一種太空飛行器用鍍膜光學透鏡電離輻射效應試驗方法
2023-04-22 20:56:01 1
一種太空飛行器用鍍膜光學透鏡電離輻射效應試驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種太空飛行器用鍍膜光學透鏡電離輻射效應試驗方法。使用本發明能夠有效模擬鍍膜光學透鏡在軌帶電粒子的輻射效應，可應用於太空飛行器用鍍膜光學透鏡的輻射性能評價。本發明綜合考慮鍍膜光學透鏡膜層和基底材料的電離輻射效應，運用電子和60Coγ射線分別對鍍膜光學透鏡進行輻照，然後將輻照結果進行疊加，模擬空間輻照在鍍膜光學透鏡中的輻照劑量-沉積深度分布，從而全面考核光學透鏡的耐空間輻射能力。
【專利說明】一種太空飛行器用鍍膜光學透鏡電離輻射效應試驗方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及空間環境工程【技術領域】，具體涉及一種太空飛行器用鍍膜光學透鏡電離輻 射效應試驗方法。
【背景技術】
[0002] 在太空飛行器使用的紫外/可見光相機、紅外相機、雷射雷達和輻射探測器等載荷中， 為提高光學系統的透過能量和改進成像的質量，通常在所選取的基底材料基礎上進行光學 鍍膜。
[0003] 太空飛行器在軌道中運行時，鍍膜光學透鏡受到軌道電子、質子、重離子等帶電粒子的 輻射，輻射產生的電離損傷會使透鏡的光學性能下降，從而影響太空飛行器的性能。在透鏡在軌 使用前，需要在地面開展電離輻射效應評價試驗，模擬軌道帶電粒子的輻射效應。目前採取 的模擬方法，一為使用 6°C〇Y射線模擬透鏡輻射效應，該方法選擇6°C〇Y射線的輻照劑量時 沒有考慮低能帶電粒子對膜層的損傷，同時基底材料中的吸收劑量遠大於在軌實際劑量； 另一種方法是使用電子或質子輻照，由於電子或質子射程有限，該方法只能輻照膜層，不能 考核基底材料的福照損傷。
【發明內容】
[0004] 有鑑於此，本發明提供了一種太空飛行器用鍍膜光學透鏡電離輻射效應試驗方法，能 夠有效模擬鍍膜光學透鏡在軌帶電粒子的輻射效應，可應用於太空飛行器用鍍膜光學透鏡的輻 射性能評價。
[0005] 本發明的太空飛行器用鍍膜光學透鏡電離輻射效應試驗方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1，在軌環境輻照劑量-沉積深度分布計算：根據給定軌道、任務壽命，選擇相 應的軌道粒子輻射模型，計算軌道粒子輻射劑量與粒子在鍍膜光學透鏡中沉積深度的關係 曲線C ;
[0007] 步驟2,初步選擇用於地面輻照試驗的輻射源，包括電子和6°Co Y射線；
[0008] 其中，所選電子的能量E為該能量E下的電子射程儘量等於鍍膜光學透鏡膜層厚 度，所選電子的輻照注量為所述能量E的電子在膜層表面的劑量達到在軌劑量Q的70%，所 述在軌劑量Q為關係曲線C中沉積深度為0時對應的軌道粒子輻射劑量；
[0009] 所選6°Co γ射線的輻射劑量為6°Co γ射線在膜層表面的劑量達到所述在軌劑量Q 的 30% ;
[0010] 步驟3,分別採用步驟2選定的電子和6°Co γ射線對鍍膜光學透鏡進行輻照，獲得 電子輻照劑量與電子在鍍膜光學透鏡中沉積深度的關係曲線C1，以及6°Co γ射線輻照劑量 與6°Co γ射線在鍍膜光學透鏡中沉積深度的關係曲線C2 ;
[0011] 步驟4,將關係曲線C1和關係曲線C2疊加，並將疊加後的曲線C3與步驟1獲得的 關係曲線C進行對比，調節電子的輻照注量和6°Co γ射線輻照劑量，使疊加後的曲線C3與 關係曲線C在膜層處儘量重合；
[0012] 步驟5,採用步驟4最終確定的電子和6°Co γ射線進行地面輻照試驗。
[0013] 有益效果：
[0014] 本發明綜合考慮鍍膜光學透鏡膜層和基底材料的電離輻射效應，運用電子和 6°Co γ射線分別對鍍膜光學透鏡進行輻照，然後將輻照結果進行疊加，模擬空間輻照在鍍膜 光學透鏡中的輻照劑量-沉積深度分布，從而全面考核光學透鏡的耐空間輻射能力。
[0015] 由於電子在材料膜層中的沉積速率很快，選擇射程儘可能接近膜層厚度的電子能 量，使得電子儘可能沉積在膜層中。同時，由於膜層的輻射效應主要由軌道帶電粒子中的低 能部分貢獻，其中電子佔主要部分，電子輻照劑量為在軌膜表面劑量的70%。
[0016] 考慮到低能帶電粒子對膜層的損傷，本發明將6°C〇Y射線的輻射劑量選擇為 6°Co γ射線在膜層表面的劑量為在軌劑量Q的30 %，並非按照現有技術選擇的膜層表面對 應的在軌劑量，從而降低了低能帶電粒子對膜層的損傷，由於6°C〇Y射線輻照劑量的降低， 同時也解決了基底材料中的吸收劑量遠大於在軌實際劑量的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1為K509玻璃基鍍膜透鏡地面與軌道輻照劑量一深度對比圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。
[0019] 本發明提供了一種太空飛行器用鍍膜光學透鏡電離輻射效應試驗方法，綜合考慮鍍膜 光學透鏡膜層和基底材料的電離輻射效應，分別採用電子和6°Co Y射線進行輻照的方法來 模擬空間輻照在透鏡中的輻照劑量-沉積深度分布，從而有效模擬在軌空間電離輻射。具 體步驟如下：
[0020] 步驟1，在軌環境輻照劑量-沉積深度分布計算
[0021] 根據給定軌道、任務壽命，選擇相應的軌道粒子輻射模型，計算軌道環境中的帶電 粒子在透鏡中的輻照劑量-沉積深度分布，並給出在軌環境輻照劑量-沉積深度分布曲線， 即軌道粒子輻射劑量與粒子在鍍膜光學透鏡中沉積深度的關係曲線C，如圖1中的曲線② 所示。
[0022] 地面模擬試驗以在軌環境輻照劑量-沉積深度分布曲線C為模擬依據。
[0023] 步驟2,輻照源選擇
[0024] (1)針對膜層的輻射效應
[0025] 膜層的輻射效應主要由軌道帶電粒子中的低能部分貢獻，其中電子佔主要部分； 此外電子由加速器產生，能量易於選擇，因此針對膜層選擇電子為模擬源。
[0026] (2)針對透鏡整體的輻射效應
[0027] 透鏡整體厚度一般為毫米量級，電子、質子的能量範圍有限，難以實現對透鏡整體 的模擬。 6°C〇Y射線穿透能力強，無論是大的材料樣品還是電子器件，都無需進行其他的處 理，可以在較大的面積範圍內進行輻照，其輻照影響是對整體的影響，因此針對透鏡整體選 擇 6°C〇Y射線為模擬源。
[0028] 步驟3,輻照參數選擇
[0029] 輻照參數選擇的原則為，選取相應的電子輻照能量、注量和6°Co Y射線劑量，使材 料膜層中的輻照劑量-沉積深度分布曲線與實際在軌空間輻照情況接近（即與步驟1獲得 的在軌環境輻照劑量-沉積深度分布曲線C接近），同時減小基底材料接受的輻射劑量。由 於電子和6°C〇Y射線模擬的均為材料的電離輻射效應，輻照能量沉積具有累加性，可以先 分別計算出電子和 6°Co Y射線在材料中的輻照劑量-沉積深度分布，然後將同一深度處的 輻照劑量進行累加，最後計算出總的輻照劑量-沉積深度分布。
[0030] (1)電子輻照能量
[0031] 如圖1中的曲線①所示，電子在材料膜層中的沉積速率很快，如果電子能量過高， 電子的射程將超過膜層，在膜層以外的能量傳遞不會對膜層的光學性能產生影響，因此應 選擇射程儘可能接近膜層厚度的電子能量，使得電子儘可能沉積在膜層中。
[0032] (2)電子輻照注量
[0033] 考慮到6°Co Y射線輻照也會在膜層中沉積，選擇上述能量的電子的電子輻照注量 為：其在膜層表面的劑量為膜層表面在軌劑量的70%。
[0034] (3)6°C〇Y射線輻照劑量
[0035] 如圖1中的曲線④所示，6°Co Y射線輻照在鍍膜光學透鏡中的穿透能力強，6°Co Y 射線在材料中的輻照劑量不隨沉積深度的增加而減小，因此，選擇6°Co γ射線的輻射劑量 為：其在膜層表面的劑量為膜層表面在軌劑量的30%。這樣，膜層的輻照劑量為電子輻照 劑量與 6°Co γ射線輻射劑量之和，基底材料的輻照劑量為膜層表面在軌劑量的30%，降低 了現有方法中採用膜層表面100%在軌劑量的6°C〇Y射線輻照，更接近於真實在軌輻照情 況。
[0036] (4)電子輻照注量和6°Co Y射線輻照劑量調節
[0037] 分別採用選定的電子和6°Co Y射線對鍍膜光學透鏡進行輻照，獲得電子輻照劑量 與電子在鍍膜光學透鏡中沉積深度的關係曲線C1，以及6°C〇Y射線輻照劑量與6°C〇Y射線 在鍍膜光學透鏡中沉積深度的關係曲線C2。
[0038] 將電子輻照和6°Co γ射線輻照在材料中的輻照劑量-沉積深度分布曲線進行疊加 (C1和C2疊加），獲得疊加後的關係曲線C3 (圖1中的曲線③），並將C3與軌道帶電粒子在 光學透鏡膜層中的劑量-深度分布關係曲線C進行對比，調節電子輻照注量和6°Co γ射線 輻照劑量，使材料膜層中的輻照劑量-沉積深度分布與真實在軌空間輻照接近，同時減小 基底材料接受的輻射。
[0039] 步驟4,採用步驟3最終確定的電子和6°Co γ射線進行地面輻照試驗。
[0040] 下面結合K509玻璃基鍍膜透鏡太陽同步軌道5年（軌道高度497km)輻射效應試 驗對該方法進行進一步說明。
[0041] 首先計算軌道帶電粒子輻射在透鏡中的輻照劑量-沉積深度分布，然後選擇 50keV電子和6°Co γ射線，調整其輻照注量及劑量，並計算二者在K509透鏡中的輻照劑 量-沉積深度分布之和，與在軌輻射劑量-沉積深度進行對比，使材料膜層中的輻照劑 量-沉積深度分布與空間接近，同時減小基底材料接受的輻射劑量。確定的試驗參數見表 1。圖1為K509玻璃基鍍膜透鏡地面與軌道輻照劑量-沉積深度對比，由圖可見，單獨使用 電子（曲線①）或 6°Co Y射線（曲線④）均與在軌輻射（曲線②）有較大差別，而50keV 電子和6°C〇y射線共同作用（曲線③），既充分考核了膜層的輻射效應，也使基底材料的輻 射劑量與軌道劑量更為接近。
[0042] 表1.電子、6°C〇Y射線順序輻照試驗參數表
[0043]
【權利要求】
1. 一種太空飛行器用鍍膜光學透鏡電離輻射效應試驗方法，其特徵在於，包括如下步驟： 步驟1，在軌環境輻照劑量-沉積深度分布計算：根據給定軌道、任務壽命，選擇相應的 軌道粒子輻射模型，計算軌道粒子輻射劑量與粒子在鍍膜光學透鏡中沉積深度的關係曲線 C； 步驟2,初步選擇用於地面輻照試驗的輻射源，包括電子和6°C〇y射線； 其中，所選電子的能量E為該能量E下的電子射程儘量等於鍍膜光學透鏡膜層厚度，所 選電子的輻照注量為所述能量E的電子在膜層表面的劑量達到在軌劑量Q的70%，所述在 軌劑量Q為關係曲線C中沉積深度為0時對應的軌道粒子輻射劑量； 所選6°C〇y射線的輻射劑量為6°C〇y射線在膜層表面的劑量達到所述在軌劑量Q的 30% ； 步驟3,分別採用步驟2選定的電子和6°Co γ射線對鍍膜光學透鏡進行輻照，獲得電 子輻照劑量與電子在鍍膜光學透鏡中沉積深度的關係曲線C1，以及6°Co γ射線輻照劑量與 6°Co γ射線在鍍膜光學透鏡中沉積深度的關係曲線C2 ; 步驟4,將關係曲線C1和關係曲線C2疊加，並將疊加後的曲線C3與步驟1獲得的關係 曲線C進行對比，調節電子的輻照注量和6°Co γ射線輻照劑量，使疊加後的曲線C3與關係 曲線C在膜層處儘量重合； 步驟5,採用步驟4最終確定的電子和6°Co γ射線進行地面輻照試驗。
【文檔編號】G01N23/00GK104280408SQ201410449860
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】田海, 馮展祖, 李雅娟, 郭興, 張劍鋒 申請人:蘭州空間技術物理研究所