CC BY
152
УДК 539.12.04
Вестник СибГАУ Т. 16, № 4. С. 969-974
ГЕТЕРОГЕННЫЙ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
С. В. Телегин, В. Н. Саунин, О. Н. Драганюк, M. Н. Драганюк
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика M. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассмотрено моделирование элементного состава слоев и свойств гетерогенных (многослойных) защитных экранов бортовой аппаратуры космических аппаратов при воздействии излучений естественных радиационных поясов Земли, которые приводят к сбоям в полупроводниковых элементах электронной аппаратуры и выходу из строя космического аппарата в целом. Рассмотрены 4 различные конструкции экрана и проведен сравнительный анализ с основным радиационно-защитным материалом для космических аппаратов - алюминием. Для экранов были выбраны материалы, обладающие высокими сечениями реакций и невысокой плотностью среди легких и тяжелых химических элементов. Массовые коэффициенты ослабления боросодержащих веществ на 20 % больше, чем у алюминия. Гетерогенные экраны состоят из трех слоев: стеклоткань, боросо-держащий материал, никель. Использование в защитном экране тяжелого метала позволяет добиться уменьшения тормозного излучения на выходе. Количество прошедших через такой экран гамма-квантов в 4 раза меньше, чем в алюминии. Толщины рассматриваемых экранов - 5,95 и 6,2 мм. Проведен сравнительный анализ однородных и многослойных защитных композиций с одинаковым химическим составом. Выявлены преимущества гетерогенного защитного экрана над однородными аналогами и алюминием по массе и экранирующим свойствам. Расчеты дозовых характеристик и пропускающей способности проводились методом Монте-Карло. Наиболее эффективным радиационно-защитным экраном по результатам работы является трехслойная композиция с использованием карбида бора. Поглощенная доза такого экрана в 2 раза меньше, чем у алюминиевого аналога; число прошедших за экран гамма-квантов меньше в 4 раза. Также гетерогенный экран будет иметь массу на 10 % меньше, чем алюминиевый, при одинаковом коэффициенте ослабления потока электронов. Такие гетерогенные экраны могут использоваться для защиты космических аппаратов, выводимых на геостационарную орбиту. Причем возможно нанесение защитных покрытий из боросодержащего материала и никеля на уже изготовленные корпуса космических аппаратов.
Ключевые слова: радиационная защита, композиционный материал, моделирование, поток электронов, экранирующая способность.
Vestnik SibGAU Vol. 16, No. 4, P. 969-974
THE HETEROGENEOUS RADIATION SHIELD FOR SPACECRAFTS
S. V. Telegin, V. N. Saunin, O. N. Draganyuk, M. N. Draganyuk
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The paper deals with modeling of elemental composition and properties of heterogeneous layers in multilayered shields to protect spacecraft onboard equipment from radiation emitted by the natural Earth's radiation belt. This radiation causes malfunctioning of semiconductor elements in electronic equipment and may result in a failure of the spacecraft as a whole. We consider four different shield designs and compare them to the most conventional radiation-protective material for spacecraft - aluminum. Out of light and heavy chemical elements we chose the materials with high reaction cross sections and low density. The mass attenuation coefficient of boron-containing compounds is 20 % higher than that of aluminum. Heterogeneous shields consist of three layers: a glass cloth, borated material and nickel. With a protective shield containing heavy metal the output bremsstrahlung can be reduced. The amount of gamma rays that succeed to penetrate the shield is 4 times less compared to aluminum. The shields under study have the thicknesses of 5.95 and 6.2 mm. A comparative analysis of homogeneous and multilayered protective coatings of the same chemical composition has been performed. A heterogeneous protective shield has been found to be advantageous in weight and shielding properties over its homogeneous counterparts and aluminum. The dose characteristics and transmittance were calculated by the Monte Carlo method. The results of our study lead us to conclude that a three-layer boron
carbide shield provides the most effective protection from radiation. This shield ensures twice as low absorbed dose and 4 times less the number of penetrated gamma-ray photons compared to its aluminum analogue. Moreover, a heterogeneous shield will have a weight 10 % lighter than aluminum, with the same attenuation coefficient of the electron flux. Such heterogeneous shields can be used to protect spacecraft launched to geostationary orbit. Furthermore, a protective boron-containing and nickel coating can be deposited onto a finished housing frame of space equipment.
Keywords: radiation protection, composite material. modeling, the flow of electrons, the shielding ability.
Введение. Необходимость защиты электронных блоков спутников обусловлена влиянием космического излучения на орбите, способного нарушить работу навигационных и телекоммуникационных систем космического аппарата (КА) [1; 2]. Подраздел Федеральной космической программы России «Космические средства для фундаментальных космических исследований» предусматривает проведение мероприятий по созданию «космических комплексов и приборов для исследования Фобоса, Марса, Венеры, Луны». Страны Европы, США и Китай существенно активизируют работы по подготовке пилотируемых полетов к Луне, Марсу, а также по последующему освоению этих космических тел. Один из важных этапов такой подготовки заключается в моделировании воздействий ионизирующих излучений на различные материалы с целью разработки новых комбинаций защитных экранов [3-8].
В большинстве случаев в качестве защитного экрана используется корпус электронного блока, изготовленный из алюминия или его сплавов. Задача исследовательских работ в области защиты КА от ионизирующего излучения состоит в том, чтобы создать экран, обладающий лучшими защитными свойствами и меньшей массой, чем алюминиевый аналог [9]. При анализе свойств материалов в качестве основных выбираются характеристики, такие как поглощенная доза, массовая толщина, массовый коэффициент ослабления, количество прошедших частиц.
Методика эксперимента. Для обеспечения надежности систем управления спутника эффективнее всего применять гетерогенные защитные экраны, изготовленные из материалов, способных поглощать или рассеивать излучение [10]. Наиболее опасным на геостационарной орбите является ионизирующее излучение потока электронов естественных радиационных поясов Земли [11]. Количество солнечных и галактических частиц намного меньше, что позволяет получать удовлетворительные данные при моделировании излучения как пучка электронов с энергиями 0,04-5 МэВ методом Монте Карло.
При выборе материалов необходимо учитывать их физические свойства, в частности, сечения реакции [12]. При увеличении атомного номера химического элемента увеличиваются потери энергии первичными электронами, но в то же время в материалах из тяжелых элементов с увеличением толщины возникает тормозное излучение. Таким образом, при моделировании защитного экрана имеет смысл рассматривать элементы разных групп [13]. Создание гетерогенного экрана со слоями различной плотности позволяет создать экран, обладающий преимуществами, которые рассмотрены на примере двух моделей.
Защитный экран состоит из трех слоев (табл. 1), вещества в котором располагаются по мере возрастания плотности. Для внешнего слоя (конструкционного) использовалась стеклоткань марки Т-10 [14], содержащая в своем химическом составе оксиды алюминия, кремния, бора и имеющая больший коэффициент ослабления, чем алюминий. Второй слой - соединение с бором (рассмотрены экраны с карбидом бора и тетраборатом натрия). Слой из никеля обладает наибольшей плотностью и, соответственно, расположен последним. Выбор данных материалов обусловлен значениями сечений реакций в этих веществах. Из недорогих, легких и доступных материалов самое большое сечение захвата фотонов, равное 0,0092-10-24 см2, и сечение рассеяния (3,6-10-24 см2) имеет бор [12]. Никель обладает лучшими характеристиками: сечение захвата, равное 4,43-10-24 см2, сечение рассеяния 17,3• 10-24 см2, что на порядок больше значений сечений реакций других тяжелых элементов, например меди, при приблизительно одной плотности веществ. Благодаря таким параметрам никель является хорошим материалом защиты от гамма-излучения и поэтому эффективен в качестве последнего слоя защиты [15].
Таблица 1
Структура защитных экранов
Экран/слои 1,7 мм 2,75/2,5 мм 1,75 мм
1 Стеклоткань B4C Ni
2 Стеклоткань B4Na207 Ni
Толщины слоев соответствуют слоям половинного ослабления и составляют 2,75 / 2,5 мм для боросо-держащего покрытия, 1,75 мм - для слоя с использованием никеля, 1,7 мм - для стеклоткани.
Связующим веществом была выбрана эпоксидная смола, составляющая 20-30 % от всего экрана.
Результаты и обсуждение. Экранирующие свойства используемых материалов представлены в табл. 2. Для никеля и боросодержащих веществ расчеты проведены с учетом весового содержания эпоксидной смолы (25 % в слоях с бором, 20 % в слое с никелем). Количество прошедших частиц через экран нормируется на одну частицу.
Массовый коэффициент ослабления уменьшается с ростом плотности вещества (его массовой толщины) и увеличивается при уменьшении количества прошедших частиц. Боросодержащие материалы и стеклоткань имеют больший массовый коэффициент ослабления потока электронов, чем алюминий, что подтверждает целесообразность использования их в защитном экране. Никель из-за высокой плотности хуже взаимодействует с электронами, но имеет другие преимущества, рассмотренные ниже.
Также сравнение свойств материалов показало, что однородный экран с аналогичным гетерогенному химическим составом имеет массовый коэффициент ослабления на 20 % выше, чем алюминий.
Для изучения вклада каждого слоя в ослабление излучения была рассмотрена зависимость числа прошедших частиц (электронов) от толщины экрана (рис. 1). Близкий угол наклона участков, соответствующих различным слоям, свидетельствует об их оптимизированном выборе по толщине.
В табл. 3 представлены численные значения количества прошедших электронов (нормировка на 1 частицу) и массовые коэффициенты ослабления каждого слоя. Также вычислены характеристики однородных экранов. Значения массовых коэффициентов ослабления близки друг к другу, поэтому при выборе структуры будут учитываться технологические факторы. Слои с боросодержащим материалом и никелем могут наноситься на уже изготовленные корпуса приборов космических аппаратов, что делает гетерогенный экран более универсальным. В сравнении с характеристиками экрана из алюминия все рассмотренные композиции имеют преимущество.
В исследовании параметров защитных экранов при одинаковом ослаблении потока электронов были рассмотрены коэффициенты отношения по вторичному излучению (доле прошедших через все слои гамма-
Сравнение сво
квантов) и поглощенной дозе. Ослаблению в 106 раз потока электронов соответствует экран из алюминия толщиной 6 мм. При такой толщине поглощенная доза составляет 1,6Е-11, а гетерогенные экраны имеют значения на порядок меньше. В табл. 4 представлены коэффициенты, равные отношению соответствующих параметров у гетерогенных экранов к алюминиевому.
Также были рассмотрены однородные экраны. Экран с тетраборатом натрия имеет ослабление по поглощенной дозе на 10 % меньше, чем алюминий, тогда как гетерогенные экраны превосходят его значение в 2 раза.
Исследуемые экраны пропускают в 4-5 раз меньше гамма-квантов, образованных в результате тормозного излучения. Это обусловлено наличием в составе экранов тяжелого металла - никеля. На рис. 2 видно, что число частиц вторичного излучения резко уменьшается на промежутке от 4,2 мм, что соответствует слою никеля.
Для сравнения экранов по доле прошедших электронов была вычислена реальная толщина слоя алюминия (табл. 5). Она равна сумме толщин, соответствующих массовой толщине каждого слоя в многослойном экране. При толщине в 5,3 мм алюминий задерживает электроны в 1,7-2 раза хуже, чем исследуемые гетерогенные экраны.
Таблица 2
тв материалов
Вещество Плотность, кг/м3 Толщина, м Массовая толщина, кг/м2 Доля прошедших электронов Массовый коэффициент ослабления, м2/кг
ВфЫа207 1904 0,001 1,904 0,0069 2,6088
В4С 1881 0,001 1,881 0,0079 2,5684
Т-10 1596 0,001 1,596 0,0071 3,0270
N1 3898 0,001 3,898 0,0006 1,9044
А1 2700 0,001 2,7 0,0031 2,1384
Однородный экран с В4№207 2156,4 0,001 2,1564 0,0044 2,5146
Однородный экран с В4С 2134,4 0,001 2,1344 0,0032 2,6873
Рис. 1. Зависимость числа электронов от толщины гетерогенного экрана с использованием В4№207 (нормировка на 1 частицу; масштаб по оси ординат логарифмический)
Таблица 3
Послойное сравнение свойств материалов в гетерогенных экранах
Экран Вещество Плотность, кг/м3 Толщина, мм Массовая толщина, кг/м2 Доля прошедших электронов Массовый коэффициент ослабления, м2/кг
1 Стеклоткань 1596 1,70 2,7132 2,541Е-03 2,202
в4ш2о7 1904 2,50 4,76 3,388Е-02 0,711
N1 3898 1,75 6,8215 3,840Е-05 1,491
Весь экран 2156,4* 5,95 12,8306* 1,301Е-06 1,056*
2 Стеклоткань 1596 1,70 2,7132 2,541Е-03 2,202
В4С 1881 2,75 5,1726 3,143Е-02 0,669
N1 3898 1,75 6,8215 3,801Е-05 1,492
Весь экран 2134,4* 6,20 13,2333* 1,195Е-06 1,031*
3 Однородный экран с В4Ш207 2156,4 5,95 12,8306 2,900Е-06 0,994
4 Однородный экран с В4С 2134,4 6,20 13,2333 1,022Е-06 1,042
5 Алюминий 2700 5,29 14,2947 2,641Е-06 0,899
Таблица 4
Сравнение вторичного излучения и поглощенной дозы
* - среднее значение
Вещество Толщина, мм Доля прошедших гамма-квантов Поглощенная доза, мкГр Отношение по вторичному излучению Отношение по поглощенной дозе
Алюминий 6 1,46Е-3 1,55Е-11
В4Ш207+Т10+№ 5,95 4,3Е-4 7,82Е-12 3,4068 1,9873
В4С+Т10+№ 6,2 3,4Е-4 7,19Е-12 4,2826 2,1590
Однородный экран с В4№207 5,95 3,2Е-4 1,65Е-11 4,6256 0,9398
Однородный экран с В4С 6,2 2,5Е-4 6,06Е-12 5,8462 2,5643
Рис. 2. Зависимость числа гамма-квантов от толщины гетерогенного барьера с использованием В4С (нормировка на 1 частицу; масштаб по оси ординат логарифмический)
Таблица 5
Вычисление коэффициента отношения по доле прошедших электронов
Вещество Толщина, мм Доля прошедших электронов Массовый коэффициент ослабления, м2/кг Отношение по защите
Алюминий 5,33 2,64E-06 0,899 2,03
B4Na207+T10+Ni 5,95 1,30E-06
B4C+T10+Ni 6,20 1,19E-06 1,76
Алюминий 5,45 2,10E-06 0,889
Важной характеристикой является масса защитного экрана, так как от ее величины зависит стоимость вывода спутника на орбиту и, как следствие, востребованность на рынке данного материала. Для получения конкретных значений в качестве примера рассматривалась модель в виде цилиндра радиусом 5 см. Высота цилиндра соответствует размерам из табл. 5.
Сравнение было проведено для экранов с одним количеством прошедших через защиту электронов (10-6 частицы). Коэффициент отношения по массе гетерогенного экрана к алюминиевому составил 0,9 (табл. 6).
Таблица 6
Сравнение масс при одной доле пропущенных электронов, N = 106
Вещество Масса, г Отношение по массе
Алюминий 127,23
B4Na207+T 10+Ni 112,27 0,8823
B4C+T10+Ni 115,51 0,9078
Из расчетов видно, что при всех ранее рассмотренных преимуществах исследуемые экраны являются более легкими, чем алюминиевые.
Заключение. В результате исследования были рассмотрены и рассчитаны в программе «Компьютерная лаборатория» [16] 5 различных комбинаций защитных экранов из материалов, имеющих высокую экранирующую способность и массовый коэффициент ослабления. Для однородных и гетерогенных экранов основным преимуществом по отношению к алюминию является меньшее тормозное излучение и меньшая масса. Экраны с использованием карбида бора имеют более высокие показатели, чем алюминий, по всем рассмотренным характеристикам.
Благодарности. Работа поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации, № 169/14, и КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности».
Acknowledgments. This work was supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation, № 169/14, and KGAU "Science and Technology Support Fund of Krasnoyarsk Region".
Библиографические ссылки
1. Анашин В. С. Проблемы обеспечения высоких сроков активного существования РЭА спутников связи // Электросвязь. 2009. № 4. С. 19-22.
2. Кузнецов И. В. Радиационная опасность на околоземных орбитах и межпланетных траекториях космических аппаратов [Электронный ресурс]. URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/crd/crd3.htm 29/12/2014.
3. Модель космоса. Т. 2. Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / под ред. Л. С. Иовикова. 8-е изд. М. : Книжный дом «Университет», 2007. 1144 с.
4. Павленко В. И., Едаменко О. Д., Ястребинс-кий Р. И. Радиационно-защитный композиционный материал на основе полистирольной матрицы // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2011. № 3. С. 113-116.
5. Моделирование воздействий быстрых электронов на полимерные радиационно-защитные композиты / В. И. Павленко [и др.] // Радиационная физика твердого тела : тр. 22 Междунар. конф. / под ред. Г. Г. Бондаренко (9-14 июля 2012, г. Севастополь). С. 222-228.
6. ITS: the integrated TIGER series of electron/photon Monte Carlo transport codes Version 3.0. / J. A. Halbleib [et al.] // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1992. 39 (4). P. 1025-1029.
7. Extrapolated ranges of electrons determined from transmission and projected-range straggling curves / Ta-tsuo Tabata [et al.] // Radiation Physics and Chemistry. 2002. № 64. Р. 161-167.
8. Radiation shielding for a lunar base / J. Bell [et al.] // NationalAeronauticsandSpaceAdiminstratoin, 2011.
9. Безродных И. П., Морозова Е. И., Петруко-вич А. А. Тормозное излучение электронов в веществе космического аппарата. Методика расчета // Вопросы электромеханики. 2011. Т. 120. С. 37-44.
10. Радиационные воздействия на материалы космической техники. Поверхность / Л. С. Иовиков [и др.] // Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. № 3. C. 1-18.
11. Беспалов В. И. Лекции по радиационной защите : учеб. пособие. Томск : Изд-во Томского политехн. ун-та, 2012. C. 40-42.
12. Кимель Л. Р., Машкович В. П. Защита от ионизирующих излучений : справочник. 2 изд. М. : Атом-тдат, 1972. 312 с.
13. Хаффнер Дж. Ядерное излучение и защита в космосе. М. : Атомиздат, 1979. 304 с.
14. ГОСТ 19170-2001. Стекловолокно. Ткань конструкционного назначения. Технические условия. Введ. 2001-03-24. / Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации. М. : Изд-во стандартов, 2002. 20 с.
15. Varga L., Horvath E. Evaluation of electronics shielding in micro-satellites. Technical memorandum. DRDC Ottawa TM 2003-017. Defence R&D Canada. Ottawa, 2003. 25 p.
16. Беспалов В. И. Пакет программ ЕРНСА для статистического моделирования поля излучения фотонов и заряженных частиц // Изв. вузов. Физика. Приложение. 2000. № 4. C. 159-165.
References
1. Anashin V. S. [Problems of ensuring long active lifetime of REA of communication satellites] Elektros-vyaz'. 2009, No. 4, P. 19-22 (In Russ.).
2. Kuznetsov N. V. Radiatsionnaya opasnost' na okolozemnykh orbitakh i mezhplanetnykh traektoriyakh kosmicheskikh apparatov [Radiation hazard on the Earth orbits and interplanetary trajectories of spacecrafts] (In Russ.). Available at: http://nuclphys.sinp.msu.ru/crd/crd3. htm (accessed 29.12.2014).
3. Novikov L. S. Model' kosmosa. 8 izd. T. 2: Vozdeystvie kosmicheskoy sredy na materialy i oborudo-vanie kosmicheskikh apparatov. [Space model. 8th prod. Vol. 2: Impact of the space environment on materials and equipment of spacecrafts] Moscow, Knizhnyy dom Uni-versitet Publ., 2007, 1144 p. (In Russ.).
4. Pavlenko V. I., Edamenko O. D., Yastrebinskiy R. N. [Radiation protective composite material on the basis of a polystyrene matrix] Vestnik BGTU im. V. G. Shukhova,
2011, No. 3, P. 113-116 (In Russ.).
5. Pavlenko V. I., Bondarenko G. G., Tarasov D. G., Edamenko O. D. [Modeling of impacts of fast electrons on polymeric radiation protective composites]. 22 mezhdunarodnaya konferentsiya "Radiatsionnaya fizika tverdogo tela" pod red. G. G. Bondarenko [Proceedings of the 22nd international conference "Radiation Physics of a Solid Body", Ed. by G. G. Bondarenko], Sevastopol',
2012, P. 222-228 (In Russ.).
6. Halbleib J. A., Kensek R. P., Valdez G., Seltzer S. M., Berger M. J. ITS: the integrated TIGER series of electron/photon Monte Carlo transport codes - Version 3.0. IEEE Trans. Nucl. Sci, 1992, Vol. 39 (4), P. 1025-1029.
7. Tatsuo Tabata; Vadim Moskvin, Pedro Andreo, Valentin Lazurik,Yuri Rogov. Extrapolated ranges of electrons determined from transmission and projected-range straggling curves. Radiation Physics and Chemistry, 2002, No. 64, P. 161-167.
8. Bell J., Martin C., Lail D., Nguyen P. Radiation shielding for a lunar base. National Aeronautics and Space Adiminstratoin, 2011.
9. Bezrodnykh I. P., Morozova E. I., Petrukovich A. A. [Brake radiation of electrons in the spacecraft material. Calculation procedure.] Voprosy elektromekhaniki, 2011, Vol. 120, P. 37-44 (In Russ.).
10. Novikov L. S., Mileev V. N., Voronina E. N., Galanina L. I., Makletsov A. A., Sinolits V. V. [Radiative effects on materials of space equipment. Surface. X-ray, synchrotron and neutron studies.] Rentgenovskie, sinkhro-tronnye i neytronnye issledovaniya, 2009, No. 3, P. 1-18 (In Russ.).
11. Bespalov V. I. Lektsii po radiatsionnoy zashchite : ucheb.posobie. [Lectures on radiation protection: textbook.] Tomsk, Izd-vo Tomskogo politekhnicheskogo uni-versiteta Publ., 2012, P. 40-42 (In Russ.).
12. Kimel' L. R., Mashkovich V. P. Zashchita ot ion-iziruyushchikh izlucheniy. Spravochnik. Izd. 2. [Protection against ionizing radiation. Reference book. Edition 2.] Moscow, Atomizdat Publ., 1972, 312 p. (In Russ.).
13. Khaffner Dzh. Yadernoe izluchenie i zashchita v kosmose. [Nuclear radiation and protection in space] Moscow: Atomizdat Publ., 1979, 304 p.
14. GOST 19170-2001. Steklovolokno. Tkan' kon-struktsionnogo naznacheniya. Tekhnicheskie usloviya. [State Standard 19170-2001. Fiber glass. Fabric for structural purposes. Specifications.] Moscow, Standartinform Publ., 2002, 20 p. (In Russ.).
15. Varga L., Horvath E. Evaluation of electronics shielding in micro-satellites. Technical memorandum: DRDC Ottawa TM 2003-017. Defence R&D Canada. Ottawa, 2003, 25 p.
16. Bespalov V. I. [An EPHCA software package for statistical modeling of radiation fields of photons and charged parts.] Izv. Vuzov. Fizika, Prilozhenie, 2000, No. 4, P. 159-165 (In Russ.).
© Телегин С. В., Саунин В. H., Драганюк О. H., Драганюк M. H., 2015
