空間輻射環(huán)境作用下熱控涂層光學特性退化仿真方法研究

田 海，李丹明，張洪鵬，薛 華

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點實驗室，甘肅蘭州730000)

1 引言

衛(wèi)星熱控系統(tǒng)是保證衛(wèi)星中各類裝置和儀器能夠在一個比較穩(wěn)定的溫度環(huán)境中工作的重要系統(tǒng)，而熱控涂層是衛(wèi)星熱控系統(tǒng)中使用最多、效果最顯著的防護材料之一。它通過調(diào)節(jié)物體表面的太陽吸收率(αs)和紅外輻射率(ε)來控制物體的熱平衡［1］，是實現(xiàn)衛(wèi)星被動熱控制的關(guān)鍵。衛(wèi)星在軌運行時，衛(wèi)星外表面的熱控涂層將受到空間環(huán)境諸因素的作用，其中電子、質(zhì)子等帶電粒子以及紫外線輻射將使得涂層吸收率增加，降低其光學性能。光學性能的退化對于熱控涂層來說是需要重點考慮和評估的問題，要求它在衛(wèi)星整個工作壽命期內(nèi)的性能應保持穩(wěn)定，即在空間各種環(huán)境條件作用下，光學性能的衰退應盡量小［2］，對于長壽命衛(wèi)星而言，更需要評估熱控涂層在空間使用期間的性能退化狀況。應用地面模擬試驗是進行評估的一個重要手段，在分析輻照作用機理的基礎(chǔ)上建立模型，對熱控涂層長期的退化狀況進行預估也是近年來頗受重視且有待發(fā)展完善的一種方法。

作者在前期研究工作［3］的基礎(chǔ)上，針對星用典型熱控涂層制定了空間輻照環(huán)境作用下材料光學特性退化分析與預估軟件編制方案，為空間環(huán)境作用下材料光學特性退化的計算模擬、以及典型熱控涂層在空間輻照環(huán)境作用下光學特性退化的評估和長期退化狀況的預估奠定了基礎(chǔ)。

2 理論分析

根據(jù)材料吸收劑量與產(chǎn)生電子－空穴對數(shù)目的關(guān)系，材料中因輻照而產(chǎn)生的電子－空穴對的數(shù)目與其所吸收的輻照劑量成正比［4］，即

式中 n為單位體積中產(chǎn)生的電子－空穴對數(shù)目(個/cm3);ρ為材料密度(g/cm3);w為在該材料中產(chǎn)生一個電子－空穴對所需的最小能量(eV);D為吸收劑量［Gy(Si)］;k是為調(diào)整量綱的比例系數(shù)。輻照在材料中產(chǎn)生的電子－空穴對的數(shù)目應正比于所產(chǎn)生的色心濃度，于是有

式中 d為色心濃度(個/cm3);k1為比例系數(shù)。

材料吸收的輻照劑量隨粒子入射深度呈現(xiàn)不均勻分布，可由劑量－深度分布曲線來描述。因此，在計算劑量－深度分布曲線過程中，可將材料垂直于入射方向分為若干層，如圖1所示。若第i層材料的吸收劑量用Di表示，則有

式中 δi為以δ為分層厚度時第i層的深度;為材料劑量－深度分布曲線中第i層入射面深度所對應的輻照劑量則為第i+1層入射面深度所對應的輻照劑量。

圖1 輻照與材料作用示意

結(jié)合式(2)，則相應于材料第i層所產(chǎn)生的色心濃度為

根據(jù)Beer定律

式中 I0為入射在材料表面的光強;σ為材料對特定波長光子的吸收系數(shù)(cm－1)，與波長和溫度有關(guān);x為光子進入材料的深度;I(x)為材料內(nèi)x深度處的光強?？梢姡攩紊馔ㄟ^某種吸收物質(zhì)時，透過的光強隨該物質(zhì)厚度按指數(shù)規(guī)律衰減。于是，對于材料第i層來說，對光子的吸收ΔIi可用式(6)表示

當波長為λ的一束單色光入射材料時，由于電子輻照在材料第i層中所產(chǎn)生的色心將對入射光子產(chǎn)生吸收，結(jié)合式(4)和式(6)，引起的吸收率的變化為

式中 Δαλ為材料對波長為λ的入射光吸收率的總變化;K為比例系數(shù);N為材料在電子射程范圍內(nèi)被劃分的總層數(shù)。

3 軟件方案

為了使以上建立的熱控涂層空間輻照環(huán)境下光學特性退化模型用于材料在軌道中電子、質(zhì)子等輻照環(huán)境作用下光學特性退化的評估以及長期退化狀況的預估，就必須在研究建立典型星用材料空間輻照環(huán)境下光學特性退化數(shù)理模型的基礎(chǔ)上，編制空間輻照環(huán)境作用下材料光學特性退化分析與預估軟件。該軟件應能夠為深入材料輻照損傷機理研究以及完善模型提供一種良好輔助工具。隨著研究的拓展和深入，要建立與完善典型材料空間多種輻照環(huán)境及綜合環(huán)境下性能退化的計算機仿真軟件，以達到工程實用的目的。

軟件由多個功能模塊構(gòu)成，可為不同輻照類型下的不同材料光學特性退化機理研究和建模提供手段。軟件中的模型及其功能，也可根據(jù)材料空間輻照環(huán)境損傷機理及光學特性退化模型研究的深入而更新和完善。

軟件應具備軌道及地面模擬輻照環(huán)境在材料(包括多層材料)中的劑量深度分布計算、求解材料吸收率變化模型、材料的單波長光吸收率變化預測、吸收光譜預測、太陽光吸收率預測、建立相關(guān)材料特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫等功能。主要功能為:

(1)建立材料模型，設(shè)置空間輻照環(huán)境參數(shù);(2)計算材料的劑量深度分布;(3)采用非線性擬合的方法解析材料光吸收率變化數(shù)理模型;(4)計算單波長吸收率、吸收光譜、太陽光吸收率。軟件由以下模塊組成。

3.1 輻照環(huán)境模塊

(1)設(shè)定輻照的種類和粒子能量。

(2)設(shè)定輻照注量。

(3)設(shè)定預測點。

3.2 材料模型構(gòu)建模塊

(1)設(shè)定材料的組成。

(2)將材料分割成多層。

3.3 吸收率數(shù)據(jù)與反射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊

(1)根據(jù)吸收率α和反射率ρ關(guān)系公式α=1－ρ，將吸收率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成反射率數(shù)據(jù)。

(2)將反射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成吸收率數(shù)據(jù)。

3.4 材料劑量深度分布計算模塊

計算出不同輻照類型及注量下的材料劑量深度分布數(shù)據(jù)，生成對應于每個輻照注量和預測點的劑量深度分布數(shù)據(jù)文件。

3.5 材料吸收率變化數(shù)理模型求解模塊

(1)將單波長吸收率－注量數(shù)據(jù)中各輻照注量對應的吸收率數(shù)據(jù)與輻照前的吸收率數(shù)據(jù)相減，獲得吸收率變化－注量數(shù)據(jù)。

(2)將各輻照注量對應的劑量深度分布數(shù)據(jù)代入光學特性退化模型(見式8)，通過擬合算法求解出未知參數(shù) K、σ、b。

(3)將預測點所對應的劑量深度分布數(shù)據(jù)代入求解模型，計算出預測點的吸收率變化。

(4)將吸收率變化與初始吸收率相加得到預測點的吸收率。

(5)計算出材料在預測點的單波長吸收率，保存單波長吸收率變化數(shù)據(jù)(吸收率變化數(shù)據(jù)和預測點單波長吸收率變化數(shù)據(jù))，繪制出吸收率變化曲線。

模塊流程見圖2所示。

3.6 吸收光譜計算模塊

(1)按照用戶設(shè)定的光波長范圍選取數(shù)據(jù)。

(2)將吸收光譜數(shù)據(jù)以間距1 nm取整數(shù)插值。

(3)將插值后的每個波長所對應數(shù)據(jù)依次輸入到3.5材料吸收率變化數(shù)理模型求解模塊。

(4)將材料劑量深度分布數(shù)據(jù)輸入到材料吸收率變化數(shù)理模型求解模塊。

(5)記錄材料吸收率變化數(shù)理模型求解模塊的輸出值。

(6)計算出預測點的吸收光譜數(shù)據(jù)，保存采樣所得單波長吸收率－注量數(shù)據(jù)集(實際為按照波長間距1 nm整理后的光吸收率注量數(shù)據(jù))，并將兩者合成一個文件。

模塊流程如圖3所示。

圖2 材料吸收率變化數(shù)理模型求解模塊流程圖

圖3 吸收光譜計算模塊流程圖

3.7 太陽光譜吸收率計算模塊

輸入?yún)?shù)包括光譜范圍、吸收光譜數(shù)據(jù)、太陽光譜數(shù)據(jù)。

根據(jù)太陽光吸收率公式［5］，計算出材料對太陽光的吸收率

式中 Iλ為波長為λ的太陽光強度;λ0為光譜的起始波長;λn為截止波長波段的太陽光強度為材料吸收的λ0～λn波段的太陽光強度;ρs為光反射率。

3.8 輸出模塊

(1)主要功能

1)將光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形;2)輸出劑量深度分布數(shù)據(jù)和圖形;3)輸出單波長吸收率的值;4)輸出太陽光譜吸收率;5)輸出吸收光譜的數(shù)據(jù)和圖形;6)根據(jù)公式繪圖;7)將多幅光譜圖疊加;8)對光譜圖取值線取值。

(2)輸入條件

1)由光譜光學特性－注量數(shù)據(jù)經(jīng)吸收率數(shù)據(jù)與反射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊轉(zhuǎn)化而來的吸收光譜－注量數(shù)據(jù);2)材料劑量深度分布計算模塊輸出的劑量深度分布數(shù)據(jù);3)吸收光譜計算模塊輸出的吸收光譜數(shù)據(jù);4)單波長吸收率預估中得到的預測點的吸收率;5)太陽光吸收率計算模塊輸出的太陽光吸收率;6)模型公式。

(3)結(jié) 果

1)生成劑量深度分布和吸收光譜的數(shù)據(jù)文件;2)生成劑量深度分布和吸收光譜的圖形文件;3)生成單波長吸收率和太陽光吸收率的數(shù)據(jù)文件;4)繪制出關(guān)于吸收率變化的曲線和太陽光譜變化曲線;5)生成疊加后的光譜圖文件;6)界面顯示所取值。

3.9 材料特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫模塊

生成材料特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫文件，并可對數(shù)據(jù)庫進行添加修改。

4 結(jié)論

基于材料輻照劑量深度分布和光吸收理論建立了典型熱控涂層的光學特性退化模型，并提出了空間輻照環(huán)境作用下材料光學特性退化分析與預估軟件的編制方案，對解決星用熱控涂層空間作用下性能退化預示有重要的參考價值。

［1］BROADWAY N J.Radiation effects design handbook Section 2:thermal control coating［R］.N－71－32280.

［2］王志民，盧榆孫，馮煜東，等.空間輻射與原子氧環(huán)境對導電型熱控薄膜性能的影響［J］.真空與低溫，2004，10(3):152～158.

［3］DANMING LI，DEYAN HE，YUXIONG XUE，et al.Degradation of Optical Characteristics of a ZnO Organic White Paint by Electron Irradiation［C］.Protection of Materials and Structures from Space Environment.Proceedings of the 9th International Conference，2009 AIP(American Institute of Physics)，CP 1087:623 ～628.

［4］林理彬.輻射固體物理學導論［M］.成都:四川科學技術(shù)出版社，2004:126～129.

［5］閔桂榮，郭舜.《航天器熱控制》，第二版［M］.北京:科學出版社，1998:68～95.