長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法，具體過程為：利用空間環(huán)境地面模擬設備對長壽命光學薄膜進行單一空間環(huán)境模擬試驗和空間綜合環(huán)境模擬試驗，同時測試空間環(huán)境作用前后長壽命光學薄膜光學性能，獲得其空間環(huán)境作用下的光學性能變化規(guī)律；利用表面分析技術分析空間環(huán)境作用前后長壽命光學薄膜的微觀結構，獲取其微觀結構變化規(guī)律；建立長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用前后的光學性能變化與微觀結構變化的對應關系，獲得微觀結構變化對光學性能影響，以此為基礎獲得空間環(huán)境作用下長壽命光學薄膜失效機理。為空間光學薄膜的設計生產提供技術基礎。本發(fā)明獲取的實效機理為長壽命光學薄膜的設計生產提供理論依據(jù)。
【專利說明】長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法，屬于材料失效分析【技術領域】。

【背景技術】
[0002]航天器長壽命、高可靠保障技術是一項綜合性很強的系統(tǒng)工程，材料是組成航天器的最基本單元之一，而其性能水平將直接影響到航天器在軌的可靠性和壽命。光學薄膜技術是一項古老而又新型的光學技術，光學薄膜是現(xiàn)代光學的一個重要分支，同時也是現(xiàn)代光學儀器和各種光學器件的重要組成部分?？臻g光學薄膜技術已經(jīng)發(fā)展成為一項獨特的光學薄膜應用技術，為空間探測、遙感等提供了技術基礎。光學薄膜在成像光學系統(tǒng)中主要用于光譜選擇、能量增強以及色差均衡等，如深空觀測的哈勃望遠鏡、資源衛(wèi)星紅外光譜儀、氣象衛(wèi)星相機、海洋衛(wèi)星等。
[0003]隨著航天器使用壽命不斷增加，光學薄膜在空間飛行中要經(jīng)受的紫外輻照、原子氧侵蝕、帶電粒子輻照等各種環(huán)境條件影響時間更長，條件更為苛刻?？臻g環(huán)境對其功能和性能影響也逐漸變大，暴露在艙外的高反鏡、增透鏡等光學元件表面的高反膜、增透膜等光學薄膜容易受到損傷，損傷的表現(xiàn)形式主要是薄膜開裂、脫落、折射率及光學厚度發(fā)生變化，這將影響光學系統(tǒng)的參數(shù)，造成系統(tǒng)性能惡化。因此空間環(huán)境會引起光學薄膜性能退化和失效。因此建立長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理研究方法將為研究我國長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用的物理和化學機理奠定理論基礎，同時也為長壽命光學薄膜的設計生產提供依據(jù)。


【發(fā)明內容】

[0004]鑒于以上分析，本發(fā)明針對長壽命光學薄膜在空間環(huán)境作用下性能退化和失效等問題，提出一種長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法。
[0005]實現(xiàn)本發(fā)明的技術方案如下:
[0006]一種長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法，具體步驟為:
[0007]步驟一、利用空間環(huán)境地面模擬設備對長壽命光學薄膜進行單一空間環(huán)境模擬試驗和空間綜合環(huán)境模擬試驗，同時測試空間環(huán)境作用前后長壽命光學薄膜光學性能，獲得其空間環(huán)境作用下的光學性能變化規(guī)律；
[0008]步驟二、利用表面分析技術分析空間環(huán)境作用前后長壽命光學薄膜的微觀結構，獲取其微觀結構變化規(guī)律；
[0009]步驟三、建立長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用前后的光學性能變化與微觀結構變化的對應關系，獲得微觀結構變化對光學性能影響，以此為基礎獲得空間環(huán)境作用下長壽命光學薄膜失效機理。為空間光學薄膜的設計生產提供技術基礎。
[0010]進一步地，本發(fā)明所述單一空間環(huán)境模擬試驗包括原子氧模擬試驗、紫外輻照試驗、電子輻照試驗和質子輻照試驗。
[0011]進一步地，本發(fā)明所述空間綜合環(huán)境模擬試驗包括原子氧和紫外輻照綜合模擬試驗，紫外和電子綜合輻照試驗，紫外和質子綜合輻照試驗，電子和質子綜合輻照試驗，紫外、電子和質子綜合輻照試驗。
[0012]進一步地，本發(fā)明用于進行所述紫外輻照試驗、所述電子輻照試驗、所述質子輻照試驗、所述紫外和電子綜合輻照試驗、所述紫外和質子綜合輻照試驗、所述電子和質子綜合輻照試驗、所述紫外、電子和質子綜合輻照試驗的設備及測試光學性能的設備主要由電子輻照系統(tǒng)、質子輻照系統(tǒng)、遠紫外線發(fā)生源、近紫外發(fā)生源、真空樣品室、樣品臺、真空抽氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和光學原位測量系統(tǒng)組成；樣品放入處于真空樣品室內的樣品臺上，真空抽氣系統(tǒng)對真空樣品室進行抽真空，真空達到試驗需求真空度后，通過控制系統(tǒng)分別控制電子輻照系統(tǒng)、質子輻照系統(tǒng)、遠紫外線發(fā)生源和近紫外發(fā)生源，產生符合空間環(huán)境要求的電子、質子和/或紫外線，對樣品進行電子、質子和/或紫外單一環(huán)境效應和綜合環(huán)境模擬試驗，光學原位測量系統(tǒng)用于原位測量樣品的透射率和反射率。
[0013]進一步地，本發(fā)明進行所述原子氧模擬試驗、所述原子氧和紫外輻照綜合模擬試驗的設備和測試光學性能的設備主要由氧氣輸入系統(tǒng)、微波等離子體同軸源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、紫外輻照系統(tǒng)、電磁線圈系統(tǒng)、中性化系統(tǒng)、樣品架、樣品室、真空抽氣系統(tǒng)及光學原位測量系統(tǒng)組成；樣品放入處于真空樣品室內的樣品架上，真空抽氣系統(tǒng)對真空樣品室進行抽真空，真空達到試驗需求真空度后，通過控制系統(tǒng)控制微波等離子體同軸源系統(tǒng)、氧氣輸入系統(tǒng)、電磁線圈系統(tǒng)及中性化系統(tǒng)產生符合空間環(huán)境要求的中性氧原子；通過控制系統(tǒng)控制紫外輻照系統(tǒng)，產生符合空間環(huán)境要求的紫外線；對樣品進行原子氧、紫外單一和綜合效應模擬試驗，光學原位測量系統(tǒng)用于原位測量樣品的透射率和反射率。
[0014]進一步地，本發(fā)明所述長壽命光學薄膜微觀組織結構分析采用X射線光電子能譜儀對空間環(huán)境作用前后的長壽命光學薄膜的元素組成、元素化學態(tài)和不同化合態(tài)元素的原子百分比濃度進行分析；采用原子力顯微鏡對空間環(huán)境作用前后的長壽命光學薄膜的表面形貌進行分析。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點為:
[0016]本發(fā)明利用表面分析技術開展長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用前后的微觀組織結構分析，研究其微觀結構變化規(guī)律，建立宏觀性能退化與微觀變化的對應關系，研究微觀結構對長壽命光學薄膜性能的影響，以此為基礎判斷空間環(huán)境作用下長壽命光學薄膜失效情況。為我國長壽命光學薄膜的設計生產提供理論依據(jù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1一長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法的示意圖。
[0018]圖2 — RHM空間綜合環(huán)境因素試驗設備結構原理圖；
[0019]其中1-電子輻照系統(tǒng)(電子加速器)，2-質子輻照系統(tǒng)(質子加速器)，3-輻射屏蔽裝置，4-遠紫外線發(fā)生源，5-控制系統(tǒng)，6-近紫外發(fā)生源，7-真空樣品室，8-樣品臺，9-真空抽氣系統(tǒng)。
[0020]圖3—微波原子氧/紫外模擬試驗設備結構原理圖；
[0021]其中10-氧氣輸入系統(tǒng)，11-微波等離子體同軸源系統(tǒng)，12-控制系統(tǒng)，13-紫外輻照系統(tǒng)，14-電磁線圈1，15-電磁線圈2，16-電磁線圈3，17-中性化系統(tǒng)，18-電磁線圈4，19-樣品架，20-線圈電源，21-樣品室及真空抽氣系統(tǒng)，22-光學原位測量系統(tǒng)。

【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0023]本發(fā)明長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法，如圖1所示，具體步驟為:
[0024]步驟一、利用空間環(huán)境地面模擬設備對長壽命光學薄膜進行單一空間環(huán)境模擬試驗和空間綜合環(huán)境模擬試驗，同時測試空間環(huán)境作用前后長壽命光學薄膜光學性能，獲得其空間環(huán)境作用下的性能變化規(guī)律。
[0025]步驟二、利用表面分析技術分析空間環(huán)境作用前后長壽命光學薄膜的微觀結構，獲取其微觀結構變化規(guī)律；
[0026]步驟三、建立長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用前后的光學性能變化與微觀結構變化的對應關系，獲得微觀結構變化對光學性能影響，以此為基礎獲得空間環(huán)境作用下長壽命光學薄膜失效機理，根據(jù)該失效機理為空間光學薄膜的設計生產提供技術基礎。
[0027]本發(fā)明單一空間環(huán)境模擬試驗包括原子氧模擬試驗、紫外輻照試驗、電子輻照試驗和質子輻照試驗；空間綜合環(huán)境模擬試驗包括原子氧和紫外輻照綜合模擬試驗，紫外和電子綜合輻照試驗，紫外和質子綜合輻照試驗，電子和質子綜合輻照試驗，紫外、電子和質子綜合輻照試驗。本發(fā)明在上述空間環(huán)境下分別進行光學性能測試和分析，因此針對每一空間環(huán)境可以獲得與其對應的光學性能(透射率和反射率)隨時間變化的變化規(guī)律。
[0028]本發(fā)明長壽命光學薄膜空間環(huán)境效應模擬試驗的紫外輻照和帶電粒子(電子、質子)輻照等空間環(huán)境試驗設備(RHM空間綜合環(huán)境因素試驗設備)和測試光學性能的設備如圖2所示，主要由電子輻照系統(tǒng)、質子輻照系統(tǒng)、遠紫外線發(fā)生源、近紫外發(fā)生源、真空樣品室、樣品臺、真空抽氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和光學原位測量系統(tǒng)組成；樣品放入處于真空樣品室內的樣品臺上,真空抽氣系統(tǒng)對真空樣品室進行抽真空,真空達到試驗需求真空度后,通過控制系統(tǒng)分別控制電子輻照系統(tǒng)、質子輻照系統(tǒng)、遠紫外線發(fā)生源和近紫外發(fā)生源，產生符合空間環(huán)境要求的電子、質子和/或紫外線，對樣品進行電子、質子和/或紫外單一環(huán)境效應和綜合環(huán)境模擬試驗，光學原位測量系統(tǒng)用于原位測量樣品的透射率和反射率。
[0029]同時該設備中還安裝有輻射屏蔽裝置用于防止輻射泄漏。
[0030]下面以輻照試驗為例詳細說明環(huán)境模擬試驗，具體步驟為:
[0031]根據(jù)長壽命光學薄膜所處軌道和在軌時間，其所受到的帶電粒子輻照的能量、注量和總注量不同，因此，試驗過程中將根據(jù)長壽命光學薄膜所處軌道和在軌時間，調節(jié)帶電粒子的能量和注量率。本發(fā)明以長壽命光學薄膜運行于地球同步軌道(GEO) 15年為例。
[0032]A)對設備進行全面檢查，保證設備正常工作；
[0033]B)將試樣安裝于真空室的樣品臺上，關閉真空室，對真空室、電子輻照系統(tǒng)、質子輻照系統(tǒng)抽真空，真空度優(yōu)于1.3 X 10? ；
[0034]C)真空度達到試驗要求后，調節(jié)電子加速器，使其產生試驗所需的電子束流能量為40keV，注量率為2X101Qe/cm2.sec，總注量為2.0 X 1016e/cm2 ;調節(jié)質子加速器，使其產生試驗所需的質子束流能量為40keV，注量率:2X109e/cm2.sec，總注量為2.0 X 1015e/cm2 ；調節(jié)紫外光源，設定紫外總輻照量5000ESH，加速系數(shù)5倍太陽常數(shù)即5EUVSH ；
[0035]D)電子和質子總注量按達到相當于在軌O年、I年、2年、3年、4年、5年、6年、7年、8年、9年、10年，11年，12年、13年、14年，15年，在每段輻照中，紫外全過程輻照，電子、質子達到相應通量后停止輻照。為了避免長壽命光學薄膜在真空輻照試驗后暴露大氣出現(xiàn)透射率和反射率恢復的現(xiàn)象(恢復效應)，按要求在試驗過程中對長壽命光學薄膜進行透射率、反射率測試原位測試，同時進行表面分析，并測量試樣的質量，試驗結束后計算試樣的質量損失率，并進行光學性能測試分析。
[0036]如圖3所示，本發(fā)明進行所述原子氧模擬試驗、所述原子氧和紫外輻照綜合模擬試驗和測試光學性能的設備和測試光學性能的設備主要由氧氣輸入系統(tǒng)、微波等離子體同軸源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、紫外輻照系統(tǒng)、電磁線圈系統(tǒng)(包括4個電磁線圈和I個線圈電源)、中性化系統(tǒng)、樣品架、樣品室及真空系統(tǒng)(包括樣品室和真空抽氣系統(tǒng))及光學原位測量系統(tǒng)組成。
[0037]樣品放入處于真空樣品室內的樣品架上，真空抽氣系統(tǒng)對真空樣品室進行抽真空，真空達到試驗需求真空度后，通過控制系統(tǒng)控制微波等離子體同軸源系統(tǒng)、氧氣輸入系統(tǒng)、電磁線圈系統(tǒng)及中性化系統(tǒng)產生符合空間環(huán)境要求的中性氧原子；通過控制系統(tǒng)控制紫外輻照系統(tǒng)，產生符合空間環(huán)境要求的紫外線；對樣品進行原子氧、紫外單一和綜合效應模擬試驗，光學原位測量系統(tǒng)用于原位測量樣品的透射率和反射率。
[0038]原子氧模擬試驗設備工作的基本原理:由微波等離子體同軸源產生頻率為
2.45MHz、功率為150?1500W可調的微波能量，并將微波能量耦合。在微波能量的作用下，氧氣被離解為氧等離子體(02+、0+、e等)，并在磁場的約束作用下，可形成112?113CnT3的高密度氧等離子體。中性化板加負偏壓，加速等離子態(tài)中的氧離子(0+)，使其獲得定向能量。氧離子(0+)入射到中性化板上并從中得到電子，復合成中性氧原子(0++e = O)。中性氧原子保留入射能量的大部分，形成一束中性原子氧束。
[0039]其中，原子氧環(huán)境只存在于地地球軌道(LEO)，因此，本發(fā)明以長壽命光學薄膜運行于地地球軌道(LEO) 15年為例。
[0040]試驗方法及步驟:
[0041]a)對設備進行清洗，保證設備正常工作時的清潔；
[0042]b)試驗前,稱量試樣的質量,將試樣置于樣品架上；
[0043]c)開啟真空抽氣系統(tǒng)，直到樣品室真空度達到1.3X 10? ；
[0044]d)標定原子氧通量密度為Φ = I X 1016atoms/cm2.s(±10% )，設定原子氧通量為3.5 X 1021atoms/cm2,原子氧能量為5?8eV ；
[0045]e)調節(jié)紫外光源，設定紫外輻照劑量為5000ESH(等效太陽小時)，加速系數(shù)5倍太陽常數(shù)(即5EUVSH)；
[0046]f)對試樣進行原子氧、紫外輻照試驗；
[0047]g)當原子氧通量達到要求的原子氧總通量時，為了避免長壽命光學薄膜在真空輻照試驗后暴露大氣出現(xiàn)透射率和反射率恢復的現(xiàn)象(恢復效應)，按要求在試驗過程中對長壽命光學薄膜進行透射率、反射率測試原位測試，同時進行表面分析，并測量試樣的質量，試驗結束后計算試樣的質量損失率，并進行光學性能測試分析。
[0048]長壽命光學薄膜光學性能測試根據(jù)長壽命光學薄膜用途和性能，測試長壽命光學薄膜空間環(huán)境效應作用前后的質量、透射率、反射率。
[0049]質量測量:采用微量天平測量長壽命光學薄膜空間環(huán)境效應前后質量。
[0050]透射率和反射率:基于光學原位測量系統(tǒng)實現(xiàn)，即采用測量系統(tǒng)中的分光光度計測量長壽命光學薄膜空間環(huán)境效應前后的透射率和反射率。為了避免長壽命光學薄膜在真空輻照試驗后暴露大氣出現(xiàn)透射率和反射率恢復的現(xiàn)象(恢復效應)，因此采用RHM空間綜合環(huán)境因素試驗設備和原子氧/紫外模擬試驗設備內部安裝Lambda950的分光光度計在連續(xù)輻射試驗的情況下，進行透射率和反射率原位測量。
[0051]長壽命光學薄膜空間環(huán)境下性能退化規(guī)律研究，分析空間環(huán)境對航天器材料宏觀性能影響，研究和總結單一原子氧、紫外、質子、電子輻照試驗和綜合效應下航天器材料性能退化規(guī)律。
[0052]長壽命光學薄膜微觀分析采用X射線光電子能譜儀對空間環(huán)境作用前后的長壽命光學薄膜的元素組成、化學態(tài)及其分布等微觀信息進行分析。采用原子力顯微鏡對空間環(huán)境作用前后的長壽命光學薄膜的表面結構和表面形貌進行分析。可以得到長壽命光學薄膜空間環(huán)境效應前后的表面形貌分析、表面成分分析和表面結構分析等微觀信息。
[0053]長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理研究:長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下的性能退化和失效起源于表面。長壽命光學薄膜的性能是由其表面的微觀結構所決定的，長壽命光學薄膜在失效過程中微觀變化一定會反映到宏觀性能上。因此結合理論建立空間環(huán)境效應前后長壽命光學薄膜的宏觀性能變化與微觀變化的對應關系，分析其微觀變化對宏觀性能退化的影響；以此為基礎研究空間環(huán)境作用下長壽命光學薄膜失效機理。根據(jù)該失效機理為長壽命光學薄膜的性能改進或設計提供理論依據(jù)和技術支持。
【權利要求】
1.一種長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法，其特征在于，具體步驟為: 步驟一、利用空間環(huán)境地面模擬設備對長壽命光學薄膜進行單一空間環(huán)境模擬試驗和空間綜合環(huán)境模擬試驗，同時測試空間環(huán)境作用前后長壽命光學薄膜光學性能，獲得其空間環(huán)境作用下的光學性能變化規(guī)律； 步驟二、利用表面分析技術分析空間環(huán)境作用前后長壽命光學薄膜的微觀結構，獲取其微觀結構變化規(guī)律； 步驟三、建立長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用前后的光學性能變化與微觀結構變化的對應關系，獲得微觀結構變化對光學性能影響，以此為基礎獲得空間環(huán)境作用下長壽命光學薄膜失效機理。
2.根據(jù)權利要求1所述長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法，其特征在于，所述單一空間環(huán)境模擬試驗包括原子氧模擬試驗、紫外輻照試驗、電子輻照試驗和質子輻照試驗。
3.根據(jù)權利要求2所述長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法，其特征在于，所述空間綜合環(huán)境模擬試驗包括原子氧和紫外輻照綜合模擬試驗，紫外和電子綜合輻照試驗，紫外和質子綜合輻照試驗，電子和質子綜合輻照試驗，紫外、電子和質子綜合輻照試驗。
4.根據(jù)權利要求3所述長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法，其特征在于，用于進行所述紫外輻照試驗、所述電子輻照試驗、所述質子輻照試驗、所述紫外和電子綜合輻照試驗、所述紫外和質子綜合輻照試驗、所述電子和質子綜合輻照試驗、所述紫外、電子和質子綜合輻照試驗的設備及測試光學性能的設備主要由電子輻照系統(tǒng)、質子輻照系統(tǒng)、遠紫外線發(fā)生源、近紫外發(fā)生源、真空樣品室、樣品臺、真空抽氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和光學原位測量系統(tǒng)組成；樣品放入處于真空樣品室內的樣品臺上，真空抽氣系統(tǒng)對真空樣品室進行抽真空，真空達到試驗需求真空度后，通過控制系統(tǒng)分別控制電子輻照系統(tǒng)、質子輻照系統(tǒng)、遠紫外線發(fā)生源和近紫外發(fā)生源，產生符合空間環(huán)境要求的電子、質子和/或紫外線，對樣品進行電子、質子和/或紫外單一環(huán)境效應和綜合環(huán)境模擬試驗，光學原位測量系統(tǒng)用于原位測量樣品的透射率和反射率。
5.根據(jù)權利要求3所述長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法，其特征在于，進行所述原子氧模擬試驗、所述原子氧和紫外輻照綜合模擬試驗的設備和測試光學性能的設備主要由氧氣輸入系統(tǒng)、微波等離子體同軸源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、紫外輻照系統(tǒng)、電磁線圈系統(tǒng)、中性化系統(tǒng)、樣品架、樣品室、真空抽氣系統(tǒng)及光學原位測量系統(tǒng)組成；樣品放入處于真空樣品室內的樣品架上，真空抽氣系統(tǒng)對真空樣品室進行抽真空，真空達到試驗需求真空度后，通過控制系統(tǒng)控制微波等離子體同軸源系統(tǒng)、氧氣輸入系統(tǒng)、電磁線圈系統(tǒng)及中性化系統(tǒng)產生符合空間環(huán)境要求的中性氧原子；通過控制系統(tǒng)控制紫外輻照系統(tǒng)，產生符合空間環(huán)境要求的紫外線；對樣品進行原子氧、紫外單一和綜合效應模擬試驗，光學原位測量系統(tǒng)用于原位測量樣品的透射率和反射率。
6.根據(jù)權利要求1所述長壽命光學薄膜空間環(huán)境作用下失效機理獲取方法，其特征在于，所述長壽命光學薄膜微觀組織結構分析采用X射線光電子能譜儀對空間環(huán)境作用前后的長壽命光學薄膜的元素組成、元素化學態(tài)和不同化合態(tài)元素的原子百分比濃度進行分析；采用原子力顯微鏡對空間環(huán)境作用前后的長壽命光學薄膜的表面形貌進行分析。
【文檔編號】G01N21/59GK104237172SQ201410449517
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權日:2014年9月4日
【發(fā)明者】張劍鋒, 郭云, 楊生勝, 王鹢, 秦曉剛, 高欣 申請人:蘭州空間技術物理研究所