舷窗是航天员观察航天器外部空间的窗口, 其主体材料是玻璃[ 1]. 载人航天器舷窗需具备优异的可见光透过性能和优异的承压性能, 因此, 载人航天器舷窗一般采用钢化玻璃以满足承压要求[ 1]. 载人航天器舷窗主体由三层玻璃构成, 外层为能抗航天器返回地球时高温的防热玻璃, 内两层为承压钢化多组分玻璃[ 2]. 但是, 随着航天技术的发展, 载人航天器在轨时间越来越长, 空间电离辐照导致的着色严重威胁着舷窗玻璃作为光学材料的使用, 玻璃空间电离辐照着色及抗辐照性能研究成为载人航天工程中重要材料科学问题.
玻璃电离辐照着色是指玻璃(常温下)受电离辐照如电子、质子、X(γ)射线、紫外线、中子等作用而出现的一种可见光吸收增加的现象, 在多组分玻璃中普遍存在电离辐照着色[ 3, 4]. 提高玻璃的抗辐照性能(即玻璃接受电离辐照时可见光透过率保持稳定不变的性能)主要有两个途径: 一是降低玻璃中非桥氧的浓度; 二是添加抗辐照稳定剂. 对于硅酸盐玻璃, 降低非桥氧的浓度就是制备高纯的石英玻璃[ 5]. 玻璃抗辐照稳定剂性能最为优异的是氧化铈[ 6, 7], 但由于高浓度的氧化铈会严重降低玻璃的可见光透过率, 抗辐照玻璃中CeO2含量一般控制在0.55mol%左右[ 8]. 迄今为止, 国内外已经成功研制并发展了一系列性能优异的多组分抗辐照玻璃, 如Schott的BK7G18玻璃、国产K509玻璃等.
本工作系统研究了几种玻璃(K9-HL玻璃、JGS3石英玻璃、K509玻璃以及JGS1石英玻璃)在电离辐照作用下的光学稳定性, 并以此为基础, 通过空间电离辐照对玻璃作用的模拟计算, 对这几种玻璃在轨(近地点350 km, 远地点425 km, 轨道倾角51.6o)光学寿命进行了预测.
1 实验过程1.1 实验样品实验研究了四类玻璃电离辐照作用前后性能的变化, 它们分别是成都光明光电股份有限公司生产的K9-HL玻璃、圣戈班石英(锦州)有限公司生产的JGS3石英玻璃、成都光明光电股份有限公司生产的K509玻璃、秦皇岛耀华石英科技发展有限公司生产的JGS1石英玻璃, 其中K509玻璃是一种添加氧化铈的K9玻璃(K9玻璃成分类似于K9-HL玻璃), JGS1石英玻璃是一种合成石英玻璃, 金属离子含量低, 而JGS3石英玻璃是一种电熔石英玻璃, 金属离子含量比JGS1石英玻璃高, 因此, JGS1石英玻璃比JGS3石英玻璃具有更加优异的抗辐照性能. 玻璃样品均切成片状(样品尺寸因辐照实验要求有所变化), 光学透过率测试光线入射面(电离辐照入射面)、出射面均用氧化铈粉末(~37 μm)抛光处理.
1.2 电离辐照考虑到实验对象是具有一定厚度的玻璃, 电离辐照采用穿透能力强的高能质子和电子.
质子辐照采用北京大学核物理与核技术国家重点实验室的2×6 MV串列静电加速器, 质子能量是10 MeV, 注量率约2.5×108 proton/(cm2·s), 辐照环境温度是室温, 辐照环境气压是10-2~10-3 Pa.
电子辐照采用上海大学射线应用研究所的GJ-2高频高压电子加速器, 电子能量是1.85 MeV, 平均注量率约2×1011electron/(cm2·s), 辐照环境温度是室温, 辐照在大气中进行.
两种粒子垂直入射并作用于玻璃样品.
1.3 光学透过率测定玻璃辐照前后200~800 nm范围内的光学透过率采用一台Varian Cary 500型分光光度计测定, 测定温度是室温.
2 实验结果2.1 K9-HL玻璃、JGS3石英玻璃质子辐照前后的光学透过率经1010 proton/cm2质子辐照后, K9-HL玻璃、JGS3石英玻璃依旧无色透明, 而经1012 proton/cm2质子辐照后, K9-HL玻璃呈现褐色, JGS3石英玻璃依旧无色透明. 图1是K9-HL玻璃、JGS3石英玻璃经10 MeV质子辐照前后的光学透过率曲线, K9-HL玻璃接受1010 proton/cm2质子辐照后透过率在300~400 nm范围内有轻微降低, 而接受 1012 proton/cm2质子辐照后透过率在300~800 nm范围内明显降低, JGS3石英玻璃接受1012 proton/cm2质子辐照后透过率基本保持不变.
图1Fig. 1Figure OptionViewDownloadNew Window 图1 K9-HL玻璃、JGS3石英玻璃接受10 MeV质子辐照前后的光学透过率曲线Fig. 1 Transmission of K9-HL glass, JGS3 silica glass before and after 10 MeV proton irradiation (Thickness: 10 mm)2.2 K9-HL玻璃、JGS3石英玻璃电子辐照前后的光学透过率经4×1012 electron/cm2电子辐照后, K9-HL玻璃呈现明显褐色, JGS3石英玻璃依旧无色透明. 图2是K9-HL玻璃、JGS3石英玻璃接受1.85 MeV电子辐照前后的光学透过率曲线, 电子辐照后, K9-HL玻璃透过率在300~800 nm范围内明显降低, JGS3石英玻璃透过率在200~400 nm范围内有轻微降低,而在可见光范围内(400~800 nm)基本保持不变.
图2Fig. 2Figure OptionViewDownloadNew Window 图2 K9-HL玻璃、JGS3石英玻璃经4×1012 electron/cm2的1.85 MeV电子辐照前后的光学透过率曲线Fig. 2 Transmission of K9-HL glass, JGS3 silica glass before and after 4×1012 electron/cm21.85 MeV electron irradiation (Thickness: 10 mm)2.3 K509玻璃、JGS1石英玻璃接受质子、电子辐照前后的光学透过率图3是K509玻璃、JGS1石英玻璃经1012 proton/cm2的10 MeV质子、4×1012 electron/cm2的1.85 MeV电子辐照前后的透过率曲线, 经质子、电子辐照, K509玻璃透过率在350~500 nm范围有轻微降低, JGS1石英玻璃透过率基本保持不变.
图3Fig. 3Figure OptionViewDownloadNew Window 图3 K509玻璃、JGS1石英玻璃经1012proton/cm2的10 MeV质子、4×1012 electron/cm2的1.85 MeV电子辐照前后的光学透过率曲线(Thickness of all the K509 glasses: 10 mm; thickness of all the JGS1 silica glasses: 12 mm)Fig. 3 Transmission Spectra of K509 glass, JGS1 silica glass before and after 1012 proton/cm2 10 MeV proton or 4×1012 electron/cm2 1.85 MeV electron irradiation2.4 K9-HL玻璃电离辐照着色分布无论是10 MeV质子辐照还是1.85 MeV电子辐照, 电离辐照造成的K9-HL玻璃着色都仅限于玻璃表层. 10 MeV的质子对K9-HL玻璃造成的着色深度小于1 mm, 而1.85 MeV电子对K9-HL玻璃造成的着色深度约是2 mm. 图4是K9-HL玻璃1.85 MeV电子辐照后的纵截面照片, 玻璃接受电子辐照着色在辐照深度方向是渐变的, 随着深度的增大, 辐照造成的着色由深变浅, 当辐照深度大于3 mm时, 1.85 MeV电子辐照对玻璃颜色几乎无任何影响.
图4Fig. 4Figure OptionViewDownloadNew Window 图4 K9-HL玻璃经1.85 MeV电子辐照后的纵截面照片(电子从上向下垂直入射, 受拍摄条件的限制, 图中阴影部分仅反映玻璃着色深度的相对变化趋势, 样品厚度10 mm, 拍摄采用1200万像素数码相机)Fig. 4 Picture of the K9-HL glass’s cross section which was irradiated by 4×1012 electron/cm21.85 MeV electron(Electron irradiated the glass from top to bottom, and because of shooting angle, the shadow in the picture only showed the trend of coloration. The thickness of the glass sample is 10 mm)3 讨论空间电离辐照主要是带电粒子, 按其来源主要分为地球磁场捕获的粒子、太阳粒子事件粒子、宇宙射线以及反照粒子[ 9], 其中注量率较大有地球磁场捕获的质子和电子、太阳粒子事件质子、宇宙射线质子. 图5是采用SPENVIS[ 10]和CRÈME-MC[ 11]计算的近地点350 km、远地点425 km、轨道倾角51.6o轨道(为便于讨论,