Материалтану
Диэлектриктерді радиациялық электрлендіру
жүктеу/скачать 5,17 Mb.
|
Диэлектриктерді радиациялық электрлендіруҒарыш кеңістігінің иондаушы сәулеленуіне байланысты тағы бір маңызды әсер-диэлектрлік материалдардың электрленуі, олардың бетінде немесе көлемінде электр зарядының жинақталуы түсініледі. Тиісінше, беттік және көлемді (ішкі) электрлендіруді ажырата білу керек. Ғарыш кеңістігі жағдайында ҒА сыртқы қабықшасының диэлектриктерінің беттік электрленуі ыстық магнитосфералық плазманың әсерінен туындайды, оның электрондарының энергиясы 50-100 кэВ – қа дейін, ал көлемді электрлену энергиясы ~2-10 МэВ болатын ЖРБ электрондарының әсерінен болады. Электрлендірудің екі түрі де зарядталған бөлшектер ағындарының әсерінен туындағандықтан, радиациялық электрлендіру термині жиі қолданылады. Диэлектриктердің радиациялық электрленуінің жер үсті және көлемге бөлінуінің себебі, енгізілген электр зарядының локализация тереңдігінің айырмашылығы ғана емес, сонымен бірге зарядтың физикалық жинақталу процестерінің, оның жиналуына әкелетін бастапқы зарядталған бөлшектердің ағындарының және процестердің уақытша сипаттамаларының осы екі жағдайындағы айтарлықтай айырмашылық болып табылады. Ыстық магнитосфералық плазмада зарядталған кезде бастапқы токтардың сипаттамалық мәні ~10 -10-10-8 А·см-2, ал зарядтау ұзақтығы секундтың фракцияларынан ондаған минутқа дейін өзгереді. Үлкен уақыттар зарядтау кезінде зарядтардың қайта бөлінуі болатын нақты ҒА-ға жатады. ҒА сыртқы қабықшасының диэлектриктерінің беттік электрленуі айтарлықтай дәрежеде фотоэлектрондық эмиссияны қоса алғанда, қайталама-эмиссиялық процестермен анықталады. ЖРБ электрондарының әсерінен ҒА диэлектрлік материалдарының көлемдік заряды келесі параметрлермен сипатталады: электрондардың тогы ~10 -13-10-11 А·см-2, зарядтаудың сипаттамалық уақыттары сағатпен өлшенеді. Бұл жағдайда қайталама эмиссиялық токтар енгізілген көлемдік зарядтың қалыптасу процесіне әсер етпейді. ҒА материалдарын, оның ішінде диэлектриктерді беттік электрлендіру процестері жоғарыда егжей-тегжейлі сипатталған. Мұнда диэлектриктердің көлемді электрлену құбылысын қарастырамыз. Диэлектриктердің көлемдік электрленуі, олардың энергиясы ~1-10 МэВ электрондармен сәулеленуі кезінде мынадай негізгі процестермен анықталады: энергияның иондану және радиациялық жоғалуы есебінен диэлектриктегі бастапқы электрондарды тежеу; заттағы электрондарды әртүрлі типтегі тұзақтарға түсіру арқылы термализациялау; диэлектриктің меншікті және радиациялық өткізгіштігіне байланысты токтар есебінен диэлектриктің көлемінен сәулеленетін бетке және төсемге электрондық зарядтың ағуы. Енгізілген зарядтың диэлектрик көлемінде жинақталуымен диэлектриктегі заряд тасымалдаушылардың қозғалысына әсер ететін ішкі электр өрісі пайда болады. Зарядталған диэлектриктегі токтар мен электр өрістерін үздіксіздік теңдеуіне, дифференциалдық формадағы ОМ заңына және берілген зат үшін Пуассон теңдеуіне негізделген теңдеулердің жалпы жүйесімен сипаттауға болады: мұндағы -көлемдік зарядтың тығыздығы; j-ток тығыздығының векторы; j i – енгізілетін тасымалдаушылардың ток тығыздығының векторы; – диэлектриктің өткізгіштігімен анықталатын, кернеулігі E электр өрісіндегі токтың құрамы; – енгізілген зарядтың пайда болатын потенциалы. Өз кезегінде, диэлектриктің өткізгіштігі оның радиация компонентін ескере отырып, алдыңғы бөлімде келтірілген өрнекпен сипатталады. Диэлектриктің меншікті және радиациялық өткізгіштігін ескерместен 1Мэв энергиясы бар электрондар үшін есептелген электр өрісінің күші мен потенциалы z диэлектрикасының тереңдігіне тән модельдік үлестірімдер суретте көрсетілген. 5.47. Сур. 4.47. Диэлектриктің тереңдігі бойынша бөлу z электр өрісінің күші, E және потенциал Жоғарыда келтірілген деректер диэлектриктерде көлемді зарядтың жинақталу процестеріне радиациялық өткізгіштіктің айтарлықтай әсерін көрсетеді. Ғарыштық сәулеленудің әсерінен диэлектрлік материалдардың беттік және көлемді электрленуінің салдары ҒА-да электр разрядтарының пайда болуы болып табылады, олар құрылатын электромагниттік кедергілердің есебінен борттық жүйелердің жұмысында іркілістер тудырады, сондай-ақ жабдық элементтерінің қайтымсыз зақымдалуына әкелуі мүмкін. ҒА диэлектриктерінде электр разрядтарының пайда болуы ғарыш кеңістігінің басқа факторларының әсерінен, атап айтқанда табиғи және жасанды шыққан қатты микробөлшектердің жоғары жылдамдықты соққыларынан басталуы мүмкін. Ғарыш кеңістігі жағдайларына қатысты диэлектриктердің көлемді электрленуін жүйелі зерттеу жер үсті электрлену құбылысын зерттеуден кейін басталды. Бұл белгілі бір дәрежеде диэлектриктерде ~1012 1014 см 2 электронды ағындардың пайда болуы үшін тармақталған разряд арналарын – Лихтенберг фигураларын немесе оларды "электр ағаштары"деп те атайды. Шекті флюенстердің көрсетілген мәндері жеке орындалған көп санды зертханалық зерттеулерде, оптикалық шынылар мен полиметил - метакрилат (ПММА) үлгілеріндегі ММУ ҒЗИЯФ - да, олар ~1-10 МэВ энергиясымен электрондардың моноэнергетикалық шоғырларымен сәулеленген кезде алынды. Диэлектриктерде ғарыш кеңістігінде разрядтардың пайда болуы үшін қажетті көлемдік зарядтың жинақталуы ЖРБ электрондарының ағындарының төмен тығыздығына және диэлектриктердің өткізгіштігіне байланысты ұзақ уақыт аралығында зарядтың релаксациясына байланысты мүмкін емес болып көрінді. Алайда бірқатар ғарыштық эксперименттердің, әсіресе CRRES ға - да жүргізілген эксперименттердің нәтижелері ғарышта үлестірілген энергетикалық инспекторлары бар ЖРБ электрондарының изотропты ағындарына ұшыраған кезде, көлемді электр разрядтарының пайда болуының басталуына сәйкес келетін электрондар флюенсінің шекті мәні ~1010сағ ~1010-1011 см-2 2-3-сатыға, яғни зертханалық эксперименттердің деректерімен салыстырғанда 3-сатыға төмендейтінін айқын көрсетті. Сондай - ақ ҒА әсер ететін ЖРБ электрондары ағынының тығыздығының өзгеруімен разрядтардың пайда болу жиілігінің айқын корреляциясы анықталды. CRRES ҒА бетінде ыстық плазма электрондарының диэлектриктерінің қалыңдығына енуін болдырмау үшін жеткілікті қалыңдықтағы металл электр тоғымен қапталған әртүрлі диэлектрлік материалдардың үлгілері орнатылды. Осылайша, жоғары энергиялы ЖРБ электрондарымен ғана енгізілген көлемді зарядты құру шарттары қамтамасыз етілді. Эксперименттердің нәтижелері көрсеткендей, разрядтар барлық сынақ үлгілерінде пайда болған жоқ, яғни.разрядтардың пайда болу шарттары материалдардың қасиеттеріне байланысты. Соған қарамастан, осы эксперименттерде алынған шекті флюенстің шамасы (~1010 см-2) кейіннен көлемдік разрядтардың пайда болу қаупін бағалау критерийі ретінде бірқатар нормативтік құжаттарға енгізілді. Сур. 4.49 CRRES ҒА эксперименттерде алынған бір айналымның жүру кезіндегі разрядтардың максималды санының бір уақытта электрон флюенсіне тәуелділігін көрсетеді. Тіркелген разрядтардың саны флюенс мәні ~5·1010-1011 см-2 болғанда күрт артатыны байқалады. Импульстар саны Сур. 4.49. Бір айналымдағы разрядтардың максималды санының электрон флюенсіне тәуелділігі Диэлектриктің электр зарядын тиімді жинақтау қабілеті оның жоғары меншікті кедергісімен ( > 1014 Ом см), құрылымның гетерогенділігімен және тыйым салынған аймақта терең энергетикалық тұзақтардың болуымен анықталады. Диэлектриктерде, мысалы, оптикалық әйнектерде, бөлме температурасында ингибирленген электрондардың әсер ету коэффициенті бірнеше пайызды құрайды. Диэлектрикті криогендік температураға дейін салқындату кезінде барлық құлаған электрондар ұсталады. Егер енгізілген зарядпен сәулеленген диэлектриктің көлемінде пайда болатын электр өрісінің кернеулігі диэлектриктің электрлік беріктігінен асып кетсе (~108 В·м-1),, онда тармақталған разряд арнасын (Лихтенберг фигурасы) қалыптастыру үшін диэлектриктің бетіне электрлік тесілуі болады. Импульсті разрядты токтар ток тығыздығы ~106 А·см-2 болғанда 100 А жетуі мүмкін. Оптикалық шынылар мен ПММА үлгілері үшін, оларды зертханалық жағдайларда ~1-10 МэВ энергиясы бар электрондардың шоғырларымен сәулелендіру кезінде үлгі көлеміндегі өздігінен разряд 1013-1014 см-2 флюенсінде жүреді. Сур.4.50. Электрондармен сәулелену кезінде пайда болған ПMMA блогындағы Лихтенберг фигурасы - сур. Лихтенбергтің 4 МэВ энергиясы бар электрондармен сәулеленуі нәтижесінде ПMMA блогында пайда болған фигурасы көрсетілген. Суреттен мұндай разряд құбылыстарымен жиектік әсер байқалады, бұл сәулелендірілген блоктың шетінен ені шамамен 0,5 см болатын аймақта разрядтық арналар болмаған кезде көрінеді. - сур. ПMMA (1) үлгісінің фотосуреті ұсынылған, оның алдыңғы жазықтығында тереңдігі 1 см және диаметрі 0,5 см цилиндрлік арналар бұрғыланған (2), олардың орналасуы 1,5 см біркелкі болған кезде.үлгі 7 МэВ энергиясы бар электрондармен сәулелендірілген, ~10 13 см-2 флюенс кезінде. Электр разрядты арналар (3) ПMMA тақтасының шетіне жақын жерде де, каналдардың шетінен ені ~0,5 см болатын айналмалы аймақта да жоқ екендігі айқын көрінеді. Арналардың диаметрі мен орналасу қадамын тиісті таңдау арқылы, бұл әсер радиациялық әсер ету жағдайында жұмыс істеуге арналған оқшаулағыштарды құру үшін пайдаланылуы мүмкін. Сур. 4.51. Электрондармен сәулеленгеннен кейін цилиндрлік арналары бар ПММА пластинасының фрагменті Диэлектриктердегі электр разрядтары ыстық магнитосфералық плазманың ҒА материалдарына әсерін имитациялайтын ~20-30 кэВ энергиясы бар электрондармен сәулеленген кезде де орын алады. Бұл жағдайда, жоғарыда айтылғандай, енгізілген электрондардың термализацияланған заряды ондаған микрометрмен өлшенген тереңдікте диэлектрикке локализацияланған. 4.52 - сур. ФЭТ қорғаныш әйнегінің үлгісін 30 кэВ энергиясы бар электрондармен сәулелендіру кезінде алынған Лихтенберг фигурасы көрсетілген. Бұл жағдайда үлгінің сәулелендірілген бетіне шығатын айқын орталық арна бар екендігі байқалады, оның айналасында үлгінің жазықтығында тармақталған разряд арналары пайда болды. Бұл жағдайда шекті әсер де байқалады. Сур. 4.52. ФЭТ қорғаныш шынысының үлгісінде разрядты арналардың суреті Разрядты арналардың пайда болуы нәтижесінде диэлектрлік материалдардың оптикалық және механикалық сипаттамалары нашарлайды, тіпті олардан жасалған ҒА элементтерінің бұзылуы мүмкін. Энергиясы бар электрондармен сәулелендіру кезінде диэлектриктерде көлемдік зарядтың жинақталуын компьютерлік модельдеу үшін ЖРБ-ға тән ~0,1-10,0 МэВ, жоғарыда сипатталған GEANT бағдарламалық жасақтамасы мен RDOSE сәулелік моделі сәтті қолданылады. Енгізілген көлемдік зарядтың тығыздығының кеңістіктік таралуы су диэлектрикінде (r) бастапқы электрондардың зат атомдарымен өзара әрекеттесуі нәтижесінде пайда болатын тоқтатылған, термализацияланған электрондар мен екінші реттік оң және теріс зарядталған бөлшектердің таралу қосындысымен анықталады. Бұл жағдайда енгізілген заряд нәтижесінде пайда болған E(r) электр өрісінің бастапқы электрондар мен қайталама бөлшектердің диэлектриктегі қозғалысына әсері үлкен рөл атқарады. Есептеулер жүргізу кезінде көлемдік заряд пен электр өрісінің көрсетілген үлестірімдерімен қатар нысанадан өткен және шағылысқан бастапқы және қайталама бөлшектердің бұрыштық және энергетикалық үлестірімдері есептеледі. Бұл әдіс нысанаға түсетін бөлшектердің бастапқы ерікті энергетикалық және бұрыштық таралуын орнатуға мүмкіндік береді, бұл бөлшектердің бағытталған моноэнергетикалық шоқтары бар үдеткіштерде зертханалық эксперименттердің жағдайларын да, ЖРБ электрондарының әсерінен ҒА диэлектрлік материалдарының көлемдік электрленуінің нақты жағдайларын да модельдеуге мүмкіндік береді. GEANT бағдарламалық жасақтамасының көмегімен электрондар мен электрондардың моно-энергетикалық сәулесінің нысанаға әсер ету жағдайлары үшін енгізілген зарядтың жинақталуын модельдеу жүргізілді. Қалыңдығы 0,5 см болатын әйнек үлгі ретінде қарастырылды. Зертханалық жағдайларды модельдеу кезінде үлгіге қалыпты түсетін сәуленің энергиясы 1-10 МэВ диапазонында орнатылды. Үлгіге изотропты түрде түсетін ЖРБ электрондарының энергетикалық спектрі ҒА материалдарының ішкі зарядын талдауда қолданылатын "ең нашар жағдай" модельдеріндегі спектр сияқты орташа энергиясы 0,5 МэВ экспоненциалды үлестірумен сипатталды. 4.53 - сур. әр түрлі сәулелену жағдайында диэлектрлік үлгінің z тереңдігі бойынша тоқтаған электрондар санының таралуын есептеу нәтижелері келтірілген. Сур. 4.53 а 2 МэВ энергиясы бар электрондар шоғы үшін есептеу нәтижелерін көрсетеді, ал сур. 4.53 б – көлемдік зарядтың ішкі электр өрісінің әсерін ескермей орындалған ЖРБ электрондарының изотропты ағыны үшін осындай есептеулердің нәтижелері. Салыстыру сур. 4.53 A және B осы екі жағдайда тоқтап қалған электрондардың таралуы әр түрлі болатындығын көрсетеді – моноэнергетикалық сәуле үшін тоқтап қалған электрондар санының ең көп таралуы ~0,12 см тереңдікте болады (яғни, ішкі электр өрісін ескерместен осындай энергиясы бар электрондардың жүру тереңдігінде), ал ЖРБ электрондары үшін таралу максимумы үлгінің бетіне 0,1 см-ден аз тереңдікке ауысады. Бұл айырмашылық екі себепке байланысты: ЖРБ спектрінде энергиясы төмен бөлшектердің жеткілікті үлкен санының болуы және тиісінше жүрістің шағын ұзындығы және изотропты үлестіруде құлау бұрыштары аз бөлшектердің елеулі үлесі болады. Сур. 4.53. Z үлгісінің тереңдігіне байланысты тоқтап қалған электрондар санын бөлу: а, в - (а) ескерусіз және (В) көлемдік зарардың ішкі электр өрісін ескере отырып, қалыпты құлау бұрышы кезінде 2 МэВ энергиядан электрондардың моноэнергетикалық шоғы үшін; б, г-көлемдік зарядтың ішкі электр өрісін есепке алмай, изотропты бұрыштық үлестірімі бар ЖРБ электрондары үшін 4.53 - сур. в және 4.53 г суретте енгізілген зарядтың өздігінен біріктірілген электр өрісін ескере отырып, ұқсас есептеулердің нәтижелерін көрсетеді. Осы суреттердегі тереңдік шкаласын ұсынудың ыңғайлылығы 4.53 а және 4.53 б. Суреттерден өзгешелігінде болып табылады. Сур. 4.53 а және сур. 4.53 в электрондардың моноэнергетикалық сәулесі жағдайында электр өрісін есепке алу төмен тереңдікте(< 0,01 см) қосымша зарядтың пайда болуына әкеледі, бұл құлаған бөлшектердің тежелуіне және үлгінің бетіне екінші электрондардың қайта оралуына байланысты. Шектелген энергия спектрі және изотропты бұрыштық таралуы бар ЖРБ электрондары үшін жасалған осындай есептеулердің нәтижелері (сурет. 5.53 г) бұл жағдайда барлық зарядтың сәулеленетін үлгінің бетіне h < 0,005 см жұқа қабатта шоғырланғанын көрсетеді. Осылайша, үдеткіштерде және табиғи жағдайда зертханалық тәжірибелер жүргізу кезінде диэлектрикта пайда болатын көлемдік зарядтың сипаттамалары айтарлықтай ерекшеленеді. Бұл айырмашылықтар зертханалық эксперименттердің жағдайымен салыстырғанда, электронды ағындардың едәуір аз мөлшерімен ғарыштық жағдайдағы диэлектриктерде көлемді электр разрядтарының пайда болуын түсіндіруге мүмкіндік береді. GEANT кешені диэлектрлік және металл элементтері бар өте күрделі көп қабатты құрылымдарда енгізілген зарядтың кеңістіктік таралуын есептеуге мүмкіндік береді. Мұндай нысандардың мысалы: суретте бейнеленген ҒА кабельдік желісінің үзіндісі. Сур. 5.54. Сур. 4.54. ҒА кабельдік желісі элементінің моделі Модель бірнеше ондаған өткізгіштерден тұрады, олардың әрқайсысы диэлектрлік оқшаулаудың жұқа қабатымен жабылған. Жеке өткізгіштер жалпы металл өрімге бекітілген топтарға біріктірілген. Қарастырылып отырған құрылымдағы оқшаулағыш және өткізгіш қабаттардың қалыңдығы ~50-100 мкм болуы мүмкін. 4.55 - сур. оқшаулағыш жабыны мен металл өрімі бар өткізгіштің қимасында электр зарядының таралуын есептеу нәтижелерін көрсетеді. Есептеу 5 МэВ энергиясы бар электрондардың изотропты ағыны үшін жасалады. Суретте келтірілген үлестіру. 4.55 а, екінші реттік бөлшектердің пайда болу әсерін ескерусіз алынған, сур. 4.55 б-осы әсерді ескере отырып, сызбаларды салыстырудан қайталама бөлшектердің пайда болуы қарама- қарсы белгілердің заряды бар бөлшектерден құралған, қосарланған электр қабатының пайда болуына әкелетінін көруге болады. а б Сур. 4.55. Е = 5 МэВ энергиясымен электрондардың изотропты ағынымен сәулелендіру кезінде модель элементінде енгізілген зарядтың таралуы: а-қайталама бөлшектердің түзілу әсерін ескермей; б-қайталама бөлшектердің түзілу әсерін ескереміз. GEANT және RDOSE бағдарламалық кешендерінің көмегімен жүзеге асырылатын көлемді зарядтың кеңістіктік таралуын есептеу процедурасы сіңірілген дозаның таралуын есептеу процедурасына ұқсас. 5.56 - сур. GEANT кешенінің көмегімен есептелген диэлектрикте жинақталған Q көлемді зарядының диэлектрикті ЖРБ электрондарының тікелей әсерінен қорғайтын алюминий экранының қалыңдығына тәуелділігі көрсетілген. Есептеу ҒА-ның ГСО-да болуының "ең нашар жағдайлары" үшін орындалды. RDOSE бағдарламасын қолдана отырып, зерттелетін объектінің әртүрлі элементтері үшін 10 сағаттық электронды флюенс шамасын бағалау ыңғайлы, ол жоғарыда айтылғандай, диэлектриктерде электр разрядтарының пайда болу қаупінің өлшемі ретінде қабылданады. Есептеу нәтижесінде күрделі конфигурация моделінің әртүрлі есептеу нүктелеріндегі флюенс мәндерін алуға болады. Сур. 4.56. Көлемді зарядтың экран қалыңдығына тәуелділігі жүктеу/скачать 5,17 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|