CC BY
7
УДК 539.1
ОПТИМИЗАЦИЯ ТОЛЩИН СЛОЁВ ЗАЩИТНЫХ ЭКРАНОВ
И. К. Райхерт, С. В. Телегин
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: irina.raikhert@mail.ru
В настоящее время приоритетной задачей в разработке защитных экранов является определение материала с наибольшей поглощательной способностью с целью уменьшения массы экрана и обеспечения безопасности бортовых устройств космического аппарата от космического излучения.
Ключевые слова: оптимизация, экранирование, излучение, толщина покрытия, компьютерное моделирование.
OPTIMIZATION OF THE THICKNESS OF LAYERS OF PROTECTIVE SHIELDS
I. K. Rayhert, S. V. Telegin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: irina.raikhert@mail.ru
Currently, the priority task in the development of protective screens is to determine the material with the greatest absorbing capacity to reduce the weight of the shield and to ensure the safety of the spacecraft's airborne devices from cosmic radiation.
Keywords: оptimization, shielding, radiation, coating thickness, computer modelling.
В эпоху развития космической техники человечество разрабатывает новые модели спутников, однако они всё ещё нуждаются в защите от космического излучения. Для защиты космических аппаратов от ионизирующего излучения радиационных поясов Земли [1] рассматриваются и сравниваются такие образцы, как: сплав АМг6 и композит карбида бора с эпоксидной смолой (ЭД-20) в разных процентных соотношениях. Моделирование выполнено методом Монте-Карло в программе ЕРНСА [2; 3] с характерным спектром геостационарной орбиты и энергией излучения 0,04-7 МэВ. Основные критерии для сравнения: толщина и масса материала, число электронов, прошедших через барьер и число фотонов, вышедших из барьера.
Необходимость поиска оптимальной толщины, прежде всего, связана с решением задачи минимизации массы при максимальном ослаблении.
По результатам моделирования построены графики. График зависимости доли прошедших электронов от толщины материалов, представленный на рис. 1, показывает, что с увеличением толщины слоя доля прошедших электронов резко уменьшается.
Для определения оптимальной толщины каждый из графиков был аппроксимирован функцией экспоненты. К полученной функции была проведена касательная с угловым коэффициентом равным: -1, как показано на рис. 2. Сравнение значений оптимальных толщин слоёв, масс материалов (при цилиндрической форме образцов с радиусом равным 0,5 см), доли прошедших электронов и вышедших фотонов представлено в таблице.
График зависимости доли вышедших фотонов от толщины материалов (рис. 3) демонстрирует резкое возрастание с последующим умеренным спадом.
Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»
Рис. 1. Зависимость числа прошедших электронов от толщины материалов
Рис.2. Методика определения оптимальной толщины материала
Рис.3. Зависимость числа фотонов, вышедших из барьера от толщины материалов
Характеристики экранов
Вещество Толщина, мм Масса Доля прошедших Доля вышедших
материала, г электронов фотонов
АМг6 0,2969 0,0618 0,00893 0,00226
В4С+ЭС(40%; 60%) 0,4365 0,0520 0,01084 0,00121
В4С+ЭС(50%; 50%) 0,4246 0,0542 0,01154 0,00125
В4С+ЭС(60%; 40%) 0,4146 0,0570 0,01237 0,00127
Результаты исследования оптимальной толщины материалов (рис. 1) иллюстрирует таблица, по которой видно, что оптимальная толщина слоя радиационно-защитного экрана для сплава АМг6 имеет минимальное значение. Однако ввиду своей высокой плотности материал обладает наибольшей массой, и при малой доли прошедших электронов образуется большое число фотонов - вторичного излучения. Стоит сказать, что алюминиевый сплав является деформируемым и достаточно пластичным, он отличается высокой прочностью, благодаря содержащемуся в сплаве марганцу, а также высокой коррозийной стойкостью. Именно поэтому этот материал используется в аэрокосмической отрасли.
В свою очередь, оптимальная толщина для композитов карбида бора и эпоксидной смолы несколько больше. Причем она возрастает с уменьшением плотности материала, то есть с увеличением содержания ЭД-20. Это объясняется наличием легкого элемента - водорода в ее составе. Масса композита с наибольшим содержанием эпоксидной смолы составляет 84 % от массы сплава АМг6, при равных пропорциях компонентов - 88 %, а при минимальном содержании ЭД-20 -92 %. Кроме того доля прошедших электронов и вышедших фотонов минимальна для материала с наибольшим содержанием эпоксидной смолы. Также следует отметить, что ЭД-20 в сочетании с карбидом бора обладает следующими эксплуатационными свойствами: отсутствием газовыделения, радиационной стойкостью, высокой ударопрочностью при низких температурах, что может позволить этому композиту найти применение в аэрокосмической отрасли в качестве защитных экранов космических аппаратов.
Библиографические ссылки
1. Кимель Л. Р., Машкович В. П. Защита от ионизирующих излучении: справ. 2-е изд. М. : Атомтдат, 1972. 312 с.
2. Беспалов В. И. Пакет программ ЕРНСА для статистического моделирования поля излучения фотонов и заряженных частиц // Изв. вузов. Физика. Приложение. 2000. № 4. С. 159-165.
3. Телегин С. В., Драганюк О. Н. Компьютерная лаборатория: метод. указания по работе с пакетом программ РСЬаЬ по дисциплине «Специальный физический практикум» для магистрантов направления подготовки 03.04.02 «Физика» ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. С. 13-45.
© Райхерт И. К., Телегин С. В., 2018
