空间环境和污染对光学器件的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京卫星环境工程研究所 作者:李鸿勋

  用于观测卫星、气象卫星、空间望远镜上的各种光学器件及其光学涂层必须经受住空间环境和污染的考验才能保证航天器的可靠性。采取有效措施减少空间环境的影响是解决问题的关键。对于低温光学仪器是个相对独立的系统,在冷却期间必须保证仪器中最冷的传感器芯片保持最高温度,这样在冷却之前污染物就不会被吸附在表面上。最好的方法是在光学器件的适当位置安装加热器及污染控制罩。

  引言

  航天器及其重要部件的表面在空间环境和污染的条件下,会影响航天器及相关部件的可靠性和质量,因此空间环境和污染问题受到了广泛关注,并进行了大量研究工作,以便研讨有效空间环境和控制污染的措施。保障航天器能正常运行和顺利完成飞行任务。

  光学器件中的光学仪器、太阳能电池、辐射器和光学太阳能反射器等部件都是航天器上的重要部件。任何部件性能的降低或损坏都会影响航天器可靠性。光学器件及其光学涂层必须要经受住空间环境和污染的考验才能保证航天器的可靠性。研究空间环境和污染对光学器件及其光学涂层的影响和污染控制技术是非常必要的。

  1、空间环境对光学器件及其涂层的影响

  光学器件及其光学涂层要经受空间环境的考验。当涂层不够致密而是多孔涂层时,空间真空会引起光谱漂移和由于水的释放带来压力的变化。低轨道原子氧会引起腐蚀。在阳光照射或其他高能辐射的作用下,会使敏感表面产生光化学反应。暴露到太阳辐射的涂层承受出气污染的紫外线固定。增加了污染沉积的可能,改变了沉积层的特性,使污染层变暗,颜色加深,对敏感表面带来严重影响。在激光诱导污染下,造成高吸附和潜在的激光损害。在深空要承受-270 ℃的低温。在内行星温度要超过300 ℃。这样恶劣温度条件对光学器件及其光学涂层是严重的挑战。

  空间主要环境成分为真空、低温、太阳辐照、空间辐射和原子氧。对光学器件及其光学涂层的性能产生重要影响。

  1.1、空间真空的影响

  空间真空压力低轨道典型环境压力为10-6 MPa,在高轨道和行星际轨道压力会更低。对于光学器件高致密涂层,真空的影响很小,但对于多孔涂层会造成光谱响应向较低波长移动。经典的电子束蒸发涂层有大的孔隙度,特别是在界面处,由于从地面到空间因而空气到真空的变换是显而易见的。空气到真空的变换对仪器性能的影响是显著的。大气激光多普勒设备(ALADIN)的激光器主振荡器内的电介质偏振器空气到真空的变换引起Q 开关机构完全失效,由于激光腔体无源损失的增加引起的。很显然在空间的涂层必须完全致密化才会避免这种影响。

  由于涂层水份损失的影响,产生了应力变化,其应力从压缩变为拉伸。对具有校准性能并敏感的焦平面仪器会引起不可接受的散焦。激光器涂层会影响激光损伤阈值(LIDT),在对大气激光多普勒设备的激光器进行广泛试验比较后可观察到,在真空状态下激光损伤阈值比相同样品在空气中试验值減少,因为涂层有一个显著的孔隙。在致密涂层,从空气到真空时激光损伤阈值没有減少。

  1.2、真空环境中的热循环

  在空间的光学器件及其涂层常承受大幅度的热循环。一般来说,光学器件在空间的热环境是用加热器和辐射制冷器来控制的。在低地球轨道工作的光学器件仍要承受-40~+50℃范围的热循环。太阳帆板的盖玻片直接暴露到太阳下,意味着其暴露到-40~+120℃热循环状态。由于真空热循环涂层的失效是经常的,当材料由涂层和衬底两层组成时,材料热膨胀系数不同就会造成应力。

  1.3、太阳辐照

  太阳粒子辐射和无粒子辐射的太阳辐照作用不同。来自太阳光谱较高能量的紫外线波长能引起涂层变黑,由于彩色中心的形成或有机污染物聚合。在这种情况下,涂层吸附的增加在紫外光谱末端是最大的。

  由于太阳辐照,太阳能电池盖玻片和用于辐射制冷器的光学太阳反射器的性能降低是很严重的。太阳能电池盖玻片性能降低,使太阳能电池的转换效率明显减小,造成太阳帆板产生的功率受到损失。太阳反射器的性能降低,这会使辐射制冷器效率受到损失,造成被冷却设备过热。在地面试验中,在真空中带有紫外辐照时,太阳能电池盖玻片性能明显降低。

  对于光学太阳反射器,性能降低导致涂层太阳吸收率增加,使辐射制冷器效率降低,导致卫星温度总体增加。

  1.4、粒子辐射

  在空间的光学器件,主要关注质子和电子,定性的被定义为低能量(<1 MeV)和高能量(>1 MeV)。对于涂层最关注低能量粒子辐射,薄的涂层可以吸收低能量粒子辐射,而较高的能量辐射仅部分被吸收。能量<240 keV的质子能引起特别严重的性能降低,由于多数损伤发生在质子在材料中停止的地方。粒子辐射引起的衰变效应一般类似于紫外线造成的衰变,在较低波长光学性能有更大的衰变,随着移向较高波长,较低波长逐渐减少。

  对粒子辐射诱导的衰变的敏感性可以用适当的掺杂剂减轻。如太阳能电池盖玻片使用铈掺杂或防辐射玻璃进行防护。无保护玻璃会显示出快速变暗,在空间应避免应用。

  空间辐射环境对光学器件的影响主要表现两方面:总剂量效应(TID)和置换损伤效应(DDD)。这两种效应都属于累积效应。反光镜、光滤波器等光学器件主要影响因素是TID效应。光学材料中结构缺陷捕获带电粒子,形成新的电子构型中心从而吸收入射光,形成吸收带即色心,引起材料光学性质的改变。光学材料外在表现为变暗变黑,透射率下降,造成光学成像系统的成像信号衰减。材料光学性能的变化会影响光学系统的整体性能。

  1.5、紫外线辐射

  紫外线辐射使污染的光学器件受到更大影响。污染表面暴露到紫外线辐射时,光学表面污染气体沉积比无紫外线辐射明显增加。由于光学器件表面污染物被紫外线激活的聚合反应和在空间的协同效应。

  类似的例子是激光诱导污染(LIC),暴露在非氧化性环境中高强度辐照的激光器光学器件区域会形成大量吸附沉积物。大气激光多普勒设备激光器真空试验中,由于在紫外线光学器件上激光诱导污染,在6 h内会使激光器能量降低2倍。

  1.6、原子氧

  在地球高轨道时原子氧(ATOX)是大气中的主要成分。主要影响是反应溅射和腐蚀表面,特别是遇到含有与氧元素有反应的表面影响更明显。原子氧对航天器的主要影响是腐蚀。由于航天器表面会产生腐蚀放出气体,这些气体也是空间分子污染的另一个来源。污染层对光学器件表面会带来影响,并且可能与其他环境效应产生反应,使污染变得更加复杂。金属银特别容易受到原子氧影响而性能下降,有时银用作卫星望远镜反射器的涂层,银涂层可能会影响望远镜的性能。在使用保护层时必须当心针孔和其他缺陷的存在。

  3、结束语

  空间环境对光学器件及其涂层的影响是很明显的。多孔涂层在真空会造成光谱响应的变化,由于水损失使涂层总应力产生变化。真空热循环环境下,由于水释放引起涂层应力产生变化,又会因为涂层与衬底两层热膨涨系数不同产生热应力。太阳辐照导致涂层吸收率增加,辐射率下降,使辐射制冷器效率降低,导致卫星温度增加。粒子辐射使敏感光学表面变暗,光学材料和器件性能衰变,使光学系统整体性能下降。紫外线会使光学表面污染气体沉积明显增加。原子氧会使航天器表面产生腐蚀。污染来自分子污染和粒子污染。污染会使各种传感器信号强度下降;使太阳电池功率输出下降;使辐射器和太阳能反射器温度升高;使反射镜反射信号强度降低;降低了焦平面阵列信噪比;粒子污染会影响透镜和焦平面阵列信号的传输,降低信号强度;污染对低温光学器件影响严重,污染气体凝结的可能性明显增加。有效控制污染的方法是航天器在设计时就考虑到控制污染的问题,并在生产到发射全过程都要保证污染控制在要求的水平。对于低温光学仪器要根据外部污染情况分析结果,分为制造和试验、在轨冷却和在轨工作三个阶段进行控制污染。由于污染对光学器件性能的严重影响,必须高度重视污染问题。

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