CC BY
193. Ivanov, N.R., Shuvalov, L.A. KIO3 - the first ferroelectric with non-reorientable and non-180° switchable components of spontaneous polarization // Physics letters. -1973. - V. 45A, № 6. - P. 437-438.
4. Stukova, E.V. Shift of Phase Transitions in a (NaNO2)1-x/(KNO2)x Ferroelectric Composite / E.V. Stukova, S.V. Baryshnikov, E.Yu. Koroleva // Russian Physics Journal. - 2015. -V. 58. - Issue 2. - P. 221-227.
5. Stukova, E.V. Stabilization of the ferroelectric phase in (KNO3)1-x /(BaTiO3)x Composites / E.V. Stukova, S.V. Baryshnikov // Inorganic materials: applied research. - 2011. - V. 2, № 5. - Р. 434-438.
6. Baryshnikov, S. Dielectric properties of the ferroelectric composite / S. Baryshnikov, E. Stukova, E. Koroleva // Composites: Part B. - 2014. - V. 66. - P. 190-193.
7. Ефимова, О.В. Диэлектрические свойства сегнетоэлектрического композита (NaNO2)1-x/(LiNbO3)x / Е.В. Стукова // Вестник Амурского гос. ун-та. - 2015. - Вып. 69. - С. 33-36.
8. Струков, Б.А. Фазовые переходы в сегнетоэлектрических кристаллах с дефектами // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - № 12. - С. 95-101.
УДК 51-73
И.В. Верхотурова, М.С. Быковский, А.В. Аврашенко, К.К. Тяжелкова
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ И ИОНОСФЕРНЫХ ЧАСТИЦ
НА ПОЛИМЕРНЫЕ ПЛЕНКИ
В работе представлены результаты моделирования в ПО SRIM/TRIM ослабления энергии протонов и ионосферных частиц в полимерных пленках, имеющих защитное покрытие, а также результаты моделирования в ПО СOMSOL MultiPhysics изменения характеристик электрического поля в перфорированной полимерной пленке при ее электризации.
Ключевые слова: моделирование, протоны, ионосферные частицы, полимерные пленки, защитное покрытие, электризация.
MODELING OF THE EFFECT OF IONIZING AND IONOSPHERIC PARTICLE
ON POLYMER FILMS
In this paper present the modeling results in the SRIM / TRIM software of the energy loss of the proton and ionospheric particle in polymer films having a protective coating. And present the modeling results in the СOMSOL MultiPhysics software of changes in the characteristics of the electric field in a perforated polymer film during its electrification.
Key words: modeling, protons, ionospheric particle, polymer films, protective coating, electrification.
Введение
Полимеры нашли широкое применение в космической технике в качестве различных функциональных материалов космических аппаратов (КА). Как показано в работах [1 - 4], основная проблема использования данных материалов - ухудшение их эксплуатационных характеристик за счет протекающих в них разнообразных физико-химических процессов в результате воздействия обширного комплекса факторов космического пространства. К числу таких факторов относятся различные виды излучений и частицы ионосферы.
В последнее время большое внимание уделяется эффективным способам защиты ряда полимерных материалов, используемых в авиакосмической промышленности, от негативных процессов электризации и эрозии в результате воздействия ионизирующих излучений и частиц ионосферы. Так, в работах [5 - 8] представлены результаты исследования нескольких методов снижения воздействия описанных выше негативных процессов. Один из методов основан на нанесении на поверхность полимерных материалов тонких однослойных защитных покрытий ^Ю2, ZnO, 1п2Оз, тефлон, силиконы и др.) [5]. Также рассматривается возможность использовать в качестве защитных покрытий многослойные экраны, состоящие из различных по составу наноразмерных слоев [6, 7]. Помимо нанесения тонких защитных покрытий на облучаемую поверхность полимерной пленки, разработано еще несколько методов, позволяющих улучшить стекание объемного заряда на заземленный металлизированный слой [8].
В данной работе представлены результаты моделирования ослабления энергии потока протонов и ионосферных частиц (атомарный кислород) в полимерных пленках, имеющих защитное покрытие, и моделирования изменения характеристик электрического поля перфорированной полимерной пленки при ее электризации.
Эксперимент
Программа SRIM/TRIM, созданная на основе метода Монте-Карло, позволяет моделировать процессы взаимодействия различных частиц с веществом мишени, представляющей собой как однослойные, так и многослойные плоские конфигурации. Программа дает информацию о величине и виде потерь энергии падающих на мишень частиц в каждом слое.
В качестве полимерных материалов были выбраны политетрафторэтилен (ПТФЭ, или тефлон) и каптон, а в качестве защитных покрытий выбраны полимерные материалы (тефлон) и прозрачные проводящие пленки (ППП) - ZnO и In2O3. Моделируемые мишени состояли из монослоя полимерной пленки и из многослойных конфигураций - защитное покрытие (одно-, двухслойное) и полимерная пленка. Моделирование взаимодействия протонов с энергиями 100 кэВ, 500 кэВ, 3 МэВ и 7,5 МэВ и атомарного кислорода с энергиями 5 эВ, 10 эВ и 30 эВ с материалом мишени проводилось как при раздельном, так и при последовательном облучении этими частицами.
Результаты моделирования процессов воздействия протонов различных энергий с монослоем полимерных материалов и многослойными мишенями представлены на рис. 1, 2 и 3 соответственно. Серым цветом (ions) представлено распределение по глубине мишени относительной величины ионизационных потерь энергии протонов, черным (recoils) - затраты энергии частицы на смещение атомов мишени.
- Target Depth -
а
- Target Depth -б
Target Depth -
в
Рис. 1. Распределение ионизационных потерь протонов по глубине монослоя ПТФЭ: а) при энергиях протона 100 кэВ; б) при энергиях протона 500 кэВ; в) при энергиях протона 7.5 МэВ.
IONIZATION 100 кэВ
^QNS idRECOILS
- Target Depth -
а
- Target Depth -б
Рис. 2. Распределение ионизационных потерь протонов по глубине двухслойных мишеней: а) при энергиях протона 100 кэВ; б) при энергиях протона 500 кэВ; в) при энергиях протона 7.5 МэВ.
IONS
IONIZATION REC
100 кэВ ÖJLS
S
16 о
и
14 ад
G
12 <
>
10 <и
з £Й
И
О
6 -1
4 ад
fn
<и
2 Й к
ы
0
ю NIZATION - REC! о 500 кэВ MLS !
i о Ss => Os О
А M о g
о 3 îZ
Ц- а о ■о
о >, Ê j*. ^
CL 1 0-c
С о о О-
h-
IONIZATION 7,5 МэВ
Target Depth -
- Target Depth - 3 um OA - Target Depth - 15 um
а б в
Рис. 3. Распределение ионизационных потерь протонов по глубине трехслойных мишеней: а) при энергиях протона 100 кэВ; б) при энергиях протона 500 кэВ; в) при энергиях протона 7.5 МэВ.
Основными при прохождении протонов через материал мишеней являются ионизационные потери, потери на смещение очень незначительны. Интенсивность распределения относительной величины ионизационных потерь энергии протона в материалах мишеней различна в зависимости от энергии протона.
Однако в конце пробега протона на всех распределениях проявляется пик Брэгга, независимо от материала мишени. Из рис. 1 и 2 видно, что при небольших энергиях протонов (до 3 МэВ) изменения структуры полимеров происходят в небольшом приповерхностном слое. При увеличении энергии протонов выше 3 МэВ ионизационные потери достигают максимального значения в узком слое полимерных пленок на определенной глубине. Это может означать, что именно в этом слое пленки будет происходить значительное накопление свободных носителей заряда, формирующих внутреннее электрическое поле, возрастание которого в определенный момент времени может привести к пробою полимерной пленки. Наличие на облучаемой поверхности защитного покрытия на основе ППП, которое заземляется, позволяет уменьшить процесс электризации полимерных пленок, а значит, и уменьшить вероятность возникновения в них пробоя.
По результатам проведенного моделирования в пакете программ TRIM воздействия протонов на пленки ПТФЭ и каптон видно, что:
1) при небольших энергиях протона минимизация количества образующихся свободных носителей заряда под действием излучения может быть обеспечена одслойными защитными покрытиями на основе ППП (ZnO или In2O3) толщиной ~ 5 мкм;
в
2) с увеличением энергии протона минимизация может быть достигнута путем использования двухслойных покрытий системы ППП/тефлон с суммарной толщиной покрытия слоев ~ 150 мкм.
При моделировании взаимодействия атомарного кислорода (АК) с мишенями учитывалось, что в горячей ионосферной плазме значение энергии частиц не превышает 50 эВ. Из полученных с помощью программы TRIM результатов моделирования установлено, что атомы кислорода проникают лишь в тонкий приповерхностный слой мишеней (рис. 4).
а б
Рис. 4. Распределение атомов отдачи по глубине мишени при облучении АК с энергией 30 эВ: а) пленка каптона с защитным покрытием на основе ПТФЭ; б) пленка каптона с защитным покрытием на основе ZnO.
На рис. 4 видно, что в отличие от облучения протонами здесь более выражен процесс смещения атомов мишени (атомы отдачи - recoils - обозначены черным цветом). Преобладание этого процесса над ионизационными обусловливает эрозию полимерных материалов под действием ионосферных частиц.
Следует отметить особенность воздействия ионосферных частиц на материал мишеней. Распределение атомов смещения, независимо от материала мишени и энергии ионосферных частиц, представляет собой несколько сферических фронтов (рис. 5), в которых наблюдается повышение плотности распределения атомов смещения (рис. 4 и 5).
Результаты моделирования последовательного воздействия протонов и ионосферных частиц на полимерные материалы показали одинаковые результаты, независимо от последовательности воздействия бомбардирующих частиц и материала мишени. При последовательном воздействии проявляются и ионизационные потери, и смещение атомов мишени, причем последнее - также в виде сферических фронтов.
На основе полученных результатов установлено, что заметное влияние на ослабление потока энергии ионизирующего излучения и ионосферных частиц может быть достигнуто за счет использования двухслойных защитных покрытий системы ППП/тефлон с суммарной толщиной покрытия слоев ~ 150 мкм.
Известно, что по мере накопления внедренного заряда в объеме полимерной пленки возникает внутреннее электрическое поле, являющееся результатом процесса электризации пленки [9, 10]. Величина характеристик этого поля - важный параметр, так как превышение ее над пробойным значением приводит к ухудшению свойств полимерной пленки.
— Target Depth
30 А
Рис. 5. Распределение атомов отдачи по глубине мишени при облучении АК с энергией 30 эВ.
В СOMSOL MultiPhysics проведено численное моделирование процесса электризации полимерной пленки каптон при ее облучении потоком моноэнергетических электронов. Определено изменение характеристик электрического поля в пленке при ее перфорации. Результаты моделирования представляют собой распределение потенциала электрического поля в поперечном сечении полимерной пленки и распределение силовых линий электрического поля в виде нормированных векторов, указывающих направление вектора напряженности.
Построение модели электризации полимерной пленки основывалось на следующем допущении. Бомбардирующие электроны, задерживаясь в пленке на некоторой глубине И, после установления стационарного состояния образуют электрический заряд, равномерно распределенный в объеме. Величина критического заряда, при котором произойдет пробой полимерной пленки, определена на основании экспериментальные данных и формул, представленных в [9, 10 ].
Процесс создания в СOMSOL MultiPhysics моделей пленки каптон без отверстия и с отверстиями (от одного до пяти одинаковых отверстий) имеет одинаковую последовательность действий. Сначала проводится геометрическое моделирование расчетной области, состоящей из нескольких последовательно создаваемых областей. Затем задается материал областей и расчетная сетка.
Результат моделирования электризации полимерной пленки при неоднородном распределении заряда по ее объему в пакете прикладных программ СOMSOL MultiPhisics представлен на рис. 6. Здесь отображены распределение силовых линий электрического поля и распределение потенциала электрического поля в поперечном сечении пленки.
На основе данных моделирования построен график зависимости напряженности электрического поля Е, возникающего внутри полимерной перфорированной пленки в процессе ее заряжения, от глубины h проникновения электронов в пленку (рис. 7).
Рис. 6. Модель электризации полимерной пленки каптон с отверстием.
+ Е Ю7, В/м
80 1г10г*, м
Рис. 7. График зависимости напряженности электрического поля полимерной пленки
от глубины проникновения электронов: • - пленка без отверстия; ■ - пленка с одним отверстием; ♦ - пленка с двумя отверстиями; ▲ - пленка с тремя отверстиями; — - пленка с четырьмя отверстиями; х - пленка с пятью отверстиями.
При условии, что критический электрический заряд, формирующийся в облученной полимерной пленке, остается неизменным, увеличение количества отверстий в ней приводит к значительному снижению значений характеристик электрического поля. Это особенно заметно на глубине, соответствующей длине пробега электронов в данном материале.
Заключение
Основываясь на полученных результатах моделирования, показано, что, изменяя состав, толщину и последовательность расположения слоев в защитном покрытии, можно оказать заметное влияние на ослабление потока энергии ионизирующего излучения и ионосферных частиц. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации защитных покрытий путем варьирования не только материалов слоев покрытия и их толщин, но и химического состава слоев, путем включения в материал слоя легирующих элементов.
Величина напряженности электрического поля в полимерных материалах зависит от количества свободных носителей заряда, образующихся в результате воздействия ионизирующего излучения. Перфорация полимерной пленки, не имеющей защитного покрытия, позволяет уменьшить значение характеристик возникшего электрического поля до значений ниже пробойных не увеличивая толщину слоя пленки.
1. Новиков, Л.С. Радиационные воздействия на материалы космических аппаратов. - М.: Университетская книга, 2010. - 192 с.
2. Ягушкин, Н.И. Исследование радиационно-электрических процессов в диэлектриках при облучении электронами с энергией до 100 кэВ/ Н.И. Ягушкин, А.И. Сергеев, Э.А. Гостищев // Модель космоса. - Изд. 8-е. - Т. 2: Воздействие космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов / под ред. проф. Л.С. Новикова, - М.: Изд-во «Книжный дом» Университет», 2007. - С. 343-360.
3. Тютнев, А.П. Радиационная электропроводность полимеров при длительном облучении/ А.П. Тютнев, В.С. Саенко, И.А. Смирнов, Е.Д. Пожидаев // Химия высоких энергий. - 2006. - Т. 40, № 5. - С. 364.
4. Новиков, Л.С. Электризация космических аппаратов в магнитосферной плазме/ Л.С. Новиков,
B.Н. Милеев, К.К. Крупников, А.А. Маклецов // Модель космоса. - Изд. 8-е. - Т. 2. - С. 236-275.
5. Акишин, А.И. Воздействие атомарного кислорода на космические материалы // Перспективные материалы. - 2006. - № 6. - С. 15.
6. Орлова, М.О. Радиационная защита космических аппаратов с помощью наноматериалов/ М.О. Орлова, Е.Н. Воронина, Л.С. Новиков, Н.П. Чирская // Труды XVII Международной научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине»/ под ред. проф. Б.С. Ишханова и проф. Л.С. Новикова. - М.: Университетская книга, 2016. -
C. 137-142.
7. Беляева, Н.А. Исследование совместного воздействия на полимерные пленки протонов с энергиями 0,5/7,5 МэВ и атомарного кислорода/ Н.А. Беляева, Е.Н. Воронина, Л.А. Жиляков, Л.С. Новиков, В.Н. Черник // Труды XVI Международной научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине»/ под ред. проф. Б.С. Ишханова и проф. Л.С. Новикова. - М.: Университетская книга, 2015. - С. 131-136.
8. Акишин, А.И. Объемная электризация диэлектрических материалов космических аппаратов / А.И. Акишин, Л.С. Новиков, А.А. Маклецов, В.Н. Милев // Модель космоса. - Изд. 8-е. - Т. 2. - С. 315-342.
9. Абрамешин, А.Е. Воздействие ЭСР на полупроводниковые компоненты: моделирование схем защиты, методов и средств испытаний / А.Е. Абрамешин, И.А. Галухин, Л.Н. Кечиев, В.В. Кузнецов, Р.В. Назаров // Технологии электромагнитной совместимости. - 2012. - № 3(42). - С. 44-58.
10. Пашенцев, В.Н. Модель заряда тонких полимерных пленок пучком электронов с энергией 80 кэВ // Труды МАИ. - 2012. - № 53. - 14 с.
