Под действием корпускулярных излучений в материалах и элементах космических аппаратов возникают различного рода обратимые и необратимые эффекты, приводящие к нарушению нормального функционирования их бортовых систем, за счет чего срок активной службы составляет ~7-10 лет [1]. Наибольшую опасность в спектре космического корпускулярного излучения в аппаратах с тонкостенной защитой представляют электроны с энергиями от 0,5 до 7 МэВ, а также протоны и альфа-частицы с энергиями от 1 до 30 МэВ [1‒3].
Ранее нами проводились работы по созданию и изучению радиационно-защитных полимерных композитов (ПК) на основе полистирола и металлоолигомерного наполнителя [4, 5]. В данной статье представлены результаты испытаний композита на основе фторопластовой матрицы и модифицированного трехвалентного оксида висмута (МОВ) [6].
Цель исследования - провести и рассмотреть моделирование взаимодействия пучка быстрых электронов на полимерный композит (ПК) известного химического состава с применением программного комплекса, разработанного на базе известной библиотеки Geant4, определить теоретический эффективный пробег электронов различной энергии и глубину максимальной концентрации накопленной энергии внутри композитов, оценить коэффициенты отражения и поглощения. Провести теоретическую и экспериментальную оценку защитного эффекта, обусловленного наличием внедренного объемного заряда в композите.
Материалы и методы исследования
Элементарный состав и плотность исследуемого композита приведены в табл. 1.
Таблица 1 Элементарный состав и плотность разработанного полимерного композита
|
Содержание наполнителя, мас.% |
Атомный состав,% мас. |
Плотность ρ, г/см3 |
|||
|
C |
F |
Bi |
O |
||
|
60 |
9,608 |
30,392 |
53,820 |
6,180 |
4,420 |
Образцы ПК были изготовлены в форме дисков диаметром 30 мм и толщиной, которая выбиралась, исходя из решения задачи определения защитных свойств ПК от пучков моноэнергетических электронов. Они устанавливались на пути электронного пучка, падающего по нормали на плоскую поверхность диска. За облучаемым образцом вплотную к его внешней поверхности закрепляли дозиметр, который был экранирован от попадания электронов, рассеянных в конструкции ускорителя. Чувствительным элементом дозиметра служил алмазный детектор, представляющий собой пластину площадью 0,25 см2 и толщиной 300 мкм с напылением на плоской поверхности диска запирающим и инжектирующим контактами.
Математическое моделирование взаимодействия пучка электронов с дисками ПК проводилось с помощью метода Монте-Карло. Для этого использовался пакет оригинальных программ, разработанных на базе известной библиотеки «GEANT4».
В качестве исходных данных были приняты следующие условия: геометрия мишени - цилиндр с диаметром 30 мм и толщиной 6 мм; пучок сечением 20×20 мм с энергией 1-5 МэВ падает на мишень по нормали к поверхности; флюенс пучка 1,2 эл./мм2.
В расчетах учитывались следующие процессы взаимодействия пучка электронов с ПК: множественное рассеяние; ионизация среды; процесс, отвечающий за перемещение частиц в пространстве с учетом влияния магнитного поля.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 1 представлены графические результаты распределения дозы D(R) по глубине ПК для электронного пучка с Е = 1-5 МэВ, смоделированные с использованием пакета Geant4. Наблюдается экстремальный характер распределения поглощенной дозы по толщине образца. Для пучка электронов с энергией 2-5 МэВ полоса максимума уширяется и охватывает более глубокие слои ПК. Появление выраженного максимума связано с развитием процесса ионизации в массе композита, вызываемого падающими электронами, и повышением плотности ионизации среды за счет обратного рассеяния вторичных электронов на больших глубинах. Спад на кривой распределения объясняется поглощением и рассеянием электронов.
Рис. 1. Расчетное распределение поглощенной дозы D(R) по глубине
По результатам расчетов (табл. 2), в достаточно широком энергетическом спектре, 71-88% частиц приходится на поглощение в материале, причем с возрастанием энергии электронов эффект отражения уменьшается. Для электронов с E > 3 МэВ глубина концентрации максимальной дозы заметно увеличивается. При энергии 1 МэВ коэффициент отражения по энергии выше, чем по частицам, а для больших энергий это соотношение меняется в обратную сторону. Вероятно, это связано с преобладанием неупругого взаимодействия электронов с атомами вещества, а также частичной потерей энергии в поверхностных слоях и вылетом за пределы образца за счет обратного рассеяния.
Прохождение электронов через слой вещества в присутствии электрического поля рассчитано с использованием численного метода, описанного в работе [8]. На рис. 2 показаны зависимости отношения D/D0 от напряженности электрического поля Е0, где мощность дозы за образцом D отнесена к начальной мощности поглощенной дозы D0 за слоем с относительной толщиной d/R (d - толщина образца, R - расчетный ионизационный пробег с заданной энергией). Влияние электрического поля начинает сказываться при толщине более 0,1d/R и достигает своего минимума при d = 0,6R. В отличие от [7] минимум кривой смещен в сторону малых толщин, а также достаточно широк, что связано с увеличением влияния обратного рассеяния электронов за счет большого эффективного атомного радиуса Bi.
Таблица 2 Расчетные параметры распределения электронов в слоях полимерного композита
|
Энергия электронов, МэВ |
Эффективный пробег электронов, мм |
Глубина концентрации максимальной дозы, мм |
Коэффициенты |
|||
|
отражения |
поглощения |
|||||
|
по энергии |
по частицам |
по энергии |
по частицам |
|||
|
1 |
1,20 |
0,24 |
0,312 |
0,287 |
0,688 |
0,713 |
|
2 |
2,76 |
0,54 |
0,171 |
0,225 |
0,829 |
0,775 |
|
3 |
3,54 |
0,66 |
0,119 |
0,193 |
0,881 |
0,807 |
|
4 |
4,92 |
1,08 |
0,066 |
0,129 |
0,934 |
0,871 |
|
5 |
5,86 |
1,56 |
0,056 |
0,119 |
0,944 |
0,881 |
С увеличением напряженности электрического поля (Е) на внутренней стороне поверхности образца ПК защитный эффект заряженного диэлектрика выражается сильнее. Согласно [7] подобный эффект связан как с сокращением пробега электронов, так и со спадом коэффициента прохождения электрона в веществе, вызванным торможением и отклонением частиц в тормозящем электрическом поле в поверхностных слоях диэлектрика.
Рис. 2. Зависимость поглощенной дозы пучка быстрых электронов (E = 2 МэВ) от толщины слоя и напряженности поля (МВ/г-1·см2)
При непрерывном облучении ПК пучком быстрых электронов с Е = 2 МэВ наблюдался постепенный спад мощности дозы до достижения некоторого минимального значения. За образцом толщиной 0,2R (рис. 3, кривая 1) мощность дозы снижается на несколько процентов и практически не изменяется уже через 100 с с начала облучения. Экспериментально подтверждено наибольшее снижение дозы, обусловленное накопленным объемным зарядом, при толщине ПК 0,5-0,6d/R (рис. 3, кривая 3), которое достигает 40% от первоначальной величины. В [7] говорится о снижении дозы до нескольких десятых долей, за образцом заряжающихся стекол. В экспериментах с разработанным ПК наблюдается слабый минимум, что возможно связано с полупроводниковыми свойствами наполнителя. За счет него происходит перераспределение объемного заряда по объему образца и снижение напряженности поля, что и приводит к столь малому защитному эффекту.
Рис. 3. Кинетика изменения мощности дозы электронного излучения (E = 2 МэВ) на внешней поверхности композита разной толщины
При облучении образцов, толщина которых превышала ионизационный пробег электронов (1,5R), измерялась мощность дозы тормозного излучения. В результате было получено снижение мощности дозы на 38%.
Доза тормозного излучения за образцом ПК снижается из-за уменьшения выхода генерации тормозного излучения в первых слоях диэлектрика, поглотивших электроны и дающих наибольший вклад в поглощенную дозу D. Следовательно, снижение D в более глубоких слоях ПК будет тем сильнее, чем быстрее уменьшается энергия электрона в поверхностных облучаемых слоях. Защитная роль глубинных слоев ПК состоит в подавлении тормозного излучения за счет высокой концентрации атомов висмута (54%) и плотности ПК (4420 кг/м3).
Заключение
По результатам проведенных расчетов, 71-88% частиц приходится на поглощение в материале, и с увеличением энергии падающих электронов альбедо уменьшается. При энергиях выше 1 МэВ возрастают процессы неупругого взаимодействия электронов с атомами вещества, за счет чего альбедо по энергии становится меньше, чем по частицам. Также наблюдается экстремальный характер накопления дозы по глубине, и с увеличением энергии электронов полоса максимума уширяется.
Оценка защитного эффекта в полимерном композите от воздействия пучка быстрых электронов обусловлена накоплением объемного электрического заряда в композите, а мощность накопленной дозы на внешней поверхности композита зависит от его относительной толщины (по отношению к расчетному ионизационному пробегу (R) электронов с заданной энергией). Электрическое поле объемного заряда, нарастающее во времени при электронном облучении полимерного композита, резко снижает мощность поглощенной дозы за образцом, включая тормозное излучение.
За счет полупроводниковых свойств наполнителя не удается достичь многократного снижения мощности дозы за заряженным образцом, а наличие большого количества атомов Bi приводит к уменьшению толщины максимального действия объемного заряда на пучок электронов до 0,55-0,60R.
Работа выполнена при частичной поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы ГК № 14.740.11.0054.
Рецензенты:
-
Савотченко С.Е., д.ф-м.н., профессор, заведующий кафедрой информационных технологий Белгородского института повышения квалификации и профессиональной переподготовки специалистов, г. Белгород;
-
Красильников В.В., д.ф-м.н., профессор кафедры материаловедения и нанотехнологий НИУ «Белгородский государственный университет», г. Белгород.
Работа поступила в редакцию 05.06.2012.