Повышение стойкости космических летательных аппаратов к воздействию факторов электризации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ
|
Саенко, Владимир Степанович
АВТОР
|
||||
|
доктора технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1998
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.07
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
УДК 548: 539.12.04 538. 97 - 405
На правах рукописи
САЕНКО Владимир Степанович
ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ФАКТОРОВ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ
Специальность 01.04.07 - физика твердого тела
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва 1998
Работа выполнена в Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете).
Научный консультант Лауреат премии Правительства РФ, заслуженный деятель науки и техники РФ, Д.т.н., профессор
Пожидаев Е.Д.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Акишин А.И.
доктор технических наук, профессор
Савичев В.В.
доктор физико-математических наук, профессор
Сигов А.С.
Ведущая организация: НПО им. С.А. Лавочкина.
Защита состоится 1998 г. в ^ часов на заседании
диссертационного Совета Д.063.68.04 в Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете) по адресу: 109028, Москва, Б. Трехснятительский пер., д.3/12.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭМ.
Автореферат разослан "_
.1998 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н.
Ю.И.Сезонов
Актуальность темы. Космические летательные аппараты (КЛА) решают в настоящее время много задач военного, специального (например, задачи навигации, мониторинга), научного и потребительского характера (связь, телевидение, служба погоды и др.). Конкурентная борьба на рынке услуг, связанных с освоением околоземного космического пространства, требует новых подходов к компоновке КЛА и к бортовой радиоэлектронной аппаратуре (БРЭА). Стремление увеличить отношение массы полезной нагрузки к общей массе КЛА привело к тому, что на ряде коммерческих искусственных спутников Земли (ИСЗ) разработчики отказались от традиционного метода компоновки БРЭА в термоконтейнерах, имеющих значительную массу. В результате в ИСЗ нового поколения ("Ямал" и др.) растет отношение массы полезной нагрузки к общей массе спутника, но примерно в той же пропорции падает помехозащищенность БРЭА. Что касается самой БРЭА, то расширение ее функциональных возможностей с одновременным уменьшением массо-габаритных показателей и снижением энергопотребления приводит к необходимости применения в ее составе новой элементной базы, отвечающей этим требованиям, но, к сожалению, более чувствительной к электромагнитным помехам.
Указанные обстоятельства на одно из первых мест в задаче повышения ресурса активного функционирования и бесперебойной работы КЛА на орбите выдвигают проблему защиты его систем от поражающих факторов электризации. К таким факторам в первую очередь относятся электростатические разряды на поверхности КЛА, которые возникают в результате накопления статических зарядов на диэлектрических материалах, контактирующих с внешней средой, под воздействием потоков электронов во время геомагнитных возмущений. Время пребывания в таких условиях составляет около 10 % от общего времени эксплуатации. Электростатические разряды (ЭСР) создают электромагнитные помехи, которые приводят к обратимым и необратимым отказам в работе БРЭА. При этом существенно снижается надежность работы и ресурс активного функционирования КЛА.
Решению актуальной проблемы повышения стойкости КЛА к воздействию факторов электризации и посвящена настоящая работа.
Цель работы. Повышение стойкости космических летательных аппаратов к воздействию факторов электризации.
Для достижения поставленной цели необходимо было последовательно решить следующие задачи:
1. Провести анализ причин электризации КЛА, возникновения ЭСР на его поверхности и способов минимизации их последствий.
2. Выполнить анализ процессов объемного заряжения материалов внешней поверхности КЛА при их облучении потоками электронов и определить важнейшие свойства этих материалов, определяющие накопление и сток зарядов го объема на поверхность.
3. Создать комплекс экспериментального оборудования и методик исследования явлений электропереноса в полимерных материалах внешней поверхности КЛА. С помощью этого комплекса провести систематическое изучение явлений электропереноса в полимерных материалах, облучаемых различными видами ионизирующей радиации.
4. На основе экспериментальных и теоретических исследований явлений электропереноса в облучаемых диэлектриках сформулировать критерий выбора полимерных материалов для внешней поверхности КЛА.
5. Разработать структурную электрофизическую модель электризации КЛА и программное обеспечение для ее реализации в любых типах космических аппаратов.
6. На основе проведенных исследований в области радиационной физики диэлектриков и структурного электрофизического моделирования разрядных процессов на реальных КЛА разработать методы и аппаратуру для стендовых испытаний космических аппаратов на стойкость к ЭСР.
Методология работы. Для достижения поставленной целевой задачи в диссертационной работе обосновывается проведение научных изысканий в двух направлениях.
Первое направление работ сопряжено с решением ряда теоретических, экспериментальных и прикладных задач радиационной физики диэлектриков. Конечной целью решения этих задач является исключение возможности протекания электроразрядных процессов за счет научно обоснованного выбора полимерных материалов внешней поверхности КЛА.
Второе направление предполагает создание оборудования, разработку методик и проведение стендовых испытаний КЛА на стойкость к факторам электризации с целью выявления и последующей доработки потенциально ненадежных устройств БРЭА.
Компромисс условий;объединяющий два направления в одно целое, заключается в следующем:
- выбор материалов внешней поверхности КЛА должен обеспечить частоту и мощность ЭСР, не превышающую некоторого порогового уровня;
- БРЭА КЛА должна безотказно работать при этом уровне ЭСР.
Научная новизна работы. На основе проведенного комплекса исследований по изучению явлений электропереноса в облучаемых полимерных диэлектриках проведена ранее отсутствовавшая классификация полимерных материалов по механизму радиационной электропроводности (РЭ) на три группы (свободно-зарядовый механизм РЭ, геминальный механизм РЭ и смешанный механизм РЭ). Разработан количественный критерий, позволяющий отнести полимерный материал к одной из трех групп по механизму РЭ.
Предложена трековая модель РЭ, базирующаяся на классической модели РЭ Роуза-Фаулера-Вайсберга (РФВ) и учитывающая заторможенность процесса рекомбинации зарядов в полимерах с геминальной РЭ. Модель позволяет рассчитать величину РЭ полимера под действием нейтронов и тяжелых заряженных частиц по имеющимся данным РЭ под действием электронов или гамма-квантов.
Разработана структурная электрофизическая модель (СЭМ) электризации КЛА, основанная на представлении его конструкции в виде эквивалентной схемы из Л, Ь и С элементов. При любом ЭСР на внешней поверхности реального КЛА программное обеспечение СЭМ позволяет рассчитать уровень электромагнитной наводки на входе любого электронного блока БРЭА в (гермо)контейнере.
Практическая ценность.
1. Разработан комплекс оригинальных методик измерения РЭ полимерных материалов внешней поверхности КЛА, в том числе материалов экранно-вакуумной теплоизоляции. Разработанные методики вошли составной частью в ОСТ "Материалы полимерные. Методы определения и прогнозирования радиационных свойств".
2. Выполнены измерения РЭ широкой номенклатуры полимерных материалов, используемых в космической технике и ядерной энергетике. Результаты измерений систематизированы и вошли составной частью в официальные справочные издания по применению органических диэлектриков в полях ионизирующих излучений.
3. Сформулирован критерий выбора диэлектрических материалов для внешней поверхности КЛА, основанный на их способности обеспечивать сток заряженных частиц из объема материала на поверхность без электрических разрядов.
4. Разработанная в диссертации СЭМ электризации КЛА изложена в руководстве для конструкторов "Комплексная методология определения параметров электростатической зарядки, электрических полей и пробоев на КЛА в условиях их
радиационной электризации" под ред. Л.С. Новикова и Г.В. Бабкина, ЦНИИ-МАШ, 1995 г. и рекомендована к применению на предприятиях отечественной космической промышленности.
5. Разработан оригинальный метод и комплекс аппаратуры "Дуга-МИЭМ" для проведения стендовых испытаний КЛА на стойкость к факторам электризации. Аппаратура "Дуга-МИЭМ" рекомендована к применению на предприятиях отрасли руководством для конструкторов "Основные правила повышения безопасности космических аппаратов в условиях радиационной электризации" под ред. Г.М.Чернявского, ШНТИ-1-1990.
Основные практические результаты работы использованы при конструировании и испытаниях следующих КЛА и их наиболее уязвимых узлов на предприятиях отрасли:
- ИСЗ "Ямал" - НПО "Энергия";
- 71X6, 5В95 - НПО им. С.А. Лавочкина;
- разгонный блок КЛА "Бриз" - КБ "Химмащ";
- стыковочный узел орбитальной станции "Альфа" - КБ "Салют";
- радиационный холодильник изд.652 и фрагменты БКС для КА серии "Метеор" и "Электро" - ВНИИ Электромеханики.
Разработанная под руководством автора диссертационной работы аппаратура "Дуга-МИЗМ" внедрена и используется для стендовых испытаний КЛА на предприятиях отрасли:
- НПО "Энергия";
- НПО им. С.А. Лавочкина;
- КБ "Полет" г. Омск;
-КБ "Салют".
Технический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на предприятиях отрасли оценивается увеличением ресурса активного функционирования КЛА на орбите в 1,5 ^ 2 раза.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Комплекс экспериментальных методик для исследований явлений электропереноса в полимерных материалах, облучаемых различными видами ионизирующей радиации:
• методика измерения радиационной электропроводности (РЭ) под действием электронов низких энергий (30 ... 80 кэВ) в диапазоне температур (150 ... 520) К;
• методика измерения РЭ под действием электронов с энергией 8 МэВ;
• методика измерения РЭ под действием у-квантов Соео;
• методика измерения РЭ под действием у-п излучения реактора Барс-2;
• методика измерения РЭ при одновременном облучении образца полимера электронами низких энергий и квантами света с 1 эВ < hv < 5 эВ;
• методика определения подвижности избыточных носителей в полимере методом времени пролета.
2. Классификация полимерных материалов по механизму РЭ и количественный критерий, позволяющий определить механизм РЭ в данном полимере (свободнозарядовый, геминальный или смешанный).
3. Трековая модель РЭ, базирующаяся на классической модели РЭ РФВ и учитывающая заторможенность процесса рекомбинации зарядов в полимерах с ге-минальной РЭ,
4. Эффект аномального увеличения темновой электропроводности некоторых полиимидов после их облучении ионизирующей радиацией в вакууме и его связь со строением диангидридной компоненты полимерного звена полиимида.
5. Критерий выбора диэлектрического материала для внешней поверхности ЮТА, основанный на его способности обеспечивать сток заряженных частиц из объема материала на поверхность СЭМ без электрических разрядов.
6. Структурная электрофизическая модель КЛА, основанная на представлении конструкции KJIA в виде эквивалентной схемы из Л, L, С элементов, которая позволяет рассчитать на входе любого электронного блока в (гермо)контейнере уровень импульсной помехи от заданного электростатического разряда на внешней поверхности КЛА.
7. Метод проведения стендовых испытаний КЛА и аппаратура "Дуга-МИЭМ" для его реализации.
Апробация работы. Результаты работы ежегодно докладывались на постоянно действующем Всесоюзном совещании по радиационной стойкости полимерных материалов в условиях открытого космоса с 1979 по 1987 гг. в г. Обнинске, на VII Всесоюзном совещании по радиационной физике органических материалов (г. Новосибирск, 1983 г.), на научной конференции "Ломоносовские чтения" (МГУ, Москва, 1982 г.), на Первом международном совещании стран СЭВ "Радиационная
физика твердого тела" (Сочи, 1989 г.), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Электрическая релаксация и кинетические явления в твердых телах" (Сочи, 1991 г.), на 6-ом международном симпозиуме по материалам космического применения (Нидерланды, 1994 г.).
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, изложены в монографии, двух обзорах, одном учебном пособии, одном руководстве д ля конструкторов, 46 статьях, 4 тезисах докладов на Международных и Всесоюзных конференциях и 5 авторских свидетельствах на изобретения.
Объем работы. Общий объем диссертации - машинописного текста,
включая^^л р. иллюстраций и список цитируемой литературы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 212 работ отечественных и зарубежных авторов.
Основное содержание работы
Глава I. Электризация КЛА и проблемы, связанные с минимизацией ее последствий (обзор литературы)
1.1. Причины электризации КЛА, ЭСР на его поверхности
Открытые поверхности диэлектриков и проводников в космической плазме облучаются потоками частиц и приобретают электростатический потенциал. Величина и знак этого потенциала зависят от природы материала и параметров плазмы. Параметры плазмы определяют величину первичного тока падающих электронов и ионов I, и !ю„, кроме того, результирующий вклад в ток вносят такие процессы, как вторичная электронная эмиссия, обратное рассеяние и (в присутствии солнечного света) фотоэмиссия. Суммарный ток, который приводит к появлению электрического потенциала данной поверхности, определяется выражением
h = Г* -Г. + 1. (S+ri) - 1Ш 8 ton + 1ф (1)
В этом уравнении S и 6 m соответственно - выход электронов вторичной электронной эмиссии при воздействии падающих электронов и падающих ионов, п - выход обратно рассеянных электронов, - излучаемый поверхностью фототок.
Если на низких околоземных орбитах на КЛА воздействует плазма с энергией электронов и ионов порядка (0,1 ... 1) эВ, то на высоких орбитах энергия частиц достигает десятков килоэлектронвольт. Плотность плазмы имеет порядок 106 м 3 частиц. Поверхность КЛА состоит из материалов, способных различным образом накапливать заряды. Поэтому зачастую между соседними элементами КЛА, изго-
товленными из различных материалов, или же между освещенными солнцем и расположенными в тени однородными поверхностями возникает разность потенциалов порядка нескольких киловольт. При такой разности потенциалов происходят мощные электрические разряды, следствием которых являются обратимые и необратимые отказы бортовой РЭА (БРЭА).
Существуют два направления снижения вероятности отказов БРЭА под действием факторов электризации. Первое направление предполагает научно обоснованный выбор диэлектрических материалов внешней поверхности KJ1A для снижения частоты разрядов и уменьшения их мощности до некоторого установленного нормативами уровня. Сейчас этот уровень определен током 100 А при длительности импульса 150 не гаи 1,5 мке и длительности переднего фронта импульса 20 не. В соответствии со вторым направлением БРЭА, устанавливаемая на KJIA, должна безотказно работать при этом уровне электрических разрядов.
1.2. Анализ процессов объемного заряжения материалов внешней поверхности КЛА
При облучении диэлектриков наблюдается накопление объемных зарядов (03), возбуждающих электрическое поле даже в отсутствии внешнего приложенного напряжения. Это происходит вследствие разделения зарядов в результате протекания в облучаемом диэлектрике сторонних токов радиационной природы и образования и стабилизации избыточных зарядов при торможении первичных заряженных частиц. При определенном стечении обстоятельств электрическое поле накопления объемных зарядов может превысить электрическую прочность диэлектрика. В этом случае произойдет внутренний электрический пробой, который может оказать негативное воздействие на БРЭА КЛА. Кроме того, имеются указания на то, что внутренние пробои диэлектриков внешней поверхности КЛА могут являться инициаторами дуговых поверхностных разрядов большей мощности.
С целью выявления электрофизических свойств диэлектрика, ответственных за величину накопленного заряда и вероятность внутренних пробоев при облучении, были выполнены исследования, краткому изложению которых посвящен настоящий анализ.
Были проанализированы два варианта 03 диэлектриков пучками электронов. Первый вариант получил название равномерной по объему высокоэнергетической инжекции (РОВИ). Он предполагает облучение плоской пластины диэлектрика с закороченными электродами пучком электронов такой энергии, что длина их пробега много больше толщины пластины.
Если принять, что мощность дозы электронного излучения постоянна по толщине образца, а скорость инжекции электронов .5'„ = не зависит от ко-
ординаты х , то электрическое поле
Е(х,0= —(х- -®Ф<-~=ееоУр. (2)
Т, 1 тр'
Здесь ур- величина радиационной электропроводности диэлектрика, I - время после начала облучения, б и е0 - диэлектрическая проницаемость образца и электрическая постоянная соответственно, Т„ - плотность тока прошедших образец электронов, 1„~ плотность тока падающих на образец электронов.
Как видно из (2) электрическое поле изменяется линейно внутри образца и экспотенциально во времени. Максимальные значения поля реализуются у электродов и равны
(3)
р
Из (3) видно, что единственным электрофизическим свойством диэлектрика, ограничивающим внутреннее электрическое поле при РОВИ, является радиационная электропроводность этого диэлектрика.
Второй вариант ОЗ диэлектрика предполагает, что толщина пластины диэлектрика превышает величину экстраполированного пробега электронов в этом диэлектрике. Таким образом, все электроны пучка (за исключением отраженных) термализуются в образце.
Если оставить в силе предположение о постоянной мощности дозы излучения на всем пути торможения электронов в диэлектрике, а также предположить, что все электроны останавливаются на одном и том же расстоянии от поверхности, то напряженность электрического поля внутри материала можно определить из выражения
Е =
Г,
1 - ехр| -
(4)
Максимальное доле Е = —. (5)
У/
Сравнивая (3) и (5) можно сделать вывод о том, что второй случай ОЗ является более жестким с точки зрения эксплуатации диэлектриков в полях ионизирующей радиации, а предыдущий вывод о том, что радиационная электропроводность
диэлектрика контролирует величину электрического поля при его облучении, вполне правомерен.
Выводы по I главе.
1. При облучении потоками заряженных частиц диэлектриков происходит объемное заряжение последних.
2. Радиационная электропроводность является основным электрофизическим свойством диэлектрика, контролирующим процесс его объемного заряжения при облучении.
3. Для разработки критерия выбора материалов внешней поверхности КЛА необходимо тщательное изучение особенностей РЭ этих материалов под действием ионизирующих излучений различных видов в широком диапазоне внешних воздействий (температура, вакуум, освещенность).
Глава И. Исследования радиационной электропроводности полимеров под действием ионизирующих излучений различных видов
Полимерные материалы внешней поверхности КЛА подвергаются воздействию естественных ионизирующих изучений электронного и протонного, а также могут подвергаться воздействию искусственных у и у-п излучений. В настоящей главе изложены результаты экспериментального и теоретического изучения радиационной электропроводности полимерных материалов под действием ионизирующих излучений различных видов при импульсном и непрерывном облучении в вакууме. Для проведения этих работ был создан целый ряд исследовательских установок и методик изучения явлений электропереноса в облучаемых полимерных диэлектриках.
Установка для исследования РИЭ полимеров под действием низкоэнергетических электронов. Основа лабораторной установки для исследований обратимых радиационных эффектов в полимерах - электронно-лучевой агрегат для микросварки ЭЛА-50/5. Энергия электронов 30 - 60 кэВ, мощность дозы электронного излучения от 103 до 107 Гр/с, доза за импульс от 0,1 до 4-10" Гр, длительность импульса от 2 мкс до 10 мс. Отличительной чертой разработанной установки является схема компенсации радиационной наводки. Применение этой схемы позволило резко (на два порядка) увеличить чувствительность разработапного метода по сравнению с существующими. Устройство для измерения защищено АС на изобретение.
Установка для исследования РЭ полимеров под действием электронов низких энергий. Основа лабораторной установки - электронный микроскоп ЭМ-14. Энер-
гия электронов 40 - 80 кзВ, мощность дозы электронного излучения 1 - 104 Гр/с. В установке сохранен важнейший параметр электронного микроскопа - высокая стабильность пучка электронов.
Установка для исследования РЭ полимеров под действием у-квантов Со60 представляет собой маслонаполненную измерительную ячейку на три образца с кабелем для дистанционных измерений и измерительную стойку, включающую в себя источник постоянного напряжения, коммутатор образцов и самопишущий прибор с образцовым резистором. Мощность дозы ионизирующего излучения определяется источником Со60 ив наших экспериментах составляла 0,04 ... 4 Гр/с. Применение маслонаполненной ячейки позволило обеспечить условие электронного равновесия при измерениях и высокую напряженность поля в образцах.
Установка для исследования РИЭ полимеров под действием импульсного гамма-нейтронного излучения впервые в практике подобных измерений представляет собой вакуумируемую измерительную ячейку. Источник у-п излучения - импульсный реактор Барс-2. На устройство для измерения получено АС на изобретение.
Установка для исследования РИЭ полимеров под действием электронов с энергией 8 МэВ представляет собой вакуумируемую измерительную ячейку и схему измерения. Тщательная проработка конструкции установки и процедуры измерений позволили избежать аномальных результатов, рацее имевших место при подобных исследованиях.
Анализ литературных данных по РЭ полимерных материалов показал, что результаты исследований, представленные различными авторами, для одного и того же материала часто имеют существенные отличия. Иногда такие результаты невозможно сравнивать, так как они были получены либо при различных параметрах источников ионизирующих излучений (длительность импульса радиации, форма импульса, мощность поглощенной дозы и т.д.), либо при различных электрических полях в образцах полимеров. Поэтому представляло практический и научный интерес проведение сравнительных исследований РЭ под действием ионизирующих излучений различных видов. Важно подчеркнуть, что сравнительные исследования РЭ очень желательно проводить на одних и тех же образцах полимеров. В этом случае точность проведения сравнительных исследований определяется, как правило, точностью дозиметрии.
На разработанных установках были выполнены такие сравнительные исследования РИЭ полимерных материалов. Основные результаты этих исследований
сведены я таблицу 1. В таблице 1 приведены значения параметра Кр нестационарной радиационной электропроводности, приведенной к единице мощности дозы
где - радиационная электропроводность, измеренная в конце импульса излучения, Ом• м;
- мощность дозы излучения, Гр • с"1.
Таблица 1.
Результаты сравнительных исследований НРЭ, индуцируемой импульсами электронного и у-л излучений
№ л/а Полимер К>10 ",Ом-' мТр'с
Электроны, т„=2,5 мкс Электроны т „ =100 мкс у -нейтроны, т„=100 мкс
ЗОкэВ 65 кэВ 8 мэВ 50кэВ Е„=1,6 мэВ
1 Полизтилентерефталат (ПЭТФ) 2,0 2,0 2,2 7 1,2
2 Полистирол (ПС) - - - 3,2 0,9
3 Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) 1,1 1,1 1,0 1,0 0,9
4 Полипропилен (ПП) - - - 0,28 0,26
5 Полиметюшетакрилаг 0,08 0,08 0,07 - -
6 Полиамид (ПА) - - - 0,4 0,38
7 Политетрафторэтилен (ПТФЭ) - - - 2,2 1,9
Из таблицы 1 видно, что значение параметра Кр при прочих равных условиях не зависит от энергии электронов в диапазоне 30 кэВ - 8 МэВ. Сравнение же РИЭ, индуцируемой электронами с одной стороны и у-п излучением с другой, показывает значительные различия в параметре РИЭ Кг Для выявления причин таких расхождений в величине Кр были выполнены сравнительные исследования радиационной электропроводности полимеров под действием низкоэнергетического электронного (60 кэВ), гамма-излучения Со60 и протонного излучения (7,7 МэВ). Результаты сравнительных исследований помещены в таблицу 2. Согласно общепринятым представлениям радиационная электропроводность при непрерывном облучении
Тр=лтлЛ
где Ат - параметр, характеризующий материал, при Д = 1 Ат = Кр\
Л - показатель степени, 0,5 < Д < 1, определяется материалом образца; Ro - мощность дозы излучения (R„ = const).
Таблица 2
Результаты сравнительных исследований РЭ полимеров при непрерывном облучении электронами (Ее = 60 кэВ), гамма-квантами (Со50) и протонами (Е^, = 7,7 МэВ)
№ -^т(г) Дп(е)
п/п Полимер A„w, Ом-' м-'(Гр»с)л Ат(р) В,
1 Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) 1,33 х ю-'3 1,0 5,5 5,2
2 Полистирол (ПС) 6,03 х 1013 1,0 3,0 2,9
3 Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) 1,35 х Ю-'2 1,0 1,2 1,1
4 Полипиромеллитимид (ППМИ), Kapton 0,83 х 10"» 1,0 1,8 1,8
5 Полиметилметакрилат (ПММА) 2 х 10 м 1,0 1,0 1,0
6 Поликарбанат (ПК) 5 х 10"» 1,0 1,0 1,0
Измерения РЭ проведены в рабочей камере электронного микроскопа ЭМ-14 в вакууме ~ 102 Па при воздействии ускоренных электронов с энергией 60 кэВ (установка МИЭМ), протонов с энергией 7,7 МэВ (циклотрон У-150 НИИЯФ), и гамма-квантов Со60. Образцы полимеров вырезались из технической пленки и представляли собой диски диаметром 40 мм; электроды из серебра диаметром 30 мм наносили методом термического распыления серебра в вакууме. Толщина образцов выбиралась в пределах 10 ... 30 мкм. Для исключения дозовых эффектов каждое облучение проводили на свежем образце.
Как видно из таблицы 2, значения параметра материала Ат совпадают для всех исследованных полимеров при их облучении электронами и у -квантами Со60. При протонном^как и при импульсном у-п облучении значения радиационной электропроводности для большинства параметров существенно ниже, чем при воздействии электронов и гамма-квантов.
Результаты сравнительных исследований РЭ полимеров под действием ионизирующих излучений различных видов проанализированы в диссертационной ра-
боте более подробно именно для случая несовпадающих значений РЭ. Известно, что в радиационном плане (выходы радикальных, молекулярных и заряженных продуктов радиолиза в конденсированной фазе) облучение ускоренными электронами и у-квантами эквивалентно. Это доказывают и результаты наших исследований (см. таблицу 2). Эквивалентность электронов с энергией 30 кэВ, 65 кэВ и 8 МэВ с точки зрения возбуждения радиационно-импульсной электропроводности полимеров также доказана нами экспериментально (см. таблицу 1). Таким образом, гамма-компонента у-л импульса по своему ионизационному эффекту Эквивалентна импульсу электронов с той же длительностью и мощностью дозы.
Вопрос о роли нейтронной компоненты в общем сигнале НРЭ гораздо сложнее. Основной ионизационный эффект при облучении водородсодержащих полимеров приходится на протоны отдачи. Так, в нашем случае, доля энергии, передаваемая быстрыми нейтронами полипропилену (ГШ) при упругом рассеянии на водороде, составляет 90 - 95 % суммарной поглощенной энергии. Средняя энергия протонов отдачи равна половине энергии рассеивающихся нейтронов, в нашем случае средняя энергия протонов отдачи равна 0,8 МэВ. Аналогичная ситуация имеет место при облучении нейтронами полимеров, которые в своем составе не содержат атомов водорода. Вместо протопов основной вклад в ионизацию дают ядра отдачи, как это происходит при облучении ПТФЭ.
Для интерпретации полученных в настоящей главе результатов экспериментальных исследований РЭ полимерных материалов была использована модель Ро-уза-Фаулера-Вайсберга, основанная на квазизонных представлениях о движении носителей заряда в присутствии многочисленных, распределенных по энергии ловушек.
Базовая система дифференциальных уравнений, лежащих в основе этой модели, имеет вид
¿N(1) Л
"м.
= gll-kpN0W(tl
дг
(6)
о
При г = 0 ЩО) = Щ0) = 0 и р(£ ,0) = 0. По определению ГО уДО = е В
этой системе Л'(() - полная концентрация электронов, N„(0 - концентрация электронов в проводящем состоянии с микроскопической подвижностью gí, - ско-
рость объемной генерации электронов (в процессе облучения принимается постоянной); кр - коэффициент объемной рекомбинации подвижных электронов с неподвижными дырками, выступающими в качестве центров рекомбинации; М„ - суммарная концентрация ловушек, экспоненциально распределенных по энергии (5>0 и отсчитьшается вниз ото дна зоны проводимости); Ti - параметр распределения, Т - температура, функция р(£ ,1) описывает зависящую от времени плотность распределения захваченных электронов; кз - константа скорости захвата подвижных электронов; v0 - эффективный частотный фактор; /с - постоянная Больцмана; е -элементарный электрический заряд.
Строгое аналитическое решение системы (6) выполнено В.И. Архиповым, а численный анализ проведен А.П. Тютневым и Г. С. Мингалеевым.
Система (6) полностью определяется заданием четырех критериальных чисел: а - T/Ti - дисперсионный параметр, у = кз/кР, (3 = (voto)1, где х0 = (кзМ0)"' и б = кр8°х °2-
Первые два критериальных числа ответственны за форму кривой переходного тока (при а < 1 и у < 1 она имеет максимум при t - tm как видно из рис. 2). Причем из решения (6) следует, что
ypJm = D(a)^, (7)
кр
где D(a) - коэффициент порядка единицы для а > 0,5 и D(а) « а для а < 0,2.
До настоящей работы общепринятым считался механизм рекомбинации за-
Q
рядов в полимерах по Ланжевену к. --ц„, где ее0 - абсолютная диэлектрическая
проницаемость полимера. Для этого механизма рекомбинации выражение (7) сводится к более простому
yPJm = Щa)es„. (8)
Отсюда
~ Чрт*т .
D(a К ' (9)
урт и ím - величины, экспериментально измеряемые по разработанной в диссертации методике, а е - вычисленное по этим параметрам значение относительной диэлектрической проницаемости полимера.
Если е = б, то в полимере при облучении осуществляется свободнозарядо-вый механизм транспорта носителей заряда и имеет место Ланжевеновский меха-
низм рекомбинации. Для случая s >> е в полимерах реализуется геминальная проводимость, и рекомбинация характеризуется значительной заторможенностью.
Этот количественный критерий, определяющий механизм транспорта носителей заряда и механизм их рекомбинации в облучаемых полимерах, позволил с новых позиций подойти к объяснению результатов сравнительных исследований РЭ полимеров под действием электронов и гамма-квантов с одной стороны и нейтронов и тяжелых заряженных частиц с другой.
Основное различие в воздействии этих излучений на полимеры заключается в том, что электроны и гамма-кванты создают электронно-дырочпые пары равномерно по облучаемому объему, а нейтроны и тяжелые заряженные частицы проводят ионизацию в треках, занимающих незначительную часть объема полимера. Естественно, плотность ионизации в треках очень высока. Наиболее детально вопрос о радиальном распределении плотности ионизации (т.е. электронно-дырочных пар) рассмотрен е работах Митерева A.M. и Каплана И.Г. Показано, что плотность ионизации особенно высока в сердцевине трека (ее радиус 1 ... 2 нм) и гораздо ниже (в 100 раз) в оболочке, которая имеет радиус в несколько десятков нанометров. Причем на долю сердцевины трека приходится до 70 % общего числа генеризиро-ванных зарядов. Используя дапные работ И.Г. Каплана и A.M. Митерева, можно показать,.что средняя плотность зарядов в сердцевине трека протона с энергией 0,5 МэВ (такую среднюю энергию имеют протоны при облучении водородсодер-жащих полимеров нейтронами спектра деления со средней энергией 1 МэВ) составит 2,5 х 1026 м-3. Для оболочки трека это значение 0,5 х 1024 м 3.
Изложенные представления о структуре трека тяжелых заряженных частиц легли в основу трековой модели РЭ, позволяющей объяснить более низкие значения РЭ для полимеров со свободнозарядовым механизмом при их облучении нейтронами и тяжелыми заряженными частицами по сравнению со значениями РЭ под действием электронов и гамма-квантов.
Действительно, анализ системы уравнений (6) показывает, что при переходе от одного вида излучения к другому происходит изменение только одного параметра, а именно генерационного члена g„. Так, времена захвата и высвобождения носителей заряда определяются исключительно свойствами полимерной матрицы, ее составом и структурой. Подвижность этих носителей также зависит только от свойств исследуемого полимера. Поэтому следует ожидать одинаковых значений РЭ полимера для излучений различных видов, если в результате воздействия этих излучений, имеющих одинаковую мощность дозы, в единице объема полимера ге-
нерируется одинаковое количество носителей заряда, способных двигаться под действием электрического поля. Однако при сравнении пространственно-временного распределения зарядов, создаваемых при облучении полимера электронами и протонами, можно сделать следующие выводы.
1. При облучении полимера электронами сравнительно равномерно по всему облучаемому объему создаются электронно-дырочные пары, диссоциация или рекомбинация в которых происходит по механизму Онзагера, причем с увеличением напряженности приложенного к образцу внешнего поля растет вероятность диссоциации таких пар. Генерационный член go в этом случае определяет скорость образования свободных носителей заряда, способных двигаться под действием внешнего поля и давать вклад в радиационный ток.
2. При облучении полимера протонами (или другими тяжелыми заряженными частицами) в его объеме создаются треки с очень высокой плотностью ионизации (~ 0,5 х 10м м3), в которых в течение сотен наносекунд происходит рекомбинация значительной доли созданных излучением зарядов, после чего в системе остаются только свободные электроны и дырки, не коррелированные в своем дальнейшем движении друг с другом. Таким образом, для случая протонного излучения генерационный член go будет определять уже не скорость образования носителей заряда при диссоциации электронно-дырочных пар, а скорость их выхода из треков тяжелых заряженных частиц.
Поскольку экспериментальные исследования (таблицы 1 и таблицы 2) показывают как совпадающие значения РЭ (для полимеров с геминальной проводимостью), так и различные значения (в случае реализации в полимере свободнозарядо-вого механизма РЭ), было необходимо разработать методику расчета величины РЭ под действием одного вида излучения (например, протонного) по имеющимся данным о величине РЭ под действием другого вида излучения (например, электронного).
С этой целью необходимо было рассмотреть эволюцию зарядов в треке тяжелой заряженной частицы сразу после их генерации.
Для малых времен жизни квазисвободных электронов до захвата (То=10"и... 1012 с) влиянием собственного электрического поля в треке можно пренебречь. Время генерации отдельного трека протона или а-частицы очень мало и может считаться мгновенным. Если обозначить через п0 общее число мгновенно генерированных электронов, а через л и т - текущие значения концентрации квазисвободных электронов и ионов, выступающих в качестве центров рекомбинации,
то справедливы следующие уравнения, описывающие временную эволюцию зарядов в треке:
йп „,. п , — = л05(/)---крггпт]
Ш го
~- = п„8(1) - кре/1т, при I = 0, п - т~ 0. (10)
Эффективный сдвиг носителей заряда в единичном электрическом поле определяется как
Иол-
При отсутствии рекомбинации (кр„ - 0) р0т„ = ЦоТо. В общем случае система не решается. Учитывая, что т - п + п (л - концентрация захваченных на ловушки электронов) и п > 0, то т > п. Поэтому, заменяя в первом уравнении системы (10) т на п, мы тем самым снижаем рекомбинационные потери квазисвободных электронов и получаем (после расцепления системы уравнений) следующую оценку сверху:
1+кргЛ7„ 1-ехр|
1п(1 +от)
отсюда \10г0 < рот»—---, где а = к-^лхо, р<.То и \10т0 - эффективный сдвиг носителей заряда в единичном поле при облучении электронами и протонами соответственно.
и т
Если обозначить через В) = -Р2-2- параметр, характеризующий снижение выхода зарядов из трека тяжелой заряженной частицы (» = р для протонов, г = а для а-частиц) по сравнению с выходом зарядов при электронном облучении, то всегда
й«—-—. (11) ' 1п(1+ а) 1 '
Таким образом, РЭ полимера под действием тяжелых заряженных частиц будет меньше РЭ под действием электронов в
В, = ———-^ раз- (12)
6Т1 ц т
Если обозначить а! = — ° , то выражение (12) примет вид
. е (13)
V е.
Анализ выражения (13) показывает, что для полимеров с геминальной проводимостью, для которых е >> 1, В1 » 1; для полимеров, проводимость которых обеспечивается свободными зарядами и б = е, Д определяется без подгоночных параметров, если известна средняя концентрация зарядов в треке л0 и эффективный сдвиг подвижных зарядов в единичном поле ц.<,го. Последний параметр определен в настоящей диссертации экспериментально для большинства исследованных полимеров.
В таблице 2 приведены расчетные значения В} и отношение экспериментально измеренных значений РЭ при протонном и электронном излучениях. Почти совА
падающие значения Вр и -—- позволяют сделать вывод о применимости разрабо-
Лтр
танной трековой модели электропроводности для расчета РЭ под действием одного вида излучения (например, протонного) по имеющимся данным для РЭ под действием другого вида излучения (например, электронного).
Выводы по II главе.
1. Создано оборудование и разработан ряд оригинальных методик для исследования явлений электропереноса в облучаемых диэлектриках:
- установка для исследования РИЭ полимеров под действием электронов шгашх энергий;
- установка для исследования РЭ полимеров под действием электронов низких энергий;
- установка для исследования РЭ полимеров под действием у-квантов Со60;
- установка для исследования РЭ полимеров под действием импульсов у-нейтронного излучения;
- установка для исследования РИЭ полимеров под действием электронов с энергией 8 МэВ.
2. С помощью разработанных методик были выполнены комплексные исследования радиационной электропроводности полимерных материалов в широком
диапазоне температур (150 520) К и параметров воздействия (длительность воздействия от 40 не до непрерывного облучения, мощность дозы от 0,1 Гр/с до 106 Гр/с).
3. Проведена ранее отсутствовавшая классификация изученных полимерных материалов по механизму радиационной электропроводности:
- в полимерах первой группы (ПЭТФ, ПС, ППМИ) электропроводность обеспечивается свободными зарядами и е = е ;
- в полимерах второй группы (ПП, ПОД, ...) электропроводность обеспечивается за счет геминальных пар ив« Е ;
- вклад в электропроводность полимеров третьей группы вносят оба механизма.
4. Предложена трековая модель РЭ полимеров, позволяющая объяснить более низкие значения РЭ для полимеров I группы при их облучении нейтронами и тяжелыми заряженными частицами по сравнению со значениями РЭ под действием электронов и гамма-квантов. Модель базируется на классической модели Роуза-Фаулера-Вайсберга, учитывает заторможенность процесса рекомбинации зарядов в полимерах с геминалъной РЭ по сравнению с Ланжевеновским механизмом рекомбинации и позволяет рассчитать РЭ под действием одного вида излучения по имеющимся данным для другого вида излучения.
Глава III. Критерии выбора полимерных материалов внешней поверхности КЛА
Анализ литературных данных показал, что в настоящее время отсутствует надежный критерий, позволяющий отнести тот или иной полимерный материал к числу материалов, обладающих абсолютной способностью противостоять возникновению ЭСР. К.К. Пурвис, Г.Б. Гаррет и др. в работе "Указания по проектированию КЛА для оценки и контроля офектов электризации" (NASA - NR - 2361, Sept. 1984, перевод и редакция Е.П. Морозова, ЦНИИ МАШ, 1990) в качестве такого критерия предлагают использовать максимальную величину электрического поля Ems*, которая может быть достигнута при облучении полимера потоком электронов с плотностью тока /„, или отвечающую этому полю РЭ у в соответствии с выражением
£ти=-^<2-107в/м. (14)
У prain
Следует отметить, что электрическая прочность пленочных полимерных материалов соответствует приведенному значению даже для характерных на КЛА площадей покрытий порядка 10 мг.
Однако более детальный анализ предложенного критерия показывает, что это всего лишь физически обоснованные оценки электрического поля сверху и РЭ полимера снизу, к которым нужно стремиться при выборе материала внешней поверхности. Дело в том, что отклик РЭ на ступенчатое воздействие ионизирующего излучения имеет сложный вид, представленный на рис. 1. Если подставить в выражение (14) характерное значение плотности тока во время суббури 510"6 А/м2, то получим значение урть = 2,5-10" Ом:' м '.
Рис. 1. Зависимость РЭ полимера от времени облучения; | - начало облучения; | - конец облучения.
Пользуясь данными таблицы 2, можно подсчитать, что максимальная радиационная электропроводность ПЭТФ в этих условиях составит уготФтм = Am'Rt&& 6,7 х 1013 Ом >м1 (Апэтф = 1), что вполне отвечает услов июурпэтФта* £ у pmin. Однако, уже при дозе Дс = 103 Гр ( что отвечает времени 200 с при R,— 5 Гр/с) у рпэтф падает вдвое, а при дозе Re = 104 Гр становится такой низкой, что критерий (14) уже не выполняется.
Как показано в диссертационной работе, температурная зависимость РЭ полимерных материалов в диапазоне 150 К - 520 К характеризуется либо одной, либо двумя значениями эффективной энергии активации. Причем для всех полимеров их радиационная электропроводность при 150 К гораздо ниже, чем при стандартной температуре 298 К. Это обстоятельство только увеличивает риск возможных электростатических разрядов во всех исследованных полимерах при пониженных температурах.
В литературе неоднократно сообщалось о неаддитивном вкладе света и радиации в радиационный эффект в полимерах. С целью проверки применимости этих представлений к обратимому увеличению электропроводности полимеров в диссертационной работе были выполнены исследования по одновременному воздействию низкоэнергетического электронного излучения и света с длиной волны от 200 нм до 1000 нм. Показано, что воздействие квантов света не приводит к увеличению РЭ, индуцируемой низкоэнергетическими электронами. При значительной интенсивности света радиационная электропроводность увеличивается только за счет обычного разогрева полимерного образца. Таким образом, в условиях эксплуатации КЛА отсутствуют физические факторы (за исключением повышенной температуры), способные в значительной степени увеличить радиационную электропроводность полимерных материалов внешней поверхности.
В ходе выполнения диссертационной работы были проведены исследования радиационной электропроводности широкой номенклатуры полимерных материалов (более 100 полимеров и их модификаций), в том числе полимерных материалов, которые используются в качестве материалов внешней поверхности КЛА. Оказалось, что все без исключения полимеры не отвечают критерию (14).
Однако при исследовании электропроводности полиимидов под действием электронов низких энергий было обнаружено, что резко (на несколько порядков) возрастает пострадиационная электропроводность полиамида ПИ-1 (полипиромеллитимид) и сохраняется на этом уровне длительное время. Ранее об этом эффекте сообщалось в работах Казакова О.Г. и Сичкаря В.П. (облучение ПИ-1 у -квантами Со60) и Анненкова Ю.М. и Шеленина A.A. (облучение ПИ-1 протонами). Этот эффект иллюстрируется кривой рис. 2.
Рис. 2. Зависимость электропроводности полимеров от времени облучения в вакууме; } - начало облучения, I - конец облучения.
При облучении ПИ-1 до дозы 105... 107 Гр его электропроводность возрастает на 6 - 7 порядков и после облучения сохраняет свое высокое значение, если облученный полимер выдерживать без напуска воздуха. Для сравнения, на рис.2 приведена кривая, дающая качественную характеристику изменений электропроводности в процессе облучения полиимидов ПИ-2 и ПИ-4. Видно, что эффект аномального возрастания электропроводности в этих полимерах отсутствует.
Мы попытались связать описанный выше эффект с химическим строением полиимидов. Структура этого класса полимеров выражается формулой
СО СО
_м Я ы- к-
44 со-^ 44 СО^
Здесь Л (диапгидридная компонента) и В.' (диаминная компонента) - ароматические или другие термостойкие радикалы. ПИ-1, ПИ-2 и ПИ-4 - наиболее распространенные отечественные полиимиды. Они имеют одну и ту же диаминную компоненту К' - остаток диаминодифенилового эфира.
Радикалы Я, как показано на рисунке, отличаются друг от друга.
ПИ-1
ПИ-2
ПИ-4
Поскольку ПИ-1, ПИ-2 и ПИ-4 имеют один и тот же радикал Л', очевидно, что диаминная компонента не оказывает решающего влияния на рассматриваемый эффект. Это подтвердилось дальнейшими исследованиями. Образцы полиимидов, имеющие ту же диангадридную компоненту, что и ПИ-2 и различные радикалы Я, не проявляют резкого роста электропроводности при облучении.
Проведенные исследования показали, что полиимцды, имеющие днангид-ридяые компоненты, состоящие из одиночных, конденсированных или сопряженных бензольных ядер, fte разделенных какими-либо атомами или группами атомов, характеризуются резким ростом электропроводности при облучении в вакууме и сохранением этого высокого уровня длительное время после облучения.
Материалы этого класса рекомендуется использовать в качестве материалов внешней поверхности КЛА. Кроме описанного выше эффекта значительного увеличения их электропроводности, они обладают высокой радиационной стойкостью по механическим характеристикам и высокой термостойкостью.
Выводы по III главе.
1. Сформулирован критерий выбора диэлектрических материалов внешней поверхности КЛА, основанный на их способности наиболее эффективно обеспечивать сток заряженных частиц из объема материала на его поверхность. В качестве критерия предложено использовать принадлежность полимерного материала к группе полимеров со свободнозарядовым механизмом РЭ (ПЭТФ, ПЭНФ, ППМИ и др.) Для mix б = г, , высокое значение Ат, показатель сверхлинейности ВАХ т >1.
2. Исследован эффект аномального увеличения темновой электропроводности некоторых полиимидов после их облучения ионизирующей радиацией в вакууме и его связь со строением диангидридной компоненты полимерного звена лоли-имида. Результаты исследований открывают перспективное направление по синтезу кардовых полиимидов космического применения.
Глава IV. Структурная электрофизическая модель электризации КЛА
Взаимное расположение элементов внешней поверхности КЛА является компромиссом взаимоисключающих соображений, и хотя стойкость к эффектам электризации занимает в числе этих соображений не последнее место, тем не менее пи об одном КЛА нельзя сказать, что компоновка его внешней поверхности идеальна с точки зрения защиты от электризации. В первую очередь речь идет об антеннах, датчиках и фрагментах БКС, соединяющих эти элементы между собой и с аппаратурой, размещенной в (гермо)контейнере, так как именно эти элементы и фрагменты БКС, расположенные на внешней поверхности КЛА, являются основными акцепторами помеховых сигналов, которые возникают при электростатических разрядах. Электростатические же разряды часто являются следствием произвольной, с точки зрения электризации, мозаики внешней поверхности КЛА.
Предложенная в диссертационной работе идеология многоступенчатой защиты КЛА от эффектов электризации выглядит следующим образом. Во-первых, необходимо снизить вероятность возникновения разрядов на внешней поверхности КЛА. С этой целью в НИИЯФ МГУ (Новиков Л.С.) было разработано программное обеспечение, позволяющее в значительной степени решить эту задачу. Зарубежным аналогом этого программного обеспечения является программа ЫАБСАР.
Разумное сочетание указанного программного обеспечения и критерия выбора диэлектрических материалов внешней поверхности КЛА, сформулированного в предыдущей главе, значительно снижает вероятность возникновения электростатических разрядов на поверхности КЛА.
Во-вторых, с помощью СЭМ электризации КЛА проводятся расчеты растекания токов по конструкции аппарата при возможных, хотя и маловероятных электростатических разрядах. Причем места возможных разрядов отвечают областям пространства вблизи КЛА с наивысшей напряженностью электрического поля, вычисленным с помощью программ Л.С. Новикова. Итогом вычислений с помощью программного обеспечения СЭМ является уровень помеховых сигналов во всех фрагментах бортовой кабельной сети.
В-третьих, все электронные блоки, которые устанавливаются на борт КЛА, должны безотказно работать при вычисленном уровне помеховых сигналов. Выполнение мероприятий, реализующих предложенную идеологию, снижает вероятность возникновения электростатических разрядов, а в случае протекания разряда БРЭА продолжает работать безотказно. Уточнив место СЭМ в цепи мероприятий по обеспечению безотказной работы БРЭА КЛА в условиях радиационной электризации, определим и рассмотрим более подробно структурную электрофизическую модель электризации КЛА.
СЭМ электризации КЛА - это пакет прикладных программ, позволяющий в режиме диалога с ПЭВМ представить КЛА любой формы в виде его эквивалентной электрической схемы из Я, Ь, С элементов, и после задания мест И уровней разрядных импульсов провести расчет помеховых сигналов во фрагментах БКС, проложенных по внешней поверхности КЛА. Блок-схема программного обеспечения для реализации СЭМ электризации КЛА представлена на рис. 3. Работа с программным обеспечением по расчету наводок в БКС выглядит следующим образом. С помощью диалоговой системы (ЦС) на экран монитора вызывается меню, содержащее различные геометрические тела (куб, сфера, конус, плоскость, стержень и т.д.). Простыми манипуляциями на экране монитора строится модель КЛА. Особенность
программного обеспечения заключается в том, что параллельно с геометрическими построениями на экране монитора в оперативной памяти компьютера формируется эквивалентная электрическая схема из Я, Ь, С элементов, номиналы элементов получают численные значения в памяти после ответов на вопросы ДС о размерах геометрических фигур и материалах, из которых они изготовлены.
Рис.3. Блок-схема программного обеспечения СЭМ электризации KJIA
Когда модель КЛА полностью сформирована на экране монитора и указано местоположение фрагментов БКС, необходимо с помощью курсора поочередно указать все места возможных разрядов. Для каждого возможного разряда мы получаем картину растекания токов по конструкции КЛА и уровень наводок во фрагментах БКС. Эта процедура осуществляется с помощью программы расчета линейных электрических цепей PS PICE.
Выводы по IV главе.
1. Разработана идеология многоступенчатой защиты КЛА от эффектов электризации, в основе которой лежит структурное электрофизическое моделирование КЛА.
2. Создано программное обеспечение для построения СЭМ электризации КЛА любой формы и расчета уровней помеховых сигналов во фрагментах БКС, проложенных по внешней поверхности аппарата. Рассчитанные уровни помеховых сигналов позволяют выдать ТУ на электронные блоки, безотказно работающие при этих уровнях помех.
3. Программное обеспечение по СЭМ апробировано на различных типах КЛА в НПО им. С.А. Лавочкина и НПО "Энергия", и его применение позволило увеличить стойкость этих КЛА к эффектам электризации.
Глава V. Комплекс аппаратуры для стендовых испытаний КЛА на стойкость к электростатическим разрядам "Дуга-МИЭМ"
МИЭМ - Московский институт электронного машиностроения (ныне Московский государственный институт электроники и математики) в течение ряда лет по решению ВПК СССР являлся головной организацией по созданию СЭМ электризации КЛА и разработке аппаратуры для стендовых испытаний космических летательных аппаратов. Автор настоящей диссертации на протяжении всех этих лет был ответственным исполнителем или научным руководителем этих работ.
Комплекс аппаратуры для стендовых испытаний КЛА на стойкость к электростатическим разрядам "Дуга" состоит из трех автономных приборов - испытательных генераторов помех ИГП-1, ИГП-2, ИГП-3.
Испытательный генератор помех ИГП-1 представляет собой компактный прибор, соединенный кабелем с выносной головкой. К выносной головке крепятся две телескопические штанги длиной по 4,5 м каждая. На концах штанг имеются специальные зажимы для обеспечения малого переходного сопротивления между элементом корпуса аппарата и соединительной штангой.
ИГП-1 имеет следующие технические характеристики: ток в импульсе - 0 ... 100 А;
длительность импульса - 150 нс... 2,5 мкс;
длительность переднего фронта - 20 не;
максимальное напряжение - 100 В;
частота повторения импульсов - 0 ... 100 с-1;
максимальное расстояние между точками приложения токового импульса -9 м.
Следует отметить некоторые особенности использования ИГП-1. Во-первых, он безопасен для персонала, так как начинает генерировать токовые импульсы только в том случае, когда его штанги закорочены на активное сопротивление величиной менее 1 Ом. Во-вторых, после присоединения зажимов на концах штанг к элементам корпуса КЛА и задания уровня тока, длительности импульса и частоты следования импульсов внимание персонала может быть целиком сосредоточено на
контроле работоспособности испытуемых систем КЛА. Затем зажимы присоединяются к другим точкам и проходят испытания другие системы КЛА.
С помощью ИГП-1 можно осуществить контроль стойкости к эффектам электризации всех тех систем КЛА, кабели которых проложены по внешней поверхности аппарата. На способ испытаний КЛА и устройство для его реализации (ИГН-1) получено АС СССР на изобретение.
Второй прибор ИГП-2 комплекса "Дуга-МИЭМ" предназначен для испытаний фрагментов БКС, которые еще не смонтированы на корпусе аппарата или систем, экранировка которых находится в стадии обработки. Этот прибор представляет собой металлический лист, внизу которого укреплен генератор импульсов, а сверху имеются крепления для прокладки фрагментов БКС. По листу металла пропускается ток требуемой величины, а фрагмент БКС, один конец которого нагружен на требуемое сопротивление, вторым концом подключается к осциллографу. Фрагмент БКС располагается на металлическом листе вдоль направления протекания тока. Было показано, что в этом случае уровень наводки, который регистрируется осциллографом, прямо пропорционален величине тока, протекающего по металлическому листу, и длине металлического листа. Таким образом, в результате испытаний фрагментов БКС мы имеем уровень наводки в вольтах, отнесенный к единице тока, протекающего по листу, и к единице длины.
По результатам испытаний можно, во-первых, сравнивать степень экранировки различных фрагментов БКС, во-вторых, результаты испытаний фрагментов штатных БКС являются исходными данными для расчета уровней наводок на входе электронных блоков КЛА. Таким образом, СЭМ электризации КЛА и комплекс аппаратуры для стендовых испытаний "Дуга-МИЭМ" являются составляющими единой системы многоступенчатой защиты КЛА от эффектов электризации. Технические характеристики ИГП-2, характеризующие параметры импульсного воздействия, аналогичны прибору ИГП-1. Длина металлического листа, по которому протекают импульсы тока, составляет 0,4 м.
Третий прибор ИГП-3 комплекса "Дуга-МИЭМ" предназначен для имитации локальных разрядов, которые происходят в условиях эксплуатации при облучении электронами неметаллизированной поверхности диэлектрика с последующим скользящим разрядом на металлический элемент, примыкающий к этому диэлектрику. Такие разряды возможны на элементах солнечных батарей, поверхность которых не покрыта окисью индия или другого проводящего материала; на изолято-
pax, сквозь которые проходят металлические стержни; на астродатчиках и других подобных элементах KJ1A.
Прибор ИГП-3 конструктивно представляет собой собственно генератор импульсов в форме пистолета, соединенный кабелем с источником автономного питания, который помещается в кармане оператора. Отличительной особенностью ИГП-3 "Дуга-МИЭМ" является наличие автономного батарейного питания, что исключает возможность сбоев БРЭА КЛА при стендовых испытаниях наводками, проникающими в БРЭА через электрическую сеть. Другая особенность ИГП-3 "Дуга-МИЭМ": генератор помех оснащен наконечником со сменными газонаполненными разрядниками - обострителями фронтов импульсов. Это позволяет получать разрядные импульсы с необходимыми параметрами. Кроме того, сменные разрядники на 5, 10, 15, 20 кВ позволяют исключить субъективный фактор из процесса проведения стендовых испытаний. Дело в том, что применявшийся до сих пор генератор импульсов по MIL ST.1541 (США) работает следующим образом. Оператор располагает острие пистолета на расстоянии 5-10 мм от металлического элемента КЛА и нажимает "курок". Мевду острием и металлическим элементом проскакивает искра, параметры импульса при этом зависят от ее длины. При работе ИГП-3 острие соединяется с элементом корпуса KJIA, разряд происходит внутри разрядника - обострителя фронтов, и его параметры постоянны, пока оператор не сменит разрядник.
Выводы по V главе.
1. Разработан и внедрен в отечественную космическую промышленность комплекс аппаратуры для стендовых испытаний КЛА на стойкость к электростатическим разрядам "Дуга"(МИЭМ).
2. Аппаратура "Дуга"(МИЭМ) рекомендована к применению на предприятиях отрасли руководством для конструкторов "Основные правила повышения безопасности космических аппаратов в условиях радиационной электризации" под ред. Г.М.Чернявского, ГОНТИ-1-1990.
3. Разработанная аппаратура внедрена и используется для стендовых испытаний КЛА на предприятиях отрасли: НПО "Энергия", НПО им. С.А.Лавочкина, КБ"Полет", КБ"Салют" и др.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Анализ известного к настоящему времени и полученного в ходе данной работы экспериментального материала показывает, что одна из важнейших причин
возникновения ЭСР на внешней поверхности КЛА заключается в дифференциальной зарядке элементов его внешней поверхности и объемном заряжении полимерных материалов во время геомагнитных возмущений. Если электрофизические свойства полимерного материала таковы, что не обеспечивается эффективный сток зарядов из его объема на поверхность, то накопленный в объеме заряд высвобождается путем электрического пробоя диэлектрика. Часто такие объемные разряды являются инициаторами дуговых разрядов большей мощности, если между элементами внешней поверхности имеется достаточно высокая разность потенциалов. Детальное рассмотрение процессов объемного заряжения (03) позволило установить, что важнейшим параметром диэлектрика, контролирующим сток носителей заряда из его объема на поверхность, является РЭ этого диэлектрика.
2. Создан комплекс оригинальных исследовательских методик для изучения явлений электропереноса в облучаемых полимерных диэлектриках. Этот комплекс включает в себя установки для измерения радиационной и радиационно-импульсной электропроводности полимеров под действием ионизирующих излучений различных видов:
- низкоэнергетического электронного (30 ... 80) кэВ;
- высокоэнергетического электронного 8 МэВ;
- гамма излучения Со60;
- гамма-нейтронного излучения реактора Барс-2.
Перечисленные установки защищены четырьмя АС СССР и патентом РФ.
Методики проведения исследований РЭ на разработанных установках предусматривают наличие условий, характерных для материалов внешней поверхности КЛА:
- широкий температурный интервал (150 ... 520) К;
- одновременное воздействие электронов низких энергий (30 ... 80) кэВ и (через полупрозрачные электроды) квантов света с энергией 1 эВ < Ьу < 5 эВ;
- варьирование в широких пределах мощности дозы излучения и длительности воздействия.
Методики для измерения РЭ вошли составной частью в ОСТ "Материалы полимерные. Методы определения и прогнозирования радиационных свойств".
3. Проведено систематическое исследование радиационной электропроводности полимерных материалов при их облучении различными видами ионизирующей радиации: электронами низких и высоких энергий, гамма-излучением Со60,
смешанными потоками гамма-нейтронного излучения, протонным излучением и при облучении а-частицами. В ходе этих исследований получены результаты, имеющие существенное значение для радиационной физики твердого тела. Все исследованные полимерные материалы удалось классифицировать по трем группам по механизму радиационной электропроводности. В полимерах I группы (ПЭТФ, ПС, ППМИ) электропроводность осуществляется за счет свободных зарядов, вышедших в объем в результате диссоциации пар по механизму Онзагера. Полимеры этой группы имеют ярко выраженную задержанную компоненту РЭ, сверхлинейную ВАХ и отвечает критерию е = ё. В полимерах II группы (ПП, ПА) электропроводность осуществляется за счет геминальных пар. Они имеют линейную ВАХ, в сигнале РЭ отсутствует задержанная компонента и е « £ . В полимерах III группы в той или иной степени реализуются оба механизма РЭ.
Результаты измерений систематизированы и вошли составной частью в официальные справочные издания по применению полимерных диэлектриков в полях ионизирующих излучений.
4. При исследовании РЭ полимеров под действием ионизирующих излучений различных видов установлено, что РЭ полимеров сохраняет свое значение при переходе от электронов высоких энергий (8 МэВ) к электронам низких энергий (30...80 кэВ) или при переходе к облучению гамма-квантами (предполагается одинаковая мощность дозы при всех воздействиях). Однако воздействие на полимеры излучений протонов, нейтронов и а-частиц демонстрирует различные величины РЭ для полимеров с различными механизмами РЭ. Для полимеров с геминальной проводимостью РЭ под действием нейтронов и тяжелых заряженных частиц остается такой же, как и при воздействии электронов и гамма-квантов. В полимерах же первой группы со свободнозарядовым механизмом РЭ систематически наблюдаются более низкие значения РЭ, чем при действии электронов и гамма-квантов.
5. Предложена трековая модель РЭ полимеров, позволяющая объяснить более низкие значения РЭ дая полимеров со свободнозарядовым механизмом при их облучении нейтронами и тяжелыми заряженными частицами по сравнению со значениями РЭ под действием электронов и гамма-квантов с геминальным механизмом РЭ. Модель базируется на классической модели Роуза-Фаулера-Вайсберга и учитывает заторможенность процесса рекомбинации зарядов в полимерах с геминальной РЭ по сравнению с Ланжевеновским механизмом рекомбинации. Разработана экспериментально-расчетная методика определения эффективной относительной диэлектрической проницаемости полимера е , используемой для подстановки в фор-
мулу Ланжевена для определения коэффициента рекомбинации взамен ее действительного значения е.
6. Исследован эффект аномального увеличения темновой злекгроводности некоторых полиимидов после их облучения ионизирующей радиацией в вакууме и его связь со строением диангидридной компоненты полимерного звена полиамида. Наличие этого эффекта в полиимидах определенного химического строения позволяет рекомендовать эти материалы для использования на внешней поверхности КЛА. Обнаруженная в работе связь эффекта аномального увеличения электропроводности со строением диангидридной компоненты полимерного звена полиимида открывает перспективное направление по синтезу кардовых полиимидов космического применения.
7. Сформулирован критерий выбора диэлектрических материалов для внешней поверхности КЛА, основанный на их способности наиболее эффективно обеспечивать сток заряженных частиц из объема материала на их поверхность без электрических разрядов. В качестве материалов внешней поверхности КЛА предложено использовать полимерные диэлектрики со свободнозарядовым механизмом РЭ (ПЭТФ, ПЭНФ, ППМИ и др.) Для них е = е , высокое значение Ат, показатель сверхлинейности ВАХ т>1.
8. Разработана СЭМ электризации КЛА, основанная на представлещш аппарата в виде эквивалентной электрической схемы из Я, Ь, С элементов. При задании ЭСР на внешней поверхности КЛА СЭМ позволяет получить подробную картину растекания токов проводимости по корпусу аппарата. Отличительной особенностью разработанной СЭМ является наличие в ее программном обеспечении базы данных, представляющей собой набор характерных элементов КЛА (стержень, плоскость, параллелепипед, тор, эллипсоид, параболоид и т.д.) и готовых эквивалетных схем соответствующих этим элементам. Численные значения Л, Ь и С вводятся в эквивалетную схему автоматически после ответа пользователя на вопрос диалоговой системы о геометрических размерах и материале характерного элемента. Полученная на основе структурного электрофизического моделирования картина растекания токов по поверхности КЛА при ЭСР позволяет на этапе проектирования реального аппарата любой сложности располагать чувствительные рецепторы помех и фрагменты бортовой кабельной сети (БКС) в наиболее безопасных местах. Второй отличительной особенностью разработанной СЭМ является наличие в программном обеспечении блока расчета помех в БКС. Для расчета величины помехового сигнала во фрагменте БКС необходимо указать трассу прокладки этого фрагмента по внешней поверхности КЛА и ответить на вопрос диало-
говой системы СЭМ о величине коэффициента трансформации тока, протекающего по поверхности КЛА в напряжение наводки в БКС. Этот коэффициент определяется экспериментально для данного фрагмента БКС с помощью разработанного в диссертации испытательного генератора помех ИГП-2 "Дуга" (МИЭМ).
Разработанная СЭМ электризации КЛА изложена в руководстве для конструкторов "Комплексная методология определения параметров электростатической зарядки, электрических полей и пробоев на КЛА в условиях их радиационной электризации" под ред. Л.С.Новикова и Г.В.Бабкина, ЦНИИМАШ - 1995 г. и рекомендована к применению на предприятиях отечественной космической промышленности.
9. Разработан и внедрен в отечественную космическую промышленность комплекс аппаратуры для стендовых испытаний КЛА на стойкость к электростатическим разрядам "Дуга" (МИЭМ). Разработанный комплекс состоит из трех автономных приборов - испытательных генераторов помех ИГП-1, ИГП-2 и ИГП-3.
Отличительной особенностью прибора ИГП-1 является его безопасность для персонала, пониженное до 100 В напряжение при токе в импульсе до 100 А при длительности переднего фронта импульса - 20 не. Прибор ИГП-1 имеет раздвижные телескопические штанги и предназначен для имитации растекания токов по конструкции КЛА при ЭСР. Прибор и способ проведения испытаний с его помощью защищен авторским свидетельством СССР на изобретение.
Прибор ИГП-2 имеет параметры токового импульса аналогичные ИГП-1 и предназначен для испытаний эффективности экранирования фрагментов БКС КЛА. С его помощью определяется коэффициент трансформации тока, протекающего по поверхности КЛА в напряжение наводки в БКС.
Прибор ИГП-3 предназначен для имитации локальных разрадов, которые происходят в условиях эксплуатации при облучении электронами неметаллизиро-ванной поверхности диэлектрика с последующим скользящим разрядом на металлический элемент, примыкающий к этому диэлектрику. ИГП-3 имеет автономное питание и сменные разрядники - обострители фронтов на 5, 10, 15, 20 кВ. Это позволяет имитировать ЭСР, наблюдающиеся в натурных условиях, и исключает наводки, сбивающие телеметрическую аппаратуру, что имеет место при использовании аналогичных приборов с питанием от сети.
Аппаратура "Дуга" (МИЭМ) рекомендована к применению на предприятиях отрасли руководством для конструкторов "Основные правила повышения безопасности космических аппаратов в условиях радиационной электризации" под ред. Г.М.Чернявского, ГОНТИ-1-1990 г.
10. Результаты диссертационной работы использованы при конструировании и испытаниях ряда КЛА, фрагментов их БКС и наиболее уязвимых для поражающих факторов электризации узлов и блоков. К ним относятся:
- ИСЗ "Ямал" - НПО "Энергия";
- ИСЗ "71X6", ИСЗ "5В95"- НПО им. С.А. Лавочкина;
- разгонный блок КЛА "Бриз" - КБ "Химмаш";
- стыковочный узел орбитальной станции "Альфа" - КБ "Салют";
- радиационный холодильник изд.652 и фрагменты БКС для КА серии "Метеор" и "Электро" - ВНИИЭМ;
- фрагменты штатной БКС - НПО "Энергия", НПО ям. С.А. Лавочкина, КБ "Салют", ВНИИЭМ.
Разработанная под руководством автора диссертационной работы аппаратура "Дуга" (МИЭМ) внедрена и используется для стендовых испытаний КЛА на предприятиях отрасли: НПО "Энергия", НПО им. С.А. Лавочкина, КБ "Полет" г. Омск, КБ "Салют".
Это позволило решить важную научно-техническую проблему по повышению стойкости КЛА к воздействию поражающих факторов электризации. Эффект от внедрения результатов диссертационной работы на предприятиях отрасли оценивается увеличением ресурса активного функционирования КЛА на орбите в (1,5... 2) раза.
Публикации по теме диссертации
1. Тютнев А.П., Ванников A.B., Мингалеев Г.С., Саенко B.C. Электрические явления при облучении полимеров. М.: Энергоатомиздат, 1985. 176 с.
2. Тютнев А.П., Ванников A.B., Саенко B.C. и др. Электрические явления при радиолизе твердых органических систем. (Озор). - АН СССР, Химия высоких энергий, т. 17, № 1, 1983. С. 3-24.
3. Колосов С.А., Саенко B.C., Пожидаев Е.Д. Влияние электризации на функционирование РЭА космических летательных аппаратов// Зарубежная радиоэлектроника. 199!. №3. С.92-95.
4. Саенко B.C., Пожидаев Е.Д. Радиационная химия полимеров: Уч. пос. М.: МИЭМ, 1988. 80 с.
5. Новиков Л.С., Бабкин Г.В., Морозов Е.П., Колосов С.А., Крупников К.К., Ми-леев В.Н., Саенко B.C. Комплексная методология определения электростатической зарядки, электрических полей и пробоев на космических аппаратах в условиях их радиационной электризации: Руководство для конструкторов. М.: ЦНИИМАШ, 1995. 159 с.
6. Тютнев А.П., Саенко B.C., Сладков A.M. и др. Влияние добавок ферроцена на индуцированную электропроводность полифенилхиноксалина// Докл. АН СССР. 1984. Т. 276. № 1. С.159-163.
7. Тютнев А.П., Берлин A.M., Саенко B.C. и др. Радиационная электропроводность полинафтоиленбензимидазола// Докл. АН СССР. 1985. Т.281. №1. С.656-659.
8. Тютнев А.П., Бронштейн Л.М., Саенко B.C. и др. Радиационная электропроводность железотрикарбонильных n-комплексов с полистиролбутадиеновым блок-сополимером//Докл. АН СССР. 1985. Т.284. №5. С.1174-1178.
9. Тютнев А.П., Саенко B.C., Пожидаев Б.Д. Радиационная электропроводность полимеров при импульсном облучении// Докл. АН СССР. 1982. Т.266. № 1. С. 168-172.
10. Тютнев А.П., Саенко B.C., Дунаев А.Ф. и др. Температурная зависимость нестационарной радиационной электропроводности полимеров// Докл. АН СССР. 1984. Т.276. № 2. С.424-429.
11. Tyutnev А.Р., Abramov V.N., Dubenskov P.I., Saenko V.S., Vannikov А.У., Pozhidaev E.D. Time-resolved nanosecond radiation-induced conductivity in polymers//Acta Polymerica. 1986. Bd.37. №6. S.336-342.
12. Arkhipov V.I., Vannikov A.V., Mingaleev G.S., Popova Yu.A., Rudenko A.I., Saenko V.S., Tyutnev A.P. Transient photo-current due to step-function excitation in disodered materials-computer simulation and analytical treatment// J. Phys. D. Appl. Phys. 1984. Vol.17. № 10. P.1469-1485.
13. Tyutnev A.P., Saenko V.S., Karpechin A.I. & al. Radiation-induced conductivity in polymers under continuous irradiation// Phys. stat. sol. (a). 1984. Vol.83. № 1. P.365-373.
14. Tyutnev A.P., Mingaleev G.S., Saenko V.S., Vannikov A.V. Radiation induced conductivity of polyethylene-terephthalate and polystyrene// Phys. stat. sol. (a). 1983. Vol.79. № 2. P.651-659.
15. Tyutnev A.P., Saenko V.S., Vannikov A.V., Pozhidaev E.D. Concerning the Radiation-induced surface conductivity in polymers// Phys. stat. sol. (a). 1984. Vol.86. № 2. P.709-716.
16. Tyutnev A.P., Abramov V.N., Saenko V.S. & al. Radiation-induced conductivity in foamed dielectrics// Phys. stat. sol. (a). 1985. Vol.88. № 2. P.673-680.
17. Tyutnev A.P., Mingaleev G.S., Saenko V.S., Akkerman A.F. Bulk charging of dielectrics films by low energy electrons// Phys. stat. sol. (a). 1982. Vol.73. № 1. P.361-366.
18. Tyutnev A.P., Saenko V.S., Pozhidaev E.D., Akkerman A.F. Transient Radiation-induced conductivity in polymers// Phys. stat. sol. (a). 1982. Vol.73. № 1. P.81-89.
19. Dunaev A.F., Tyutnev A.P., Saenko V.S. & al. Pulsed Reactor Induced Conductivity in Polymers// Phys. stat. sol. (a). 1992. V. 130. P.391-396.
20. Tyutnev A.P., Karpechin A.I., Boev S.G., Saenko V.S., Pozhidaev E.D. Current Overshoot in Polymers under Continuous Irradiation// Phys. stat. sol. (a). 1992. V.132. P.163-170.
21. Tyutnev A.P., Saenko V.S., Dunaev A.F. & al. Temperature dependence of transient radiation-induced conductivity in polymers// Phys. stat. sol. (a). 1984. Vol.85. №2. P.591-602.
22. Tyutnev A.P., Saenko V.S., Abramov V.N. & al. Dose effects in transient radiation-induced conductivity in polymers// Phys. stat. sol. (a). 1985. Vol.89. №1. P.311-320.
23. Tyutnev A.P., Saenko V.S., Vannikov A.V., Mingaleev G.S. Radiation-induced conductivity in polyethylene// Phys. stat. sol. (a). 1983. Vol.78. № 2. P.689-696.
24. Tyutnev A.P., Saenko V.S., Vannikov A.V., Oskin V.E. Radiation-induced dielectric effect in polymers// Phys. stat. sol. (a). 1984. Vol.86. № 1. P.363-374.
25. Саенко B.C., Тютнев А.П., Тихомиров B.C., Титова Л.И. Электропроводность сополимера формальдегида с диоксаланом, индуцированная импульсами низкоэнергетических электронов// Высокомолек. соед. 1985. Т.27Б. № 5. С.378-379.
26. Тютнев А.П., Саенко B.C., Мингалеев Г.С. и др. Влияние температуры и длительности облучения на индуцированную электропроводность полиэтилена// Химия высоких энергий. 1984. Т.18. №3. С.219-224.
27. Дунаев А.Ф., Карлечип А.И., Макеев С.К., Пожидаев Е.Д., Саенко B.C., Филатов Н.И. Сравнительные исследования радиационной электропроводности, индуцированной низкоэнергетическим электронным и гамма-излучением// Высоко-молек. соед. 1988. Т.ЗОБ. С.687-689.
28. Тютнев А.П., Саенко B.C., Пожидаев Е.Д. Электропроводность неполярных полимеров под действием низкоэнергетических электронов// Высокомолек. соед.
1982. Т.24А. №1. С.96-103.
29. Тютнев А.П., Саенко B.C., Пожидаев Е.Д. Электропроводность полиэтиленте-рефталата под воздействием низкоэнергетических электронов// Высокомолек. соед. 1982. Т.24А. Kai. С.104-109.
30. Дунаев А.Ф., Саенко B.C., Тютнев А.П., Пожидаев Е.Д. Особенности радиаци-онно-имлульсной электропроводности полимеров при повышенных температурах// Высокомолек. соед. 1985. Т.27А. № 2. С.295-301.
31. Саенко B.C., Тютнев А.П., Ванников A.B., Пожидаев Е.Д. Сравнение закономерностей наведенной электропроводности в полимерах при воздействии электронов различных энергий// Химия высоких энергий. 1983. Т.17. № 2. С.182.
32. Тютнев А.П., Саенко B.C., Мингалеев Г.С., Пожидаев Е.Д. Накопление объемных зарядов в полимерных материалах при их облучении электронами низких энергий в вакууме// Высокомолек. соед. 1983. Т.25А. № 5. С. 1042-1049.
33. Саенко B.C., Гвоздев В.И., Пожидаев Е.Д. Экспресс-метод контроля диэлектрической проницаемости материалов на СВЧ// Электронная техника. 1980. №6. С.60-65. (Серия I. Электроника СВЧ.)
34.Тютнев А.П., Саенко B.C., Пожидаев Е.Д., Сасов A.M. Моделирование электрических явлений, сопровождающих воздействие низкоэнергетической компоненты космических ионизирующих излучений// Конструирование научной космической аппаратуры. М.: Наука, 1982. С.66-80.
35. Саенко B.C., Тютнев А.П., Пожидаев Е.Д. Лабораторная установка для исследования обратимых эффектов в диэлектриках при их облучении низкоэнергетическими электронами// Труды ВНИИЭМ. 1982. Т.69. С.97-103.
36. Саенко B.C., Гвоздев В.И., Тютнев А.П., Пожидаев Е.Д. Влияние низкоэнергетического электронного излучения на электропроводность радиоматериалов// Электродная промышленность. 1982. Вып.2(108). С.39.
37. Сичкарь В.П., Саенко B.C., Тютнев А.П., Вайсберг С.Э., Пожидаев Е.Д. Поверхностная проводимость полимерных диэлектриков при воздействии ионизирующих излучений// Пластмассы. 1984. №1. С.35-37.
38. Саенко B.C., Сичкарь В.П., Тютнев А.П., Пожидаев Е.Д. Особенности радиационной электропроводности некоторых полярных полимеров // Высокомолек. соед. 1982. Т.24А. № 7. С.1540-1546.
39. Тютнев А.П., Саенко B.C., Тихомиров B.C., Пожидаев Е.Д. Радиационно-импульсная электропроводность ароматических полиимидов, различающихся строением диангидридной компоненты// Высокомолек. соед. 1983. Т.25А. №1. С.99-106.
40. Тютнев А.П., Саенко B.C., Абрамов В.Н., Пожидаев Е.Д. Электропроводность полиэтилена, наведенная импульсами низкоэнергетических электронов// Химия высоких энергий. 1983. Т.17. № 4. С.314-315.
41. Тютнев А.П., Саенко B.C., Валецкий П.М. и др. Электрические явления при воздействии электронов низких энергий на полиарилаты// Высокомолек. соед.
1983. Т.25А. № 4. С.856-861.
42. Титова Л.И., Нагиев З.М., Тютнев А.П., Саенко B.C., Выгодский Я.С. Радиаци-онно-импульсная электропроводность некоторых сополиимидов// Acta polymerica. 1984. В.35. № 3. S.247-250.
43. Tyutnev А.Р., Saenko V.S., Dubenskov P.I., Varmikov A.V. Radiation-induced as a hopping phenomenon// Acta polymerica. 1986. Bd.37. № 1. S.52-56.
44. Тютнев А.П., Саенко B.C., Сичкарь В.П., Пожидаев Е.Д. радиационно-диэлектрический эффект в полимерах// Химия высоких энергий. 1983. Т. 17. № 5. С.426-429.
45. Дунаев А.Ф., Тютнев А.П., Саенко B.C., Макеев С.Н., Филатов Н.И., Пожидаев Е.Д. Нестационарная радиационная электропроводность полимеров в смешанных потоках гамма-нейтронного излучения// Химия высоких энергий. 1993. Т.27. № 4. С.23-27,
46. Тютнев А.П., Карпечин А.И., Саенко B.C., Боев С.Г., Пожидаев Е.Д. Дозовые эффекты в радиационной электропроводности полимеров// Химия высоких энергий. 1993. Т.27. № 4. С.28-33.
47. Тютнев А.П., Абрамов В.Н., Саенко B.C., Пожидаев Е.Д., Флоридов A.A. Радиационная электропроводность полимеров// Хим. физика. 1994. Т. 13. № 3. С.109-116.
48. Тютнев А.П., Садовничий Д.Н., Павлов ПА., Саенко B.C., Пожидаев Е.Д. Электронный транспорт в полимерах// Высокомолек. соед. 1998. Т.40А. № 5. С.5-11.
49. Тютнев А.Н., Саенко B.C., Пожидаев Е.Д., Садовничий Д.Н. Методические вопросы определения подвижности избыточных носителей заряда в молекулярно-допированных полимерах// Высокомолек. соед. 1998. Т.40А. № 6. С.27-31.
50. Бабкин Г.В., Саенко B.C., Пожидаев Е.Д., Тарасов В.Н. Уменьшение предпробой-ного потенциала путем снижения плотности структуры тканых диэлектрических материалов//Межвузовский сборник научных Трудов. 1991. Вып.1. С.144-147.
51. Дунаев А.Ф., Саенко B.C., Хаткевич C.B. Радиационно-импульсная электропроводность полимеров при пониженных температурах: Тезисы докл./ Первое Международное совещание стран СЭВ "Радиационная физика твердого тела". Сочи, 1989. С.31.
52. Бабкин Г.В., Колосов С.А., Саенко B.C. и др. Электроструктурное моделирование: Тезисы докл./ I Межотраслевая конференция ЦНТИ "Поиск". ГОНТИ-1. 1985. С.22-25.
53. Tyutnev А.Р., Tarasov V.N., Karpechin A.I., Saenko V.S. & al. Electron charging of metalized fabric for spacecraft thermals blankets/ Proceedings of the Sixth International Symposium of Materials in a Space Environment. ESTEC. Noordwijk. The Netherlands, 19-23 September 1994.
54. Гвоздев В.И., Камыщенко С.Д., Карпечин А.И., Саенко B.C. Электропроводность полиэтилентерефталата при непрерывном облучении электронами низких энергий: Тезисы докл./ Первое Международное совещание стран СЭВ "Радиационная физика твердого тела". Сочи, 1989. С.34.
55. Тютнев А.П., Карпечин А.И., Боев С.Г., Саенко B.C., Пожидаев Е.Д. Радиационная электропроводность полимеров при непрерывном облучении// Химия высоких энергий. 1993. Т.27. № 2. С.32-38.
56. A.C. 1664019 СССР. Устройство для измерения подвижности радиационно-индуцировашшх избыточных носителей заряда в диэлектрических материалах/ В.Н. Абрамов, Г.В.Бабкин, В.С.Саенко и др. Приоритет от 10.03.1989 г.
57. A.C. 1602186 СССР. Устройство для измерения радиационной электропроводности диэлектрических материалов/ Саенко B.C. и др. Приоритет от 9.10.1987 г.
58. A.C. 842514 СССР. Устройство для измерения диэлектрической проницаемости материалов/ Гвоздев В.И., Борисепко И.П., Михайлов В.М., Саенко B.C. Приоритет от 07.10.1981 г.
59. A.C.. 1274464 СССР. Устройство для измерения радиационной электропроводности диэлектриков/ Саенко B.C., Абрамов В.Н., Дунаев А.Ф. и др. Приоритет от 19.03.1985 г.
60. Патент РФ 2003992С1 G01 R27/26. Устройство для измерения параметров диэлектрика/ Баталов В.Ф., Гвоздев В.И., Михайлов В.М., Панкратов В.В., Пожидаев Е.Д., Саенко B.C. № 4940406/21. Приоритет от 30.05.91.
и /
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ РФ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И
МАТЕМАТИКИ . (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВШСИТЕТ),
Россее
УДК 548: 539.12.04
538. 97 - 405
* Л. „
13. ' рукописи
„ , .ДОКТОРА
„ _________— наук
!1 В^ШУШЖХ убавления ВАК России
—______
САЕНКО Владимир Степанович
ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ФАКТОРОВ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ
Специальность 01.04.07 - физика твердого тела
Диссертация
на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва 1998
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ КЛА И ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С
МИНИМИЗАЦИЕЙ ЕЕ ПОСЛЕДСТВИЙ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 26
1.1. Общие положения 26
1.2. Виды ЭСР 28
1.3. Физические процессы, ответственные за электризацию КА 30
1.4. Результаты лабораторного моделирования 36
1.5. Методика регистрации ЭСР 49
1.6. Электростатический разряд и его природа 55
1.6.1. Электрический пробой в жидкости 56
1.6.2. Особенности разряда в твердом теле 60
1.6.3. Электрический разряд в вакууме 61
1.6.4. Особенности ЭСР при радиационном заряжении 65
1.7. Токовые неустойчивости в корпусе КА, связанные с ЭСР 66 1.7.1. Обоснование для применения аппаратуры имитирующей
ЭСР 69 1.7.1.1. Модель воздействия поражающих факторов ЭСР на
бортовую аппаратуру КА 69
1.8.Описание электростатического разряда 71
1.8.1. Воздействие электростатических разрядов на кабельные сети 75
1.8.1.1. Воздействия ЭМИ 75
1.8.1.2. Воздействие магнитного поля 76
1.8.1.3. Воздействие электрического поля 77
1.8.1.4. Непосредственное воздействие разряда на кабель 78
1.8.2.Утечки в разъемах 80
1.8.3. Разряды в блоке электроники 80
1.8.4. Помехи в блоке электроники, вызывающие сбои в работе или выгорание отдельных элементов 82
1.9. Выводы 84
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛИМЕРОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ 85
2.1. Объекты и методы исследования РЭ полимеров (обзор экспериментальных результатов) " 85
2.1.1. Установка для исследования РИЭ полимеров под действием низкоэнергетических электронов 90
2.2. Установка для исследования РИЭ полимеров под действием электронов с энергией 8 МэВ 99
2.3. Установка для исследования РИЭ полимеров под действием импульсного гамма-нейтронного излучения 104
2.4. Сравнительные исследования радиационной электропроводности полимеров под действием ионизирующих излучений различных видов 108
2.5. Трековая модель радиационной электропроводности 111
2.6. Исследование температурной зависимости радиационной электропроводности полимеров 118
2.7. Исследования радиационной электропроводности полимеров
при фоторадиационном воздействии 137
2.8. Выводы 138
ГЛАВА 3. КРИТЕРИИ ВЫБОРА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ВНЕШНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КЛА 140
3.1. Качественный критерий выбора полимерных материалов внешней поверхности КЛА 144
3.2. Исследование радиационной и пост-радиционной электропроводности полиимидов, облученных в вакууме электронами низких энергий 147
3.3. Выводы
159
ГЛАВА 4. СТРУКТУРНАЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ЭЛЕКТРИЗАЦИИ КЛА 160
4.1. Принцип построения модели переходных токов 162
4.2. Трансляция элементов аппаратов в составные части СЭМ 165 4.2.1. База данных 170
4.3. Составление эскизных чертежей мозаики внешней поверхности аппарата 176
4.4. Выводы 186
ГЛАВА 5. КОМПЛЕКС АППАРАТУРЫ ДЛЯ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ КЛА НА СТОЙКОСТЬ К ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ
РАЗРЯДАМ "ДУГА-МИЭМ" 187
Выводы 193
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 194
ЛИТЕРАТУРА 2СИ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Космические летательные аппараты (KJIA) решают в настоящее время много задач военного, специального (например, задачи навигации, мониторинга), научного и потребительского характера (связь, телевидение, служба погоды и др.). Конкурентная борьба на рынке услуг, связанных с освоением околоземного космического пространства, требует новых подходов к компоновке KJIA и к бортовой радиоэлектронной аппаратуре (БРЭА). Стремление увеличить отношение массы полезной нагрузки к общей массе KJIA 'Привело к тому, что на ряде коммерческих искусственных спутников Земли (ИСЗ) разработчики отказались от традиционного метода компоновки БРЭА в термоконтейнерах, имеющих значительную массу. В результате в ИСЗ нового поколения ("Ямал" и др.) растет отношение массы полезной нагрузки к общей массе спутника, но примерно в той же пропорции падает помехозащищенность БРЭА. Что касается самой БРЭА, то расширение ее функциональных возможностей с одновременным уменьшением массо-габаритных показателей и снижением энергопотребления приводит к необходимости применения в ее составе новой элементной базы, отвечающей этим требованиям, но, к сожалению, более чувствительной к электромагнитным помехам.
Указанные обстоятельства на одно из первых мест в задаче повышения ресурса активного функционирования и бесперебойной работы KJIA на орбите выдвигают проблему защиты его систем от поражающих факторов электризации. К таким факторам в первую очередь относятся электростатические разряды на поверхности KJIA, которые возникают в результате накопления статических зарядов на диэлектрических материалах, контактирующих с внешней средой, под воздействием потоков электронов во время геомагнитных возмущений. Время пребывания в таких условиях составляет около 10 % от общего времени эксплуатации. Электростатические разряды PCP) создают электромагнитные помехи,
которые приводят к обратимым и необратимым отказам в работе БРЭА. При этом существенно снижается надежность работы и ресурс активного функционирования КЛА.
Решению актуальной проблемы повышения стойкости КЛА к воздействию факторов электризации и посвящена настоящая работа.
Цель работы. Повышение стойкости космических летательных аппаратов к воздействию факторов электризации.
Для достижения поставленной цели необходимо было последовательно решить следующие задачи:
1. Провести анализ причин электризации КЛА, возникновения ЭСР на его поверхности и способов минимизации их последствий.
2. Выполнить анализ процессов объемного заряжения материалов внешней поверхности КЛА при их облучении потоками электронов и определить важнейшие свойства этих материалов, определяющие накопление и сток зарядов из объема на поверхность.
3. Создать комплекс экспериментального оборудования и методик исследования явлений электропереноса в полимерных материалах внешней поверхности КЛА. С помощью этого комплекса провести систематическое изучение явлений электропереноса в полимерных материалах, облучаемых различными видами ионизирующей радиации.
4. На основе экспериментальных и теоретических исследований явлений электропереноса в облучаемых диэлектриках сформулировать критерий выбора полимерных материалов для внешней поверхности КЛА.
5. Разработать структурную электрофизическую модель электризации КЛА и программное обеспечение для ее реализации в любых типах космических аппаратов.
6. На основе проведенных исследований в области радиационной физики диэлектриков и структурного электрофизического моделирова-
ния разрядных процессов на реальных КЛА разработать методы и аппаратуру для стендовых испытаний космических аппаратов на стойкость к ЭСР.
Методология работы. Для достижения поставленной целевой задачи в диссертационной работе обосновывается проведение научных изысканий в двух направлениях.
Первое направление работ сопряжено с решением ряда теоретических, экспериментальных и прикладных задач радиационной физики диэлектриков. Конечной целью.решения этих задач является исключение возможности протекания электроразрядных процессов за счет научно обоснованного выбора полимерных материалов внешней поверхности КЛА.
Второе направление предполагает создание оборудования, разработку методик и проведение стендовых испытаний КЛА на стойкость к факторам электризации с целью выявления и последующей доработки потенциально ненадежных устройств БРЭА.
Компромисс условий, объединяющий два направления в одно целое, заключается в следующем:
- выбор материалов внешней поверхности КЛА должен обеспечить частоту и мощность ЭСР, не превышающую некоторого порогового уровня;
- БРЭА КЛА должна безотказно работать при этом уровне ЭСР.
Научная новизна работы. На основе проведенного комплекса исследований по изучению явлений электропереноса в облучаемых полимерных диэлектриках проведена ранее отсутствовавшая классификация полимерных материалов по механизму радиационной электропроводности (РЭ) на три группы (свободно-зарядовый механизм РЭ, геминальный механизм РЭ и смешанный механизм РЭ). Разработан количественный
критерий, позволяющий отнести полимерный материал к одной из трех групп по механизму РЭ.
Предложена трековая модель РЭ, базирующаяся на классической модели РЭ Роуза-Фаулера-Вайсберга (РФВ) и учитывающая заторможенность процесса рекомбинации зарядов в полимерах с геминальной РЭ. Модель позволяет рассчитать величину РЭ полимера под действием нейтронов и тяжелых заряженных частиц по имеющимся данным РЭ под действием электронов или гамма-квантов.
Разработана структурная электрофизическая модель (СЭМ) электризации КЛА, основанная на представлении его конструкции в виде эквивалентной схемы из Я, Ь и С элементов. При любом ЭСР на внешней поверхности реального КЛА программное обеспечение СЭМ позволяет рассчитать уровень электромагнитной наводки на входе любого электронного блока БРЭА в (гермо)контейнере.
Практическая ценность.
1. Разработан комплекс оригинальных методик измерения РЭ полимерных материалов внешней поверхности КЛА, в том числе материалов экранно-вакуумной теплоизоляции. Разработанные методики вошли составной частью в ОСТ "Материалы полимерные. Методы определения и прогнозирования радиационных свойств".
2. Выполнены измерения РЭ широкой номенклатуры полимерных материалов, используемых в космической технике и ядерной энергетике. Результаты измерений систематизированы и вошли составной частью в официальные справочные издания по применению органических диэлектриков в полях ионизирующих излучений.
3. Сформулирован критерий выбора диэлектрических материалов для внешней поверхности КЛА, основанный на их способности обеспечивать сток заряженных частиц из объема материала на поверхность без электрических разрядов.
4. Разработанная в диссертации СЭМ электризации КЛА изложена в руководстве для конструкторов "Комплексная методология определения параметров электростатической зарядки, электрических полей и пробоев на КЛА в условиях их радиационной электризации" под ред. Л.С. Новикова и Г.В. Бабкина, ЦНИИМАШ, 1995 г. и рекомендована к применению на предприятиях отечественной космической промышленности.
5. Разработан оригинальный метод и комплекс аппаратуры "Дуга-МИЭМ" для проведения стендовых испытаний КЛА на стойкость к факторам электризации. Аппаратура "Дуга-МИЭМ" рекомендована к применению на предприятиях отрасли руководством для конструкторов "Основные правила повышения безопасности космических аппаратов в условиях радиационной электризации" под ред. Г.М.Чернявского, ГОНТИ-1-1990.
Основные практические результаты работы использованы при конструировании и испытаниях следующих КЛА и их наиболее уязвимых узлов на предприятиях отрасли:
- ИСЗ "Ямал" - НПО "Энергия";
- 71X6, 5В95 - НПО им. С.А. Лавочкина;
- разгонный блок КЛА "Бриз" - КБ "Химмаш";
- стыковочный узел орбитальной станции "Альфа" - КБ "Салют" ;
- радиационный холодильник изд.652 и фрагменты БКС для КА серии "Метеор" и "Электро" - ВНИИ Электромеханики.
Разработанная под руководством автора диссертационной работы аппаратура "Дуга-МИЭМ" внедрена и используется для стендовых испытаний КЛА на предприятиях отрасли:
- НПО "Энергия";
- НПО им. С.А. Лавочкина;
- КБ "Полет" г. Омск; -КБ "Салют".
Технический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на предприятиях отрасли оценивается увеличением ресурса активного функционирования KJIA на орбите в 1,5 -г 2 раза.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Комплекс экспериментальных методик для исследований явлений электропереноса в полимерных материалах, облучаемых различными видами ионизирующей радиации:
• методика измерения радиационной электропроводности (РЭ) под действием электронов низких энергий (30 ... 80 кэВ) в диапазоне температур (150 ... 520) К;
• методика измерения РЭ под действием электронов с энергией 8 МэВ;
• методика измерения РЭ под действием у-квантов Со60;
• методика измерения РЭ под действием у - п излучения реактора Барс-2;
• методика измерения РЭ при одновременном облучении образца полимера электронами низких энергий и квантами света с 1 эВ < hv < 5 эВ;
• методика определения подвижности избыточных носителей в полимере методом времени пролета.
2. Классификация полимерных материалов по механизму РЭ и количественный критерий, позволяющий определить механизм РЭ в данном полимере (свободнозарядовый, геминальный или смешанный).
3. Трековая модель РЭ, базирующаяся на классической модели РЭ РФВ и учитывающая заторможенность процесса рекомбинации зарядов в полимерах С геминальной РЭ.
4. Эффект аномального увеличения темновой электропроводности некоторых полиимидов после их облучении ионизирующей радиацией в
вакууме и его связь со строением диангидридной компоненты полимерного звена полиимида.
5. Критерий выбора диэлектрического материала для внешней поверхности КЛА, основанный на его способности обеспечивать сток заряженных частиц из объема материала на поверхность СЭМ без электрических разрядов.
6. Структурная электрофизическая модель КЛА, основанная на представлении конструкции KJIA в виде эквивалентной схемы из R, L, С элементов, которая позволяет рассчитать на входе любого электронного блока в (гермо)контейнере уровень импульсной помехи от заданного электростатического разряда на внешней поверхности КЛА.
7. Метод проведения стендовых испытаний КЛА и аппаратура "Дуга-МИЭМ" для его реализации.
Апробация работы. Результаты работы ежегодно докладывались на постоянно действующем Всесоюзном совещании по радиационной стойкости полимерных материалов в условиях открытого космоса с 1979 по 1987 гг. в г. Обнинске, на VII Всесоюзном совещании по радиационной физике органических материалов (г. Новосибирск, 1983 г.), на научной конференции "Ломоносовские чтения" (МГУ, Москва, 1982 г.), на Первом международном совещании стран СЭВ "Радиационная физика твердого тела" (Сочи, 1989 г.), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Электрическая релаксация и кинетические явления в твердых телах" (Сочи, 1991 г.), на 6-ом международном симпозиуме по материалам космического применения (Нидерланды, 1994 г.).
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, изложены в монографии, двух обзорах, одном учебном пособии, одном руководстве для конструкторов, 46 статьях, 4 тезисах докладов на Международных и Всесоюзных конференциях и 5 авторских свидетельствах на изобретения.
дународных и Всесоюзных конференциях и 5 авторских свидетельствах на изобретения.
Объем работы. Общий объем диссертации - 229 стр. машинописного текста, включая 40 стр. иллюстраций и список цитируемой литературы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 212 работ отечественных и зарубежных авторов.
Основное содержание работы
Глава I. Электризация KJIA и проблемы, связанные с минимизацией ее последствий (обзор литературы)
1.1. Причины электризации KJIA, ЭСР на его поверхности
Открытые поверхности диэлектриков и проводников в космической плазме облучаются потоками частиц и приобретают электростатический потенциал. Величина и знак этого потенциала зависят от природы материала и параметров плазмы. Параметры плазмы определяют величину первичного тока падающих электронов и ионов /е и Iion, кроме того, результирующий вклад в ток вносят такие процессы, как вторичная электронная эмиссия, обратное рассеяние и (в присутствии солнечного света) фотоэмиссия. Суммарный ток, который приводит к появлению электрического потенциала данной поверхности, определяется выражением
В этом уравнении 8 и 8 юп соответственно - выход электронов вторичной электронной эмиссии при воздействии падающих электронов и падающих ионов, п - выход обратно рассеянных электронов, Iф - излучаемый поверхностью фототок.
Если на низких околоземных орбитах на KJIA воздействует плазма с энергией электронов и ионов порядка (0,1 ... 1) эВ, то на высоких орбитах
зачастую между соседними элементами KJIA, изготовленными из различных материалов, или же между освещенными солнцем и расположенными в тени однородными поверхностями возникает разность потенциалов порядка нескольких киловольт. При такой разности потенциалов происходят мощные электрические разряды, следствием которых являются обратимые и необратимые отказы бортовой РЭА (БРЭА).
Существуют два направления сни�
