Радиационно - инициируемая деградация оптического изображения. тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Всероссийский научный центр "Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова"

г. \>"

-Л

На правах рукописи.

Игнатьев Федор Николаевич

Радиациопно - инициируемая деградация оптического изображения.

(01.04.05 - Оптика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора фнзико - математических наук.

Санкт-Петербург 1997г.

Всероссийский научный центр "Государственный оптический институт им. С.И.Вявнлова"

На правах рукописи.

Игнатьев Федор Николаевич

Радиациопио - инициируемом деградация оптического изображения.

(01.04.05 -Оптика)

V, I ос ф е ц и л

диссертации на сонсканис ученой егепеии доктора фишко - математических наук.

Сашсг-1 1егспбуп!-1997г."

Работа выполнена во Всероссийском научном центре "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова"

Официальные оппоненты:

Действительный член РАН,

доктор химических наук, профессор Петровский Г.Т.

Доктор физико-математических наук, профессор Соколов В.И.

Доктор физико-математических наук, профессор Иванов H.A.

Ведущая организация

Томский политехнический университет

.1997 года в.

. час. на заседании

Защита состоится "_"_

специализированного совета Д 105.01.01 ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова" (199034, Санкт-Петербург, Биржевая линия, дом 12). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Центра.

Автореферат разослан "_

.1997 года

Ученый секретарь специализированного совета ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова" доктор технических наук

А.И. Степанов

ОВЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Оптическое изображение является одним из важнейших объектов исследования в оптике. Изображение, формируемое современными оптическими системами, характеризуется высоким, близким к дифракционному пределу, качеством. Это обстоятельство накладывает жесIкие ограничения на величины отклонении параметров опш-ческ-он системы от их номинальных значений. Вследствие воздействия на ошическую систему внешних факторов, параметры оптической системы могут испытывать недопустимые возмущения, вызывая деградацию изображения. К числу таких фактров следует отнести ионизирующие излучения.

Воздействие ионизирующих излучений на оптические материалы вызывает изменение их диэлектрических и механических характеристик, следствием чего можно ожидать недопустимые изменения параметров оптических систем и деградацию изображения. В отсутствие представлений о свойствах зависимости оптического изображения от параметров радиационного воздействия и, соответственно, невозможностью прогноза и про-тводсйствия радиационно - инициируемой деградации изображения 1ема исследований является актуальной.

В оптическом материаловедении радиационно - инициируемые эф-фекп>1 составляют предмет активных исследований. Традиционно, приоритеты этих исследований сосредоточены преимущественно на изучении природы и свойств инициируемого ионизирующими излучениями приращения оптической плотности материала. Значительно меньшее внимание )деляе1ся изучению радиационно - инициируемых изменений показателей преломления оптических материалов и их механических свойств.

Проведенные в работе оценки инициируемых ионизирующими излучениями изменений показателей преломления, деформаций образцов промышленных стекол указывают на возможность значимого влияния них эффектов на параметры оптических систем и, тем самым, возможность деградации качества изображения, формируемого оптической системой в условиях радиационного воздействия, с одной стороны, и возможность разработки коррекции остаточных аберраций оптической си-

схемы направленным воздействием ионизирующих излучений на ее элементы, с другой стороны.

Цель работы состояла:

- в разработке методов исследования и оценки радиационно - инициируемых аберраций оптических систем;

- в разработке методов оценки инициируемых ионизирующими излучениями изменений характеристик оптических материалов и их оценка;

- в исследовании зависимое™ параметров оптических систем от природы и свойств радиационного дефектообразования в материалах оптических элементов;

- в разработке методов оценки показателей надежностн оптических систем в условиях радиационного воздействия;

- в разработке физических основ методов коррекции параметров оптических систем ионизирующими излучениями.

Объектами исследования были модельные оптические системы, модельные и промышленные стекла.

Анализ физического содержания работы показал, что не ограничивая общности исследований, разработка базовых положений теории ра»

диационно - инициируемых аберраций может быть осуществлена при изучении зависимости структуры оптического изображения формируемого простейшей оптической системой, диафрагмированной тонкой фокусирующей линзой, в условиях воздействия на нее различных ионизирующих излучений.

Материаловедческие аспекты работы выполнены на базе силикатных кроновых и флинтовых стекол, используемых в космическом оптическом приборостроении. Кроме того, для исследования природы и свойств инициируемого ионизирующими излучениями дефектообразования и его влияния на изменения свойств стекол содержащих ионы переменной валентности использовались модельные стекла с различной концентрацией церия и железа.

Научная новизна результатов. В прикладную оптику введено представление о радиационно - инициируемых ( радиационных ) аберрациях оптических систем, физическом явлении ранее не описанном в научно -технической литературе. В прикладную оптику и радиационное материаловедение введено представление о дозовых коэффициентах, характери-

с гиках описывающих радиационно - инициируемые изменения свойств оптических и конструкционных материалов и оптических систем, адекватных |ребованиям прикладном оптики. Использование представлений о дозо-ноч коэффициенте линейного расширения материала и поглощенной дозе ионизирующего излучения, основной физической величины принятой в дозиметрии в качестве меры действия излучения на вещество, позволило расширить уравнения Г'ука для анализа упруго - напряженного состояния твердою тела » полях ионизирующих излучений и сформулировать основы аналоговых методов исследования деформаций оптических элементов. В ра6о!е сформулировано положение о динамических отказах оптических систем, инициируемых воздействием интенсивных потоков ионизирующих излучений, разработаны основы методов оценки характеристик динамических отказов. Покачана возможность альтернативности механизмов возникновения отказов: вследствие недопустимого снижения качества изображения, вызываемого радиационными аберрациями, либо вследствие инициируемой радиационным воздействием недопустимой потери эиерге-1 ики рабочего срегоиого поля. Исследование инициируемых ИИ изменении показателей преломления и деформаций оптических материалов по-шолили сделать заключение о возможности разработки оригинальных методов коррекции остаточных аберраций оптических систем дифракционного качества.

Научное значение работы. Проведенные в работе исследования расширяют представления о физических явлениях инициируемых ИИ в оптических материалах и приборах. Проблема прогноза вскрытой в работе деградации структуры изображения стимулирует развитие широкого спектра исследований в прикладной оптике, радиационном материаловедении и дозиметрии. Например, актуальной задачей прикладной оптики является разработка методов оценки радиационно - инициируемой деградации качества изображения формируемого реальной оптической системой в условиях заданной радиационной нагрузки. В перечень актуальных задач радиационного материаловедения, в свете полученных результатов, необходимо внести задачи связанные с оценкой дозовых коэффициентов и изучением их свойств. Так обеспечение радиационной стойкости предполагает минимизацию дозовых коэффициентов, в то время как для проблемы аберрационной коррекции оптических систем актуальными являются ис-

следования направленные на их максимизацию. Как проблема оценки де-фздации структуры оптического изображения, так и проблема его улучшения сопряжены с необходимостью знания пространственно - временных характеристик поглощенной дозы ионизирующих излучений в оптических элементах, что актуализирует разработку методов оценки поглощенных лоз и многокомпонентных средах. Полученная в работе система уравнений для описания упруго - напряженного состояния твердых тел в полях ионизирующих излучений и вскрытая ее математическая эквивалентность с уравнениями Дюамеля - Неймана открывает, с одной стороны, возможность использования разработанных в теории термоупругости методов для анализа радиацнонно - инициируемых деформаций, а, с другой стороны, является базой для разработки методов аналогового моделирования эффектов в твердых телах, инициируемых тепловой или, соответственно, радиационной нагрузкой.

Практическое значение результатов работы. Полученные в работе результаты о природе и свойствах радиационно - инициируемых аберраций оптических систем являются основой методов прогноза надежности оптических систем, эксплуатация которых предполагает воздействия на них ионизирующих излучений. Например, космических оптических систем, современные тенденции условий эксплуатации которых актуализируют результаты работы.

Введенные в работе представления о дозовых коэффициентах, параметрах материала сопряженных с основной физической величиной принятой н дозиметрии и радиационном материаловедении в качестве меры воздействия ионизирующего излучения на вещество, обеспечивают: возможность систематизации радиационно - оптической устойчивости оптических материалов, относительно простой оценки инициируемых излучением оптических и механических эффектов.

Проблема коррекции остаточных аберраций является неотъемлемой, достаточно трудоемкой, частью производства оптических систем дифракционного качества. В этой связи результаты работы, свидетельствующие возможность разработки новых высокотехнологичных способов ее реализации представляет значительный практический интерес.

Вскрытая в работе возможность аналоговых методов исследования радиационно - инициируемых эффектов способна существенно упростить

оценки параметров надежности сложных изделий и обеспечить значительный экономический эффект.

На защиту выносятся:

1. Положение о радиационно - инициируемых аберрациях оптических систем, физическом явлении вызываемом в оптических системах дифракционного качества ионизирующими излучениями. Методология исследования радиационных аберраций и обуславливаемых ими эффектов разрушения структуры оптического изображения.

2. Представление о дозовых коэффициентах твердых тел как характеристиках их "отклика" на воздействие ионизирующих излучений и параметрах радиационно - оптической устойчивости материалов.

3. Метод исследования упруго - напряженного состояния твердых тел в условиях радиационной нагрузки, основу которого составляют модифицированные уравнения Гука.

4. Физические основы аналогового моделирования радиационно -инициируемых эффектов в оптических и конструкционных материалах и элементах.

5. Концепция оценки параметров надежности ОС в условиях негативного воздействия ионизирующих излучений, основу которой составляет анализ радиационно - инициируемой деградации качества формируемого ими изображения.

6. Концепция аберрационной коррекции ОС ионизирующими излучениями, основу которой составляет направленное изменение диэлектрических и геометрических параметров оптических элементов путем изменения зарядового состояния центров (переменной валентности) в объеме материалов оптических элементов.

Апробация работы. Материалы работы были представлены на: VII, VIII, IX Международных конференциях по радиационной физике и химии неорганических материалов (Рига, 1989; Томск 1993, 1996), Научно -технических конференциях "Эксплуатация и надежность технических систем и комплектующих изделий" (Севастополь, 1990,1991), V Всесоюзной конференции по технической физике (Челябинск, ¡990), IV Европейской конференции но материалам и технологиям (С. - Петербург, 1993), V, VI Международной конференции по космическому материаловедению (Обнинск, 1992, Нордвик 1994), XVII Международном конгрессе по стеклу

(Пекин, 1995), 111 Международной конференции по физике и технологии стекла (Берлин, 1995).

Публикации н личный вклад соискателя. Материал диссертации изложен в 25 публикациях в ведущих журналах, в трудах Всесоюзных и Международных конференций. В диссертационной работе обобщены результаты исследований автора проведенных в ГОИ им. С.И. Вавилова, а также исследований, осуществленных под руководством автора в Институте Ядерной Физики АН УССР и Томском политехническом университете. Вклад соискателя в совместные работы состоял в обосновании целей, задач и методик исследований, анализе результатов работ и формулировании их выводов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Ее материал изложен на 252 страницах, включающих 39 рисунков и 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Содержание первой главы составляет анализ математической модели оптической системы, критериев качества оптического изображения и его определяющих факторов, который позволяет сформулировать перечень основных направлений исследования явления радиационно инициируемых аберраций оптических систем.

Аберрации оптической системы являются следствием отклонений ее параметров: показателей преломления, п}, материалов оптических

элементов, радиусов кривизны, Щ, поверхностей оптических элементов, в том числе локальных, расстояний, <1^ между элементами и т.д. от некоторых, номинальных, значений.

Определение функции аберраций оптических систем не зависит от природы изменений определяющих ее величин и, естественно, остается применимым в условиях радиационно - инициируемых изменений параметров. В этой связи построение методов анализа радиационно -инициируемых аберраций предполагает разработку, адекватных физическому содержанию задачи, методов оценки изменений показателей преломления материалов оптических элементов и их геометрии.

Исходя из оценок влияния аберраций на критерии качества изображения, значимые величины изменений эйконала оцениваются долями длины световой волны, что обуславливает необходимость корректной оценки радиационно - инициируемых изменений показателя преломления материала и линейных размеров оптических элементов в соответствующих масштабах {~ К)-6).

Пространственные характеристики радиационно - инициируемых эффектов и их величина в твердых телах определяются распределением переданной им энергии, в качестве количественной меры которой в радиационном материаловедении и дозиметрии используется поглощенная доза излучения. Характеристики поглощенной дозы определяются видом излучения, его параметрами и свойствами облучаемого тела. Приведенный пример радиационных условий эксплуатации оптических приборов в околоземном космическом пространстве указывает на сложную картину потенциально возможных радиационных нагрузок на оптическую систему.

Следствием радиационной нагрузки является дефектообразование, свойства которого и инициируемые им эффекты в оптических материалах составляют предмет активных исследований, однако остаются изученными недостаточно, с точки зрения задач рассматриваемых в настоящей работе. Примером подобных недостатков является слабая изученность влияния дефектообразопания на рефракцию оптических материалов и их упруго -напряженное состояние. Эти аспекты радиационного материаловедения изучены скорее качественно, чем количественно.

Резюмируя изложенное, в основные задачи работы следует отнести:

- разработку способа оценки радиационно - инициируемых изменений показателей преломления оптических материалов в условиях отвечающих реальным (пространственно распределенным) нагрузкам, адекватного требованиям задач прикладной оптики;

- разработку способа оценки радиационно - инициируемых деформаций оптических материалов и элементов, удовлетворяющих требованиям современного оптического приборостроения;

- разработку физических основ теории радиационно - инициируемых аберраций оптических систем.

Содержание второй главы составляет разработка основ теории радиа-ционно - инициируемых аберраций.

Основу исследования составляют представления о дозовых коэффициентах: показателя преломления, /?(А), и линейного расширения, а,, оптических материалов и поглощенных в элементах оптической системы дозах ионизирующих излучений.

Согласно определению [1]:

- под до'.юиым коэффициентом показателя преломления следует понимать изменение показателя преломления вещества вызываемое единичной радиационной нагрузкой

(1)

здесь ¿'/¡(Л) - изменение показателя преломления инициируемое радиационной нагрузкой характеризуемой поглощенной дозой Щг);

- под дозовым коэффициентом линейного расширения следует понимать приведенное к единице длины изменение линейного размера образца вызываемое единичной радиационной нагрузкой

5/ I

здесь 81 - изменение линейного размера / образца инициируемое радиационной нагрузкой характеризуемой поглощенной дозой Щг).

Приведенные выражения для дозовых коэффициентов предполагают однородное распределение поглощенной дозы в объеме образца. Дозовые коэффициенты предлагается рассматривать эмпирически определяемыми величинами.

Поглощенная доза ИИ определяет меру его действия на облучаемое тело. Согласно определению [2], поглощенная доза ИИ есть фактически поглощенная в элементарном объеме V вещества энергия ИИ приведенная к массе вещества заключенном в этом объеме:

V7,(г)

Щг) = - « - (3)

Чдесь j I.(/") - ток энергии излучения, р - плотность материала.

Характеристики поглощенной дозы зависят от вида излучения, его uiiepi етнческого спектра и свойств материала в заданной точке облучаемого тела, поэтому их определение в элементах оптических систем сопряжено с изучением переноса излучений в оптических материалах. Проведенный анализ механизмов передачи энергии, рассматриваемых в работе излучений, показывает, что характеристики поглощенной дозы фотонного излучения в силикатных стеклах определяются преимущественно фотоэффектом и .зффектом Комптопа, а характеристики поглощенной дозы электронного и прогонного излучений определяются преимущественно их ионизационными потерями. В подобных условиях пространственные характеристики поглощенных доз фотонного излучения в элементах ОС могут быть достаточно разнообразными: от существенно неоднородных до практически однородных. Распределения поглощенных доз электронного и протонного излучений, например, в актуальных для космического приборостроения ситуациях, будут существенно неоднородными в объемах оптических элементов.

Сформулированные представления о поглощенной дозе ИИ и дозо-вых коэффициентах обеспечивают возможность исследования искомых возмущений структуры оптического изображения. Воспользуемся для этого функцией рассеяния точки (ФРТ) , 1{х,у), одной из наиболее общих характеристик структуры оптического изображения. Согласно определению

У(л\у) = \u{*,yf . (4)

Комплексная амплитуда L/[x',y') световой волны в изображении точечного источника может быть определена при помощи функции зрачка, !Чх,у), оптической системы:

U(x\/) = Ц Р(х,у)ехр[/ 2*(.\'х+ у'уМм/у, (5)

р, . , _ {0(х,у)^1п1Щх,у)) х.уеП

Здесь: х,у - координаты точек в плоскости выходного зрачка, ii- область выходного зрачка, Л - рабочая длина волны, G(x,y) -функция, описывающая амплитудную модуляцию световой волны

оптической системой, в условиях радиационных воздействий несет информацию об изменениях оптической плотности материалов элементов ОС. \¥(х,у) - функция аберраций, описывающая фазовые характеристики световой волны в выходном зрачке ОС.

Известно, что фазовые характеристики световой волны в оптической системе, с требуемой степенью точности, могут быть описаны методами геометрической оптики. В этой связи функцию аберраций 1¥(х,у) можно оценить выражением

Щх, у) = (Цх,у,х,у) -Ц)и, (7)

где: /,) - эйконал главного луча, ¿(д:,у,х,у)- эйконал вспомогательного луча между точками входного х,у и выходного х,у зрачков ОС.

При радиационной нагрузке на ОС эйконал луча может изменяться вследствие изменений: показателей преломления лу материалов оптических элементов, радиусов кривизны поверхностей оптических элементов, в том числе локальных, расстояний между элементами, векторов смещений центров кривизны ^ поверхностей элементов от оси системы

или наклонов поверхностей.

Анализ перечисленных изменений показывает, что в области актуальных для обсуждаемых явлений радиационных нагрузок ( например, нагрузок не приводящих к недопустимому снижению светопролускания ОС ) они малы, в смысле масштаба величин соответствующих невозмущенным значениям параметров. Это обстоятельство позволяет воспользоваться в оценке радиационно - инициируемых изменений эйконала приближением вида

= X +1+ X ~ + X ^ 51.. (8) ¡¿п} > ¡(¡щ ' ¡(¡<11 ' У А; '

Использование представлений о дозовых коэффициентах позволяет естественным образом связать возмущения входящих в выражение (8) параметров ОС с некими поглощенными дозами ионизирующих излучений, вызывающими их.

Поскольку вклад возмущений волнового фронта элементами в деформацию волнового фронта в выходном зрачке аддитивен, то для изучения физических свойств эффектов инициируемых воздействием ИИ на

оптические системы полезно воспользоваться исследованием простейшей системы, например, диафрагмированной тонкой фокусирующей линзой. В подобном подходе выражение (7) может быть приведено к виду

.чающего на первую поверхность линзы; Л'2 - вектор преломленного луча; .V, - вектор луча, выходящего из линзы; , ¿2 - векторы нормалей к поверхностям линз; и - показатель преломления линзы; (1 - толщина линзы;

п, d являются функциями XJ\Z.

В общем случае пространственные характеристики изменений параметров оптических элементов могут быть достаточно разнообразными, однако, интересуясь природой этих изменений, вскрытием физического содержания зависимости структуры оптического изображения от радиа-циопно - инициируемых эффектов в оптических элементах, целесообразно воспользоваться следующими предположениями:

- moi лощенная доза постоянна в объеме линзы, т.е. D(r,t) = D(l). -линза может свободно "расширяться" ,

- исследуемое изображение является изображением бесконечно удаленного точечного источника,

- линза является длиннофокусной.

Сделанные предположения не ограничивают общности обсуждае- . мои задачи, но существенно упрощают процедуру исследования.

Функция аберраций рассматриваемой простейшей оптической системы (9) при сделанных предположениях, с точностью порядка (о//)2 («!), может быть приведена к виду

П'(Л\У) = V Г( (Л", У)* SR, (,Г, У) - + G(X, У)* Sti(X, У), (9)

1

где: Г, =

(•V, -/#,)«к, г _>W3)*& , • ' 2 ~ ,

, G = dIX, S, - вектор луча, па-

clR^X,}') - деформации поверхностей линз. Величины: Л',, Л"2, Л',,

з^+гу?2, (10)

где: р - радиус вектор точки волнового фронта в выходном зрачке оптической системы радиуса а, /- фокусное расстояние невозмущенной системы в пространстве изображений.

Изменения амплитудной модуляции световой волны, обусловленные инициируемым ИИ поглощением материала линзы, могут быть описаны выражением

ЩР) = 110ехр(-^Лк •</(/>)), (II)

здесь: (/„ - комплексная амплитуда световой волны на входе в оптическую систему, ДА - инициируемое ИИ приращение коэффициента поглощения

а2 о2

материала линзы, d(p) = d0 - ^^ ^ - функция толщины линзы, da -

толщина линзы вдоль оптической оси.

Функция рассеяния точки, в рассматриваемых условиях, может быть оценена выражением

/(«,у) = /0.ехр(-ДЧ)

21!,Uг - —U,U, + 21]4-1 s - —иги. 1 2и, 1 3 2 3 2и.

• (12)

Здесь: I/, г £/,(», .V), I = 1,...,4 - функции Ломмеля, «,. з г/- —-—£>,

X / п-1

2л(а\2 2ж(, ,у/2 ,

11 У = ' оптические координаты [3], /„-ин-

тенсивность в геометрическом фокусе невозмущенной системы, а, з —

2 2/(н -1)

Выражение (12) позволяет получить ответ на ряд важных вопросов.

Принципиальным для обсуждаемых в работе явлений является вопрос - существует ли вообще спектральная область в которой, в условиях радиационного воздействия, с одной стороны, уже имеет место значимое снижение качества изображения, а с другой стороны, светопропускание системы изменилось сравнительно мало.

Для ответа на этот вопрос воспользуемся в качестве критерия указанных изменении величиной потерь интенсивности в центральном пятне картины, описываемой выражением (12).

Потери интенсивности Л/„(м), вызываемые радиационно - инициируемым возмущением фазовой модуляции, могут быть оценены выражени-

; ^ Ли

Л/„(м) = | Т-зтс1! — ■

и. (13)

ш и2 В.ш) ,,

Здесь Лн =---/) - величина дефокусировки выраженная в оптиче-

/ (п~ О

скнх координатах.

Потери интенсивности Д/4, обусловленные радиационно - инициируемым изменением амплитудной модуляции, можно оценить выражением Л/, - [I - ехр(-Д*(й>К)]/0. (И)

Условие преобладания эффектов вызываемых изменением показателя преломления над эффектами вызываемыми изменением коэффициента

поглощения может быть записано в виде

<Ч,>Ч (15)

Практический интерес представляют ситуации, а которых потери интенсивности малы, что позволяет привести выражение (15) к виду , т1 а4 В-{го)

Здесь Л2 = 0,16605.

Ограничиваясь качественным анализом проблемы, инициируемые ПИ центры поглощения света, обуславливающие изменения диэлектрических характеристик ОС, могут быть описаны совокупностью эквивалентных лоренцовых осциляторов. В этих условиях показано, что неравенство (16) имеет место при выполнении

здесь:

_ I , а' &кг{а>„)

8=—Ь7~--!и. , (\81

32 2 /2 ("-1)2

со„ и - резонансная частота и коэффициент затухания лоренцовых ос-циляторов.

Условие (17) показывает, что величина изменений диэлектрических характеристик, обеспечивающих выполнение неравенства (16), зависит (нелинейно) от фундаментальных параметров оптической системы / на. Увеличение относительного отверстия оптической системы сопровождается повышением ее критичности к радиационному воздействию, в смысле деградации качества изображения. Кроме того, проведенное исследование показывает что, как условия реализации разрушения структуры изображения, так и положение соответствующих спектральных областей зависят от положения и "структуры" радиационно - инициируемой полосы поглощения.

В предположении отсутствия амплитудной модуляции, а, = 0, выражение (12) описывает распределение интенсивности эквивалентное дифракционному изображению точки, но смещенное вдоль оптической оси на величину А г, относительно параксиального фокуса невозмущенной ОС,

Формула (19) позволяет оценить предельно допустимые радиационные нагрузки при заданном выборе материала ОС. Воспользуемся для этого, к примеру, критерием Релея. Отвечающая этому критерию предельная дефокусировка определяется величиной

Из сопоставления радиационно-инициируемой дефокусировки с величиной А:г значение предельно допустимой радиационной нагрузки Ц4 можно определить выражением

При характерных для космических приборов значениях входящих в это выражение параметров и приведенных выше оценках дозовых коэффициентов, Ц4 оценивается величиной 104 рад, что указывает на актуальность обсуждаемой проблемы.

(19)

(20)

(21)

Введенные в работе представления обеспечивают возможность разработки инженерных методов оценки радиационно - инициируемых аберраций. В качестве первого этапа, в работе рассмотрена задача оценки аберраций положения изображения и увеличения инициируемых фотонным излучением.

Согласно теории оптических приборов [3] аберрации положения изображения и увеличения являются следствием: изменений коэффициентов преломления стекол, изменений радиусов кривизны преломляющих поверхностен линз и их толщин, изменений расстояний между линзами.

В условиях радиационного воздействия перечисленные параметры оптической системы испытывают возмущения, которые естественно связать с поглощенными дозами, О , ионизирующего излучения в ее элементах. В работе поглощенные дозы рассматриваются пространственно - однородными величинами в объеме оптических элементов. В условиях воздействия на оптическую систему высокопроникающего фотонного излучения, сформулированная таким образом задача, имеет как методологический так и практический интерес.

В целях оценки искомых аберраций, следуя методологии теории оптических приборов ¡4], в работе проанализированы траектории световых лучей при прохождении некоторой совокупности ( N ) преломляющих поверхностей вращения. Эгн поверхности характеризуются параксиальными радиусами /; ( / = 1.2,...,К ) и разделяют среды с коэффициентами преломления н и н, .

Для радиационной аберраций положения изображения, , рассматриваемой системы, получено выражение

¿V,, = ¿--с/у, -е-^Н,, (22)

,2

п. Л.2 л..

где 6 = —г ~----,— продольное увеличение системы, А,, /(„ -координаты

V

точек пересечения луча с 1-й и М-и преломляющей поверхностью, л-, , .«, -расстояния точек пересечения луча с оптической осью слева и справа от ] -ой преломляющей поверхности.

Величина Я, - названная (следуя традиции теории аберраций [4]) коэффициентом радиационной аберрации положения изображения, или первым коэффициентом радиационной аберрации, определяется выражением

г

¿К

, а „О, "к1, п.

+ (23)

где: ()%1 - инвариант Аббе, величину ) здесь и далее следует понимать

в смысле: А(У)) — У. - )'1 , - изменение расстояния междуу-1 и у

поверхностями.

* »

Для радиационной аберрации увеличения, 8 и - Ь0 - /,0 , получено

выражение

' г \

8 и = Д£ ■1ЦСО +

—г - — • Я

I ■

у

(24)

V \ -¿V

где: А£ - радиационно-инициируемое смещение плоскости изображения относительно первоначального положения, <о - угол выходящего из оптической системы главного луча с оптической осью, / - инвариант Лагранжа-Гельмгольца, Ц и линейный размер изображения до и после радиационного воздействия на оптическую систему.

Величина Я2 названа коэффициентом радиационной аберрации увеличения или вторым коэффициентом радиационной аберрации и определяется выражением

J^ V «, Г1 ) ¡-г-!'1*!

здесь А, у; .у, г - координаты точек пересечения преломляющих поверхностей и оптической оси соответственно первым и вторым параксиальными лучами.

Можно ожидать, что радиационные аберрации могут оказаться существенными для длиннофокусных высокоразрешающих оптических систем. Для подобных систем элементы оптической системы можно считать

тонкими. В этой ситуации выражения для коэффициентов радиационных

аберраций и Я2 могут быть представлены в виде

- ^¿^Л^Е^Ч-. <26)

; I II

т (() т 2

Л.= Х'ЧУр/0)^ 4 Е «//#/¿>/<«/-1 (27)

где е> - оптическая сила линзы. Величина )/(0 = ——^— а может быть на; п) -1 "

знана основным радиационным параметром линзы.

Сопоставление выражений (26), (27) с соответствующими выражениями для термооптических аберраций показывает, что численно равные вклады в соответствующие коэффициенты термооптической и радиационной аберраций, вносимые возмущениями тонкого элемента, имеют место при выполнении равенства

X » - I

W-

А/

= | VjAt | (28)

"J

Здесь V¡ -основной термооптический параметр линзы, Al -отклонение

температуры от некоторого поминального значения.

Эю обстоятельство указывает на принципиальную возможность nocí роения аналоговых методов исследования, тепловыми нагрузками моделировать радиационные и наоборот. Физическим основанием подобного заключения является независимость амилитудно - фазовых характеристик волны от природы возмущения параметров оптических элементов, определяющее значение имеют лишь характеристики этих возмущений.

Основной термооптический параметр У & У(Л) принят в теории

оптических приборов в качестве основной характеристики термооптических свойств стекол [4] и регламентируется в нормативно-технической литературе. В свете полученных результатов представляется актуальным

w г, в (А)

исследование параметра V = Г'"(Д) = —а , который также

п (Я)-1

можно рекомендовать в качестве характеристики радиациоиио-оптической устойчивости стекол.

Следует подчеркнуть, что зависимость радиационно-оптического параметра от длины волны определяется радиационным дефектооб-разованием и требует самостоятельных исследований. Здесь лишь отметим, что для нужд прикладной оптики необходимо иметь представление о значении параметра для набора стандартных длин волн, скажем, С, Р линий кадмия и е линии ртути.

Содержание третьей главы составляет разработка методов оценки радиационко - инициируемых изменений свойств оптических материалов в обеспечение исследований природы деградации структуры оптического изображения.

Представление о дозовых коэффициентах, как характеристиках "отклика" материалов на радиационную нагрузку, является основополагающим элементом проводимых в работе исследований. Согласно определению дозовые коэффициенты являются эмпирическими величинами. В этой связи целью настоящей главы является формирование экспериментальных методов оценки дозовых коэффициентов и их последующая оценка.

Основу методов оценки определяет физическое содержание дозовых коэффициентов. Согласно определению, они являются характеристикой радиационно - инициируемых изменений параметров образца. Это обстоятельство открывает возможность использования для оценки дозового коэффициента показателя преломления метода Рыскина, измерения инициируемой излучением разности показателей преломления компенсационным методом.

Для проведения исследований изготавливались образцы в виде параллелепипедов с размерами 20x15x10 и 20x20x10 мм. Неплоскостность рабочих граней образца (с размерами 15x10 и 20x10 мм) не превышала трех интерференционных полос. Локальная ошибка не превышала 0.3 полосы. Рабочие грани обрабатывались по IV классу чистоты. Клиновид-ность образца не превышала Г. Интерферометрические измерения осуществлялись с помощью интерферометра Zyga.

Приблизительно половина образца подвергалась облучению высо-коэнергегическими электронами и протонами. Возникающее при этом из-

менеиие показателя преломления стекла определялось на основе соотношения

(n~na)-d=-mÁ, (29)

где: па,п- величина показателя преломления до и после радиационного воздействия, d - толщина образца, X - рабочая длина волны интерферометра, т - величина смещения интерференционных полос от облученной и необлученной частей образца.

Геометрия образцов контролировалась до и после радиационной нагрузки с помощью измерительной головки фирмы Leitz, с ценой деления 0.0001 мм, и набором концевых мер № 619055 и Л6 8305 2-го класса, 3 разряда. Измерение толщины образца проводилось с точностью +0.3 мкм, при этом контроль отклонений поверхности образца от плоскости производился по измерениям в пяти точках. На этом этапе точность единичного измерения была не хуже 0.3 мкм. Изменение температуры образца в процессе измерения не превышало 0.5°С.

Образцы изготавливались из стекол применяемых в космическом оптическом приборостроении: Ф1, ЛФ5, ТФ!, К8, Л КЗ, TK2I, СТКЗ и их аиало! ов сотой серии.

Формирование поглощенной дозы и дозиметрия полей ионизирующих излучений в работе осуществлялась в соответствии с методиками дозиметрического сопровождения источников высокоэнергетическнх частиц - циклотрона У-240 и синхротрона М-30 ИЯИ АН УССР.

Энергия ускоренных протонов составляла 65 МзВ. Погрешность в измерении энергии не превышала 10%. Энергия ускоренных электронов составляла б МзВ.

Плотность потока протонов в зоне размещения образцов составляла 1*109 см 2 с1 , с погрешностью по сечению пучка не более 30%. Плотность потока электронов в зоне размещения образцов составляла 1*109 см 2 с ' , с погрешностью по сечению пучка не более 20%. Погрешность измерения плотности потока высокоэнергетических частиц не превышала 20%. Определение интегральных потоков осуществлялось с погрешностью не превышающей 20%. Контроль набора дозы осуществлялся в обоих случаях пространственным ионизационным монитором калиброванным по цилиндру Фарадея.

В целях обеспечения однородности распределения поглощенной дозы в объеме облучаемого образца, в случае электронного воздействия, область контроля оптических характеристик подвергалась облучению с обеих сторон образца в направлении предполагаемого контроля характеристик.

Протонное облучение образцов выполнялось в направлении ортогональном направлению контроля изучаемых характеристик.

Нагрев образцов в процессе облучения не превышал 2.5 С.

Анализ экспериментальных данных позволяет получись оценку порядка величины дозовых коэффициентов, который составляет ~ 10'° рад1. Для получения корректной оценки дозовых коэффициентов необходимо проведение экспериментальных исследований в области малых радиационных нагрузок, обеспечивающих требование линейности радиационно -инициируемых эффектов.

Наряду с экспериментальными методами интерес представляют рас-четно - экспериментальные методы оценки дозовых коэффициентов. Примером расчетно - экспериментального метода является расчетная оценка изменений показателя преломления оптического материала проводимая на основе экспериментальных данных о спектре радиационно - инициируемого поглощения с помощью соотношений Крамерса - Кронига

где: ЛХ: - коэффициент наведенного поглощения, с - скорость света. Далее, в зависимости от целей исследования, спектр поглощения формируемый радиационными дефектами можно, либо аппроксимировать некоторой моделирующей зависимостью или же воспользоваться непосредственно экспериментальными данными о наведенном поглощении. Пример оценки дозового коэффициента путем непосредственной обработки экспериментальных спектров наведенного поглощения, рис. 1, приведен на рис. 2.

Масштаб дозового коэффициента линейного расширения стеклообразных оптических материалов может быть оценен методами континуальной упругости.

(30)

Р. рад"1 2х 10-'° -

-4x10"

5 эВ

Рнс_ 2..Дозовый коэффициент показателя преломления Р(со), рассчитанный по спектру наведенного поглощения стекла (рнс.1.).

Да, СМ"1

Рис. 1, Спектр наведенного поглощения (кривая I) И для натриевосиликатного стекла с концентрацией Ре 7.6 х 1и"3 мае. %, подвергнутого у-облученшо дозой 1 Мрад. Штрихами (кривые 2-5) показаны гауссовы контуры, на которые проводилось разложение спеетра.

Изменение объема тела конечных размеров при введении в него N однородно распределенных дефектов может быть оценено выражением

(31)

(1 + сг)

где: а- коэффициент Пуассона, П.а - "мощность" дефекта, по физическому содержанию соответствует изменению элементарного объема среды при введении в него дефекта [5].

Следуя определению, дозовый коэффициент линейного расширения может быть представлен в виде

«, = 4л-|—:-р-т}-С10, (32)

1 + ст

где: р - плотность материала, т] - эффективность дефектообразования.

Подстановкой входящих в выражение (32) величин характерных для

о

диоксида кремния: г] = 1.4*]0'° эрг1 [36], П0«5А3, получим оценку а, м (О"10 рад-1, что соответствует результатам экспериментальных исследований.

Приведенные в работе оценки инициируемых радиационными дефектами деформаций подтверждают их значимую роль в обсуждаемых работой явлениях.

Традиционные подходы исследования радиационно - инициируемых деформаций твердых тел, оперирующие понятием дефект и его характеристиками, не обеспечивают требований прикладной оптики как по содержанию, так и по точности предлагаемых оценок .

Во - первых, в силу сложности химического состава промышленных стекол, материалов наиболее часто используемых в производстве оптических элементов, образуемые в них ионизирующими излучениями дефекты в настоящее время до конца не идентифицированы.

Во - вторых, эквивалентные по химической природе ионы в сетке стекла образуют в результате радиационного воздействия неэквивалентные дефекты, характеристики распределений параметров которых зависят от химического состава стекла, технологии его изготовления и т.д..

Поэтому в настоящей работе развивается полуэмпирический метод оценки радиационно - инициируемых деформаций твердых тел. Основу

метода формируют представления о поглощенной дозе ионизирующего излучения и дозовом коэффициенте линейного расширения твердого тела.

Представления о дозовым коэффициенте и поглощенной дозе, позволяют привести соотношения, связывающие напряжения = х,у, z, и

деформации = л,у,:, твердого тела, к виду:

¿' = — [о- - о(а + <т_)] + а, Д е„ = К - ■ 2/1

е„ = ~{<У„ ~ о(°\у + ^=)1 "i а, Д = (33)

I с

= тт[<7= - + о->г )] + а, Д ¿V = Л 2/J

Здесь - модуль сдвига материала.

Соответственно, уравнение равновесия тела подвергнутого радиационной нагрузке, в перемещениях и , имеет вид:

Дм -----graiíilmi - 2-^-^-a.VDír) = 0. (34)

I — 2cr 1— 2сг

Граничные условия определяются соответственно конкретной ситуации.

Предлагаемый метод, в условиях корректной оценки дозовых коэффициентов, обеспечивает точность расчета деформаций элементов оптической системы адекватную требованиям задач прикладной оптики.

Сопоставление модифицированных уравнений Гука (33) с уравнениями Дюамеля - Неймана свидетельствует их математическую эквивалентность, что указывает на перспективы разработки аналоговых методов исследований упруго - напряженных состояний твердых тел в тепловых полях и полях ионизирующих излучений.

Приведенные п главе оценки инициируемых радиационной нагрузкой изменений формы рабочих поверхностей образцов подтверждают актуальность рассматриваемых явлений также и для зеркальных элементов оптических систем.

В Четвертой главе работы приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований динамических отказов оптических систем дифракционного качества, обуславливаемых воздействием импульсных низкоэнергетических нагрузок ионизирующих излучений.

Следуя основополагающим представлениям теории надежности в главе сформулированы методы построения показателен надежности оптических систем в условиях радиационных воздействий. Основу этих методов составляет исследование зависимости параметров функционального состояния оптической системы, определяемых заданным уровнем качества формируемого ею изображения, от параметров радиационной нагрузки. Для оптических систем дифракционного качества, основной задачей которых является формирование изображения, ухудшение функционального состояния может быть как результатом потерь энергетики рабочего светового поля, так и следствием разрушения структуры изображения или результатом совместного действия указанных факторов.

Следуя физическому содержанию задачи, в качестве объекта исследования в работе использовались: модельный элемент, образец из диэлектрического оптического материала конечной толщины в направлении распространения ионизирующего излучения и простейшая оптическая система - диафрагмированная фокусирующая линза.

Учитывая, что возмущения параметров оптического элемента ( коэффициента поглощения и показателя преломления) являются некими функциями концентрации носителей заряда, п, генерируемых ионизирующим излучением в зону проводимости материала, в работе обсуждается вопрос оценки величиныие и(/,г), в условиях импульсной радиационной нагрузки.

Рассматривая генерацию носителей заряда ионизирующим излучением в виде пуассоновского дельта - коррелированого процесса, статистические характеристики эволюции концентрации носителей можно полностью определить функцией ф, (и) - плотностью вероятности обнаружить концентрацию носителей в момент времени / в промежутке (и, и + <1п).

В обсуждаемых работой условиях для функции ф,{п) получено уравнение:

ó<ФЛ")

г,'~пф, (») = j <//«/( л)0( (/» - ñ) - (л/), (35)

<? ¡rti

Здесь : e s (vr) ' , t & vt , v - средняя частота актов поглощения квантов ионизирующего излучения и единичном объеме оптического элемента, г -время жизни возбужденных носителей заряда, q(>î)- плотность распределения числа носителей заряда образующихся в результате поглощения кванта ионизирующего излучения.

В практически актуальных ситуациях плотность вероятности фг (ri) для концентрации возбужденных в зону проводимости электронов может быi ь описана выражением

(n-iW)1

(36)

Здесь M = vzwjl - ехр(-// т)] - центр распределения ф,(п) в момент времени t, а] - vt(/iI / 2)[1 - ехр(-2; / г)] - дисперсия распределения в момент времени t.

При !»т распределение стремится к стационарному виду с цен-

ipoM m.-i\vv и дисперсией = vm\ 12. Наглядное представление функции дает рис. 3. Заштрихованная облает ь в плоскости (/>,!) определяет состояния отказа.

Инициируемые ионизирующим излучением изменения показателя преломления, 8У . и коэффициента поглощения, да , являются функциями случайной ветчины п. Их статистические характеристики определяются функциями распределения /Д<5а)н /Д<Я\')- плотностями вероятности обнаружить величины 8а н 8N в момент времени t в промежутках (8а ,8а + día) и (8N ,8У + dSN). Анализ изменений диэлектрических характеристик оптических материалов обусловленных ионизационными эффектами показывает, что в ряде ситуаций, имеющих практический интерес, параметры, определяющие функциональное состояние ОС могут быть описаны линейными функциями величины и, вида у,п ■ В общем случае величины /, (i=l,2,...) определяются как выбором критериев функционального состояния ОС, так и свойствами материалов ее элемен-

г

тов. Функции f,(Sa) и /, (<SV), в рассматриваемой ситуации, могут быть'

записаны в виде:

1

-ехр

Ч ,0" 1

(Лг-^АО'

-ехр

1 2 г сг

(<SV-у2М)г

-, г г г? г °

(37) (3S)

Изложенные представления позволяют сформулировать методы определения показателей надежности элементов ОС. Следуя определен и--о, вероятность отказа (¡(С) элемента ОС определяется вероятностью его нахождения в состояниях, принадлежащих подпространству отказов, т.е.

£?(о=П . & =сг.л).- (39)

Знамение величины {?(*) позволяет получить представление и о других показателей надежности. Так, например, интенсивность отказов Л(1) опре-

деляе гея выражением

,_С>'С)

Д(/) =

СМ

(40)

Здесь штрих означает дифференцирование по времени I.

Вероятность безотказной работы R(t) определяется выражением R(t) = 1 - Q(t) (41)

Аналогичным образом могут быть определены и другие показатели надежности.

Проведенное исследование выражений (39), (41) показывает, что условиях высокоинтенсивных, но относительно низкоэнергетических радиационных нагрузок, оптические системы могут находиться в состояниях динамического отказа. Длительность и условия возникновения отказа зависят от определения критериев функционального состояния оптической сист емы, что связано с ее свойствами и техническим назначением.

Время достижения состояния отказа с" можно оценить выражением

Г,

,; = -rini 1—-=

J { г,м.

s М(1 --> от) ,

(42)

время восстановления элементом работоспособного состояния после прекращения воздействия ИИ имеет оценку:

= (43)

Соответственно, длительность t0 состояния отказа элемента определяется выражением:

(44)

Л/„

Таким образом, время достижения состояния отказа, его длительность и время восстановления работоспособности оптической системой, после прекращения радиационного воздействия, определяются интенсивностью дефектообразования и скоростью отжига дефектов.

Интенсивность дефектообразования в заданной точке оптического элемента определяется мощностью экспозиционной дозы и механизмом передачи энергии веществу. Механизмы передачи энергии веществу обсуждены во второй главе работы и указывают на зависимость характеристик передаваемой телу энергии излучения от его вида и энергетического спектра.

Энергетическая релаксация первичных дефектов в стеклообразных материалах представляет собой сложное физическое явление, состоящее в переносе первично возбужденных носителей заряда между атомными центрами и сопутствующей этому переносу перестройкой матрицы стекла. Подобный вывод подтверждается экспериментальными исследованиями, демонстрирующими хорошее спрямление участков кривых релаксации в осях "оптическая плотность - логарифм времени", что и позволяет сделать вывод о том, что разрушение центров окраски реализуется вследствие туннельной рекомбинации между электронными и дырочными центрами окраски. Наличие же широкого спектра "постоянных времени" релаксации находит объяснение в виде кооперативных явлений связанных с перестройкой структурной сетки стекла.

Экспериментальные данные о спектрах наведенного поглощения указывают на большую инерционность процессов обесцвечивания стекол подвергнутых импульсной радиационной нагрузке, от десятков наносе-

кунд до десятков секунд после окончания нагрузки, что указывает на значимость рассматриваемых явлений для оптических приборов с различными требованиями к временному разрешению.

Вид кинетических кривых релаксации поглощения для кроновых и флинтовых стекол имеет важные для прикладной оптики различия. Наведенное поглощение флинтовых стекол характеризуется единой по спектру кривой релаксации, тогда как в кроновых стеклах отмечается различие скоростей обесцвечивания в длинноволновой и коротковолновой частях спектра. Это явление может быть источником ухудшения ахроматических параметров объективов.

Источником динамических отказов могут быть вызываемые дефек-тообразованием возмущения упруго - напряженного состояния элементов оптических систем. На это указывают, приведенные в третьей главе, оценки изменений эйконала и рассматриваемые в настоящей главе временные свойства дефектообразования в стеклах, однако, эта проблема остается в настоящее время открытой.

Содержание пятой главы составляет исследование возможности раз-рабо[ки метода коррекции остаточных аберраций оптических систем дифракционно! о качества путем использования радиационно - инициируемых изменении характеристик оптических материалов, формирование предстаатений о физическом содержании этого метода и связанных с его реализацией методолгических задачах.

В рамках изучения принципиальной возможности использования инициируемых ПН изменений характеристик оптических материалов для выполнения аберрационной коррекции проведено исследование природы изменений показателя преломления церийсодержащих стекол. Обращение к нерийсодержащим стеклам обусловлено способностью ионов церия перезаряжаться. Находясь в матрице стекла одновременно в формах: Сеи и Сеи, церий способен эффективно захватывать свободные носители заряда обоих знаков возникающих в результате ионизации и преобразовываться в формы (Се3*)ги (Се4'') , подавляя при этом другие механизмы дефектообразования.

Несмотря на изозарядность ионов (Се3*)* и Се4*, (Се41") и Се3* , они отличаются состоянием матрицы стекла и энергией электронных возбуждений.

Перезаряженные ионы являются источниками возмущения упруго -напряженного состояния стекла. Этот эффект оказывает влияние как на геометрию оптических элементов, так и на показатель преломления элементов оптической системы, однако, в силу недостаточной изученности, в настоящем разделе работы не рассматривается.

Отражением отличия энергии электронных возбуждений ионов церия при перезарядке являются спектры наведенного поглощения, в которых изозарядным состояниям отвечают различные полосы. Соответственно, следствием перезарядки церия является также и изменение показателя преломления стекла.

Методическую основу исследования этого эффекта составляет взаимозависимость показателя преломления и коэффициента поглощения, открывающая возможность использования в изучении инициируемых ИИ изменений диэлектрических характеристик материала детально разработанных и технически обеспеченных методов спектроскопии.

Количественный анализ изменений показателя преломления из экспериментальных спектроскопических данных может выполняться либо с помощью соотношений Крамерса-Кронига, либо с помощью методов классической теории дисперсии. Соотношения Крамерса-Кронига не связаны с какой - либо микроскопической моделью взаимодействия электромагнитного поля с веществом. Поэтому, для исследований природы изменений диэлектрических характеристик стекла, предпочтительными являются методы классической теории дисперсии.

В классической теории дисперсии диэлектрические характеристики вещества определяются выражениями:

//,.е,7, (,со1-с>г)

(т1-сог)г+г>г>

е" = Ш = £

Л1,*.',2/ у :со

яг>1, (б)\, -шг)г +у)о>

у ,СУ

(46)

Здесь Л', - число осциляторов / - го вида, £', и от, - их заряды и массы, /, -силы осциляторов, <им - частоты (линейные) осциляторов, - коэффициенты затухания.

Таким образом, диэлектрические характеристики вещества определяется тремя дисперсионными параметрами: сол , у1 , / (или ).

В рамках подобного подхода, инициируемые ионизирующим излучением изменения дшлекгричсскня характеристик вещества могут быть описаны выражениями вида (45), (46) с отличными от исходны» значениями параметров гол , у, , /,. Эти значения могут быть определены из спектров наведенного поглощения материала и, далее, использованы для изучения изменений показателя преломления и природы этих изменений.

Спектры инициируемого излучением поглощения стекол представляют совокупность плохо разрешенных полос. Учет этого факта, связываемого с структурной разупорядоченностыо стекла, может быть осуществлен введением в дисперсионные уравнения распределений резонансных частот каждого вида осцидяторов. Следуя подобному подходу, в качестве основы исследования были использованы методы дисперсионного анализа разработанные для исследования сложных плохо разрешенных спектров стекол [6]. Отличительной особенностью данной версии метода дисперсионного анализа является использование в нем аналитической модели комплексной диэлектрической проницаемости ¿(а>), учитывающей присущее спегграм стекол уширен ие его компонент в виде гауссова распределения соответствующих резонансных частот,

Процедура дисперсионного анализа сводится к поиску значений дисперсионных параметров (а'„)" ( в данной модели это центральные частоты распределений осциляторов шТ1, среднеквадратичные отклонения для этих распределений сту, интенсивности осциляторов и их коэффи-

(47)

цненты затухания уj ), обеспечивающих минимизацию разницы между моделирующим спектром той или иной оптической функции и ее экспериментальным спектром.

Результаты дисперсионного анализа характерного спектра поглощения стекла К108, типичного промышленного силикатного стекла, приведены в Таблице I.

Таблица I. Вклады полос поглощения церия в показатель преломления оекла К IOS до облучения и их изменение в результате облучения.

Величины вкладов до облучения ( *106).

Линия ы*\0 \ см 1 Суммарный От полосы

Се" (Се3")4 Се4+

h 2.471 110 8 — 101

О Р 2.294 99 7 — 92

F* 2.083 90 6 — 84

е 1.831 82 5 — 77

с: 1.553 76 4 / 72

Изменение показателя преломления в результате облучения ( *106).

Линия (У*10 см-' Суммарный От полосы

Се14 (Се3+)+ CeJ+

h 2.471 + 10 -1 +8 +3

2.294 +8 -1 +7 +2

F 2.083 +7 0 +6 + 1

е 1.831 +6 0 +6 0

с: 1.553 +5 +1 +5 -1

Согласно результатам дисперсионного анализа, роль полос Се'1" и Се" не меняется заметным обраюм при перезарядке. Как и следовало ожидать; преобладающим является вклад полосы Се4", имеющей значительно большую интенсивность. Вклад полосы (Се")1 близок к вкладу полосы Се3' , но обнаруживает несколько меньшую дисперсию, что объясняется большей удаленности этой полосы от видимого диапазона длин волн. Именно появлением эгой полосы и определяются практически все изменения значений показателя преломления стекла К10!> при облучении.

Проведенная оценка показывает, что в результате облучения можно ожидать увеличения показателя преломления стекла ЬС108 на 5- 10 единиц шестого знака (в зависимости ог длины волны), вызываемого практически только полосой (Се1*)*. Ожидаемые изменения частных дисперсий оцениваются от одной единицы шестого знака для ( щ.-- ги , пе- п<;), до трех единиц шестого знака для (пь-пг).

Анализ экспериментальных исследований перезарядки ионов церия, Се" => (Се")', в модельных стеклах указывает на сильную зависимость предельных значений концентрации ионов (Се31")1" от исходной концентрации ионов Се1' и железа. Эта зависимость может оказать существенное влияние на величину инициируемых излучением предельных изменений шжакпеля преломления цернйсодержпщих стекол, оцениваемых сотнями пропето» в области практчески реализуемых вариаций концентраций угнанных ионов.

'Экспериментальная оценка [7] изменения показателя преломления стекла К108 инициируемого перезарядкой церия, Се" => (Се")', приводит к величине Алз (>-5, для X » 0.633 нм, что указывает на необходимость совершенствования расчетно - экспериментальных методов исследования.

Проведенные исследования природы и масштаба эффекта подтверждают принципиальную возможность исправления волновых аберраций путем изменений показателей преломления оптических элементов ионизирующим излучением. В этой связи актуальной становится задача расчета характеристик изменений показателей преломления в объеме элемент« оптической системы, компенсирующих заданную совокупность аберраций.

В рамках развития методологии решения подобных задач целесообразно обратиться к простейшей оптической системе, тонкой диафрагмированной фокусирующей линзе.

Использование в качестве критерия исправления аберраций 1У(р,<р), (р,<р) - полярные координаты в выходном зрачке, среднего квадратиче-

ского значения погрешностей волнового фронта, IV, после воздействия на линзу ионизирующего излучения, позволяет свести задачу аберрационной

коррекции к поиску путей минимизации величин \Ст - С*„|. Эти величины являются коэффициентами разложения по полиномам Цернике среднего квадратического значения погрешностей волнового фронта. Спт - коэффициенты разложения по полиномам Цернике подлежащих исправлению аберраций.

коэффициент разложения по полиномам Цернике (обозначения стандартные) корригирующих изменений оптического пути луча в линзе, определяющий поглощенную дозу, Щр,<р,г), в элементарном объеме охватывающем его траекторию, 5.

Здесь Г(р,<р,т,Е) -энергетический спектр дозообразующих частиц в точке (р,<р,г), ЦЕ) - ЛПЭ [2] дозообразующих частиц, Е^ и £В1Ш - пределы интегрирования, определяемые спектром дозообразующих частиц.

Таким образом, предлагаемый метод, в условиях заданных значений дозовых коэффициентов показателей преломления оптических материалов, сводится к поиску характеристик поглощенных доз корригирующего излучения в оптических элементах и последующей их реализации варьированием спектральных и временных характеристик экспонирующей нагрузки.

Вопрос о корригирующих возможностях метода остается открытым и составляет предмет самостоятельных исследований физики твердо-

(48)

Л'шах

го тела. Очевидным недостатком метода в данной, конкретной, форме его

реализации является относительно малая величина изменения показателя преломления. Увеличение корригирующих эффектов требует изучения в них роли других примесей, реализующих в стекле состояния переменной валентности.

источником аберрационной коррекции могут быть также и инициируемые дефектами деформации материалов оптических элементов, что особенно актуально для зеркальных элементов. Свидетельством правомочности этого тезиса являются приведенные в третьей главе работы данные о дозовых коэффициентах линейного расширения стекол и изменениях рабочих поверхностей экспериментальных образцов вызываемых радиационной нагрузкой.

Заключение.

Проведенные в работе исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Рздиацкошю - инициируемые аберрации могут вызывать существенную деградацию оптического изображения дифракционного качества, поэтому их исследование составляет предмет актуальных исследований для прикладной оптики и оптического материаловедения. Сформированные представления о методах исследований и физическом содержании радиацион-но - инициируемых аберраций основываются па понятии о дозовых коэффициентах: показателя преломления, Д(Л), и линейного расширения, а;, материалов и поглощенных в элементах оптической системы дозах ионизирующих излучений.

2. В теорию формирования изображения и оптическое материаловедение введено понятие о дозовых коэффициентах твердого тела. Под до-зовым коэффициентом показателя преломления следует понимать изменение показателя преломления вещества вызываемое единичной радиационной нагрузкой; под дозовым коэффициентом линейного расширения следует понимать приведенное к единице длины изменение линейного размера образца вызываемое единичной радиационной нагрузкой.

Дозовые коэффициенты предлагается рассматривать эмпирическими величинами. В работе предложены экспериментальные и расчетно - экспериментальные методы оценки дозовых коэффициентов. Проведенная

предварительная оценка дозовых коэффициентов для ряда силикатных стекол подтверждает актуальность проблемы радиационно - инициируемых аберраций.

Дозовых коэффициенты могут быть использованы для оценки и классификации радиационно - оптической устойчивости оптических и конструкционных материалов.

3. Поглощенные дозы ионизирующего излучения, определяющие его действие на облучаемые тела, в элементах оптической системы могут иметь достаточно разнообразные пространственные распределения: от суще-ствениио неоднородных до практически однородных. Обуславливая тем самым разнообразие свойств радиационно - инициируемых аберрации.

Определение характеристик поглощенных доз в оптических элементах сопряжено с изучением переноса излучений в стеклах. Проведенный анализ механизмов передачи энергии, рассматриваемых в работе излучений, показывает, что характеристики поглощенной дозы фотонного излучения в силикатных стеклах определяются преимущественно фотоэффектом и эффектом Комптона, а характеристики поглощенной дозы электронного и протонного излучений определяются преимущественно их ионизационными потерями.

4. Разработанные основы теории радиационно - инициируемых аберраций положения изображения и увеличения, инициируемых фотонным излучением, позволяют рекомендовать выведенные здесь величины

1',0{Л) - — а, в качестве характеристики радиационно-оптической

" _'

устойчивости стекол. Следует подчернуть, что зависимость радиацнонно-оптического параметра V10 от длины волны определяется радиационным дефектообразванием и требует самостоятельных исследований.

Математическая аналогия и физическое содержание выражений для радиационно - инициируемых и термооптических аберраций положения и увеличения изображения указывают на возможность разработки аналоговых методов исследования радиационно - инициируемых эффектов при помощи тепловых и наоборот.

5. Использование представления о дозовом коэффициенте линейного расширения позволило расширить уравнения Гука для анализа упруго -

напряженного состояния твердых тел в полях ионизирующих излучений. Модифицированные уравнения Гука связывают тензор деформаций с по! ¡нш-лпюй док>П. Предлагаемый подход исследования радиационно -шшшжрусмы.х деформации твердых тел отличается or традиционно-: ме-

оло.ч исишыуюшнх не поддающиеся непосредственному контролю кс-■ нпины: мощносп> дефекта, локальная концентрация дефектов.

Магемагическая эквивалентность полученных уравнений и уравнений Дюамеля - Неймана открывает, с одной стороны, возможность нспочьзо-вания разработанных в теории термоу прут ости методов для анализа радиационно иничиируемых деформаций, а. с другой стороны, является базой для разработки методов аналогового моделирования эффектов з твердых челах, инициируемых тепловой или, соответственно, радиационной нагрузкой.

Возможность аналоговых методов исследования радиационно - инициируемых эффектов способна существенно упростить оценки параметров .надежности сложных изделий и обеспечить значительный экономический

чффек I.

Ci. Сформулированы подходы к построению показателей надежности оптических систем в условиях радиационных нагрузок.

В условиях высоконнтенсивных, но относительно ннзкоэнергетиче-скнх радиационных нагрузок, оптические системы могут находиться з состояниях динамического отказа. Длнтельнекмъ и условия возникновения отказа зависят от требований к качеству формируемого оптической системой изображения.

Для оптических систем дифракционного качества состояние динамического отказа может быть как- результатом потерь энергетики рабочего светового поля, так и следствием разрушения структуры изображения или результатом совместного действия указанных факторов. Механизм динамического отказа, при заданных требованиях к качеству оптического изображения, зависит от мощности экспозиционной дозы, спектра рабочих частот, температуры эксплуатации прибора и т.д.

Время достижения состояния отказа, его длительность и время восстановления работоспособности оптической системы после прекращения воздействия ионизирующего излучения определяются, в рамках опреде-

ленного механизма отказа, интенсивностью дефектообразования и скоростью релаксации первичных дефектов.

7. Показана принципиальная возможность использования инициируемых ионизирующими излучениями изменений показателя преломления материалов оптических элементов для выполнения коррекции аберраций сопоставимых с длиной волны.

Предлагаемый метод, в условиях заданных значений дозовых коэффициентов показателей преломления оптических материалов, сводится к поиску характеристик поглощенных доз корригирующего излучения в оптических элементах (возможно одном элементе), минимизирующих погрешности волнового фронта в выходном зрачке прибора, и последующей их реализации варьированием спектральных и временных характеристик экспонирующей нагрузки.

Вопрос о корригирующих возможностях метода остается открытым и составляет предмет самостоятельных исследований физики твердого тела. Простейшим примером такого исследования является приведенный в работе анализ экспериментальных данных о природе и свойствах инициируемого ионизирующим излучением дефектообразования в церийсодер-жащнх силикатных стеклах.

Проведенные в работе исследования расширяют представления о физических явлениях инициируемых ионизирующими излучениями в оптических материалах и приборах. Проблема прогноза изучаемой в работе деградации структуры избражения стимулирует развитие широкого спектра исследований в прикладной оптике, радиационном материаловедении и дозиметрии.

В перечень актуальных задач радиационного материаловедения, в . свете полученных результатов, необходимо внести задачи связанные с оценкой дозовых коэффициентов и изучением их свойств. Так обеспечение радиационной стойкости предполагает минимизацию дозовых коэффицие-тов, в то время как для проблемы аберрационной коррекции оптических систем актульными являются исследования направленные на их максимизацию. Как проблема оценки деградации структуры оптического изображения, так и проблема его улучшения сопряжены с необходимостью знания пространственно - временных изменений характеристик оптических

элементов, что актуализирует разработку методов оценки поглощенных

доз ионизирующих излучений в многокомпонентных средах.

Список цитированной литературы.

1. Игнатьев Ф.Н. Новые аспекты радиационного материаловедения.

// Тезисы докладов 7 - ой Всесоюзной конференции по РФХ нерганических материалов. Рига. 1988. т.2. с.531.

2. Иванов В.И. Курс дозиметрии. М.: Атомиздат. 1978. 392с.

3.Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1978. 719 с.

4.С,люсарев Г.Г. Метоы расчета оптических систем. М.: Машиностроение. 1969. 672 с.

ВолосовД.С. Фотографическая оптика. М.: Искусство. 1971.

5. Эшелби Дж. Континуальная теория дислокаций. М.: ИЛ. 1963. 247с. Косевич A.M. Основы механики кристаллической решетки. М.: Наука. 1972. 280 с.

6. Ефимов А.М.,Макарова Е.Г. Дисперсионное уравнение для комплексной диэлектрической проницаемости стеклообразных веществ и дисперсионный

анализ us спектров отражения. // Физ.и хим. стекла. 1985. Т.П. N 4. с. 385401.

7. Докучаев В.Г. Фоторефракгивный эффект в стеклах активированных церием. // Оптический журнал. 1994. №11. с. 74 - 79.

8. Глебов Л.Б., Докучаев В.Г., Петровский Г.Т. Исследование спектров jj-окрашенных силикатных стекол высокой чистоты с переменным содержанием Ге // Физ. и хим. стекла, 19X5, т.11., N1, с.79-86.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации.

1. Игнатьев Ф.Н., Карин М.Г., Никонова М.В., Шестаков И.Б. О природе радиационных аберраций оптических систем. // Тезисы докладов. 7-я Всесоюзная конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов. Рига, 11-13 октября 1989, ч.1. с.95.

2. Игнатьев Ф.Н. Новые аспекты радиационного материаловедения.// Тезисы докладов. 7-я Всесоюзная конференция по радиационной физике н химии неорганических материалов. Рига, И - 13 октября 1989, ч.2. с.531.

3. Arbuzov V.I., Gusarov A.I., Ignatiev F.N., Vdovin A.I. & Volchek A.O. The nature and properties of irradiation induced aberration 6f optical systems.

// Proceedings of Sixth International Sympozium on Materials in a Space Environment, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 19-23 September 1994, pp.85-90.

4. Волчек А.О., Гусаров А.И., Игнатьев Ф.Н. Влияние радиационио - инициируемых возмущений диэлектрических и механических характеристик оптических материалов на структуру изображения. // Оптика и спектроскопия. 1994. т.76. № 5. с.822-827.

5. Игнатьев Ф.Н. Основы теории радиационио - инициируемых деформаций оптических материалов. II Тезисы докладов 9 - ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томск, 23 - 25 апреля 1996, с. 173.

6. Волчек А.О., Гусаров А.И., Игнатьев Ф.Н., Куликов В.Д. Изменение плотности промышленных силикатных стекол при электронном облучении. // Тезисы докладов 9 - ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томск, 23 - 25 апреля 1996, с.88-89.

7. Волчек А.О., Гусаров А.И., Игнатьев Ф.Н. Воздействие ионизирующих излучений на диэлектрические характеристики силикатных стекол. // Тезисы докладов 4 - ой европейской конференции по материалам и технологии. Санкт - Петербург. 1993. т.2. с. 159.

8. Волчек А.О., Гусаров А.И., Дийков А.Л., Игнатьев Ф.Н. Изменения показателя преломления силикатных стекол под действием ионизирующих излучений.//Физ. и хим. стекла. 1995. т. 21. № 2. с.166-171.

9. Арбузов В.И., Ефимов A.M., Игнатьев Ф.Н. Природа радиационио -инициируемых изменении показателя преломления церийсодержащнх стекол. .// Тезисы докладов 9 - ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томск, 23 - 25 апреля 1996, с.23.

10. Arbuzov V.l., Gusarov A.I., Ignatiev F.N., Volchek A.O. Radiation -induced changes in optical constants of silicate optical dlasses. II Proceedings of XVII Intern. Congress on Glass. Beijing. 1995. v.3. pp. 151-156.

11. Карпов В.Г., Клингер М.И., Игнатьев Ф.Н. Теория низкотемпературных аномалий тепловых свойств аморфных структур. // ЖЭТФ. 1983. т.84. с. 760-775.

12. Ignatiev F.N., Karpov V.G., Klinger M.I. Atomic critical potentials and

structure of non-single-well potentials in glasses. //J. of Non-Crystalline Solids. 1983 v. 55. 307-323.

13. Karpov V.G., Klinger М.1., Ignatiev F.N. Atomic tunneling states and low - temperature anomalies of thermal properties in amorphous materials. // Scl. St Commun. 1982. v.44. p. 333-337.

14. Игнатьев Ф.Н., Карпов В.Г., Клипгер МП. Автолокализация злек-i ройных пар в модальной структуре с критическим потенциалом. // ФТТ. ¡УЬЗ. т. 25. с. 1265-1269.

(5. Игнатьев Ф.Н. Основы аналогового моделирования радиационно -инициируемы* эффек тов в задачах прикладной оптики. // Тезисы докладов 9 - ой Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томск, 23 - 25 апреля 1996, с.174. 16. Игнатьев Ф.Н. Проблемы надежности высокоразрешающих оптических систем в полях ионизирующих излучений. // Тезисы докладов научно -технической конференции "Эксплуатация и надежность технических систем и комплектующих изделий. Севастополь. 25- 27 апреля 1990. с.66-67. (7. Игнатьев Ф.Н. Надежность высокоразрешающих оптических систем в импульных полях ионизирующих излучений. // Тезисы докладов научно -к-хнической конференции "Эксплуатация и надежность технических систем и комплектующих изделий. Севастополь. 26- 28 апреля 1991. liv Arbu/.ov V.I., Gusarov A.I., Ignatiev F.N., Volchek A.O. Simulation of Stability of Space Optical Systems Under Irradiation in Laboratory Conditions. // Proceedings of Sixth International Sympozium on Materials in a Space Environment, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 19-23 September 1994, pp.9i -93.

19. Волчек A.O., Гусаров А.И., Игнатьев Ф.Н. Создание градиентных оптических материалов с помощью ионизирующего излучения. // Тезисы докладов 4 - ой европейской конференции по материалам и технологии. Санкт - Петербург. 1993. т.2. с, 158.

20. Arbuzov V.I., Gusarov A.L, Ignatiev F.N. Radiation - induced absorption and lefractive index difference in optical glasses and their radiation courneiparts. II Proceedings of III Conf. ESG 1995. "Fundamentals of Glass Science and Technology". Glass Sci. Techno!. Glastech. Ber. 1995. v.68. c.l. pp.501-506.

21. Игнатьев Ф.Н. Перспективы радиационных технологий в прикладной оптике. // Тезисы докладов 9 - он Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов. Томск, 23 - 25 апреля 1996, с. 172.