1

Глава 7 защита рэс от воздействия ионизирующих излучений

7.1. Общие сведения

Ионизирующие излучения (ИИ) как дестабилизирующий фактор условий эксплуатации РЭС проявляют свое действие в окружающей среде, содержащей источники ИИ. Естественной средой ИИ является околоземное космическое пространство (ОКП), В котором функционируют космические летательные аппаратьи (КЛА) и пилотируемые орбитальные станции, оснащенные РЭС] (рис. 7.1). Искусственные радиационные среды возникают вблизи ядерных энергетических установок и в эпицентре ядерного взрыва, где также возможна эксплуатация РЭС.

На рис. 7.1 показана структура магнитосферы и радиационные пояса Земли. Здесь р⁺⁺ — внутренний протонный пояс больших энергий (до 700 МэВ);

р⁺ — протонный пояс малых энергий (до 60 МэВ);

е^- — внешний (электронный) пояс (0,2...5,0 МэВ);

R- радиус Земли;

Г — положение орбиты геостационарного спугника (= 36 000 км);

М — положение орбиты метеорологического спутника (≈ 1 000 км);

МКС — положение орбиты Международной космической станции (≈ 400 км); С — Солнце;

Ф — фронт ударной волны солнечного ветра;

ЗКЗ — зона квазизахвата частиц солнечного ветра.

Современные средства связи функционируют и за пределам магнитосферы.

Для проектирования РЭС, устойчивых к воздействию ИИ, необходимо учитывать реальный состав и параметры этих излучений, понимать процессы их воздействия на материалы и ЭРК РЭС, а также знать существующие методы и способы радиационной защиты.

зкз

ис. 7.1. Структура магнитосферы Земли

7.2. Общая характеристика, состав и параметры ии

К ионизирующим относят излучения, взаимодействие которых с веществом приводит к его ионизации. Механизм и эффективность такого взаимодействия определяют проникающую способность ИИ и зависят от параметров ИИ и вещества.

Механизмы взаимодействия ИИ и вещества определяются возникающими при этом эффектами торможения и поглощения, сопровождающимися потерей частицами или квантами своей кинетической энергии, затрачиваемой на ионизацию атомов вещества или возбуждение ядер в результате упругих или неупругих столкновений с электронными оболочками или ядрами.

К ИИ относят

-α и β-излучения,

-протонное (р) и нейтронное (п) излучения,

-рентгеновское (R)

- γ-излучения.

-α-излучение представляет собой поток ядер атома гелия (заряд (q_α = +3,2 • 10^-19 Кл, масса т_а = 6,6 • 10^-27 кг, энергия Е_а — до 10³ МэВ), испускаемый при самопроизвольном распаде тяжелых радиоактивных ядер с массовым числом А > 200, например по схеме распада радия:

Ra 88²²⁶ -→ Rn 88²²² + α₂⁴.

Основными источниками естественного α -излучения являются галактическое излучение и солнечные вспышки.

β-излучение (электронное и позитронное) представляет собой поток легких заряженных частиц (заряд q_β = ±1,6 • 10^-19 Кл, масса m_β = 9,1 • 10^-31 кг, энергия Е_β — до 10 МэВ), испускаемых со скоростью ~ 10⁸ м/с при самопроизвольном распаде атомных ядер:

-электронов (β-излучение), которые испускают ядра атомов с относительным избытком нейтронов, в результате чего массовое число вещества не меняется, а его заряд увеличивается на единицу: РЬ₈₂²¹⁴ → Bi|₈₃¹⁴ + e^-. Основными источниками естественного электронного излучения являются радиационные пояса Земли (РПЗ);

-позитронов (β⁺-излучение), которые испускают ядра атомов с относительным избытком протонов, при этом массовое число вещества не меняется, а его заряд уменьшается на единицу: Р³°₁₅ → Si ³°₁₄ + e⁺

Протонное излучение представляет собой поток тяжелых положительно заряженных частиц — протонов (заряд q _p = +1,6 • 10^-19 Кл, масса т _p = 1,67 • 10^-27 кг, энергия Е_p, — до 10³ МэВ, очень редко —до 10¹⁴МэВ), входящих в состав всех атомных ядер и испускаемых в результате бомбардировки этих ядер α -частицами, нейтронами или γ-квантами, например по схеме N₇¹⁴ + α₂⁴ → О₈¹⁷ + р₁¹. Источниками протонного излучения являются галактические лучи, солнечные вспышки и РПЗ.

Нейтронное излучение представляет собой поток тяжелых нейтральных короткоживущих частиц — нейтронов (масса т_n = 1,67 • 10^-27 кг, энергия Е_n — от 0,025 эВ для холодных и до 15 МэВ для сверхбыстрых нейтронов, время жизни до 10³ с), входящих и состав всех (кроме водорода) атомных ядер и испускаемых в peзультате бомбардировки и деления атомных ядер, например по схеме U ₉₂²³⁵ + n₀¹ → Ва₅₆¹⁴⁵ + Зn₀¹. Основными источниками нейтронного излучения являются ядерные взрывы и ядерные реакторь энергетических и силовых установок.

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное излучение (длина волны λ_R ≈ 2-10^-9...2-10^-11м, E_R ≈ 10^-3...0,2 МэВ), возникающее из-за потери энергии возбужденными электронами вещества при их обратном переходе с верхней орбиты с энергией Е_В на нижнюю орбиту с энергией Е_н, сопровождаемом «характе ристическим» излучением с длиной волны, м,

λ_R = ch(E_B -Е_н)

где: с — скорость света в вакууме, м/с;

h = 6,626- 10^-34 Дж-с —постоянная Планка.

Известно также тормозное рентгеновское излучение, возникающее при возбуждении атомов вещества электронами высоких энергий.

Наконец, γ-излучение представляет собой электромагнитное излучение (длина волны λ_γ ≈ 2-10^-11...2-10^-13м, E_γ ≈ 0,2... 100 МэВ), возникающее в недрах атомных ядер при их переходе из возбужденного в промежуточное или основное состояние.

Учета влияния перечисленных видов ИИ достаточно для обеспечения устойчивого функционирования РЭС в реальных радиационно-опасных средах, т.е. радиационных полях, характеризуемых определенными физическими параметрами. Стандартом СЭВ1 1052—78 установлены шесть параметров, характеризующих соб| ственно поля ИИ, и четыре параметра, характеризующие поглощенную дозу ионизирующего излучения:

поток частиц (квантов), проходящих через поверхность, перпендикулярную направлению их движения, с^-1, F= ΔN/Δt,

плотность потока, с^-1 • м^-2, φ = ΔF/ΔS',

флюэнс — интегральная плотность потока, 1/м², Ф= ∫φ(τ)dτ;

энергия Е — кинетическая энергия частиц или энергия квантов, Дж, эВ (1 эВ = 10^-19 Дж);

поток энергии, Вт, Р_Е = ΔE/Δt,

плотность потока энергии, Вт/м², I = ΔP_E/ΔS;

поглощенная доза, Дж/кг, грей (Гр), рад, D = ΔЕ/Δт (1 Дж/кг = ] 1 Гр = 10² рад);

Таблица 7.1

Вид излучения	Поглощенная доза ионизирующего излучения, рад, за время активного существования ИСЗ с защитой по люминию при толщине экрана
	hэ = 3,3мм		hэ = 1 ,7 мм			hэ = 0,033 мм
	За 2 года	За 5 лет	За 2 гда	За 5 лет	За 2 года		За 5 лет
Электроны РПЗ	104	108	105	109	2 106		5 -1011
II ротоны РПЗ	6-102	104	3- 103	106	105		8- 1010

мощность поглощенной дозы, Вт/кг, Гр/с, P_D = ΔD/Δr;

экспозиционная доза фотонного излучения — отношение суммы электрических зарядов ионов одного знака, созданных свободными электронами в облученном эталонном воздухе, к массе этого воздуха, Кл/кг, Р (рентген), D₀, = ΔQ/Δm (1P = 2,58 • 10^-4 Кл/кг);

мощность экспозиционной дозы, фотонного излучения, А/кг, Р/с, Р₀ = Δ D₀/Δt

За единицу активности источников ИИ принят 1 Бк (беккерель), соответствующий одному акту распада изотопа в секунду (I Бк = 1 с^-1). До 1980 г. активность источников ИИ измеряли в кюри (Кu); 1 К_u = 3,7 • 10'° Бк.

Пример требований к радиационной стойкости РЭС, входящих в состав ИСЗ, выведенного на орбиту высотой Н, приведен в табл. 7.1.

По условиям функционирования изделия могут быть размещены за различной защитой и в том числе практически без защиты.