Главная Каталог статей Физика Физика и технология наноструктур, атомная и молекул

Моделирование перераспределения натрия в облученном протонами слое защитного стекла солнечных батарей космических аппаратов

Авторы: Кузнецов И.С.
Опубликовано в выпуске: #5(94)/2024
DOI:
Раздел: Физика \| Рубрика: Физика и технология наноструктур, атомная и молекул
Ключевые слова: облучение, стекло К-208, инжектированный заряд, полевая миграция ионов, атомно-силовая микроскопия, газонаполненные пузырьки
Опубликовано: 17.11.2024

Для интерпретации экспериментальных результатов облучения стекла, содержащего оксиды натрия и калия, протонами с энергией 40 кэВ предлагается модель, описывающая процесс полевой миграции ионов натрия, который играет ключевую роль в перестройке микроструктуры стекла. С помощью просвечивающего/растрового электронного микроскопа (П/РЭМ) TITAN 80-300 проведены измерения концентрации натрия в приповерхностных слоях стекла, которые подвергались воздействию протонов. Результаты измерений и расчетов показали, что в результате миграции в поле инжектированного в стекло заряда ионы натрия мигрируют из зоны максимума распределения термализованных протонов к облучаемой поверхности стекла. Для рассмотрения процесса перераспределения ионов натрия в стекле предложено использовать математическую модель дрейфово-диффузионной задачи. Она решается в приповерхностной области облучаемого протонами стеклянного образца до момента установления равенства дрейфового и диффузионного потоков. Полученные результаты моделирования показывают, что равенство потоков в рассматриваемых условиях достигается через промежуток времени, равный приблизительно полутора часам. При этом равновесная концентрация ионов натрия у внешней поверхности облучаемого образца прямо пропорциональна индуцированному излучением электрическому полю внутри образца.

Литература

[1] Podsvirov O.A., Ignatiev A.I., Nashchekin A.V. et al. Modification of Ag containing photo-thermo-refractive glasses induced by electron beam irradiation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2010, vol. 268, Section B, no. 19, pp. 3103–3106. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2010.05.061

[2] Sidorov A.I., Nashchekin A.V., Nevedomsky V.N. et al. Self-assembling of silver nanoparticles in glasses under electron beam irradiation. International Journal of Nanoscience, 2011, vol. 10, no. 6, pp. 1265–1268. https://doi.org/10.1142/S0219581X11008411

[3] Ferguson D.C., Wimberly S.C. The Best GEO Daytime Spacecraft Charging Index. Proceed. 50th AIAA Aerospace Sci. Mtg., 2013 January, art. AIAA 2013-0810. https://doi.org/10.2514/6.2013-810

[4] Masui H., Toyoda K., Cho M. Electrostatic Discharge Plasma Propagation Speed on Solar Panel in Simulated Geosynchronous Environment. IEEE Transaction on Plasma Science, 2008, vol. 36, pp. 2387–2394. https://doi.org/10.1109/TPS.2008.2003191

[5] Сергеев П.М. и др. Наведенное электронным пучком поглощение в кварцевых стеклах. Оптический журнал, 2004, В.71, № 6, с. 93–97.

[6] Глебов Л.Б., Докучаев В.Г., Петровский Г.Т. Исследования спектров поглощения gamma-окрашенных силикатных стекол высокой частоты с переменным содержанием Fe3+. Физика и химия стекла, 1985, т. 11, № 1, с. 79–96.

[7] Глебов Л.Б., Докучаев В.Г., Петров М.А., Петровский Г.Т. Спектры поглощения центров окраски щелочносиликатных стеклах. Физика и химия стекла, 1990, т. 16, № 1, с. 39–47.

[8] Арбузов В.И., Толстой М.Н., Элертс М.А. Абсолютные характеристики центров окраски в стекле Na2O*3SiO2. Изв. АН СССР. Серия физическая, 1986, т. 50, № 3, с. 126–131.

[9] Norris C.B., Eernisse E.P. Ionization dilatation effects in fused silica from 2 to 18 Kev electron-irradiation. Journal of Applied Physics, 1974, vol. 45, iss. 9, pp. 3876–3882. https://doi.org/10.1063/1.1663878

[10] Primak W., Kampwirt R. Radiation compaction of vitreous silica. Journal of Applied Physics, 1968, vol. 39, iss. 12, pp. 5651–5657. https://doi.org/10.1063/1.1656029/

[11] Gavenda T., Gedeon O., Jurek K. Volume changes in glass induced by an electron beam. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2014, vol. 322, pp. 7–12. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2013.12.017

[12] Хасаншин Р.Х., Новиков Л.С., Коровин С.Б. Особенности структурных изменений поверхности стекла К-208 при электронно-протонном облучении. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2017, № 9, с. 28–34. https://doi.org/10.7868/S0207352817090049

[13] Ferguson D.C., Katz I. The Worst-Case GEO Environment and the Frequency of Arcs in GEO. IEEE Transactions on Plasma Science, 2015, vol. 43, no. 9, pp. 3021–3026.

[14] Gedeon O., Zemek J., Jurek K. Changes in alkali-silicate glasses induced with electron irradiation. J. Non-Crystalline Solids, 2008, vol. 354, iss. 12–13, pp. 1169–1171. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2006.12.125

[15] Cho M., Kawakita S., Nakamura M. et al. Number of Arcs Estimated on Solar Array of a Geostationary Satellite. J. Space. Rockets, 2005, vol. 42, no. 4, pp. 740–748. https://doi.org/10.2514/1.6694

[16] Хасаншин Р.Х., Новиков Л.С., Гаценко Л.С., Волкова Я.Б. Электроразрядные процессы при облучении стекол К-208 и CMG электронами с энергией в диапазоне от 10 до 40 кэВ. Перспективные материалы, 2015, № 1, с. 22–30.

[17] Хасаншин Р.Х., Новиков Л.С., Коровин С.Б. Влияние давления остаточной атмосферы на развитие электростатических разрядов на поверхности защитных стекол солнечных батарей. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2016, № 10, с. 14–24. https://doi.org/10.7868/S0207352816100103

[18] Ollier N., Charpentier T., Boizot B., Petite G. A structural approach by MAS NMR spectroscopy of mechanisms occurring under α-irradiation in mixed alkali aluminoborosilicate glasses. J. Phys. Condens. Matter., 2004, vol. 16, pp. 7625–7635. https://doi.org/10.1088/0953-8984/16/43/006

[19] Boizot B., Petite G., Ghaleb D., Calas G. Dose, dose rate and irradiation temperature effects in α-irradiated simplified nuclear waste glasses by EPR spectroscopy. J. Non-Cryst. Solids., 2001, vol. 283, pp. 179–185. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(01)00338-6

[20] Boizot B., Petite G., Ghaleb D. et al. Migration and segregation of sodium under α-irradiation in nuclear glasses. Nucl. Instr. Meth. B, 2000, vol. 166–167, pp. 500–504. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(99)00787-9

[21] Abbas A., Serruys Y., Ghaleb D. et al. Evolution of nuclear glass structure under α-irradiation. Nucl. Instr. Meth. B, 2000, vol. 166–167, pp. 445–450. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(99)00695-3

[22] Zhang G.F., Wang T.S., Yang K.J. et al. Raman spectra and nano-indentation of Ar-irradiated borosilicate glass. Nucl. Instr. Meth. B, 2013, vol. 316, pp. 218–221. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2013.09.020

[23] Chen L., Zhang D.F., Lv P. et al. Evolutions of molecular oxygen formation and sodium migration in Xe ion irradiated borosilicate glasses. Journal of Non-Crystalline Solids, 2016, vol. 448, pp. 6–10. http://dx.doi.org/10.1016/j.jnobcrysol.2016.06.029

[24] Chen L., Wang T.S., Yang K.J. et al. Raman study of Kr ion irradiated sodium aluminoborosilicate glass. Nucl. Instr. Meth. B, 2013, vol. 307, pp. 566–569. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2013.01.089

[25] Kudlinski A., Quiquempois Y., Martinelli G. Modeling of the ?(2) susceptibility time-evolution in thermally poled fused glass. Optics Express, 2005, vol. 13, no. 20, pp. 8015–8024. https://doi.org/10.1364/OPEX.13.008015