Методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей с помощью ускорителей электронов и протонов
Предложена методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей под воздействием потоков протонов и электронов космического происхождения с помощью ускорителей заряженных частиц. Запропонована методологія імітації радіаційних пошкоджень фотоперетворювачів сонячних бат...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2003 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2003
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110885 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей с помощью ускорителей электронов и протонов / И.М. Неклюдов, Б.В. Борц, В.В. Ганн, Г.Д. Толстолуцкая // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 3. — С. 62-65. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110885 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Неклюдов, И.М. Борц, Б.В. Ганн, В.В. Толстолуцкая, Г.Д. 2017-01-06T16:56:00Z 2017-01-06T16:56:00Z 2003 Методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей с помощью ускорителей электронов и протонов / И.М. Неклюдов, Б.В. Борц, В.В. Ганн, Г.Д. Толстолуцкая // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 3. — С. 62-65. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110885 539.1.043:539.1.08 Предложена методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей под воздействием потоков протонов и электронов космического происхождения с помощью ускорителей заряженных частиц. Запропонована методологія імітації радіаційних пошкоджень фотоперетворювачів сонячних батарей під впливом протонів та електронів космічного простору за допомогою прискорювачів заряджених часток. Methodology of the radiation damage simulation of the photo-converter of the solar battery under the outer space protons and electron influence by charged particles accelerators use is proposed. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей с помощью ускорителей электронов и протонов Методологія імітації радіаційних пошкоджень фотоперетворювачів сонячних батарей за допомогою прискорювачів електронів і протонів Methodology of the radiation damage simulation of thesolar battery converters by electron and proton accelerators Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей с помощью ускорителей электронов и протонов |
| spellingShingle |
Методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей с помощью ускорителей электронов и протонов Неклюдов, И.М. Борц, Б.В. Ганн, В.В. Толстолуцкая, Г.Д. Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах |
| title_short |
Методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей с помощью ускорителей электронов и протонов |
| title_full |
Методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей с помощью ускорителей электронов и протонов |
| title_fullStr |
Методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей с помощью ускорителей электронов и протонов |
| title_full_unstemmed |
Методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей с помощью ускорителей электронов и протонов |
| title_sort |
методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей с помощью ускорителей электронов и протонов |
| author |
Неклюдов, И.М. Борц, Б.В. Ганн, В.В. Толстолуцкая, Г.Д. |
| author_facet |
Неклюдов, И.М. Борц, Б.В. Ганн, В.В. Толстолуцкая, Г.Д. |
| topic |
Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах |
| topic_facet |
Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах |
| publishDate |
2003 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Методологія імітації радіаційних пошкоджень фотоперетворювачів сонячних батарей за допомогою прискорювачів електронів і протонів Methodology of the radiation damage simulation of thesolar battery converters by electron and proton accelerators |
| description |
Предложена методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей под воздействием потоков протонов и электронов космического происхождения с помощью ускорителей заряженных частиц.
Запропонована методологія імітації радіаційних пошкоджень фотоперетворювачів сонячних батарей під впливом протонів та електронів космічного простору за допомогою прискорювачів заряджених часток.
Methodology of the radiation damage simulation of the photo-converter of the solar battery under the outer space protons and electron influence by charged particles accelerators use is proposed.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110885 |
| citation_txt |
Методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей с помощью ускорителей электронов и протонов / И.М. Неклюдов, Б.В. Борц, В.В. Ганн, Г.Д. Толстолуцкая // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 3. — С. 62-65. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT neklûdovim metodologiâimitaciiradiacionnyhpovreždeniifotopreobrazovateleisolnečnyhbatareispomoŝʹûuskoriteleiélektronoviprotonov AT borcbv metodologiâimitaciiradiacionnyhpovreždeniifotopreobrazovateleisolnečnyhbatareispomoŝʹûuskoriteleiélektronoviprotonov AT gannvv metodologiâimitaciiradiacionnyhpovreždeniifotopreobrazovateleisolnečnyhbatareispomoŝʹûuskoriteleiélektronoviprotonov AT tolstoluckaâgd metodologiâimitaciiradiacionnyhpovreždeniifotopreobrazovateleisolnečnyhbatareispomoŝʹûuskoriteleiélektronoviprotonov AT neklûdovim metodologíâímítacííradíacíinihpoškodženʹfotoperetvorûvačívsonâčnihbatareizadopomogoûpriskorûvačívelektronívíprotonív AT borcbv metodologíâímítacííradíacíinihpoškodženʹfotoperetvorûvačívsonâčnihbatareizadopomogoûpriskorûvačívelektronívíprotonív AT gannvv metodologíâímítacííradíacíinihpoškodženʹfotoperetvorûvačívsonâčnihbatareizadopomogoûpriskorûvačívelektronívíprotonív AT tolstoluckaâgd metodologíâímítacííradíacíinihpoškodženʹfotoperetvorûvačívsonâčnihbatareizadopomogoûpriskorûvačívelektronívíprotonív AT neklûdovim methodologyoftheradiationdamagesimulationofthesolarbatteryconvertersbyelectronandprotonaccelerators AT borcbv methodologyoftheradiationdamagesimulationofthesolarbatteryconvertersbyelectronandprotonaccelerators AT gannvv methodologyoftheradiationdamagesimulationofthesolarbatteryconvertersbyelectronandprotonaccelerators AT tolstoluckaâgd methodologyoftheradiationdamagesimulationofthesolarbatteryconvertersbyelectronandprotonaccelerators |
| first_indexed |
2025-11-24T02:18:44Z |
| last_indexed |
2025-11-24T02:18:44Z |
| _version_ |
1850837961748250624 |
| fulltext |
УДК 539.1.043:539.1.08
МЕТОДОЛОГИЯ ИМИТАЦИИ РАДИАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ
ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
С ПОМОЩЬЮ УСКОРИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ И ПРОТОНОВ
И.М. Неклюдов, Б.В. Борц, В.В. Ганн, Г.Д. Толстолуцкая
Национальный научный центр
«Харьковский физико-технический институт», г. Харьков, Украина
Предложена методология имитации радиационных повреждений фотопреобразователей солнечных батарей под
воздействием потоков протонов и электронов космического происхождения с помощью ускорителей заряженных ча-
стиц.
ВВЕДЕНИЕ
В околоземном и межпланетном пространстве
материалы и элементы оборудования космических
аппаратов (КА) подвергаются воздействию разнооб-
разных факторов космической среды, в частности,
корпускулярных потоков различного происхожде-
ния. Радиационные условия на борту КА зависят от
расположения его орбиты относительно радиацион-
ных поясов Земли. Максимальная поглощенная доза
излучения приходится на внешнюю поверхность
КА. Наиболее подвержены радиационному воздей-
ствию полупроводниковые и диэлектрические мате-
риалы, в частности, фотопреобразователи солнеч-
ных батарей. Солнечная батарея - полупроводни-
ковый фотоэлектрический генератор, непосред-
ственно преобразующий энергию солнечной радиа-
ции в электрическую, - в настоящее время является
основным источником автономного энергопитания в
космических аппаратах. В качестве материала
фотоэлементов используют высокочистый кремний
в виде монокристаллических пластин толщиной
0,05…0,4 мм и кварцевое стекло толщиной 0,05…
0,15 мм в качестве прозрачного защитного покры-
тия. Солнечные батареи подвержены деградации
(снижению вырабатываемой мощности) при воздей-
ствии космической радиации, включающей комби-
нированное УФ - и рентгеновское излучение, элек-
троны, солнечный ветер, солнечные космические
лучи.
При исследованиях влияния корпускулярного из-
лучения на физико-химические свойства материалов
выделяют два типа основных воздействий [1]. Пер-
вый определяется ионизационными процессами,
второй – структурными нарушениями материалов.
Ионизационные явления зависят от мощности дозы
излучения и исчезают с различным временем релак-
сации при выходе КА из радиационного пояса Зем-
ли. Нарушения структуры материала определяются
дозой и энергетическим спектром излучения. Пони-
мание роли ионизационных процессов и радиацион-
ных повреждений структуры, определение главен-
ствующей роли одного из них, позволяет значитель-
но упростить методику испытаний и выбор необхо-
димого комплекта имитационного оборудования.
Исследование влияния космической радиации на
характеристики фотопреобразователей проводят как
в космосе на орбите, так и в лабораторных условиях,
создавая для этих целей имитаторы космического
пространства [2,3]. Применение имитаторов требу-
ет:
− разработки научно-обоснованных принципов
ускоренных испытаний;
− обоснования замены воздействия космического
излучения с широким спектром энергий на ими-
тационные испытания с моноэнергетическим
спектром распределения частиц;
− определения энергий и доз имитационного облу-
чения, адекватных космическим излучениям.
МЕТОДОЛОГИЯ ИМИТАЦИИ
Протоны. Интегральный энергетический спектр
протонов в окрестности Земли приведен на рис.1.
Излучение имеет широкий энергетический спектр.
Интенсивности излучения для каждого энергетиче-
ского интервала различаются, поэтому следует ожи-
дать неравномерного распределения дозы излучения
по толщине материала.
Рис. 1. Интегральный энергетический спектр
протонов в окрестности Земли, состоящий из спо-
койного (1) и возмущенного (2) солнечного ветра,
частиц полярных сияний (3,4); солнечных космиче-
ских лучей (5-7); галактических космических лучей
(8); 9 – геомагнитная широта, 10 – шкала высот,
на которые могут проникать сверху протоны с
энергией выше заданной. Левая шкала – поток
протонов в см-2.с-1; нижняя шкала – кинетическая
энергия протонов в эВ [4]
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № 3. 62
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (83), с. 62-65.
В радиационных поясах Земли энергия протонов
изменяется от ~0,1 до ~100 МэВ. Интенсивность
потока протонов в этом энергетическом интервале
падает на пять порядков, составляя общую дозу
излучения за 10 лет работы аппарата в космосе ~1016
см-2 для энергий Ер~0,1…0,5 МэВ, 1015 см-2 для Ер~1
МэВ и 1011 см-2 для Ер≥10 МэВ. Если судить по дозе
излучения, то наибольшую повреждаемость должны
создавать протоны в энергетическом интервале
от~0,1 до 1…2 МэВ. Однако кроме дозы излучения
необходимо оценить влияние на радиационную
повреждаемость энергетического спектра протонов.
Влетающий в материал протон теряет свою энергию
в ядерных и электронных столкновениях. В таблице
приведены данные по потерям энергии протона в
кремнии.
Ер, МэВ dE/dX,
ядерные, эВ/Å
dE/dX,
электронные, эВ/Å
Rp, мкм
0.1 2,23.10-2 13 0,83
1,0 3,89.10-3 5 14,3
10 4,54.10-4 1 623
100 5,69.10-5 0,1 36600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
E = 1 МэВ
E = 0.1 МэВ p -> Si
E = 0.5 МэВ
d
E
/d
x,
М
эВ
/с
м
Глубина, мкм
0 50 100 150 200 250 300
0
100
200
300
400
500
600
700
E = 5 МэВ
E = 3 МэВ p -> Si
dE
/d
x,
М
эВ
/с
м
Глубина, мкм
Рис.2. Расчетные профили энерговыделения в
кремнии протонов с энергией 0,1; 0,5; 1; 3 и 5 МэВ
Как видно из таблицы, для протона в кремнии
ядерные потери энергии на несколько порядков
меньше электронных потерь. Следовательно, при
незначительной генерации точечных дефектов энер-
гия излучения, в основном, расходуется на иониза-
цию и возбуждение электронов регулярных атомов
решетки, а также на увеличение тепловой энергии
электронов проводимости. При этом происходит
сложная перестройка электронной подсистемы кри-
сталла, в результате которой в действие вступают
дополнительные механизмы образования точечных
дефектов.
Для постановки работ по имитации воздействия
протонов на ионные кристаллы и полупроводники
необходима информация относительно профилей
потери энергии. На рис.2 приведены расчетные про-
фили электронных потерь энергии в кремнии для
протонов с энергией 0,1…5 МэВ.
Из рис.2 видно, что при энергии протона 0,1 МэВ
энерговыделение происходит в толщине ∼1 мкм. С
увеличением энергии протона глубина растет и при
Е=5 МэВ составляет ∼200 мкм, причем область
практически равномерного выделения энергии со-
ставляет около 150 мкм. Значение потерь энергии
при этом изменяется незначительно. Для создания
радиационных повреждений в максимально возмож-
ной толщине материала (0,7 мм) необходима энер-
гия протона 10 МэВ. Исследования с применением
пучков частиц с энергиями 5…10 МэВ требуют ис-
пользования дорогостоящего оборудования. Однако
в случае, когда исследования материала фотоэле-
ментов и защитных покрытий производятся в
отдельности с целью изучения физики процессов, с
достаточной степенью достоверности имитацию
воздействия протонов космического пространства
на фотопреобразователи солнечных батарей можно
проводить на ускорителях протонов с энергиями ча-
стиц 0,2…2 МэВ. Мегаэлектронвольтный диапазон
энергий позволяет выполнять облучения широким
энергетическим спектром близким к космическому,
используя пластины с определенным профилем или
изменяя углы падения пучка по заданной программе
[1,5].
Электроны являются одной из составляющих
солнечного ветра, солнечных космических и галак-
тических лучей. Энергетический спектр электронов,
рассчитанный для высокой относительно радиаци-
онных поясов Земли орбиты искусственного спутни-
ка, приведен на рис.3.
0 1 2 3 4 5 6
107
108
109
1010
1011
1012
1013
Электроны
φ,
с
м-2
су
тк
и-1
E, МэВ
Рис.3. Энергетический спектр электронов
При имитации воздействия электронов на мате-
риалы важным является определение профиля
поглощенной энергии и пробега электрона. Профи-
ли энерговыделения в мишенях, облучаемых элек-
тронами мегаэлектронвольтных энергий, изучаются
в течение многих лет. Энергетические потери, обу-
63
словленные процессами ионизации и возбуждения
атомов, в тонких мишенях хорошо описываются
формулой Бете-Блоха [6]. При расчетах профилей
потерь энергии в толстых мишенях основную труд-
ность представляет учет многократного рассеяния
электронов, а в расчетах профилей энерговыделения
– учет вклада δ-электронов в переносе энергии.
Проективный пробег электрона в веществе не
имеет определенного значения вследствие сильного
многократного рассеяния. Экспериментально изме-
ряется так называемый экстраполированный пробег
R(E), который соответствует глубине, на которой
количество прошедших электронов стремится к ну-
лю. Теоретически вычислить экстраполированный
пробег весьма затруднительно, однако существует
ряд эмпирических формул для оценки экстраполи-
рованного пробега, например, формула Каца для
алюминия, R(E) = 0,4Е 1,265-0.0954lnЕ, где R(E)-пробег в
г/см2, Е-энергия в МэВ [6].
Профили энерговыделения обладают ярко выра-
женным максимумом, который обусловлен конку-
ренцией двух тенденций: с ростом глубины величи-
на потери энергии электрона увеличивается, а число
электронов, оставшихся в пучке, уменьшается. Экс-
периментальные данные [7] свидетельствуют о том,
что для электронов мегаэлектронвольтных энергий
все профили энерговыделения, изображенные в ло-
гарифмической шкале глубин, имеют одну и ту же
форму, которая лишь сдвигается вглубь с ростом
энергии пучка. Форму этого профиля можно ап-
проксимировать функцией Ρ(ξ), где ξ - глубина, от-
несенная к экстраполированному пробегу: ξ= x /
R(E). Функция Ρ(ξ) изображена на рис.4, она нор-
мирована следующим образом: ∫Ρ(ξ)dξ=1. Функция
Ρ(ξ) для электронов в диапазоне энергий 0.1…3
МэВ является универсальной и не зависит от энер-
гии.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
P
(ξ
)
ξ
Рис.4. Универсальный профиль энерговыделения
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0
2
4
6
8
E = 1 МэВ
E = 2 МэВ
e -> Si
d
E
/d
x,
М
эВ
/с
м
Глубина, см
Рис.5. Расчетный профиль энерговыделения в крем-
нии для электронов с Е=1…2 МэВ
Профиль энерговыделения Q(x) выражается
функцией: Q(x) = E •P{x/R(E)} /R(E). В случае крем-
ния расчетные профили энерговыделения Q(x) для
электронов с энергией 1 и 2 МэВ показаны на рис.5.
Зависимости среднего энерговыделения от толщины
образца, а также минимальное и максимальное зна-
чения энерговыделения в образце приведены на рис.
6.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0
2
4
6
8
максимальное
минимальное
среднее значение
e -> Si
E = 2 МэВ
(d
E
/d
x)
с
р ,
М
эВ
/с
м
Толщина, см
Рис.6. Зависимость минимального, максимального и
среднего значения энерговыделения от толщины
образца
Представляет интерес проследить за энерговыде-
лением в кремнии на глубине, соответствующей ре-
альным размерам объектов 0,1…0,7 мм. На рис.7
изображены профили энерговыделения для объек-
тов, имеющих сложную структуру: пластина крем-
ния сверху покрыта кварцевым стеклом.
0,00 0,02 0,04 0,06
0
2
4
6
8
10
12
14
E = 0,2 МэВ
E = 1 МэВ
SiSiO2
e -> SiO2+Si
d
E
/d
x,
М
эВ
/с
м
Глубина, см
Рис.7. Профили энерговыделения в пластине крем-
ния со стеклянным покрытием для электронов с
Е=0,2 и 1 МэВ
64
Сравнение кривых на рис.7 показывает, что элек-
троны с энергией 0,2 МэВ полностью останавлива-
ются в защитном покрытии, тогда как энерговыделе-
ние электронов с Е=1 МэВ происходит практически
по всей толщине защитного покрытия и фотоэле-
мента. Таким образом, более представительной яв-
ляется имитация воздействия космического излуче-
ния на ускорителях электронов с энергией ∼1 МэВ.
Этот вывод подтверждается данными натурных экс-
периментов, полученных с 18 искусственных спут-
ников Земли, функционирующих на орбитах, близ-
ких к геостационарной. Анализ этих данных показы-
вает [8], что максимум дефектов вносят электроны в
интервале энергий 0,6…0,8 МэВ, с плотностью по-
тока (1…2).1014 эл/см2.
Вывод. Достоверные результаты по имитации
воздействия факторов космического пространства
на элементы солнечных батарей и созданию радиа-
ционных повреждений по всей толщине исследуе-
мого материала могут быть получены при облуче-
нии протонами и электронами с энергиями
1…2 МэВ.
ЛИТЕРАТУРА
1.А.И. Акишин, И.Б. Теплов. Имитация воздействия
космических излучений на материалы //Физика и хи-
мия обработки материалов. 1992, № 6, с. 47–57.
2.А.И. Акишин, Л.С. Новиков. Методика и оборудо-
вание имитационных испытаний материалов кос-
мических аппаратов. Ч.IV. М.: «Изд-во Моск. ун-
та», 1989, 90 с.
3.В.Ф. Рыбалко, И.М. Неклюдов, Г.Д. Толстолуцкая,
Б.В. Борц, А.Н. Морозов, В.В. Ружицкий, С.А. Кар-
пов, В.В. Абраимов, Л.К. Колыбаев, Ян Де-Джуан,
Хе-Ши-Юй. Ускорительный комплекс с совмещен-
ными пучками протонов и электронов для имитато-
ра факторов космического пространства //Вопросы
атомной науки и техники. Серия: «Физика радиаци-
онных повреждений и радиационное материалове-
дение». 1999, вып. 3(75), с. 125–129.
4.Физика космоса: Маленькая энциклопедия. М.:
«Сов. энциклопедия», 1986,с.783.
5.В.В. Ганн, И.М. Неклюдов, Л.И. Пивовар и др.
Влияние способа имплантации гелия на блистеринг
нержавеющей стали //Атомная энергия. 1980, т. 48,
вып.4, с. 266–267.
6.L. Katz, A.S. Penfold //Rev. Mod. Phys. 1952, v. 24, p
28–35.
7.Handbuch der Physic. Springer Verlag, Berlin, 1958,
b. 34.
8.W. Picciano, R.A. Reitman, R.J. Grant //8-th IEEE
Photovoltaic Specialists Conf., August 4-7, 1970.
МЕТОДОЛОГІЯ ІМІТАЦІЇ РАДІАЦІЙНИХ ПОШКОДЖЕНЬ ФОТОПЕРЕТВОРЮВАЧІВ
СОНЯЧНИХ БАТАРЕЙ ЗА ДОПОМОГОЮ ПРИСКОРЮВАЧІВ ЕЛЕКТРОНІВ І ПРОТОНІВ
І.М. Неклюдов, Б.В. Борц, В.В. Ганн, Г.Д. Толстолуцька
Запропонована методологія імітації радіаційних пошкоджень фотоперетворювачів сонячних батарей під
впливом протонів та електронів космічного простору за допомогою прискорювачів заряджених часток.
METHODOLOGY OF THE RADIATION DAMAGE SIMULATION OF THESOLAR BATTERY CON-
VERTERS BY ELECTRON AND PROTON ACCELERATORS
I.M. Nekluydov, B.V. Borts, V.V. G.D. Tolstolutskay
Methodology of the radiation damage simulation of the photo-converter of the solar battery under the outer space
protons and electron influence by charged particles accelerators use is proposed.
65
|