热控涂层GEO带电粒子辐射效应加速试验方法

姜利祥，刘宇明，刘国青 ，李 涛，丁义刚，郑慧奇

（1. 可靠性与环境工程技术重点实验室；2. 北京卫星环境工程研究所：北京 100094）

0 引言

热控系统是航天器平台的主要分系统之一。作为被动热控系统的重要组成部分，热控涂层是专门用来调整航天器表面热辐射性质从而达到热控制目的的表面功能材料。在空间辐射环境（紫外、质子、电子等）的作用下，热控涂层的太阳吸收比和热发射率会发生变化，造成航天器热控系统达不到设计要求，进而影响航天器设计寿命的实现。

在热控涂层带电粒子辐射效应方面，国内开展过一些研究工作[1-5]，并且也有相关标准发布[6-7]。热控涂层在轨道环境下性能退化随飞行时间的变化关系在地面只有通过合理有效的加速试验才能获得。目前相关的研究工作和试验标准并没有完全覆盖或解决这个问题。因此亟需制定一套热控涂层轨道带电粒子辐射效应加速试验方法。

1 空间带电粒子辐射环境特点

空间带电粒子辐射环境主要指电子、质子辐射环境。图1是利用空间环境信息系统（SPENVIS）（http://www.spenvis.oma.be/spenvis/）计算出来的 GEO一年内电子和质子平均通量密度微分能谱。根据图1可以总结出轨道带电粒子辐射环境的两个特点：1）电子、质子能量分布范围很广；2）不同能量电子、质子的辐射注量率不同。正是由于这两个特点，地面模拟试验要准确模拟空间能谱存在很大困难。

图1 GEO电子、质子微分能谱Fig. 1 The differential spectra of electron and proton in GEO

2 常用地面模拟技术及其存在的问题

由于经济和技术方面的制约，国内外用于模拟轨道带电粒子辐射环境的环境模拟设备大多只有一个电子源（或加速器）和一个质子源（或加速器）。

地面模拟轨道带电粒子辐射环境的方法之一是采用高能粒子加速器，利用带电粒子穿透不同厚度靶材时能量损失的规律不同，在粒子源与被辐射样品之间放置具有特定界面的金属箔，从而可以在一定范围内获得与实际轨道粒子分布近似的能谱。这种方法有很大的局限性：首先，由于质子的射程较小，该方法无法模拟具有较高能量的质子能谱；其次，该方法只能近似模拟一定能量范围内的带电粒子能谱，无法实现轨道带电粒子全能谱的模拟并且还会产生诸如轫致辐射、二次电子等附加效应。

目前，地面模拟试验中，采用最广泛的还是能量调节范围有限的单能粒子加速器。采用单能粒子加速器的关键技术在于如何解决地面模拟辐射环境与轨道辐射环境的等效性问题。常用的等效方法有两种。第一种方法，以带电粒子辐射所产生的吸收剂量效应和位移效应作为判断等效性的判据。这种方法只考虑了材料所吸收的总辐射剂量，而没有很好地考虑辐射能量损失和粒子射程分布等问题。另一种方法是对第一种方法的改进，以带电粒子辐射在材料中的辐射剂量–深度分布等效作为等效性判据。这种方法应用在热控涂层地面试验中也存在一些问题：1）由于热控涂层多数是混合物，成分复杂，且有时因为技术保密的原因无法获知热控涂层的具体成分，因此，难以确定带电粒子在热控涂层中的准确辐射剂量–深度分布，只能用一些简单成分物质的剂量–深度分布进行近似；2）辐射剂量–深度分布模拟方法一般需要至少 2种能量的粒子进行辐照，使其可操作性降低，特别是在综合辐照试验过程中很难采用该方法；3）对同一个剂量–深度分布，可以有多种能量组合方式，并且存在辐照顺序的问题，这些都可能会对试验结果产生影响。

3 等效能谱模拟技术

在地面模拟试验中，希望能用更简单的方法得到更准确的模拟结果，即只用单一能量的粒子来模拟轨道带电粒子辐射环境，进行辐照试验。因此，如何利用单一能量粒子辐照模拟连续能量粒子辐照是必须要解决的技术问题，我们称之为等效能谱模拟技术。

等效能谱模拟技术的等效性判据是辐射效应等效，即

式中：Δαs(试验)为地面模拟试验中的热控涂层太阳吸收比退化量；Δαs(轨道, t)为轨道带电粒子辐射环境下飞行时间t后的热控涂层太阳吸收比退化量。

设dφ/dE是轨道带电粒子分布的微分能谱（已知量），如果采用能量为E0的带电粒子进行地面模拟辐照试验，达到辐射注量为φeq时能实现辐射效应等效，则式(1)可以改写为

根据热控涂层退化试验数据[8]，Δαs可以描述为

式中：A、b是与材料有关的系数，a是与带电粒子能量有关的系数。

将式(3)代入式(2)，可以得到当地面模拟试验采用能量为E0的带电粒子进行辐照时，等效注量为

等效注量率（等效束流密度）为

式中：B是通过两组试验数据按公式(3)拟合得到系数 a1、a2和 b，并按公式计算得到的，其中

4 加速试验的加速因子确定技术

热控涂层轨道带电粒子辐射效应地面模拟试验一般采用加速试验的方法，以便在较短的时间内完成试验。加速试验的一个重要表征参数就是加速因子，定义为实际在轨飞行时间与地面模拟试验时间的比值，即

加速试验一般通过采用高于实际情况的带电粒子辐射注量率来实现。提高试验中带电粒子的辐射注量率，可以增大加速因子，缩短地面模拟试验时间。加速因子选择是否合理，决定了热控涂层太阳吸收比在轨退化试验结果的正确性。通常认为，在一定的辐射注量率范围内，有[6-7,9]

式中 φ(在轨)可利用式(5)计算得出，φ(在轨)= φeq。

该辐射注量率范围即为等效模拟区间[10]。而该等效模拟区间最大辐射注量率对应的加速因子就是地面模拟试验可以采用的最大加速因子。

我们研究认为，只要热控材料的辐射损伤机理没有发生改变，就可以采用更高的辐射注量率来进行加速试验，即使辐射注量率超出等效模拟区间。但此时加速因子不能由式(7)进行计算，而应根据辐射效应等效性判据即式(1)进行判断。

假设有两组粒子能量相同的辐照试验，辐射注量率分别为φ1和φ2，其中φ1在等效模拟区间内，φ2超出了等效模拟区间。则第一组试验的加速因子为

而第二组试验的加速因子计算公式应为

式中m是修正系数。

从式(9)可以看出，当辐射注量率超出等效模拟区间后，加速因子的计算公式中多出一个修正系数m，其数值可以通过辐射效应等效性判据公式、热控涂层太阳吸收比的退化计算公式以及试验数据计算得到。该系数保证了加速因子选择的有效性。

5 GEO电子辐照加速试验参数设计

5.1 等效注量率的确定

试验对象选用防静电Kapton二次表面镜，分别采用20 keV、40 keV、60 keV能量的电子进行辐照试验，电子注量率均为4.5×1010cm-2·s-1，试验真空度优于 2×10-3Pa，热沉温度为-25 ℃，样品台温度控制在 10～20 ℃，其他试验条件满足 GJB 2502—2006的规定。

图2是利用式(3)对试验数据进行拟合的结果，所示为在不同能量电子的辐照下，Kapton的太阳吸收比与电子注量的变化关系。

图2 不同能量电子辐照下Kapton的太阳吸收比与电子注量的关系Fig. 2 The solar absorptance versus electron fluence for ITO/Kapton/Al films under different energy electron irradiations

从图中可以看出，在20～60 keV电子能量范围内，相同辐射注量下，电子的能量越大，对Kapton光学性能的损伤越大。利用式(5)并带入GEO电子分布能谱，可以得到

即利用能量为40 keV的电子来等效GEO电子进行辐照时，其等效的电子注量率应为3.0×108cm-2·s-1。

5.2 加速因子的选取

采用能量为40 keV的电子进行辐照试验，电子注量率分别为 4.5×1010cm-2·s-1和 2.5×1011cm-2·s-1，其他试验条件不变。

前期研究表明，当电子注量率为4.5×1010cm-2·s-1时，处于等效模拟区间内。而当注量率提高到2.5×1011cm-2·s-1时，已超出等效模拟区间，其加速因子应通过式(9)进行计算。

图3是相同能量、不同注量率的电子辐照下，Kapton的太阳吸收比与电子注量的变化关系。

图3 不同电子注量率下Kapton的太阳吸收比与电子注量的变化关系Fig. 3 The solar absorptance changes versus electron fluence for ITO/Kapton/Al films under 40 keV electron irradiation with different flux densities

从图中可以看出，在相同辐射注量下，当电子注量率提高后，Kapton的性能退化减小，但最后都有稳定的趋势。

图3中的曲线是试验数据利用式(3)的拟合结果，可以得到

式中：γ1，γ2分别是电子注量率为 4.5×1010cm-2·s-1和 2.5×1011cm-2·s-1时的加速因子。

从式(11)可以看出，虽然辐射注量率增加到约5.5倍，但实际的加速因子只增加到约2.2倍，加速的效率只有40%。

5.3 试验参数设计

模拟GEO环境15 a飞行时间内，防静电Kapton二次表面镜的太阳吸收比电子辐射效应的试验参数，可以选择能量为40 keV的电子来等效GEO电子进行辐照。由式(10)已知其等效的电子注量率应为 3.0×108cm-2·s-1。当选择辐射注量率为 4.5×1010cm-2·s-1（位于等效模拟区间内）时，总注量为3.0×108cm-2·s-1×15 a=1.42×1017cm-2，试验时间约为36 d；当选择辐射注量率为2.5×1011cm-2·s-1（超出等效模拟区间）时，总注量为2.5×1011cm-2·s-1×15 a/[2.2×(4.5×1010cm-2·s-1/3.0×108cm-2·s-1)]=3.58×1017cm-2，试验时间约为 16 d。

6 总结

给定一个轨道带电粒子辐射环境后，地面加速试验的关键是要确定3个参数：辐射粒子能量E0，辐射注量率φ0和总注量φ0。

首先，分析轨道带电粒子辐射环境，以及带电粒子在热控材料中的射程和能量损失，对轨道带电粒子辐射环境进行剪裁。一般来说，低能粒子（10 keV以下）对热控涂层退化效应较小；而高能电子、高能质子数量很少；且高能电子穿透深度很深，对热控涂层表层的影响较小。因此可以忽略低能和高能的带电粒子辐射，只考虑从10 keV到几百keV能量范围内的带电粒子所引起的辐射效应。

其次，根据第一步确定带电粒子主要关注能量范围，以及该能量范围的轨道粒子辐射注量大小，加之试验设备能力，确定试验中辐射粒子的能量E0。

第三，开展几组不同能量带电粒子辐射效应试验，利用公式(5)计算辐射粒子能量为 E0时的等效注量率 φeq。

第四，根据设备能力，选取试验中的辐射注量率 φ0。如果通过前期工作已知φ0在等效模拟区间内，则总注量φ0=φeqt。如果不能确定φ0是否在等效模拟区间内，则需要再进行一组低注量率φl辐射试验，φl处于等效模拟区间内，利用式(8)和式(9)计算出加速因子γ，并获得总注量φ0。

按照辐射粒子能量E0、辐射注量率φ0和总注量φ0这3个参数，进行地面模拟辐射效应加速试验，即可得到热控涂层轨道带电粒子辐射环境下的太阳吸收比退化评估数据。

7 结束语

由于轨道带电粒子的能谱为连续分布，因此在地面进行热控涂层性能退化试验评估时，一是要解决轨道带电粒子辐照环境等效能谱模拟技术；二是要确定加速试验的加速因子。在国家“863”计划相关课题的支持下，北京卫星环境工程研究所开展了此方面的相关工作，获得了部分研究成果，建立了GEO带电粒子辐照试验参数的设计方法。希望能在后续工作中继续补充完善，并将该项技术推广到型号的试验设计中。

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