Способ выбора марок оптических стекол для конструирования оптических систем космической аппаратуры в условиях длительного воздействия ионизирующих излучений космического пространства



Способ выбора марок оптических стекол для конструирования оптических систем космической аппаратуры в условиях длительного воздействия ионизирующих излучений космического пространства

 


Владельцы патента RU 2626450:

Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" (RU)

Изобретение относится к методам обеспечения длительной (до года и более) радиационной стойкости оптических стекол космической аппаратуры. Способ включает вычисление, по известной методике, распределения дозы ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси каждого выполненного из стекла элемента оптической системы в условиях эксплуатации с учетом защитных свойств конструкции. Далее с использованием компьютерной алгебры вычисляют увеличение спектральной оптической плотности указанных элементов на основании средней мощности дозы ионизирующих излучений на указанной оптической оси и характеристик кинетики (образования и релаксации) радиационной окраски стекла данного элемента. Определяют увеличение спектральной оптической плотности оптической системы и соответствующее снижение спектрального коэффициента ее пропускания. Сравнивают снижение этого коэффициента с допустимым и при необходимости заменяют марки оптического стекла у элементов с максимальным увеличением спектральной оптической плотности. Технический результат состоит в оптимизации оптических систем путем предварительной оценки с повышенной точностью снижения их спектрального коэффициента пропускания в течение срока активного существования.

 

Изобретение относится к области обеспечения стойкости оптических систем космической аппаратуры к воздействию ионизирующих излучений космического пространства. Предварительная расчетная оценка снижения спектрального коэффициента пропускания оптической системы космической аппаратуры, в условиях длительного воздействия ионизирующих излучений космического пространства позволяет выбрать марки оптических стекол, обеспечивающие по своим радиационным свойствам работу аппаратуры с требуемыми характеристиками в течение заданного срока активного существования на орбите. Повреждающее действие ионизирующих излучений космического пространства на изготовленные из стекол элементы оптической аппаратуры состоит в увеличении их спектральной оптической плотности вследствие радиационного окрашивания стекол и связано с образованием в объеме стекла радиационных центров окраски в результате захвата ловушками (дефектами структуры стекла) свободных носителей заряда, возникших при воздействии ионизирующих излучений на стекло. Существуют ловушки разных типов. Каждый тип ловушек характеризуется определенной энергией и при захвате свободных носителей заряда образует центры окраски со временем жизни, зависящим от энергии ловушек. Количество образовавшихся в стекле центров окраски увеличивается с увеличением дозы ионизирующих излучений космического пространства и уменьшается с увеличением времени набора данной дозы из-за процесса самопроизвольного распада центров окраски. Скорость распада центров окраски определяется величиной времени жизни центров окраски. Распад центров окраски приводит к обесцвечиванию (релаксации) радиационной окраски стекла.

Известен способ определения максимально возможного увеличения спектральной оптической плотности стекол при воздействии ионизирующих излучений космического, описанный в книге «Модель космического пространства. Модель космоса - 82. Моделирование воздействия космической среды на материалы и оборудование космических летательных аппаратов» / Под редакцией Вернова С.Н., в 3-х томах, Москва, изд. МГУ, 1983 г., том 2, с. 567. Способ состоит в том, что для описания кинетики радиационной окраски стекол (физическая кинетика (др. - греч. - движение) - микроскопическая теория процессов в неравновесных средах) используют свойства приближенных решений дифференциального уравнения накопления радиационных центров окраски, согласно которым максимальное увеличение спектральной оптической плотности стекла равно произведению коэффициента радиационного повреждения стекла на суммарную дозу ионизирующих излучений космического пространства распределенную по глубине стекла, коэффициенты радиационного повреждения стекол определяют по результатам экспериментов.

Относительное снижение спектрального коэффициента пропускания оптической системы для выбранной длины волны света выражается через приращение спектральной оптической плотности системы следующей формулой:

где

- τ0 - начальное значение спектрального коэффициента пропускания системы;

- τ - значение спектрального коэффициента пропускания системы в конце периода воздействия ионизирующих излучений космического пространства;

- ΔD - приращение спектральной оптической плотности системы в результате воздействия ионизирующих излучений космического пространства.

Приращение спектральной оптической плотности системы в результате воздействия ионизирующих излучений космического пространства определяется как сумма приращений спектральной оптической плотности отдельных элементов оптической системы следующей формулой:

где

- ΔDi - приращение спектральной оптической плотности i-го элемента системы;

- N - количество элементов оптической системы.

В условиях неравномерного распределения дозы ионизирующих излучений космического пространства по глубине i-го элемента оптической системы приращение его спектральной оптической плотности имеет следующий вид:

где

- Δαi(х) - приращение спектрального коэффициента поглощения стекла под действием ионизирующего излучения для i-го элемента системы во внутренней точке х на оптической оси элемента, см-1;

- Li - толщина i-го элемента, см.

Для значений дозы меньше 104 Гр (106 рад) приращение поглощения стекла под действием ионизирующих излучений приближенно принимается пропорциональным величине дозы, а коэффициент пропорциональности определяется по результатам эксперимента. Формула (3) для приращения поглощения стекла под действием ионизирующих излучений космического пространства принимает следующий вид:

где

- Ki - коэффициент радиационного повреждения стекла i-го элемента, который определяется по результатам эксперимента, рад-1⋅см-1;

- Qi(x) - распределение дозы ионизирующих излучений космического пространства по толщине i-го элемента, которое приближенно принимается равным Q(x), одинаковым для группы элементов системы, рад.

Коэффициент радиационного повреждения стекла в формуле (4) определяется по результатам эксперимента следующей формулой:

где

- τ0 - начальное значение спектрального коэффициента пропускания образца стекла до эксперимента;

- τэ - значение спектрального коэффициента пропускания образца стекла после эксперимента;

- Q - доза ионизирующего излучения, поглощенная в образце стекла в эксперименте, рад;

- L - толщина образца стекла в эксперименте, см.

Этот способ дает приближенный результат, так как не учитывает релаксации радиационной окраски стекла вследствие самопроизвольного распада центров окраски в течение периода воздействия ионизирующих излучений космического пространства, а также не учитывает различий в распределениях дозы ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси различных элементов оптической системы.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа выбора марок оптических стекол для конструирования оптических систем космической аппаратуры, в условиях длительного воздействия ионизирующих излучений космического пространства является способ, описанный в работе Лалакин А.В. «Методика расчета радиационной стойкости оптических систем при длительном воздействии ионизирующих излучений», опубликованной в сборнике «Радиационная стойкость элементов и материалов оптоэлектронных систем», М.: ЦНИИ информации, 1984 г., с. 146, который заключается в том, что определяют характеристики кинетики радиационной окраски применяемых марок стекол, для этого анализируют справочные и экспериментальные данные, при этом используют модель распределения ловушек по энергиям внутри стекла в виде дискретного распределения конечного числа типов ловушек, используют среднюю мощность дозы ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси каждого элемента оптической системы, используя полученные данные, определяют приращение спектральной оптической плотности и соответствующее снижение коэффициентов пропускания элементов оптической системы.

Характеристики кинетики радиационной окраски стекол определяют из анализа справочных экспериментальных данных, которые получены измерением приращения спектральной оптической плотности образцов стекол в процессе их облучения ионизирующим излучением, например гамма-излучением источника Со60, и последующего обесцвечивания в отсутствие облучения.

Единицей измерения экспозиционной дозы гамма-излучения является 1 Рентген (Р), в отличие от единицы измерения поглощенной дозы электронного и протонного ионизирующих излучений космического пространства 1 рад.

Воздействие гамма-излучения с экспозиционной дозой 1 Р на оптические стекла в части образования центров окраски эквивалентно воздействию электронного и протонного излучений с величиной поглощенной дозы 0,88 рад, поэтому уравнения кинетики радиационной окраски стекол имеют одинаковый общий вид независимо от типа ионизирующего излучения и могут отличаться только числовыми множителями единиц дозы.

Кинетику радиационной окраски стекол описывают дифференциальным уравнением, которое задается следующей формулой:

где

- n - концентрация центров окраски, см-3;

- t - время облучения, ч;

- Р - мощность дозы гамма-излучения, Р⋅ч-1;

- σ - сечение процесса образования центров окраски, Р-1;

- N0 - концентрация ловушек, см-3;

- ρ - время жизни центров окраски, ч.

Уравнение (6) описывает образование центров окраски при захвате ловушками (дефектами структуры стекла) свободных носителей заряда, возникших при воздействии ионизирующих излучений на стекло, а также процесс самопроизвольного распада центров окраски.

Используют в формуле (6) приближение n<<N, когда количество образовавшихся центров окраски n много меньше количества ловушек N, то есть не учитывают эффект насыщения в процессе образования центров окраски. Процесс образования центров окраски при экспериментальном облучении стекла ионизирующим излучением в период времени с момента t=0 начала облучения и до момента Т окончания облучения при начальном условии n=0 описывают приближенным решением дифференциального уравнения (6) следующего вида:

где обозначения совпадают с обозначениями в формуле (6).

После окончания периода экспериментального облучения, то есть после момента времени Т, процесс самопроизвольного распада центров окраски описывают приближенным решением дифференциального уравнения (6) следующего вида:

где

- t - время после окончания облучения, ч;

- nα(Т) - определяется по формуле (7).

Изменение радиационной окраски стекла в течение периода экспериментального облучения и последующего обесцвечивания в отсутствие облучения описывают моделью дискретного распределения конечного числа типов ловушек.

Образование радиационной окраски в течение периода экспериментального облучения описывается суммой вкладов конечного числа типов центров окраски с различными временами жизни. Вклад каждого типа центров окраски описывается формулой вида (7). В соответствии с этим, приращение спектральной оптической плотности образца стекла в течение периода экспериментального облучения определяется формулой:

где

- t - время с начала экспериментального облучения, ч;

- ΔDуд - удельное приращение спектральной оптической плотности стекла - приращение спектральной оптической плотности создаваемое воздействием гамма-излучения с экспозиционной дозой 1Р в единице толщины стекла при отсутствии процессов обесцвечивания, Р-1;

- L - толщина образца стекла, см;

- Рγ - мощность экспозиционной дозы гамма-излучения, Р⋅ч-1;

- М - количество типов центров окраски;

- aj - относительный вклад j-го типа центров окраски в процесс приращения спектральной оптической плотности;

- ρj - время жизни j-го типа центров окраски, ч.

Мощность экспозиционной дозы гамма-излучения при равномерном облучении в течение эксперимента выражается через экспозиционную дозу гамма-излучения следующей формулой:

где

- Qγ - экспозиционная доза гамма-излучения, Р;

- T -длительность облучения, ч.

Подставляя в формулу (9) выражение (10) для мощности экспозиционной дозы гамма-излучения, запишем величину приращения спектральной оптической плотности образца стекла в момент времени Т окончания экспериментального облучения в виде следующего выражения:

После окончания экспериментального облучения происходит обесцвечивание радиационной окраски образца стекла. Приращение спектральной оптической плотности образца в этом случае может быть записано как сумма вкладов процессов обесцвечивания центров окраски с различными временами жизни, где вклад каждого типа центров окраски описывается формулой вида (7). В соответствии с этим, приращение спектральной оптической плотности образца стекла после окончания экспериментального облучения определяется формулой:

где

- t - время после окончания экспериментального облучения, ч;

- ΔDT - приращение спектральной оптической плотности образца в момент времени Т окончания экспериментального облучения, определяемое формулой (11);

- bj - относительный вклад j-го типа центров окраски в процесс обесцвечивания спектральной оптической плотности.

Определение величин bj и ρj, которые определяют отдельные экспоненциальные слагаемые в формуле (12) производят по экспериментальным данным по обесцвечиванию радиационной окраски образца стекла после окончания экспериментального облучения. С этой целью используют известный метод графического анализа данных независимого распада смеси нескольких радионуклидов, описанный в книге «Радиоактивные индикаторы в химии. Основы метода» / Под редакцией Лукьянова В.Б. Москва, Высшая школа, 1985, с. 35.

Используют значения ΔDn приращений спектральной оптической плотности, измеренные в моменты времени tn после окончания облучения, где индекс n принимает значения от 1 до N. В полулогарифмическом масштабе по экспериментальным данным строят график функции относительного обесцвечивания спектральной оптической плотности, задаваемой следующим соотношением:

При этом по горизонтальной оси в линейном масштабе откладывают время t после окончания облучения, начиная с момента t=0, а по вертикальной оси в логарифмическом масштабе откладывают значения функции относительного обесцвечивания спектральной оптической плотности, задаваемой формулой (13). По нанесенным точкам проводят гладкую кривую. Далее экстраполируют линейный участок полученной кривой, расположенный при больших значениях времени, прямой линией до пересечения с вертикальной осью координат. Полученная прямая линия изображает в используемой системе координат график экспоненциальной функции следующего вида:

которая отвечает первому слагаемому в сумме в правой части формулы (12) при j=1. Точка пересечения полученной прямой линии с вертикальной осью координат определяет величину b1, а угловой коэффициент этой прямой определяет величину ρ1. После этого вычисляют разности значений функции относительного обесцвечивания спектральной оптической плотности, задаваемой формулой (13), и полученной прямой в моменты времени tn после окончания облучения, то есть вычисляют величины . С полученными разностными значениями поступают аналогично исходным значениям функции относительного обесцвечивания спектральной оптической плотности, задаваемой формулой (13). В результате определяют значения величин b2 и ρ2. Повторяя указанную процедуру требуемое число раз, определяют значения всех величин bj и ρj в сумме в правой части формулы (12).

Далее вычисляют поправки на обесцвечивание вкладов различных центров окраски в спектральную оптическую плотность в процессе облучения по нижеследующей формуле:

где

- mj - поправка на обесцвечивание для j-го типа центров окраски;

- Т - длительность облучения, ч.

Затем вычисляют величины aj и ΔDуд, входящие в правую часть формулы (9), по выражениям следующего вида:

где ΔDT определяется формулой (11).

Используя полученные величины ρj, ΔDуд, aj, записывают выражение для приращения спектральной оптической плотности элемента оптической системы космической аппаратуры при воздействии ионизирующих излучений космического пространства в зависимости от времени аналогично формуле (9):

где

- t - время эксплуатации аппаратуры в условиях воздействия ионизирующих излучений космического пространства, ч;

- Lэ - толщина элемента оптической системы, см;

- РИИКП - средняя мощность поглощенной дозы ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси данного элемента оптической системы, рад⋅ч-1;

- 0,88 - коэффициент пересчета экспозиционной дозы гамма-излучения (Р) в поглощенную дозу электронного и протонного ионизирующих излучений космического пространства (рад), рад⋅Р-1.

Используя значение средней мощности поглощенной дозы ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси данного элемента, по формуле (18) вычисляют величину приращения его спектральной оптической плотности в конце срока активного существования аппаратуры. Далее по формуле (2) вычисляют приращение спектральной оптической плотности оптической системы как сумму приращений спектральной оптической плотности отдельных элементов. Затем по формуле (1) вычисляют относительное снижение спектрального коэффициента пропускания оптической системы в конце срока активного существования аппаратуры в условиях воздействия ионизирующих излучений космического пространства.

Такой способ определения относительного снижения спектрального коэффициента пропускания оптической системы в условиях воздействия ионизирующих излучений космического пространства является приближенным, потому что, во-первых, не учитывает эффект насыщения в процессе образования центров окраски и, во-вторых, непрерывное распределение ловушек по энергиям аппроксимируется моделью дискретного распределения конечного числа типов ловушек.

Задачей изобретения является создание способа выбора марок оптических стекол для конструирования оптических систем космической аппаратуры, в условиях длительного воздействия ионизирующих излучений космического пространства, обеспечивающего предварительное определение возможности функционирования аппаратуры в течение требуемого срока активного существования с заданной величиной спектрального коэффициента пропускания, основанного на использовании более точных моделей распределения ловушек по энергиям.

Технический результат - предложен способ, позволяющий оптимизировать конструкцию оптических систем космической аппаратуры, благодаря проведению предварительной оценки снижения спектрального коэффициента пропускания системы в течение срока активного существования с большой точностью.

Это достигается тем, что в способе выбора марок оптических стекол для конструирования оптических систем космической аппаратуры, в условиях длительного воздействия ионизирующих излучений космического пространства, заключающемся в том, что определяют характеристики кинетики радиационной окраски применяемых марок стекол, для этого анализируют справочные и экспериментальные данные, при этом используют соответствующую модель распределения ловушек по энергиям внутри стекла, оценивают среднюю мощность дозы ионизирующих излучений космического пространства, определяют приращение спектральной оптической плотности, вычисляют снижение спектрального коэффициента пропускания оптической системы, в отличие от известного, используют модель непрерывного равномерного распределения ловушек по энергиям в конечном интервале энергий, оценивают среднюю мощность дозы ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси каждого элемента оптической системы с учетом защитных свойств конструкции аппаратуры, используя способ определения локальных доз ионизирующих излучений космического пространства за защитными экранами с аналитической формой поверхностей, по полученным данным с помощью системы компьютерной алгебры определяют приращение спектральной оптической плотности для выбранной длины волны света для каждого оптического элемента и оптической системы в целом за срок активного существования, вычисляют снижение спектрального коэффициента пропускания оптической системы, сравнивают снижение спектрального коэффициента пропускания оптической системы с допустимыми значениями, в зависимости от результата, заменяют марки оптического стекла у элементов с максимальными величинами приращения спектральной оптической плотности.

Способ выбора марок оптических стекол для конструирования оптических систем космической аппаратуры в условиях длительного воздействия ионизирующих излучений космического пространства по данному изобретению заключается в том, что определяют характеристики кинетики радиационной окраски применяемых марок стекол, для этого анализируют справочные и экспериментальные данные. При этом используют модель непрерывного равномерного распределения ловушек по энергиям в конечном интервале энергий внутри стекла, оценивают среднюю мощность дозы ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси каждого элемента оптической системы с учетом защитных свойств конструкции аппаратуры, используя способ определения локальных доз ионизирующих излучений космического пространства за защитными экранами с аналитической формой поверхностей, по полученным данным с помощью системы компьютерной алгебры определяют приращение спектральной оптической плотности для выбранной длины волны света для каждого элемента и оптической системы в целом за срок активного существования, вычисляют снижение спектрального коэффициента пропускания оптической системы, сравнивают снижение спектрального коэффициента пропускания оптической системы с допустимыми значениями, в зависимости от результата заменяют марки оптического стекла у элементов с максимальными величинами приращения спектральной оптической плотности.

Таким образом, с использованием системы компьютерной алгебры по справочным данным определяют характеристики кинетики (образования и релаксации) радиационной окраски оптических стекол элементов системы. Для оптических стекол серии 0 используют справочные данные «РТМ 3-996-77 Стекло оптическое бесцветное. Радиационно-оптическая устойчивость к гамма-излучению», а для малотемнеющих под воздействием ионизирующего излучения стекол серии 100 используют справочные данные «РТМ 3-48-70 Стекло оптическое серии 100. Радиационно-оптическая устойчивость к гамма-излучению».

Для выбранной марки стекла и длины волны света из справочных данных берут значения приращения спектральной оптической плотности на 1 см толщины образцов стекол в процессе их облучения гамма-излучением источника Со60 и последующего обесцвечивания в отсутствие облучения. Приращения спектральной оптической плотности в процессе облучения в зависимости от дозы пересчитывают в зависимость от времени облучения, используя известную мощность дозы гамма-излучения Рγ=104 Р⋅ч-1. В указанных справочных данных приведено Nα=4 значения приращения спектральной оптической плотности для моментов времени t1=1 ч, t2=5 ч, t3=10 ч и t4=50 ч после начала облучения. Также приведено Nβ=5 значений приращения спектральной оптической плотности в процессе обесцвечивания для моментов времени Δt1=2 ч, Δt2=24 ч, Δt3=72 ч, Δt4=168 ч, Δt5=720 ч после окончания облучения в момент t4=50 ч. Данные о приращении спектральной оптической плотности выбранной марки стекла в процессе облучения и обесцвечивания объединяют в один ряд значений в соответствии с последовательностью их измерения в эксперименте. Таким образом, получают ряд значений ΔDn приращений спектральной оптической плотности, где индекс n=1, …, Nα+Nβ. Моменты времени tn измерений этих величин ΔDn, согласно описанному выше, образуют следующую последовательность: t1, …, t, t+Δt1, …, t+Δt.

Определяют функцию:

где используется обозначение:

где

- t - время, ч;

- a, q, ρ1, ρ2 - некоторые числовые параметры, характеристики кинетики радиационной окраски оптических стекол.

Функция, задаваемая формулами (19), (20), (21), является решением дифференциального уравнения (6) для случая облучения образцов стекла при получении справочных данных в модели непрерывного равномерного распределения ловушек по энергиям в конечном интервале значений энергии. Более точное соответствие имеющимся экспериментальным данным модели равномерного непрерывного распределения ловушек по энергиям по сравнению с моделью дискретного распределения конечного числа типов ловушек было показано в работе М.J. Treadaway, B.C. Passenheim, and B.D. Kitterer «Radiation coloring and bleaching of glass». IEEE Transactions on Nuclear Science, 1976, vol. NS-23, №6, p. 1820-1825.

Затем определяют функционал ошибок следующей формулой:

где функция u(t, ρ1, ρ2, a, q) определена формулой (19).

Используют функционал ошибок, заданный формулой (22), в методе наименьших квадратов, который описан описанный в книге Ф.А. Живописцев, В.А. Иванов «Регрессионный анализ в экспериментальной физике». Издательство Московского университета, 1995, стр. 155-173. Определяют значения характеристик кинетики радиационной окраски стекол - параметров a, q, ρ1, ρ2 с помощью метода наименьших квадратов в системе компьютерной алгебры по справочным значениям ΔDn для выбранной марки стекла.

Последнее слагаемое в формуле (22) вводится для того, чтобы полученные значения параметра ρ1 не могли принимать недопустимо малых значений из-за неустойчивости метода наименьших квадратов в данном случае. Так как параметр ρ1 является численной оценкой значения минимального времени жизни центров окраски облученного образца стекла, то его величина должна быть согласована как с интервалом времени Δt1=2 ч первого измерения приращения спектральной оптической плотности в процессе обесцвечивания после окончания облучения, так и с относительной точностью измерений в процессе получения справочных данных. Для достоверного измерения вклада центров окраски с минимальным временем жизни требуется, чтобы доля таких центров окраски, оставшихся к моменту времени Δt1=2 ч после окончания облучения, должна быть не меньше относительной точности измерения приращения спектральной оптической плотности. Величина множителя 0,01 в последнем слагаемом в формуле (22) была определена методом подбора как удовлетворяющая указанному требованию.

Используя способ определения локальных доз ионизирующих излучений космического пространства за защитными экранами с аналитической формой поверхности, описанный в патенте РФ на изобретение №2564472, МПК B64G 1/56, опубл. 10.10.2015 г., для каждого элемента оптической системы вычисляют Qi,cp среднюю дозу ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси i-го элемента в условиях эксплуатации с учетом защитных свойств конструкции аппаратуры по следующей формуле:

где

- i=1, …, N-номер элемента оптической системы;

- Li - толщина i-го элемента, см;

- Qi(x) - распределение дозы ионизирующих излучений космического пространства по толщине i-го элемента в условиях эксплуатации с учетом защитных свойств конструкции аппаратуры, которое вычисляется, используя способ определения локальных доз ионизирующих излучений космического пространства за защитными экранами с аналитической формой поверхности, описанный в патенте РФ на изобретение №2564472, МПК B64G 1/56, опубл. 10.10.2015 г., рад.

Подставляя значение срока активного существования аппаратуры в условиях воздействия ионизирующих излучений космического пространства, вычисляют среднюю мощность дозы ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси i-го элемента по следующей формуле:

где

- Qi,cp - средняя доза ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси i-го элемента, вычисленная по формуле (23), рад;

- TCAC - срок активного существования аппаратуры в условиях воздействия ионизирующих излучений космического пространства, ч.

Используя полученное значение Pi,cp и вычисленное ранее по справочным данным значение параметра q для марки стекла i-го элемента, вычислим значение параметра q0 в условиях эксплуатации по следующей формуле:

где

- Pγ=104 - мощность дозы гамма-излучения для справочных данных, Р⋅ч-1;

- 0,88 - коэффициент пересчета экспозиционной дозы гамма-излучения в поглощенную дозу электронного и протонного излучения, рад⋅P-1.

После этого вычисляют приращение спектральной оптической плотности i-го элемента оптической системы в конце срока активного существования аппаратуры в условиях воздействия ионизирующих излучений космического пространства по следующей формуле:

где

- Li - толщина i-го элемента, см;

- функция g(t,x,a,q) определяется формулой (21);

- a, ρ1, ρ2 - характеристики кинетики радиационной окраски оптического стекла i-го элемента;

- q0 - вычисляется по формуле (25).

Используя полученные по формуле (26) величины приращений спектральной оптической плотности отдельных элементов, вычисляют по формуле (2) приращение спектральной оптической плотности оптической системы в целом и, далее, по формуле (1) вычисляют относительное снижение спектрального коэффициента пропускания оптической системы для выбранной длины волны света. Сравнивают полученное снижение спектрального коэффициента пропускания системы с допустимой величиной, в зависимости от результата, заменяют марку стекла оптического элемента с наибольшей величиной приращения спектральной оптической плотности.

В отличие от способа (Лалакин А.В. «Методика расчета радиационной стойкости оптических систем при длительном воздействии ионизирующих излучений», опубликованного в сборнике «Радиационная стойкость элементов и материалов оптоэлектронных систем». М.: ЦНИИ информации, 1984 г., с. 146-149) предлагаемый способ не содержит ошибок, связанных с приближением непрерывного распределения ловушек по энергиям дискретным распределением конечного числа типов ловушек, а также является более точным за счет учета эффекта насыщения в процессе образования центров окраски. Предлагаемый способ выбора марок оптических стекол для конструирования оптических систем космической аппаратуры в условиях длительного воздействия ионизирующих излучений космического пространства разделен на четыре последовательно выполняемые операции. В первой операции производится определение характеристик кинетики радиационной окраски применяемых марок стекол по справочным данным о радиационно-оптической устойчивости стекол с помощью системы компьютерной алгебры. Во второй операции оценивают среднюю мощность дозы ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси каждого элемента оптической системы с учетом защитных свойств конструкции аппаратуры, используя способ определения локальных доз ионизирующих излучений космического пространства за защитными экранами с аналитической формой поверхности, описанный в патенте РФ на изобретение №2564472, МПК B64G 1/56, опубл. 10.10.2015 г. В третьей операции определяют приращение спектральной оптической плотности для выбранной длины волны света и для каждого оптического элемента, с помощью системы компьютерной алгебры, используя данные, полученные в первой и второй операциях. В четвертой операции определяют приращение спектральной оптической плотности оптической системы и соответствующее относительное снижение спектрального коэффициента пропускания системы за срок активного существования аппаратуры. Сравнивают снижение спектрального коэффициента пропускания оптической системы с допустимыми значениями и, в зависимости от результата, заменяют марки оптического стекла у элементов с максимальными величинами приращения спектральной оптической плотности.

Таким образом, достигнут технический результат, позволяющий оптимизировать конструкцию оптических систем космической аппаратуры, благодаря проведению предварительной оценки снижения спектрального коэффициента пропускания системы в течение срока активного существования с большой точностью, за счет использования модели непрерывного и равномерного распределения ловушек по энергиям в конечном интервале энергий, а также за счет использования способа определения локальных доз ионизирующих излучений космического пространства за защитными экранами с аналитической формой поверхности, описанного в патенте РФ на изобретение №2564472, МПК B64G 1/56, опубл. 10.10.2015 г., что, в свою очередь, позволяет провести предварительную оценку снижения спектрального коэффициента пропускания системы в течение срока активного существования.

Способ выбора марок оптических стекол для конструирования оптических систем космической аппаратуры в условиях длительного воздействия ионизирующих излучений космического пространства, заключающийся в том, что определяют характеристики кинетики радиационной окраски применяемых марок стекол, для чего анализируют справочные и экспериментальные данные, при этом используют соответствующую модель распределения ловушек по энергиям внутри стекла, оценивают среднюю мощность дозы ионизирующих излучений космического пространства, определяют приращение спектральной оптической плотности, вычисляют снижение спектрального коэффициента пропускания оптической системы, отличающийся тем, что используют модель непрерывного равномерного распределения ловушек по энергиям в конечном интервале энергий, оценивают среднюю мощность дозы ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси каждого элемента оптической системы с учетом защитных свойств конструкции аппаратуры, используя способ определения локальных доз ионизирующих излучений космического пространства за защитными экранами с аналитической формой поверхностей, по полученным данным с помощью системы компьютерной алгебры определяют приращение спектральной оптической плотности для выбранной длины волны света для каждого оптического элемента и оптической системы в целом за срок активного существования, вычисляют снижение спектрального коэффициента пропускания оптической системы, сравнивают снижение спектрального коэффициента пропускания оптической системы с допустимыми значениями, в зависимости от результата, заменяют марки оптического стекла у элементов с максимальными величинами приращения спектральной оптической плотности.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к материалам для защиты от рентгеновского, гамма-и нейтронного излучений в радиационно-опасных местах сочленения установок, заделки стыков, трещин и каверн в строительных конструкциях и изделиях, местах сопряжения конструкций.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к средствам защиты от излучения, а более конкретно к материалам для поглощения нейтронов, возникающих при ядерной реакции радиоактивных материалов.
Изобретение относится к области защиты от ионизирующего излучения. .
Изобретение относится к области защиты от ионизирующего излучения. .
Изобретение относится к области защиты от ионизирующего излучения. .

Изобретение относится к области радиационной защиты. .

Группа изобретений относится к области защиты сооружаемых на Луне объектов от радиации, экстремальных температур и микрометеороидов. Средство защиты содержит оболочку, заполненную реголитом и изготовленную из материала на основе стекловолокна с пределами рабочих температур от -200°C до +550°C и прочностью на уровне 180 ÷ 400 кгс/мм2.

Изобретение относится к защите элементов, расположенных за расчетным защитным экраном (ЗЭ), от ионизирующих излучений космического пространства. Форма поверхности экрана считается аналитической.

Изобретение относится к области космического материаловедения, а именно к терморегулирующим покрытиям класса «солнечные отражатели». Радиационно-защитное терморегулирующее покрытие включает верхний слой покрытия, содержащий в качестве связующего водный раствор литиевого жидкого стекла, наполнители BaSO4, Ва(AlO2)2, и нижний слой покрытия, состоящий из водного раствора литиевого жидкого стекла и наполнителей - порошок Bi2O3 и порошок BaWO4.

Изобретение относится к ионному ускорителю в качестве приводного устройства космического летательного аппарата. .

Изобретение относится к методам и средствам защиты экипажа и оборудования от ионизирующего излучения (заряженных частиц высокой энергии) при космических полетах. .

Изобретение относится к конструкции и компоновке космических аппаратов, в частности искусственных спутников. .

Изобретение относится к области ядерной энергетики для космических аппаратов и, в частности, к теневым радиационным защитам (РЗ), выполненным из гидрида лития, и касается технологии изготовления в части проведения контроля их геометрии, определяющей контур теневой защищаемой зоны, создаваемой защитой на космическом аппарате.

Изобретение относится к устройствам для концентрации энергиив СВЧ, оптическом и ИК-диапазонах. .
Наверх