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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lèi)裝置和儀器能夠在一個(gè)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(hù)材料之一。它通過(guò)調(diào)節(jié)物體表面的太陽(yáng)吸收率(αs)和紅外輻射率(ε)來(lái)控制物體的熱平衡［1］，是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星被動(dòng)熱控制的關(guān)鍵。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，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(xué)性能。光學(xué)性能的退化對(duì)于熱控涂層來(lái)說(shuō)是需要重點(diǎn)考慮和評(píng)估的問(wèn)題，要求它在衛(wèi)星整個(gè)工作壽命期內(nèi)的性能應(yīng)保持穩(wěn)定，即在空間各種環(huán)境條件作用下，光學(xué)性能的衰退應(yīng)盡量小［2］，對(duì)于長(zhǎng)壽命衛(wèi)星而言，更需要評(píng)估熱控涂層在空間使用期間的性能退化狀況。應(yīng)用地面模擬試驗(yàn)是進(jìn)行評(píng)估的一個(gè)重要手段，在分析輻照作用機(jī)理的基礎(chǔ)上建立模型，對(duì)熱控涂層長(zhǎng)期的退化狀況進(jìn)行預(yù)估也是近年來(lái)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(duì)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(xué)特性退化分析與預(yù)估軟件編制方案，為空間環(huán)境作用下材料光學(xué)特性退化的計(jì)算模擬、以及典型熱控涂層在空間輻照環(huán)境作用下光學(xué)特性退化的評(píng)估和長(zhǎng)期退化狀況的預(yù)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(duì)數(shù)目的關(guān)系，材料中因輻照而產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)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(duì)數(shù)目(個(gè)/cm3);ρ為材料密度(g/cm3);w為在該材料中產(chǎn)生一個(gè)電子－空穴對(duì)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(duì)的數(shù)目應(yīng)正比于所產(chǎn)生的色心濃度，于是有

式中 d為色心濃度(個(gè)/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(lái)描述。因此，在計(jì)算劑量－深度分布曲線過(guò)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(shí)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(duì)應(yīng)的輻照劑量則為第i+1層入射面深度所對(duì)應(yīng)的輻照劑量。

圖1 輻照與材料作用示意

結(jié)合式(2)，則相應(yīng)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(qiáng);σ為材料對(duì)特定波長(zhǎng)光子的吸收系數(shù)(cm－1)，與波長(zhǎng)和溫度有關(guān);x為光子進(jìn)入材料的深度;I(x)為材料內(nèi)x深度處的光強(qiáng)?？梢?jiàn)，當(dāng)單色光通過(guò)某種吸收物質(zhì)時(shí)，透過(guò)的光強(qiáng)隨該物質(zhì)厚度按指數(shù)規(guī)律衰減。于是，對(duì)于材料第i層來(lái)說(shuō)，對(duì)光子的吸收ΔIi可用式(6)表示

當(dāng)波長(zhǎng)為λ的一束單色光入射材料時(shí)，由于電子輻照在材料第i層中所產(chǎn)生的色心將對(duì)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(duì)波長(zhǎng)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(xué)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(xué)特性退化的評(píng)估以及長(zhǎng)期退化狀況的預(yù)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(xué)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(xué)特性退化分析與預(yù)估軟件。該軟件應(yīng)能夠?yàn)樯钊氩牧陷椪論p傷機(jī)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(jì)算機(jī)仿真軟件，以達(dá)到工程實(shí)用的目的。

軟件由多個(gè)功能模塊構(gòu)成，可為不同輻照類(lèi)型下的不同材料光學(xué)特性退化機(jī)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(jī)理及光學(xué)特性退化模型研究的深入而更新和完善。

軟件應(yīng)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(jì)算、求解材料吸收率變化模型、材料的單波長(zhǎng)光吸收率變化預(yù)測(cè)、吸收光譜預(yù)測(cè)、太陽(yáng)光吸收率預(yù)測(cè)、建立相關(guān)材料特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)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(jì)算單波長(zhǎng)吸收率、吸收光譜、太陽(yáng)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(lèi)和粒子能量。

(2)設(shè)定輻照注量。

(3)設(shè)定預(yù)測(cè)點(diǎn)。

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(jì)算模塊

計(jì)算出不同輻照類(lèi)型及注量下的材料劑量深度分布數(shù)據(jù)，生成對(duì)應(yīng)于每個(gè)輻照注量和預(yù)測(cè)點(diǎn)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(zhǎng)吸收率－注量數(shù)據(jù)中各輻照注量對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的劑量深度分布數(shù)據(jù)代入光學(xué)特性退化模型(見(jiàn)式8)，通過(guò)擬合算法求解出未知參數(shù) K、σ、b。

(3)將預(yù)測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的劑量深度分布數(shù)據(jù)代入求解模型，計(jì)算出預(yù)測(cè)點(diǎn)的吸收率變化。

(4)將吸收率變化與初始吸收率相加得到預(yù)測(cè)點(diǎn)的吸收率。

(5)計(jì)算出材料在預(yù)測(cè)點(diǎn)的單波長(zhǎng)吸收率，保存單波長(zhǎng)吸收率變化數(shù)據(jù)(吸收率變化數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)點(diǎn)單波長(zhǎng)吸收率變化數(shù)據(jù))，繪制出吸收率變化曲線。

模塊流程見(jiàn)圖2所示。

3.6 吸收光譜計(jì)算模塊

(1)按照用戶(hù)設(shè)定的光波長(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)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(jì)算出預(yù)測(cè)點(diǎn)的吸收光譜數(shù)據(jù)，保存采樣所得單波長(zhǎng)吸收率－注量數(shù)據(jù)集(實(shí)際為按照波長(zhǎng)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(gè)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(jì)算模塊流程圖

3.7 太陽(yáng)光譜吸收率計(jì)算模塊

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

根據(jù)太陽(yáng)光吸收率公式［5］，計(jì)算出材料對(duì)太陽(yáng)光的吸收率

式中 Iλ為波長(zhǎng)為λ的太陽(yáng)光強(qiáng)度;λ0為光譜的起始波長(zhǎng);λn為截止波長(zhǎng)波段的太陽(yáng)光強(qiáng)度為材料吸收的λ0～λn波段的太陽(yáng)光強(qiáng)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(zhǎng)吸收率的值;4)輸出太陽(yáng)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(duì)光譜圖取值線取值。

(2)輸入條件

1)由光譜光學(xué)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(lái)的吸收光譜－注量數(shù)據(jù);2)材料劑量深度分布計(jì)算模塊輸出的劑量深度分布數(shù)據(jù);3)吸收光譜計(jì)算模塊輸出的吸收光譜數(shù)據(jù);4)單波長(zhǎng)吸收率預(yù)估中得到的預(yù)測(cè)點(diǎn)的吸收率;5)太陽(yáng)光吸收率計(jì)算模塊輸出的太陽(yáng)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(zhǎng)吸收率和太陽(yáng)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(yáng)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(kù)模塊

生成材料特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)文件，并可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)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(xué)特性退化模型，并提出了空間輻照環(huán)境作用下材料光學(xué)特性退化分析與預(yù)估軟件的編制方案，對(duì)解決星用熱控涂層空間作用下性能退化預(yù)示有重要的參考價(jià)值。

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