Эпофлекс-09» с Me и Al 2 O 3

Dnipropetrovsk National University named after Oles Honchar,
(NSC“Kharkov Institute of Physics and Technology”,
Scientific and Production Group Dneprotechservice
В чем проблема?
What is the problem?
Воздействие ионизирующего излучения космического пространства приводит к
деградации свойств материалов электронных систем спутников, что обусловливает
снижение сроков их работы и возникновение нештатных ситуаций в процессе полета.
Influence of ionizing radiation of space results in degradation of properties of materials of
the electronic systems of satellites, that stipulates the decline of terms of their work and
origin of nonpermanent situations in the process of flight
общая доза облучения
total ionizing dose
разовый сбой
single-event effect
Продление срока
активного
существования КА
(≥ 15 лет)
Satellite Life Extension
Program (≥ 15 years)
Purpose of development is increase of resource of exploitation of
space vehicles by the use of new type of protection on the basis of
polymeric composite materials instead of aluminium alloys
Объект – степень экранирования электронов защитой из
композиционных материалов по сравнению с алюминием.
Object – shielding efficiency of composites against electrons in
comparison with aluminum.
Materials-candidates for the use as protective.
 aluminium;
 the AMG-6 Al-alloy;
 dispersion-filled composite materials ( ДНПКМ; DNPCM );
 the Al-Be alloy;
 carbon-carbon CM with a different filling;
 composite multi-layers materials of type light-heavy.
Композиционные материалы для защиты РЭА
космических аппаратов
Composite materials for satellite protection
Основные требования к материалу:
Main requirements:
• должен быть более эффективным чем алюминий при равной
поверхностной плотности;
should be more effective than aluminum in case of the same
specific weight.
• должен быть более легким чем алюминий при равной защитной
эффективности.
should be more lighter than aluminum in case of the same shielding
efficiency.
• должен обеспечить увеличение срока эксплуатации спутника не
менее чем в 1,5 раза.
must provide the increase of term of exploitation of satellite no less
than in 1,5 times
Радиационный фон на ГСО
GEO radiation environment
ПО OMERE
OMERE software
Software packages of design by the Monte Carlo method of
transport of nuclear radiations.
SRIM-2012 - protons;
EGSnrc - electrons;
Geant4 - protons and electrons.
The structure of materials is unregulated. On the way of
electrons and protons atoms meet in a casual order with middle
probability proportional to their stehyometric index (in the real
terms the orientation of object in relation to the source of
radiation changes constantly)
Значения максимального пробега электронов в приближении
непрерывных потерь (CSDA range) (а) и средней длины пробега протонов
(б) в материалах позволяют оценить максимальную толщину образцов.
The values of maximal run of electrons in approaching of continuous losses
(CSDA range) (а) and middle length of run of protons (б) in protective
materials allow to estimate the maximal thickness of specimens.
а
б
Пример расчета прохождения электронов (ДН-ПКМ № 3,
толщина 2 мм) с энергией 2,5 МэВ
Сalculation of run of electrons, DNPCM № 3, 2 mm, 2,5 MeV
Расчет пробега протонов, ДН-ПКМ № 3, протоны 2 МэВ (SRIM-2012)
Сalculation of run of protons, DNPCM № 3, protons 2 MeV (SRIM-2012)
Потери энергии в материале ДНПКМ № 3 (толщина 2 мм)
Losses of energy in the DNPCM № 3 (thickness 2 mm)
Эффективность поглощения энергии электронов в образцах по
отношению к алюминию
Absorbing efficiency of energy of electrons in specimens in
comparison with aluminum
№3 – «Эпофлекс-09» с У-тканью и Me
№27 – «Эпофлекс-09» с Me
№39 – «Эпофлекс-09» с Me и Al2O3
№40 – «Эпофлекс-09» с Me и Al2O3
№41 – «Эпофлекс-09» с Me и Al2O3
(N = 23,0%)
(N = 43,3%)
(N = 39,1%)
(N = 33,3%)
(N = 15,2%)
№3 – «Epoflex-09» with C-fibres and Me
№27 – «Epoflex-09» with Me
№39 – «Epoflex-09» with Me и Al2O3
№40 – «Epoflex-09» with Me и Al2O3
№41 – «Epoflex-09» with Me и Al2O3
(N = 23,0%)
(N = 43,3%)
(N = 39,1%)
(N = 33,3%)
(N = 15,2%)
20
Absorptions of energy
Ослабление потока протонов близкими по поверхностной плотности
слоями защиты
Weakening of protons stream by the layers of protection
AMG-6
DNPCM №3
DNPCM №2
Multi-layer CM
Multi-layer CM
Multi-layer CM
2-components CM
21
Ослабление энергии потока электронов
Electrons stream energy reduction
Ослабление энергии потока электронов
Electrons stream energy reduction
Методика
Methods
Экспериментальная методика основана на сравнении суммарной
энергии, переносимой электронами и тормозными гамма-квантами,
после прохождения мишени (исследуемого и эталонного материала), в
расчете на один падающий электрон.
Experimental method based on comparison of the total energy transported by
electrons and bremsstrahlung quanta after passing through the target (composites
and etalons ) normalized to one incident electron.
Схема эксперимента
Ускоритель
Accelerator
Scheme of experiment
Медный
коллиматор
Copper
collimator
Электроны
Electrons
Воздух
Air
Свинцовая защита
Lead shield
Мишень
Target
Механизм
поворотный
Changing device
Детектор
Detector
Экспериментальное оборудование
Experimental equipment
Источник электронов
Ускоритель электронов «ЭЛИАС» (диапазон энергий электронов 0,5 – 3
MэВ).
Энергия электронов в эксперименте – 2,5 МэВ
Electron source
Electron accelerator “ELIAS” (range of electrons energy 0.5 – 3 MeV)
Electron energy in experiment – 2.5 MeV
Установка для автоматической смены
образцов
Карусельного типа для 12 образцов
диаметром 56 мм и толщиной до 6 мм
Device for automatic changing of the
samples
Merry-go-round type for 12 samples with
diameter 56 mm and thickness up to 6 mm
Регистрирующее устройство
Registration unit
Детектор
CdZnTe рабочей площадью 10х10 мм2 и толщиной от 2 до 5 мм
Detector
CdZnTe with a working area 10x10 mm2 and thickness range from 2 to 5 mm
Пробег электронов в образцах
Electron ranges in samples
Эффективность регистрации гамма квантов
Efficiency of gamma-quanta registration
Критерий сравнения материалов
Criterion for comparison of materials
Эффективность поглощения энергии электронов в образцах по
отношению к алюминию:
Absorbing efficiency of energy of electrons in specimens in comparison with
aluminum:
AS  AAl
N
100%
AAl
после преобразований:
after manipulations:
E Al  E S
N
100%
E0  E Al
AS – энергия электронов и гамма-квантов, поглощенная в исследуемых образцах;
АAl - энергия электронов и гамма-квантов, поглощенная в алюминиевом эталоне;
EAl – энергия электронов и гамма-квантов, прошедшая алюминиевые эталоны;
ES – энергия электронов и гамма-квантов, прошедшая исследуемые образцы;
Eo – начальная энергия электронов (2,5 МэВ).
AS – energy of electrons and gamma-quanta, absorbed in test specimens;
АAl - energy of electrons and gamma-quanta, absorbed in aluminum etalon;
EAl – energy of electrons and gamma-quanta, passed through aluminum etalon;
ES – energy of electrons and gamma-quanta, passed through test specimens;
Eo – initial energy of electrons (2.5 MeV).
Массовые толщины образца и эталона для каждого измерения одинаковы
Mass thicknesses of the specimen and etalon are equal for every measurement
Результаты исследований
Results of the study
Сравнение алюминиевого эталона с КМ c вольфрамосодержащим
наполнителем
Aluminum etalon as compared with composite with tungsten-based fillers
№3 – «Эпофлекс-09» с углетканью и W
(N = 23,0%)
№21 – «Эпофлекс-09» с W 60%
(N = 23,4%)
№27 – «Эпофлекс-09» с W 45%
(N = 43,3%)
№28 – «Эпофлекс-09» с W 63%
(N = 30,5%)
№39 – «Эпофлекс-09» с W 35% и Al2O3 15%
(N = 39,1%)
№40 – «Эпофлекс-09» с W 25% и Al2O3 25%
(N = 33,3%)
№41 – «Эпофлекс-09» с W 15% и Al2O3 35%
(N = 15,2%)
№51 – «Эпофлекс-09» многослойный с W 30% (N = 7,17%)
№3 – “Epoflex-09” with carbon fabric and W
№21 – “Epoflex-09” with W 60%
№27 – “Epoflex-09” with W 45%
№28 – “Epoflex-09” with W 63%
№39 – “Epoflex-09” with W 35% and Al2O3 15%
№40 – “Epoflex-09” with W 25% and Al2O3 25%
№41 – “Epoflex-09” with W 15% and Al2O3 35%
№51 – “Epoflex-09” multilayered with W 30%
Результаты исследований
Results of the study
Сравнение алюминиевого эталона с
Aluminum etalon as compared with
КМ с безвольфрамовым наполнителем
composite with non-tungsten fillers
№8 – УУКМ с волокнами полиакрилонитрил
№14 – УУКМ с углеродной тканью Урал
№20 – УУКМ с добавками Fe
№26 – УУКМ с добавками Pb
№44 – «Эпофлекс-09» с Zr 45%
№47 – «Эпофлекс-09» с ZrO2 63%
№48 – «Эпофлекс-09» с (Mn2O3 + MnO2) 20%
углерод-углеродный КМ (УУКМ)
carbon-carbon composite (CC composite)
(N = -12,0%) №8 – CC composite with polyacrylonitrile fibres
(N = -15,0%) №14 – CC composite with carbon fabric Ural
(N = -11,0%) №20 – CC composite with Fe additive
(N = 5,10%) №26 – CC composite with Pb additive
(N = 29,7%) №44 – “Epoflex-09” with Zr 45%
(N = 22,3%) №47 – “Epoflex-09” with ZrO2 63%
(N = 15,2%) №48 – “Epoflex-09” with (Mn2O3 + MnO2) 20%
Результаты исследований
Results of the study
Сравнение алюминиевого эталона с
Aluminum etalon as compared with
КМ с наполнителем Al-Be 50%
composite with filler Al-Be 50%
сплавом Al-Be (Al 31,2% + Be 68,8%)
Alloy Al-Be (Al 31,2% + Be 68,8%)
-18,2%
-22%
-27%
-26%
Зависимости кратности ослабления от массовой толщины
Ratio of energy reduction vs mass thickness
Exp. results, Al
Exp. results, CM
Mass thickness, g/m2
Experimental procedure (for protons)
Protons accelerator «ESU-2» was used.
The protons got in the nuclear reaction D(3He,p)4He were
used.
Birth of two particles is the result of flowline of nuclear
reaction: proton and 4Не.
At energy of the ions 3Не 0.7 MeV energy of protons was 13
MeV.
For measuring of power spectrum of protons, getting through
the tested material a semiconductor detector from CdZnTe,
able to work at a room temperature, was used.
.
Comparison of CM and Al (protons)
№
Состав образца
Material
Массовая
толщина, г/см2
Mass thickness,
g/m2
Поглощенная энергия, Коэффициент
10-8 Дж
отношения по
-8
Absorbed energy, 10 J
защите
Ratio of
KM
Al
protection
CM
9
Эпофлекс-09
Epoflex-09
0.097
6.59
9.86
37
+45%Al2O3
0.150
10.46
14.34
1.37
43
+20%Al
0.152
10.65
14.04
1.32
49
+12%С
0.107
7.32
9.32
1.27
46
+45%ZrO2
0.163
11.45
14.07
1.23
44
+45%Zr
0.218
15.48
18.22
1.18
40
+25%Al2O3+25%W
0.155
10.87
11.33
1.04
10
+45%Al
0.115
7.90
8.23
1.04
39
+15%Al2O3+35%W
0.137
9.56
8.60
0.90
28
+63%W
0.445
32.06
21.53
0.67
1.50
Выводы
Conclusions
Создание защиты сводится к оптимизации содержания легких и тяжелых
элементов, обеспечивающих различную эффективность;
Creation of protection is taken to optimization of maintenance of light and
heavy elements providing a different efficiency;
Наиболее эффективными материалами являются дисперсно-наполненные
КМ с содержанием вольфрама более 35% или циркония более 45%.
Защитная эффективность материалов превышает алюминий на 30-40%.
The dispersion-filled CM is the most effective materials with maintenance of
tungsten more than 35% or zirconium more than 45% for protection from
electron radiation. Protective efficiency of materials exceeds an aluminium on
30-40%;
Оптимизация защиты может быть реализована многослойными
структурами.
Optimization of protection can be realized by multi-layer structures.
Выводы
Conclusions
Разработана методика проведения имитационных испытаний материалов
для защиты РЭА КА от ионизирующих излучений на ускорителе
электронов с энергией 2,5 МэВ
Method was developed for imitative testing of shielding materials for
spacecraft electronics against ionizing radiation with use of electron accelerator
with energy 2.5 MeV
Разработаны и изготовлены детекторы на основе полупроводникового
соединения CdZnTe для эффективной регистрации как электронов, так и
гамма-квантов, прошедших через исследуемые материалы.
Detectors based on semiconductor CdZnTe were developed and manufactured
for effective registration both electrons and gamma-quanta passed through the
testing materials.
Выводы
Conclusions
Полимерные КМ с Al-Be наполнителем, углерод-углеродные композиты с
различными добавками, а также Al-Be сплав характеризуются более низкой
защитной эффективностью, чем алюминий. Эффективность углеродуглеродного КМ становится выше на 5% чем у алюминия только при
внесении в него тяжелых металлов (свинец).
Polymer composites with Al-Be filler, carbon-carbon composites with different
fillers and Al-Be alloy are less effective shielding materials than aluminum from
electron radiation. Shielding efficiency of the carbon-carbon composite becomes
greater 5% than aluminum only after adding of heavy metals (lead).
Эпоксидная смола «Эпофлекс-09» и сплав АМг-6 имеют такую же
защитную эффективность от потока электронов как у алюминия.
Epoxy pitch “Epoflex-09” and aluminum alloy AMg-6 have the same shielding
efficiency as aluminum for electrons.
Рекомендации
Recommendations
Для подтверждения более высокой эффективности разработанных
материалов по сравнению с алюминием рекомендуется провести
имитационное облучение наименее радиационно-стойких элементов РЭА за
защитой из алюминия и дисперсно-наполненных КМ.
It is recommended to fulfill imitative irradiation of the less radiation-resistant
elements of spacecraft’s electronics beyond a shield made from aluminum and
disperse-filled composites to prove the efficiency of the developed materials in
comparison with aluminum.
Также рекомендуется провести имитационное облучение образцов в
диапазоне энергий электронов 0,5 – 2,5 МэВ.
It is also recommended to provide imitative irradiation of the specimens in the
range of electron energy 0.5-2.5 MeV.