Композиция для защиты электронных приборов от воздействия излучений космической среды
COMPOSITION FOR THE PROTECTION OF ELECTRONIC DEVICES FROM THE IMPACT OF RADIATION OF THE SPACE MATTER

Изобретение относится к области защиты электронных блоков и приборов от излучений естественных радиационных поясов Земли, радиации Солнца и космического пространства.
При разработке и создании средств защиты устройств летательного аппарата от излучений естественных радиационных поясов Земли, радиации Солнца и космического пространства, необходимо учитывать, какие излучения приводят к необратимым изменениям структуры, а также физических и химических свойств материалов.
Исследования показали, что воздействие радиации в условиях вакуума в малой степени влияет на металлы и вызывает у пластмасс и клеевых соединений деполимеризацию, нарушающую их структуру, сопровождающуюся обычно выделением газа, обесцвечиванием, повышением хрупкости и электропроводности, уменьшением сцепляемости частиц пластических материалов.
Источником опасных излучений для КА являются околоземные пояса радиации, образованные магнитным полем Земли.
Интенсивность космической радиации резко возрастает под влиянием солнечных вспышек, которые нерегулярны по времени (от единиц до десятков вспышек в год) и интенсивности (от 0,1 до 20 р/ч). Обеспечение надежной защиты электронных блоков КА от действия радиации солнечных вспышек - весьма сложная задача. При разработке радиационной защиты КА нужно учитывать, что попадая в материал обшивки и конструкции, электроны способны создавать вторичные продукты радиации, в частности тормозное излучение в виде гамма-квантов, обладающих большой проникающей способностью, вклад которых в дозовые нагрузки увеличивается с ростом энергии электронов.
Наибольшей тормозной способностью в ослаблении потока электронов, отнесенной к единице массы защиты, обладают легкие элементы с низкими атомными номерами. У тяжелых элементов сечение рассеяния больше, чем у легких, что приводит к увеличению энергетических потерь электронов на единицу толщины защиты, а общая тормозная способность экранов из тяжелых элементов не повышается из-за увеличения доли возникающего вторичного тормозного излучения. Кроме того, использование в материалах экранов тяжелых элементов приводит к увеличению их массогабаритных характеристик, что существенно сказывается на стоимости вывода КА на орбиту.
При разработке экранов идут по пути либо изготовления материала более эффективного по экранирующим свойствам, чем алюминий, при одинаковой массовой толщине, либо наличия меньшего удельного веса при одинаковых экранирующих свойствах.
Создание эффективной защиты с малыми массогабаритными характеристиками является весьма проблематичной задачей в решении вопроса радиационной безопасности длительного полета КА.
В настоящее время основным материалом, используемым в космической технике и защищающим от воздействия электронов, благодаря своим физическим свойствам и хорошей поглощающей способности, является алюминий и его сплавы.
Известен материал для защиты от космического излучения, описанный в патенте UA 91389 от 10.07.2014, G21F 1/08. Этот материал содержит эпоксидную смолу с введенным в нее тонкодисперсным наполнителем из вольфрама и карбида вольфрама с размером частиц, не превышающим 1 мкм.
Недостатком аналога является то, что применение «тяжелого» элемента вольфрама увеличивает массогабаритные характеристики защиты и приводит к возникновению потока вторичного излучения в виде гамма-квантов.
Известно средство защиты от ионизирующего излучения, описанное в патенте WO 2007014567 А1, МПК-2006.01, и принятое за прототип. Средство защиты содержит по крайней мере два слоя материала, каждый из которых изготавливают в виде матрицы с распределенным по ее объему поглотителем ионизирующего излучения, в виде одного или нескольких химических элементов или их соединений, при этом химический состав поглотителя слоя материала, обращенного к источнику первичного излучения, выбирают из условия, что энергия связи «K»-оболочки хотя бы одного элемента электрона поглотителя в первом или последующем слоях материала была ниже энергии фотонного излучения, подлежащего ослаблению каждым слоем материала на 0,026-26 КэВ, считая источником первичного излучения вторичное излучение вещества наполнителя предыдущего слоя.
Данное средство защиты, обеспечивая ослабление фотонного излучения, не предназначено для защиты от воздействия заряженных частиц. В связи с этим в слое материала, обращенном к источнику излучения, содержащем элементы с большими атомными числами, будет возникать тормозное излучение.
Задачей изобретения является повышение характеристик защитного экрана электронных устройств космического аппарата от воздействия ионизирующих излучений в виде заряженных частиц, а именно увеличение коэффициента ослабления и уменьшение массогабаритных характеристик.
Поставленная задача достигается тем, что в средстве защиты от воздействия ионизирующего излучения, выполненном в виде слоев, каждый из которых представляет собой матрицу из радиационно-стойкого полимерного материала с наполнителем, содержащим один или несколько химических элементов или их соединений, согласно техническому решению в качестве наполнителя матрицы, обращенной к источнику первичного излучения, использованы соединения бора, а наполнители каждого последующего слоя выбраны из условия возрастания эффективного атомарного номера химического элемента вещества наполнителя, при этом коэффициент ослабления каждого слоя составляет 0,2-0,6.
-24
2
-24
2
В качестве матрицы использована эпоксидная смола, обладающая высокой радиационной стойкостью, достаточной механической прочностью и высоким поверхностным сцеплением с веществом поглотителя. Эпоксидная смола представляет собой высокомолекулярное соединение, состоящее из водорода (сечение рассеяния 20,44⋅10 см) и углерода (сечение рассеяния 4,75⋅10 см). Эти элементы имеют большой коэффициент ослабления по β-излучению.
-24
2
В качестве вещества наполнителя матрицы слоя, обращенного к источнику первичного излучения, выбран бор (или соединения бора), имеющий малый атомный номер (порядковый номер по системе Менделеева - 5), при этом значение сечения рассеяния бора равно 3,6⋅10 см.
-24
2
-24
2
Вещество наполнитель следующего слоя - алюминий, либо его соединения (порядковый №13, сечение рассеяния 1,49⋅10 см), или титан, либо его соединения (порядковый №22, сечение рассеяния 4,0⋅10 см). Выбор того или другого наполнителя второго слоя зависит от спектра источника излучения и технических требований к защищаемому объекту (прибору).
-24
2
В качестве вещества наполнителя последующего слоя выбран никель, или его соединения (порядковый №28, сечение рассеяния 17,3⋅10 см), имеющий невысокий удельный вес и хорошо защищающий от гамма-излучения.
-24
2
В качестве наполнителя матрицы последнего слоя использован вольфрам (порядковый №74, сечение рассеяния 5,0⋅10 см), или его соединения. Этот слой целесообразно выполнять при больших энергиях первичного излучения.
В качестве наполнителя целесообразно использовать соединения или сплавы, состоящие из названных элементов, так как наличие дополнительных элементов расширяет поглощаемый спектр излучений.
Толщины слоев рассчитывают в зависимости от спектра излучения. При коэффициенте ослабления, находящемся в пределах 0,2-0,6, оптимальны значения массогабаритных характеристик каждого слоя.
Изготовление заявленной композиции осуществляют следующим образом. Для изготовления матрицы каждого слоя защиты используют эпоксидную смолу ЭД20, пластификатор Э-181 и полиамин в качестве отвердителя.
Для приготовления слоя, обращенного к источнику первичного излучения, эпоксидную смолу смешивают с порошковыми боросодержащими материалами, например карбидом бора или тетраборатом натрия, в требуемых пропорциях, зависящих от спектра первичного излучения. Для геостационарной орбиты с углом наклонения 160° з.д. толщина слоя половинного ослабления (СПО) композиции тетрабората натрия (75 мас. %) и эпоксидной смолы (25 мас. %) составляет 2,5 мм, а карбида бора (75 мас. %) и эпоксидной смолы (25 мас. %) - 2,75 мм.
В таблице 1 приведены характеристики СПО материалов, являющихся наполнителями слоев защитного средства космического аппарата, предназначенного для работы на геостационарной орбите.
Наполнитель следующего слоя содержит оксид алюминия (использована стеклоткань марки Т-10, в которую кроме оксида алюминия дополнительно входят оксиды кремния и бора, что расширяет поглощаемый спектр излучений). Толщина слоя половинного ослабления для оксида алюминия (60 мас. %) и эпоксидной смолы (40 мас. %) составляет 1,2 мм, а для стеклоткани Т-10 (64 мас. %) и эпоксидной смолы (36 мас. %) - 1,7 мм.
В качестве наполнителя следующего слоя используют порошок никеля. Толщина слоя половинного ослабления для порошка никеля (80 мас. %) и эпоксидной смолы (20 мас. %) составляет 1,75 мм.
Для защиты элементов особой ответственности наносят последний слой с наполнителем из порошка вольфрама. Толщина слоя половинного ослабления порошка вольфрама (50 мас. %) и эпоксидной смолы (50 мас. %) - 0,75 мм. Нужно учитывать, что этот слой выполняют лишь в отдельных случаях, так как наличие его значительно увеличивает массовую толщину.
90
6
Предварительный расчет по СПО защитной композиции из трех слоев проводился методом Монте-Карло. Проведено сравнение слоистых структур и однородных с таким же элементным составом. При определении коэффициента ослабления композицией использовался поток излучения изотопа Sr, а измерение потока проводилось торцевым датчиком «Гейгера-Мюллера» и регистрировалось счетчиком импульсов. В исследовании параметров композиций при одинаковом ослаблении потока электронов были рассмотрены коэффициенты отношения по вторичному излучению (доле прошедших через все слои гамма-квантов) и поглощенной дозе. Ослабление в 10 раз потока электронов обеспечивает экран из алюминия толщиной 6 мм. При такой толщине поглощенная доза для алюминия составляет 1,55Е-11. В таблице 2 представлены коэффициенты, характеризующие защитные свойства композиции относительно экранов из алюминия. Количество прошедших частиц через средство защиты нормируется на одну частицу.
Из таблицы 2 видно, что практически все композиции имеют значения по поглощенной дозе и доле прошедших гамма-квантов на порядок меньше, чем алюминиевые. Если сравнивать однородные и слоистые структуры, то видно, что однородный состав с тетраборатом натрия значительно хуже слоистого. Составы с карбидом бора близки по значениям, но слоистая структура имеет лучшие характеристики.
Важной характеристикой защитного экрана является его масса, от которой зависит стоимость вывода спутника на орбиту. В таблице 3 приведены значения массы заявленной защитной композиции и алюминиевого экрана, а также их сравнение. Для расчета массы экрана рассматривалась модель в виде цилиндра радиусом 5 см и высотой, соответствующей значению толщины, выбранной согласно таблице 2.
Из таблицы 3 видно, что композиции, составленные с учетом коэффициента ослабления для каждого слоя 0,2-0,6, имеют массу до 10% меньше, чем алюминиевый экран.
Заявляемые слоистые композиции, в которых в качестве наполнителя матрицы, обращенной к источнику первичного излучения, использованы соединения бора, а наполнители каждого последующего слоя выбраны из условия возрастания эффективного атомарного номера химического элемента вещества наполнителя, имеют коэффициент ослабления в 2 раза выше, чем экран из алюминия при одинаковой приведенной толщине.