Матеріал для захисту від космічного випромінювання

Реферат: Винахід належить до захисних матеріалів від впливу космічного випромінювання і може бути використаний у конструкціях космічних та літальних апаратів для підвищення надійності і терміну безвідмовного функціонування радіоелектронного обладнання і має унікальні питомі радіаційно-захисні властивості. Матеріал для захисту від космічного випромінювання містить радіаційно-стійку полімерну матрицю на основі епоксидних смол, в яку вводять нанодисперсний наповнювач, що складається з часток важких елементів та їх сполук розміром до 1 мкм. UA 108672 C2 (12) UA 108672 C2 UA 108672 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області радіаційно-захисних матеріалів, які призначені для захисту бортової радіоелектронної апаратури (PEA) космічних апаратів (КА), що функціонують на геостаціонарних орбітах. Сучасний розвиток інформаційних технологій вимагає підвищення ресурсу супутникових систем до 10-15 років. Це необхідно для моніторингу навколишнього середовища, розвідки корисних копалин, розвитку телекомунікаційних систем, а також дослідження космічних явищ і аномалій. Збільшення ресурсу супутникових систем призводить до економії ресурсів, що витрачаються як на виробництво і виготовлення нових супутників, так і на їх запуск на робочі орбіти. Для бортової апаратури космічних об'єктів, що мають тонкостінний захист, найбільшу небезпеку в спектрі космічного корпускулярного випромінювання представляють електрони з енергіями від 0,5 до 7 МеВ, а також протони і альфа-частки з енергіями від 1 до 30 МеВ. Іони вищих енергій не можуть викликати помітних дозових змін в матеріалах через низьку щільність потоку космічного випромінювання, проте їх слід враховувати як джерело радіаційного фону і перешкод в роботі передаючої і вимірювальної апаратури. Відомо, що найбільшу гальмівну здатність протонів і електронів мають речовини з низьким атомним номером, проте найбільшу екрануючу здатність електронів мають речовини з високим атомним номером. Проте при розробці захисних матеріалів найважливішою умовою є мінімальна маса захисту в цілому. Тому виникає проблема вибору захисного матеріалу, основною вимогою до якого є висока екрануюча здатність, віднесена до одиниці питомої ваги. До теперішнього часу як захисний матеріал використовується алюміній і його сплави, як матеріал, що має хороші екрануючі властивості, невелику вагу і високу технологічність. Відоме радіаційно-захисне покриття тривимірних багатокристальних модулів (патент США US 6858795), розміщуване на поверхнях, що піддаються дії іонізуючого випромінювання. Захист від радіаційної дії забезпечується герметично сполученими підкладкою, на якій розташовані інтегральні схеми, кришкою і комбінацією бічних стінок, що є захищаючим коробом у вигляді кільця і виготовлених з матеріалу, стійкого до дії радіації. Як матеріали, стійкі до дії радіації, використовуються сплави або метали з атомною вагою більше 40. Проте, таке покриття не забезпечить ефективний захист від різних видів випромінювань і не дозволить понизити в необхідному заході габаритно-масові показники радіоелектронної апаратури. Відома композиція для захисту від радіації (патент РФ № 2105363) наступного складу (мас. %): рідке скло - 54,3-57,1: модифікуюча добавка-кремнієорганічна рідина - 0,7-1,0: отверджувач-ферохромовий шлак - 14,4-23,9: наповнювач-мелені відходи оптичного скла, що містить Na2O, К2О, Аl2О3, PbO, SiO2, при цьому кількість РbО складає 70,93-18,6. Недоліком вказаної композиції є необхідність високотемпературної обробки і висока жорсткість (крихкість). Одночасно, приведений склад наповнювача не перевищує захисні властивості алюмінію. Відоме захисне покриття елементів радіоелектронної апаратури патент RU 2304557, розміщене на поверхнях, що піддаються дії іонізуючого випромінювання. Захисне покриття виконане у вигляді наноструктури. Наноструктура включає сукупність атомів рідкоземельних елементів з атомним номером більше 50, такі як церій, гафній, тантал, вольфрам або сплави цих металів, введених в структуру армуючої атомно-молекулярної матриці. Наноструктура може бути складовою частиною конструкції, що захищається, або захисним шаром конструкції. Проте виготовлення такого матеріалу є доволі складним процесом і не забезпечує потрібний захист від електронів з енергіями від 0,5 до 7 МеВ і протонів з енергіями від 1 до 30 МеВ. Найбільш близьким до заявленого винаходу є матеріал для радіаційного захисту (патент РФ № 2470395 - прототип), що містить як складові компоненти високодисперсний активованомодифікований гематит (наповнювач) з розміром частинок до 80 мкм і металевий алюміній (матриця) при наступному відношенні компонентів, мас. %: алюміній металевий 61-85, високодисперсний активовано-модифікований гематит - 15-39. Недоліком даного матеріалу є використання складної технології активації і подальшого модифікування наповнювача і низькі показники послаблення високоенергетичних потоків електронного і протонного випромінювання. Крім того, залізо має порівняно низьку питому радіаційну стійкість відносно протонів і нейтронів, які діють на PEA KA на геостаціонарних орбітах. Використання наповнювача з розміром часток до 80 мкм також не дозволяє забезпечити ефективний захист від електронів з енергіями до 7 МеВ. Використання металевого алюмінію як матрицю не забезпечує підвищення захисних властивостей у порівнянні з алюмінієвими сплавами. Слід також зазначити, як недолік, доволі високі показники питомої ваги. 1 UA 108672 C2 5 10 15 20 25 30 Задачею винаходу є створення матеріалу захисного покриття PEA, що забезпечує при мінімальній питомій вазі максимальний захист елементної бази КА від дії космічного випромінювання в умовах геостаціонарних орбіт. Поставлена задача вирішується тим, що матеріал для захисту від космічного випромінювання виготовляють у вигляді матриці і наповнювача. Згідно з винаходом матриця складається з радіаційно-стійких епоксидних смол, а наповнювач є сумішшю дисперсних порошків вольфраму та карбіду вольфраму. Додатково досягається ефект підвищення радіаційної стійкості захисного матеріалу тому, що утворення радіаційних дефектів у вигляді мікропор та тріщин упереджується наявністю у наноструктурованому композиті великої кількості стоків, якими є поверхня дисперсних часток наповнювача. Тому, на відміну від кристалічного компактного матеріалу, запропонований композит має високу радіаційну стійкість. Для створення захисту PEA KA проведена оптимізація складу захисних матеріалів в умовах, як корпускулярного електронного і протонного випромінювання, так і вторинного квантового випромінювання. На підставі цього розроблений захисний композитний матеріал, що включає як елементи з високим атомним номером, так і легкі елементи. У матрицю на основі епоксидних смол додають від 35 до 92 % дисперсних порошків вольфраму та карбіду вольфраму таким чином, щоб забезпечити однорідний розподіл наповнювача у всьому об'ємі. Після отвердження захисний матеріал наносять на корпусні елементи блоків PEA, або на поверхню окремих елементів. При дії космічного випромінювання крізь елементи захисту проходить значно менша кількість електронів, протони затримуються захисним матеріалом практично повністю. Крім того, енергія електронів, що досягли елементів PEA менша у порівнянні з енергією первинного випромінювання. Заявлений матеріал дозволяє при мінімальних масових характеристиках забезпечити максимальний захист елементної бази космічних та літальних апаратів від дії космічного випромінювання. Імітаційні дослідження захисних властивостей розробленого матеріалу виконані на електростатичному прискорювачі електронів "ЕЛІАС", виробництва High Voltage Engineering Corporation, модель KS/3000. Визначення радіаційно-захисних властивостей композиційних матеріалів при імітаційному опромінюванні зразків потоком протонів проводили на прискорювачі "ЕСУ-2" ННЦ ХФТІ в ядерній реакції D(3He, p) 4He. Результатом протікання ядерної реакції є народження двох частинок: протона і 4Не. При енергії іонів 3Не=0,7 МеВ енергія протонів складає 13 МеВ. Похибка вимірювань не перевищувала 2%. Таблиця 1 № з/п 1 2 3 4 5 Склад матеріалу Зменшення кількості електронів, що пройшли захист, у порівнянні з прототипом, разу Послаблення енергії електронів, що пройшли захист, у порівнянні з прототипом, разу 1,50 1,2 1,09 0,9 4,41 2 4,42 2,04 4,2 1,97 Епоксидна смола - 65 % W, WC - 35% Епоксидна смола - 70 % W, WC - 30% Епоксидна смола - 8 % W, WC - 92% Епоксидна смола - 5 % W, WC - 95% Епоксидна смола - 28 % W, WC - 72 % 35 40 Результати імітаційних дослідження зразків, наведених табл.1 доводять, що використання матеріалів із вмістом наповнювача менш ніж 35 % (зразок 2) не забезпечують достатньої ефективності захисту, а матеріали із вмістом наповнювача більше 92 % (зразок 4) не дають вагомого підвищення ефективності захисту. Від протонів захищають всі досліджені матеріали повністю. Для обґрунтування впливу розміру часток наповнювача на ефективність захисту виготовили зразки з вмістом наповнювача 72 % частки якого були різної дисперсності (табл.2) 2 UA 108672 C2 Таблиця 2 № з/п 1 2 3 5 Розмір часток Зменшення кількості електронів, що Послаблення енергії електронів, що наповнювача, пройшли захист, у порівнянні з пройшли захист, у порівнянні з мкм прототипом, разу прототипом, разу 4,2 1,97 1 1,7 1,17 3, 80 1,02 1,02 80 Проведені випробування показали, що розроблений матеріал зменшує кількість електронів, що пройшли захист, в порівнянні з АМг6 і прототипом від 1,5 до 4,41 рази. Крім того, енергія електронів падає від 1,2 до 2 разів, що дуже важливо, оскільки електрони з низькими енергіями значно менше впливають на працездатність РЕА супутникових систем. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 1. Матеріал для захисту від космічного випромінювання, що виконаний у вигляді матриці, в яку введений наповнювач, який відрізняється тим, що як матриця використані епоксидні смоли, а як наповнювач - матеріал, що містить дисперсні порошки вольфраму та карбіду вольфраму при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: W, WC 35-92 епоксидна смола 65-8. 152. Матеріал по п. 1, який відрізняється тим, що для забезпечення ефективного захисту від електронів з енергіями до 7 МеВ використані дисперсні порошки вольфраму та його карбіду з розміром часток, що не перебільшує 1 мкм. 3. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3