一种航天器用镀膜光学透镜电离辐射效应试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种航天器用镀膜光学透镜电离辐射效应试验方法。使用本发明能够有效模拟镀膜光学透镜在轨带电粒子的辐射效应，可应用于航天器用镀膜光学透镜的辐射性能评价。本发明综合考虑镀膜光学透镜膜层和基底材料的电离辐射效应，运用电子和60Coγ射线分别对镀膜光学透镜进行辐照，然后将辐照结果进行叠加，模拟空间辐照在镀膜光学透镜中的辐照剂量-沉积深度分布，从而全面考核光学透镜的耐空间辐射能力。
【专利说明】一种航天器用镀膜光学透镜电离辐射效应试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空间环境工程【技术领域】，具体涉及一种航天器用镀膜光学透镜电离辐 射效应试验方法。
【背景技术】
[0002] 在航天器使用的紫外/可见光相机、红外相机、激光雷达和辐射探测器等载荷中， 为提高光学系统的透过能量和改进成像的质量，通常在所选取的基底材料基础上进行光学 镀膜。
[0003] 航天器在轨道中运行时，镀膜光学透镜受到轨道电子、质子、重离子等带电粒子的 辐射，辐射产生的电离损伤会使透镜的光学性能下降，从而影响航天器的性能。在透镜在轨 使用前，需要在地面开展电离辐射效应评价试验，模拟轨道带电粒子的辐射效应。目前采取 的模拟方法，一为使用 6°C〇Y射线模拟透镜辐射效应，该方法选择6°C〇Y射线的辐照剂量时 没有考虑低能带电粒子对膜层的损伤，同时基底材料中的吸收剂量远大于在轨实际剂量； 另一种方法是使用电子或质子辐照，由于电子或质子射程有限，该方法只能辐照膜层，不能 考核基底材料的福照损伤。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明提供了一种航天器用镀膜光学透镜电离辐射效应试验方法，能 够有效模拟镀膜光学透镜在轨带电粒子的辐射效应，可应用于航天器用镀膜光学透镜的辐 射性能评价。
[0005] 本发明的航天器用镀膜光学透镜电离辐射效应试验方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1，在轨环境辐照剂量-沉积深度分布计算：根据给定轨道、任务寿命，选择相 应的轨道粒子辐射模型，计算轨道粒子辐射剂量与粒子在镀膜光学透镜中沉积深度的关系 曲线C ;
[0007] 步骤2,初步选择用于地面辐照试验的辐射源，包括电子和6°Co Y射线；
[0008] 其中，所选电子的能量E为该能量E下的电子射程尽量等于镀膜光学透镜膜层厚 度，所选电子的辐照注量为所述能量E的电子在膜层表面的剂量达到在轨剂量Q的70%，所 述在轨剂量Q为关系曲线C中沉积深度为0时对应的轨道粒子辐射剂量；
[0009] 所选6°Co γ射线的辐射剂量为6°Co γ射线在膜层表面的剂量达到所述在轨剂量Q 的 30% ;
[0010] 步骤3,分别采用步骤2选定的电子和6°Co γ射线对镀膜光学透镜进行辐照，获得 电子辐照剂量与电子在镀膜光学透镜中沉积深度的关系曲线C1，以及6°Co γ射线辐照剂量 与6°Co γ射线在镀膜光学透镜中沉积深度的关系曲线C2 ;
[0011] 步骤4,将关系曲线C1和关系曲线C2叠加，并将叠加后的曲线C3与步骤1获得的 关系曲线C进行对比，调节电子的辐照注量和6°Co γ射线辐照剂量，使叠加后的曲线C3与 关系曲线C在膜层处尽量重合；
[0012] 步骤5,采用步骤4最终确定的电子和6°Co γ射线进行地面辐照试验。
[0013] 有益效果：
[0014] 本发明综合考虑镀膜光学透镜膜层和基底材料的电离辐射效应，运用电子和 6°Co γ射线分别对镀膜光学透镜进行辐照，然后将辐照结果进行叠加，模拟空间辐照在镀膜 光学透镜中的辐照剂量-沉积深度分布，从而全面考核光学透镜的耐空间辐射能力。
[0015] 由于电子在材料膜层中的沉积速率很快，选择射程尽可能接近膜层厚度的电子能 量，使得电子尽可能沉积在膜层中。同时，由于膜层的辐射效应主要由轨道带电粒子中的低 能部分贡献，其中电子占主要部分，电子辐照剂量为在轨膜表面剂量的70%。
[0016] 考虑到低能带电粒子对膜层的损伤，本发明将6°C〇Y射线的辐射剂量选择为 6°Co γ射线在膜层表面的剂量为在轨剂量Q的30 %，并非按照现有技术选择的膜层表面对 应的在轨剂量，从而降低了低能带电粒子对膜层的损伤，由于6°C〇Y射线辐照剂量的降低， 同时也解决了基底材料中的吸收剂量远大于在轨实际剂量的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为K509玻璃基镀膜透镜地面与轨道辐照剂量一深度对比图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0019] 本发明提供了一种航天器用镀膜光学透镜电离辐射效应试验方法，综合考虑镀膜 光学透镜膜层和基底材料的电离辐射效应，分别采用电子和6°Co Y射线进行辐照的方法来 模拟空间辐照在透镜中的辐照剂量-沉积深度分布，从而有效模拟在轨空间电离辐射。具 体步骤如下：
[0020] 步骤1，在轨环境辐照剂量-沉积深度分布计算
[0021] 根据给定轨道、任务寿命，选择相应的轨道粒子辐射模型，计算轨道环境中的带电 粒子在透镜中的辐照剂量-沉积深度分布，并给出在轨环境辐照剂量-沉积深度分布曲线， 即轨道粒子辐射剂量与粒子在镀膜光学透镜中沉积深度的关系曲线C，如图1中的曲线② 所示。
[0022] 地面模拟试验以在轨环境辐照剂量-沉积深度分布曲线C为模拟依据。
[0023] 步骤2,辐照源选择
[0024] (1)针对膜层的辐射效应
[0025] 膜层的辐射效应主要由轨道带电粒子中的低能部分贡献，其中电子占主要部分； 此外电子由加速器产生，能量易于选择，因此针对膜层选择电子为模拟源。
[0026] (2)针对透镜整体的辐射效应
[0027] 透镜整体厚度一般为毫米量级，电子、质子的能量范围有限，难以实现对透镜整体 的模拟。 6°C〇Y射线穿透能力强，无论是大的材料样品还是电子器件，都无需进行其他的处 理，可以在较大的面积范围内进行辐照，其辐照影响是对整体的影响，因此针对透镜整体选 择 6°C〇Y射线为模拟源。
[0028] 步骤3,辐照参数选择
[0029] 辐照参数选择的原则为，选取相应的电子辐照能量、注量和6°Co Y射线剂量，使材 料膜层中的辐照剂量-沉积深度分布曲线与实际在轨空间辐照情况接近（即与步骤1获得 的在轨环境辐照剂量-沉积深度分布曲线C接近），同时减小基底材料接受的辐射剂量。由 于电子和6°C〇Y射线模拟的均为材料的电离辐射效应，辐照能量沉积具有累加性，可以先 分别计算出电子和 6°Co Y射线在材料中的辐照剂量-沉积深度分布，然后将同一深度处的 辐照剂量进行累加，最后计算出总的辐照剂量-沉积深度分布。
[0030] (1)电子辐照能量
[0031] 如图1中的曲线①所示，电子在材料膜层中的沉积速率很快，如果电子能量过高， 电子的射程将超过膜层，在膜层以外的能量传递不会对膜层的光学性能产生影响，因此应 选择射程尽可能接近膜层厚度的电子能量，使得电子尽可能沉积在膜层中。
[0032] (2)电子辐照注量
[0033] 考虑到6°Co Y射线辐照也会在膜层中沉积，选择上述能量的电子的电子辐照注量 为：其在膜层表面的剂量为膜层表面在轨剂量的70%。
[0034] (3)6°C〇Y射线辐照剂量
[0035] 如图1中的曲线④所示，6°Co Y射线辐照在镀膜光学透镜中的穿透能力强，6°Co Y 射线在材料中的辐照剂量不随沉积深度的增加而减小，因此，选择6°Co γ射线的辐射剂量 为：其在膜层表面的剂量为膜层表面在轨剂量的30%。这样，膜层的辐照剂量为电子辐照 剂量与 6°Co γ射线辐射剂量之和，基底材料的辐照剂量为膜层表面在轨剂量的30%，降低 了现有方法中采用膜层表面100%在轨剂量的6°C〇Y射线辐照，更接近于真实在轨辐照情 况。
[0036] (4)电子辐照注量和6°Co Y射线辐照剂量调节
[0037] 分别采用选定的电子和6°Co Y射线对镀膜光学透镜进行辐照，获得电子辐照剂量 与电子在镀膜光学透镜中沉积深度的关系曲线C1，以及6°C〇Y射线辐照剂量与6°C〇Y射线 在镀膜光学透镜中沉积深度的关系曲线C2。
[0038] 将电子辐照和6°Co γ射线辐照在材料中的辐照剂量-沉积深度分布曲线进行叠加 (C1和C2叠加），获得叠加后的关系曲线C3 (图1中的曲线③），并将C3与轨道带电粒子在 光学透镜膜层中的剂量-深度分布关系曲线C进行对比，调节电子辐照注量和6°Co γ射线 辐照剂量，使材料膜层中的辐照剂量-沉积深度分布与真实在轨空间辐照接近，同时减小 基底材料接受的辐射。
[0039] 步骤4,采用步骤3最终确定的电子和6°Co γ射线进行地面辐照试验。
[0040] 下面结合K509玻璃基镀膜透镜太阳同步轨道5年（轨道高度497km)辐射效应试 验对该方法进行进一步说明。
[0041] 首先计算轨道带电粒子辐射在透镜中的辐照剂量-沉积深度分布，然后选择 50keV电子和6°Co γ射线，调整其辐照注量及剂量，并计算二者在K509透镜中的辐照剂 量-沉积深度分布之和，与在轨辐射剂量-沉积深度进行对比，使材料膜层中的辐照剂 量-沉积深度分布与空间接近，同时减小基底材料接受的辐射剂量。确定的试验参数见表 1。图1为K509玻璃基镀膜透镜地面与轨道辐照剂量-沉积深度对比，由图可见，单独使用 电子（曲线①）或 6°Co Y射线（曲线④）均与在轨辐射（曲线②）有较大差别，而50keV 电子和6°C〇y射线共同作用（曲线③），既充分考核了膜层的辐射效应，也使基底材料的辐 射剂量与轨道剂量更为接近。
[0042] 表1.电子、6°C〇Y射线顺序辐照试验参数表
[0043]
【权利要求】
1. 一种航天器用镀膜光学透镜电离辐射效应试验方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1，在轨环境辐照剂量-沉积深度分布计算：根据给定轨道、任务寿命，选择相应的 轨道粒子辐射模型，计算轨道粒子辐射剂量与粒子在镀膜光学透镜中沉积深度的关系曲线 C； 步骤2,初步选择用于地面辐照试验的辐射源，包括电子和6°C〇y射线； 其中，所选电子的能量E为该能量E下的电子射程尽量等于镀膜光学透镜膜层厚度，所 选电子的辐照注量为所述能量E的电子在膜层表面的剂量达到在轨剂量Q的70%，所述在 轨剂量Q为关系曲线C中沉积深度为0时对应的轨道粒子辐射剂量； 所选6°C〇y射线的辐射剂量为6°C〇y射线在膜层表面的剂量达到所述在轨剂量Q的 30% ； 步骤3,分别采用步骤2选定的电子和6°Co γ射线对镀膜光学透镜进行辐照，获得电 子辐照剂量与电子在镀膜光学透镜中沉积深度的关系曲线C1，以及6°Co γ射线辐照剂量与 6°Co γ射线在镀膜光学透镜中沉积深度的关系曲线C2 ; 步骤4,将关系曲线C1和关系曲线C2叠加，并将叠加后的曲线C3与步骤1获得的关系 曲线C进行对比，调节电子的辐照注量和6°Co γ射线辐照剂量，使叠加后的曲线C3与关系 曲线C在膜层处尽量重合； 步骤5,采用步骤4最终确定的电子和6°Co γ射线进行地面辐照试验。
【文档编号】G01N23/00GK104280408SQ201410449860
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】田海, 冯展祖, 李雅娟, 郭兴, 张剑锋 申请人:兰州空间技术物理研究所