Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка многослойных радиационно-защитных экранов для космических аппаратов

Сведения об участнике
ФИО
Драганюк Оксана Николаевна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Композитные материалы
Тема
Исследование и разработка многослойных радиационно-защитных экранов для космических аппаратов
Резюме
После вывода космического аппарата на орбиту, на него непрерывно оказывает влияние космическое ионизирующее излучение, которое приводит к сбоям в работе электронных блоков. В настоящее время в качестве защиты используются алюминий и его сплавы, в основном являющиеся стенками космического аппарата. Создание многослойных гетерогенных экранов позволят уменьшить поглощенную дозу и массу радиационно-защитного экрана, что снизит стоимость вывода КА на орбиту и увеличит срок его активного существования.
Ключевые слова
радиационная защита, радиационно-защитный экран, экранирующая способность, космические аппараты, спутник, моделирование, оптимизация
Цели и задачи
Цель: разработка эффективного радиационно-защитного экрана, обладающего меньшими массовыми характеристиками, чем существующие аналоги. Задачи проекта: исследование зависимости экранирующих свойств от структуры и химического состава слоев экрана, сравнительный анализ модели экрана с алюминиевым аналогом, создание опытных образцов и проведение эксперимента (вычисление коэффициентов ослабления экрана, расчет экранирующей способности).
Введение

После выведения космического аппарата (КА) на орбиту, он испытывает непрерывное воздействие ионизирующего излучения, способного вызвать сбои в работе электронных систем КА. Для разработки и создания защиты электронных блоков КА необходимо решить следующие научно-технические проблемы:

  1. Компьютерное моделирование методом Монте-Карло процессов распространения заряженных частиц в материалах защиты;
  2. Разработка энергосберегающих технологий и комплекса технологического оборудования для синтеза и нанесения материалов высокоэффективной защиты на поверхности корпусов;
  3. Создание комплексной защиты электронных и прецизионных устройств космической техники от электромагнитных воздействий и радиации естественных поясов Земли, Солнца.
Методы и материалы

Моделирование и экспериментальные исследования:

Опытный образец и его компоненты изготавливаются из ультрадисперсного карбида бора, стеклоткани марки Т-10, порошкового никеля, связующим веществом в композитных конструкциях выступает лак ЭД-20.

Для выбора расположения, химического состава слоев и оптимизации толщин проводилось моделирование взаимодействия потоков заряженных частиц (с энергетическими спектрами, соответствующими потокам частиц на геостационарной орбите) с веществом методом Монте-Карло. 

Так как при изготовлении экранов планируется использовать порошковые материала, то была разработана методика изготовления образцов из порошковых материалов, за основу которой бралась методика, используемая в ГОСТ 13610-79 5.2.2 «Подготовка стандартных и испытуемых образцов сердечников стержневой формы». Данная методика позволяет получать образцы малой толщины (от 0,4мм) при небольших нагрузках. Изготовление образцов проводится в два этапа: получение пресс-массы и изготовление образцов цилиндрической формы. 

Коэффициенты ослабления и сечения взаимодействия материалов определялись методом поглощения, с помощью системы из счетчиков Гейгера-Мюллера подключенных к ПК. В качестве источника ионизирующего излучения используется изотоп 90Sr-90Y, являющийся практически чистым бета-источникам. Максимальная энергия ионизирующего излучения данного изотопа 2,27 МэВ.

Описание и обсуждение результатов

Нами предлагается модель трехслойного экрана, состоящего из слоя с борсодержащим материалом, конструкционного слоя (стенка КА), слоя из тяжелого элемента. Моделирование методом Монте-Крало показало, что располагать слои необходимо по мере возрастания атомарного номера основного химического элемента в слое.

Также было проведено сравнение используемых веществ с алюминием. Борсодержащие материалы имеют больший в 1.2 раза массовый коэффициент ослабления потока электронов, чем алюминий, что подтверждает целесообразность использования их в защитном экране. В веществе с тяжелыми элементами при  взаимодействии с электронами интенсивно образуются тормозные гамма-кванты, но также велика вероятность поглощения и ослабления потока вторичного излучения.

Сравнение свойств РЗЭ показало, что однородные  экраны с аналогичным многослойным экранам химическим составом имеют массовый коэффициент ослабления на 7-10% выше, чем алюминий, но такие экраны имеют большую на 40% поглощенную дозу, поэтому эффективнее использовать многослойную структуру.

Также были рассмотрены массогабаритные характеристики экранов. Сравнение при этом проводилось с одним количеством прошедших электронов через экран. Например, при ослабления потока в миллион раз отношение по массе многослойного экрана к алюминиевому составило 0,9. По результатам моделирования наиболее эффективными радиационно-защитными экранами являются трехслойные композиции с использованием конструкционного материала (75%), вещества с высоким содержание бора (60% и 50%) и тяжелого элемента (70% в слое). Такие экраны имеют массу на 30% меньше, чем алюминиевый аналог. Коэффициент отношения по дозе составил 1,30 и 1,41 соответственно. Экран с большим содержанием бора имеет больший коэффициент отношения по вторичному излучению – 2,55, экран с меньшим содержанием бора – 2,12. Коэффициент по защите, наоборот, больше у экрана с 60% борсодержащего вещества и равен 2,39, у другого экрана он равен 2,23 [3].

Следующим этапом, после моделирования и разработки структуры радиационно-защитного экрана, является создание опытных образцов и их экспериментальная проверка в лабораторных условиях. В процессе исследований была разработана методика определения длины свободного пробега заряженных частиц в порошковых материалах [4]. На предварительных этапах результаты экспериментальных исследований свойств многослойных радиационно-защитных экранов (МРЗЭ) позволяют оценить преимущество таких экранов перед однослойными гетерогенными. При ослаблении пучка электронов с энергией 2 МэВ в 9 раз массовые характеристики двухслойного РЗЭ ниже на 17%. Добиться увеличения этого значения можно разработав методику и технологию изготовления МРЗЭ без использования дополнительного связующего в тяжелых и средних слоях.

Используемые источники
1. Безродных И. П. Радиационные условия на орбите КА «Ионосфера» //Вопросы электромеханики. Т. 123. – 2011. – №. 4. – С. 19-28.
2. Беспалов В.И. Лекции по радиационной защите : учеб.пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - C. 40-42.
3. Драганюк О.Н., Телегин С.В. Расчет гетерогенного радиационно-защитного экрана для космических аппаратов // Вестник СибГАУ. – 2015. - Т.16, №4. - С. 969-974
4. Саунин В.Н., Телегин С.В., Чесноков Е.Я. Определение длины свободного пробега частиц бета-распад в порошковых материалах // Вестник СибГАУ Т16, №1, - Красноярск, 2015. – С. 785-762.
Information about the project
Surname Name
Draganyk O. N.
Project title
The study and development of multilayer radiation-protective shields for spacecraft
Summary of the project
After launching a spacecraft on orbit, space ionizing radiation affects on a spacecraft continiously. The radiation leads up to malfunction of electronic components. Today alumunium and its alloys are used as a protection. Aluminium shields are often spacecraft hull parts. Creating multi-layer heterogeneous shields would reduce absorbed radiation dose and reduce mass of radiation protection shelds, which lead to reducing cost of launch and increase active lifetime.
Keywords
radiation protection, radiation shield, the shielding ability, spacecraft, satellite, modeling, optimization.