывшего стекла после выброса плазмы в окружающее пространство. Облучение образцов при е = 2,31010 см-2с-1 до значения флюенса 1015 см-2 сопровождалось разрядами первого типа с образованием и ростом на поверхности стекла микровыступов высотой до 100 нм (рис. 3, а).
С увеличение плотности потока электронов до значения 71010 см-2с-1 количество микровыступов возросло, однако их высота не превышала 60 нм. При этом значении е проявились разряды второго типа. Обусловленное тангенциальной составляющей электрического поля, их развитие стимулируют увеличивающиеся вместе с е плотность ионизованного газа, особенно вблизи облучаемой поверхности, и радиационная проводимость облучаемого слоя стекла.
В качестве иллюстрации на рис. 4 показаны фрагменты поверхности образца, облученного при е = 8.61010 см-2•с-1, на которых имеются как микровыступы высотой до 50 нм, так и разрядные каналы глубиной до 2 нм.
Рис. 4. АСМ-изображение поверхности облученного образца: (а), (в) – кадры 3535 и 1414 мкм; (б), (г) – сечения кадров вдоль линий «3-3» и «4-4» (е = 8.61010 см-2•с-1)
Увеличение плотности потока электронов до 1011 см-2•с-1 приводит к тому, что поверхностные разряды начинают преобладать, а при энергии электронов 40 кэВ, давлении pv 10-4 Па и значениях потока е > 1,31011 см-2•с-1 образование микровыступов – следов выброса плазмы – не наблюдается.
На рис. 5 представлен случай, когда при облучении происходят только поверхностные разряды. При этом глубина разрядных каналов достигает 2,5 нм. Можно предположить, что при этих условиях облучения ионизованный приповерхностный газ и радиационная проводимость стекла обеспечивают стекание заряда через металлические прижимы на столик за счет поверхностных разрядов.
Рис. 5. АСМ-изображение поверхности облученного образца: (а) – кадр 5,55,5 мкм; (б) – сечение кадра вдоль линии «5-5’» (е = 1.41011 см-2•с-1)
Анализ экспериментальных результатов облучения образцов стекла электронами с энергией 40 кэВ позволяет утверждать, что при увеличении давления в вакуумной камере с 10-5 до 510-3 Па величина минимальной плотности потока электронов, обеспечивающих появление разрядов второго типа, снижается с 1.71011 до 1.41010 см-2с-1.
Выводы
Из анализа экспериментальных результатов следует, что при электронном облучении стекла К-208 происходят два типа разрядов: первый – «разряд микровыступ на поверхности стекла – окружающая ионизованная атмосфера», приводящий к увеличению числа и размеров микровыступов; второй – разряд, развивающийся по поверхности стекла с образованием на ней разрядных каналов. Оба разряда сопровождаются выбросом в окружающее пространство плазмы и изменениями структуры поверхности стекла. При этом зависимость минимального значения плотности потока электронов, необходимого для развития поверхностных разрядов от давления, определяется концентрацией ионов, образующихся в слое газа, прилегающего к облучаемой поверхности стекла.