Технический прогресс и экономика (стр. 7 )

Объемная электризация диэлектриков отличается от поверхностной не только глубиной локализации внедренного электрического заряда, но также имеет существенные отличия в физических процессах накоплениях зарядов, потоках заряженных частиц, приводящих к его накоплению, и во временных характеристиках процессов [3].

При  заряжении  в  ГМП  характерные  величины первичных  токов  составляют ~ 10-10 - 10-8 А · см-2, время общего заряжения составляют ~ 0,3 - 0,5 с, а дифферен-циального заряжения – от единицы до десятков минут.

Объемная электризация материалов СБ характеризуется следующими парамет-рами: ток электронов ~ 10-13 - 10-11 А · см-2, время заряжения составляет несколько часов. Вторично-эмиссионные токи в этом случае не оказывают влияния на процесс формирования внедренного объемного заряда. Пороговое значение флюенсов электронов ЕРПЗ, соответствующих началу возникновения объемных ЭСР, равно 1010 - 1011 см-2 и зависит также от свойств диэлектрика, главным образом от его радиационной проводимости.

Методика экспериментов

Воздействие внешних ЭСР на ЗСП и ФП3П изучалось с помощью стандартной методики, которая описана в литературе [4, 5] и ранее широко применялась при аналогичных исследованиях кремниевых ФП и СБ [5, 6].

Она состоит в облучении образцов моноэнергетическим пучком электронов с энергиями, составляющими среднеэнергетичный компонент спектра электронов ГМП, который вносит основной вклад в электризацию и деградацию СБ от возникновения внешних ЭСР.

Для получения результатов воздействия ГМП и ЭСР к концу срока активного существования (САС) СБ, равного 15 годам, была применена также методика ускоренных испытаний, состоящая в воздействии на образцы плотности потока первичных электронов J на один-два порядка выше реальных значений на ГСО.

Исследование воздействия поверхностных ЭСР осуществлялись в НИИЯФ МГУ на специально созданном лабораторном оборудовании на базе стенда электронных пушек, используемых в составе линейных ускорителей.

Установка обеспечивала облучение образцов потоками электронов, имитиру-ющими воздействие горячей магнитосферной плазмы с энергиями  от 10 до 40 кэВ при плотности тока первичных электронов 1-200 нА/см2.

Исследование образцов на возникновение объемных ЭСР были проведены на двух высокочастотных линейных электронных ускорителях в НИИЯФ МГУ, обеспечивающих  изменение  энергии  воздействующих  на образцы  электронов в диа-пазоне  ~ 0,1 - 10 МэВ при плотности потока электронов 1011 - 1012 электрон · см-2 · с-1 и флюенсе (1 - 5) · 1014 электрон · см-2.

Параметры электронных пучков и исследуемых образцов в процессе облучения контролировались с помощью соответствующей диагностической аппаратуры, включающей систему датчиков и электронно-цифровую систему накопления и обработки информации.

Температура образцов в нормальных условиях эксперимента составляла от + 20 до + 50° С, а пониженная температура (- 60° С) обеспечивалась с помощью трехкаскад-ного холодильного агрегатора, построенного на основе элементов Пельтье.

Объектом исследований были следующие образцы:

лицевые ЗСП из стекла CMG толщиной 0,1 мм с антиотражающим покрытием MgF2; тыльные ЗСП из стекла К-208 толщиной 0,13 мм;

контрольные образцы стекла толщиной 0,5 см (только для иcследований на объемную электризацию);

CIC ФП3П, состоящие из одного ФП3П с двумя ЗСП, наклеенными на лицевую и тыльную поверхности ФП3П; фрагмент СБ, состоящий из двух последовательно соединенных CIC ФП3П, закрепленных на каркасе.

Результаты исследования внешних ЭСР

Тестовые эксперименты показали, что при значениях плотности тока электронного пучка J = 0,1 – 1 нА/см2, соответствующего реальным параметрам ГМП в области ГСО [5], электрические разряды в образцах не возникали. Поэтому, прежде всего, был определен порог появления разрядов в образцах путем постепенного повышения J.  При увеличении J вначале наблюдалось только свечение образцов, а затем при дальнейшем повышении J появлялись разряды.

На рис. 1 в качестве примера приведены изображения сборки из двух CIC ФП3П с диодным блоком (а) и образца защитного стекла К?208 (б), установленных в камере экспериментальной установки. На обоих рисунках видны области слабого свечения, обусловленного ЭСР.

Рис. 1. Сборка из двух ФП3П с диодным блоком (а)

и образца защитного стекла (б) в камере установки.

На рис. 2 показаны изображения ЭСР, возникающих на поверхности CIC ФП3П. Видно, что области локализации ЭСР примыкают к краям ФП, где возникают  наиболее высокие градиенты потенциала. Конфигурация разрядов отличается для разных случа-ев, хотя их общий характер приблизительно одинаков.

При облучении во многих случаях наблюдалось повторное возникновение разрядов в тех же зонах, характеризуемых, по-видимому, пониженной электрической прочностью. Разряды могут возникать одновременно в нескольких точках поверхности, причем их частота и интенсивность зависят от конфигурации окружающих проводящих и непроводящих элементов. Так, для показанной на рис. 1 сборки разряды происходят между поверхностью защитного стекла ФП3П и металлическими частями сборки. При установке исследуемых ФП3П и защитных стекол на диэлектрическую подложку, например из фторопласта, помимо ЭСР с образцов наблюдается возникновение разрядов и с этой подложки.

Рис. 2. Изображения ЭСР в ФП.

Для исследуемых ЗСП из стекол К?208 порог возникновения разрядов по плотности тока составлял ~ 5 - 13,5 нА/см2, что выше значений, наблюдавшихся в ряде других работ [14, 15]. Такое увеличение порога может быть объяснено меньшей толщиной исследуемых пластин (130 мкм) по сравнению с рассмотренными в упомянутых  работах.  Для  стекла  CMG  порог  возникновения  разрядов  достигал ~ 20 - 56 нА/см2, что объясняется тем, что проводимость этого стекла в 2 раза выше чем у К-208. В области пороговых значений плотности тока частота следования ЭСР составляла 10-2 - 10-1 Гц, а при увеличении плотности тока она повышалась до 1 - 5 Гц.

Так, для стекла К?208 при плотности тока ~ 30 нА/см2 средний период следования составлял около 2 с. Дальнейшее увеличение тока до ~ 100 - 200 нА/см2 незначительно уменьшало период следования – до ~ 0,5 с. Следует отметить, что порог потенциала  поверхности  стекла,  при  котором происходил разряд, лежал в области 6 -9 кВ. Параметры разрядных импульсов представлены на рис. 3. Амплитуда разрядов составляла  от  37,5 до 69,4 В,  а  длительность  разрядных импульсов колебалась от 4 до 8 мкс.

Так как все зарядно-разрядные процессы формируются в ЗСП, которые являются единственным диэлектриком в фотогенераторной части СБ, то более подробно исследовались последствия ЭСР в стеклянных образцах с помощью метало-графического микроскопа Nikon Eclipse LV100D-U (Япония). На рис. 4 показаны результаты воздействия ЭСР на ЗСП, изготовленных из стекла CMG и К-208 при различных энергиях E, плотностях J и частотах разрядов f.

На рис. 4 а показана конфигурация разрядных каналов в защитной стеклянной пластине, изготовленной из стекла CMG. Сеть каналов, параллельных поверхностям пластины и залегающих на глубине пробега электронов, собирается в центральный разрядный канал, выходящий на поверхность. Для защитного стекла К?208 наблюдались значительно меньшие по площади фигуры горизонтальных разрядных каналов, окружающих центральный канал, что объясняется, по-видимому,  более высокой проводимостью стекла CMG по сравнению со стеклом К?208.

Рис. 3 а, б. Характеристики разрядных импульсов.

Образовавшиеся под воздействием ЭСР кратеры располагались по поверхности стекла хаотично, что связано, по-видимому, с различным местонахождением неоднородностей структуры, состава, различных включений и т. д., в которых напряженность локального электрического поля превышает прочность материала. После нескольких первых разрядов остальные пробои локализовались на уже поврежденных участках стекла. При этом на поверхности стекла К-208 встречались одиночные кратеры, а на CMG, в основном, кластеры – группы из нескольких близкорасположенных кратеров. На некоторых образцах наблюдались сквозные пробои. Средний размер кратеров составлял от 25 до 250 мкм, а их глубина изменялась от 15 до 130 мкм.

Другой характерной особенностью последствий ЭСР в образцах ЗСП являлось появление трещин, идущих от центрального канала (кратера). Образование трещин было связано в большей степени с качеством исходного стекла, чем с плотностью потока первичных электронов J. Например, на некоторых ЗСП из стекла CMG трещины не  возникали  даже  при  J = 80 нА/см2 (рис. 4 а, 4 г), а при J = 59,2 нА/см2  (рис. 4 б) и  J = 11,9 нА/см2 (рис. 4 д)  они появлялись. С другой стороны, при значениях J, приближающихся к 200 нА/см2 наблюдались глубокие трещины в образцах обоих типов (рис. 4 в и 4 е).

С целью определения возможной оптической деградации ЗСП в результате воздействия ЭСР были измерены коэффициенты пропускания стеклянных образцов в диапазоне длин волн 300 - 1200 нм на спектрофотометре типа СФ-26.

При измерении коэффициента пропускания в зависимости от длины волны падающего излучения в спектральной области чувствительности ФП3П на спектро-фотометре данные снимаются с площади около 2,5 см2, при этом вся поверхность образца составляет около 28,5 см2. Поэтому, учитывая неравномерность распределения кратеров, образованных выходящими на поверхность центральными разрядными каналами, и горизонтальных разрядных каналов по поверхности стеклянных пластин, было предложено измерить пропускание в местах наиболее сильного повреждения стекла и на участках, оставшихся «чистыми».