Днепропетровский Национальный Университет имени Олеся Гончара Dnipropetrovsk national

Днепропетровский Национальный Университет имени Олеся Гончара Dnipropetrovsk national university named after Oles Honchar Материалы для защиты космических аппаратов от радиационного воздействия Materials for the shielding against space radiation Dnipropetrovsk National University National Aerospace Educational Center of Youth NSC “Kharkov Institute of Physics and Technology” 1

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) 2

Радиационный фон на ГСО GEO radiation environment ПО OMERE software 3

Цель работы: повышение ресурса эксплуатации космических аппаратов с использованием нового типа радиационной защиты на основе полимерных композиционных материалов. 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 Al-alloys Объект – степень экранирования электронов защитой из композиционных материалов по сравнению с алюминием. Object – shielding efficiency of composites against electrons in comparison with aluminum. Материалы, используемые в качестве защитных ü алюминиевый сплав АМГ-6; ; ü дисперсно-наполненные композиционные материалы (ДНПКМ); ü Al-Be сплавы ü углерод-углеродные КМ с различным наполнителем; ü композиционные многослойные материалы типа «легкий-тяжелый» ; Materials-candidates for the use as protective. ü the AMg-6 Al-alloy; ü dispersion-filled composite materials (DNPCM ); ü the Al-Be alloy; ü carbon-carbon CM with a different filling; ü composite multi-layers materials - “light-heavy”. 4

Композиционные материалы для защиты РЭА космических аппаратов Composite materials for satellite protection Основные требования к материалу и технологии: Main requirements: • высокая эффективность защиты; • низкая плотность; • простая и гибкая технология изготовления экранов; • высокая стабильность свойств; • должен обеспечить увеличение срока эксплуатации спутника не менее чем в 1, 5 раза. 5

Пример расчета прохождения электронов (ДН-ПКМ № 3, толщина 2 мм) с энергией 2, 5 Мэ. В Сalculation of electron runs, DNPCM № 3, 2 mm, 2, 5 Me. V 6

Потери энергии в материале ДНПКМ № 3 (толщина 2 мм) Losses of energy in the DNPCM № 3 (thickness 2 mm) 7

Протоны энергией 10 Мэ. В в модели кремния (0, 525 мм) и защитной пластинки из образца: а) Эпофлекс-09 (0, 85 мм); b) Al (0, 36 мм); c) Эпофлекс-09 с Zr (0, 54 мм); d) Эпофлекс-09 с W (0, 34 мм). Protons: 13 Me. V, Si (0, 525 mm) + Prot. Plate: a - Epoflex-09 (0, 85 mm); b – Al (0, 36 mm); c - Epoflex-09 with Zr (0, 54 mm); d - Epoflex-09 with W (0, 34 mm); 8

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 2 -components CM 9

Ослабление энергии потока электронов Electrons stream energy reduction 10

Ускоритель электронов 2 Гэ. В Electrons accelerator 2 Ge. V Материаловедческий ускоритель Accelerator for material science 11

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 Свинцовая защита Lead shield Мишень Target Механизм поворотный Changing device Электроны Electrons Воздух Air Детектор Detector 12

Экспериментальное оборудование Experimental equipment Источники электронов • Ускоритель электронов «ЭЛИАС» (диапазон энергий 0, 5 – 3 Mэ. В). • β-источник 90 Sr+90 Y. Electron sources • Electron accelerator “ELIAS” (range of energy 0. 5 – 3 Me. V). • β-source 90 Sr+90 Y. Использован ускоритель протонов «ЕСУ-2» . При энергии ионов 3 Не 0, 7 Мэ. В энергия протонов составляла 13 Мэ. В. Protons accelerator «ESU-2» was used. At energy of the ions 3 Не 0. 7 Me. V energy of protons was 13 Me. V. 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 13

Исследовательский стенд для испытаний композиционных материалов (β-источник 90 Sr+90 Y. ). Units for composite materials testing (β-source 90 Sr+90 Y). 14

Детектор Cd. Zn. Te рабочей площадью 10 х10 мм 2 и толщиной от 2 до 5 мм. Приборы контроля мощности дозы рентгеновского излучения Блок детектирования для контроля мощности дозы рентгеновского излучения Detectors 15

Результаты исследований / Results of the study Сравнение алюминиевого эталона с КМ Me-содержащим наполнителем (электроны) Aluminum etalon as compared with composite with Me-based fillers (electrons) № 3 – «Эпофлекс-09» с углетканью и Me № 21, 27, 28 – «Эпофлекс-09» с Me № 39, 40, 41 – «Эпофлекс-09» с Me и Al 2 O 3 № 51 – «Эпофлекс-09» многослойный c Me № 3 – “Epoflex-09” with carbon fabric and Me № 21, 27, 28 - “Epoflex-09” with Me № 39, 40, 41 – “Epoflex-09” with Me and Al 2 O 3 № 51 – “Epoflex-09” multilayered with Me 16

Comparison of CM and Al (protons) № Состав образца Material Поглощенная энергия, Коэффициен Массовая 10 -8 Дж т отношения толщина, г/см 2 Absorbed energy, 10 -8 J по защите Mass thickness, Ratio of KM 2 g/m Al protection CM 9 Эпофлекс-09 Epoflex-09 0. 097 6. 59 9. 86 37 +45%Al 2 O 3 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%Zr. O 2 0. 163 11. 45 14. 07 1. 23 44 +45%Zr 0. 218 15. 48 18. 22 1. 18 40 +25%Al 2 O 3+25%W 0. 155 10. 87 11. 33 1. 04 10 +45%Al 0. 115 7. 90 8. 23 1. 04 39 +15%Al 2 O 3+35%W 0. 137 9. 56 8. 60 0. 90 28 +63%W 0. 445 32. 06 21. 53 0. 67 1. 50 17

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 40… 45%. 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 40 -45%; Разработаны и изготовлены детекторы излучения на основе полупроводникового соединения Cd. Zn. Te. Detectors based on semiconductor Cd. Zn. Te were developed and manufactured. 18

Выводы Conclusions Разработаны экспериментальные технология и оборудование для получения защитных экранов 100 х100 мм, корпусов приборов и элементов электроники. The pilot technology and equipment for the manufacturing of protective screens 100 х100 mm, boxes of device and most important elements of electronics have been developed. Оптимизация защиты может быть реализована многослойными структурами. Optimization of protection can be realized by multi-layer structures. Для подтверждения высокой эффективности разработанных материалов рекомендуется провести имитационное облучение элементов РЭА, а также непосредственно в составе КА в полете. 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. 19

Контакты ДНУ им. О. Гончара: 72, пр. Гагарина, Днепропетровск, 49010 Джур Евгений Алексеевич, заведующий кафедрой технологии производства; Санин Анатолий Федорович, профессор кафедры технологии производства E-mail: sinter@ukr. net DNU : 72, Gagarin Ave. , Dnipropetrovsk, 49010 Eugeniy Dzhour, Head of Dept of Technology Anatolii Sanin, professor, Dept of Technology E-mail: sinter@ukr. net 20