Устройство для защиты объекта от заряженных частиц Советский патент 1992 года по МПК G21F1/12 

Изобретение относится к средствам защиты от радиации, в частности, к средствам защиты от заряженных частиц (электронов, протонов) и может быть использовано для защиты экипажа, биокомплекса и специального оборудования космических аппаратов при полетах в радиационных поясах Земли.

В настоящее время широко применяется защита от заряженных частиц, основанная на поглощении как самих частиц, так и генерируемого ими тормозного излучения материалом защиты.

Существенным недостатком такой защиты является большая масса, так как поглощение заряженных частиц веществом, в особенности электронов, сопровождается генерированием тормозного рентгеновского излучения, обладающего бопьшой проникающей способностью. Для получения высокой эффективности защиты приходится увеличивать толщину материала, а это при- ролит к увеличению массы защиты.

Известны способы и устройства электростатической защиты от заряженных частиц, основанных на их торможении и отклонении электрическим полем, созданным между специальными электродами, окружающими защищаемый объект.

Такая защита обладает высокой эффективностью при относительно малой массе. К ее недостаткам следует отнести значительную техническую сложность, а также трудность осуществления защиты отсеков космического аппарата сложной формы и конфигурации, с большим числом выступающих элементов конструкции.

Наиболее близким аналогом-прототипом предлагаемого устройства является слоистый экран для защиты от излучений, изготовленный путем штабелирования нескольких многослойных листов и их скрепления, причем каждый лист содержит алюминиевый слой и свинцовый слой.

В данном устройстве при одинаковой эффективности с устройством защиты, выполненным из однородного материала, достигнуто снижение массы защиты за счет чередования слоев материала со сравнительно малым атомным номером (алюминий) со слоями материала с большим атомным номером (свинец). При прохождении потока заряженных частиц через материал с малым атомным номером генерируются меньшие уровни тормозного излучения, для поглощения которых требуется меньшая толщина материала с большим атомным номером. Это и обеспечивало некоторое снижение массы защиты по сравнению с защитой, выполненной из однородного материала. Однако, несмотря на это масса защиты остается значительной.

,. Целью изобретения является снижение массы и повышение эффективности защиты.

Поставленная цель достигается тем, что о устройстве для защиты от заряженных частиц, содержащем чередующиеся слои, каждый слой выполнен из диэлектрической пленки с двухсторонней металлизацией, причем металлизация всехслоео электрически соединены с корпусом защищаемого обьектя, а толщина диэлектрической пленки .не превышает 0,05-0,1 мм.

Достижение цели, поставленной в предлагаемом техническом решении, осуществляется за счет накопления объемного электрического заряда в диэлектрических слоях при облучении защиты потоком заряженных частиц, что приводит к потере энергии падающих заряженных частиц за счет торможения их в поле объемного электрического заряда и уменьшает величину тормозного излучения, а это снижает энергию взаимодействия падающего потока заряженных частиц с материалом защиты и является причиной повышения ее эффективности.

Кроме того, малая толщина диэлектрических слоев позволяет получить относительно высокую напряженность электрического поля, что увеличивает степень торможения падающего потока заряженных частиц и также способствует повышению эффективности защиты.

На чертеже представлена конструктивная схема устройства для защиты от заряженных частиц.

Устройство содержит слои, выполненные из диэлектрической пленки 1 с двухсторонней металлизацией 2, Металлизация 2 всех слоев электрически соединена с корпусом защищаемого объекта. Толщина диэлектрической ПЛРНКИ 1 не превышает 0.05- 0,1 мм.

В качестве диэлектрической пленки в предлагаемом техническом решении наиболее целесообразно использовать полиэти- лентерефталатную пленку (ПЭТФ) с двухстороннэй металлизацией, широко используемую в настоящее время в различных отраслях промышленности. Толщина плен0 ки от 5 до 50 мк, толщина металлизации 0,0 - 1 мк, ширина пленки до 600 мм.

Количество слоев диэлектрической пленки 1 определяется интенсивностью и энергией падающего потока заряженных

5 частиц, а также предельно допустимой мощностью вторичного излучения за защитой.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При облучении устройства потоком эа0 ряженных частиц, например электронами внешнего радиационного пояса Земли, имеющими широкий спектр энергии (от 0,01 до 5-7 МэВ), глубина проникновения их в диэлектрические слои 1 будет тем больше, чем

5 больше энергия электрона.

При прохождении электронов через ди- 1 электрические слои в них создается отрицательный пространственный заряд,величина которого пропорциональна количеству

0 электронов, поглощенных диэлектрическим слоем. Электрическое поле отрицательного пространственного заряда оказывает тор- мозящеадействие на падающий поток электронов, которое тем больше, чем больше

5 пространственный заряд. При этом энергия взаимодействия падающего потока электронов с материалом диэлектрических пленок оказывается значительно ниже, чем при отсутствии этого пространственного заряда

0 и, следовательно, вторичное тормозное излучение будет значительно ниже. Для получения наибольшей эффективности защиты плотность пространственного заряда должна быть как можно выше, а это может быть

5 обеспечено при высокой электрической прочности диэлектрической пленки. Электрическая прочность диэлектрика определяется электрическими характеристиками материала (удельное объемное сопротивле0 ние), физическими характеристиками (однородность, наличие инородных и газовых, включений) и толщиной образца. Известно, что относительная электрическая прочность диэлектрика сильно зависит от толщины об5 разца и тем больше чем. тоньше диэлектрик. Это объясняется тем, что у диэлектрика большей толщины приложенное напряжение распределяется неразномерно одоль его длины за счет неравномерности объемного сопротивления из-за неоднородности

материала, наличия инородных включений, а также возникновения частичных разрядов в газовых включениях. Это приподит вначале к пробою наиболее перенапряженного участка, а затем и всего изолятора. Вероятность неоднородности материала изолятора инородных и газовых включений тем ниже, чем меньше толщина изолятора и при толщине меньше 0,05-0.1 мм этот фактор практически отсутствует, поэтому относительная электрическая прочность современных пленок, начиная с этой толщины и ниже, практически постоянна.

В процессе эксплуатации защиты возможно накопление пространственного заряда такой плотности, при которой наступает точечный пробой диэлектрической пленки . Это практически не сказывается на работоспособности защиты, так как площадь, ограниченная пробоем, очень мала.

Металлизация 2 всех диэлектрических слоев 1 соединена с корпусом защищаемого обьекта. так как в рротивном случае на них могли бы возникать большие потенциалы и пробои между отдельными слоями.

В предлагаемом устройстве защиты от заряженных частиц достигнуто оптимальное сочетание преимуществ традиционной пассивной защиты - защиты вещестпом (высокая надежность, возможность защиты отсеков сложной формы и конфигурации, простота) с преимуществом электростатической защиты (малая масса). Предлагаемая защита может быть выполнена в виде многослойного эластичного покрытия, допускающего возможность предварительного раскроя и последующего сшивания непосредственно на защищаемом объекте. Это позволяет обеспечить сплошную защиту различных отсеков разнообразной формы и конфигурации.

Эти преимущества предлагаемого технического решения позволяют обеспечить эффективную противорадиационную защиту от заряженных частиц экипажа, биокомплекса и специального оборудования

космических а паратов различного назначения, длительно работающих на геостационарной орбите во внешнем радиационном поясе Земли и на около Земли, образован- 5 ных в результате проведения высотных ядерных взрывов. Эффективная противорадиационная защита обеспечивается при одновременной экономии массы защиты, что позволяет разместить дополнительно рзз0 личную аппаратуру и расширить функциональные возможности космического аппарата.

Экспериментальная проверка предложенного технического решения осуществ5 лялась на макетном образце устройства, выполненного из 100 слоев полиэтиленте- рефталатной пленки толщиной 10 мк с двухсторонней металлизацией. Проверка устройства осуществлялась в вакуумной ка0 мере при облучении потоками электронов с плотностью А/см2 и энергией от 50 до 300 кэВ. Эффективность защиты вычислялась путем измерения мощности дозы вторичного тормозного излучения дозиметром,

5 установленным под облучаемым устройством, с последующим сравнением с мощностью дозы вторичного тормозного излучения, генерируемой при установке вместо облучаемого устройства алюминие0 вого образца, аналогичного по массе и площади макетному образцу защиты. Эффективность защиты предлагаемого устройства в зависимости от энергии падающих электронов составила 2,5-3.5.

5

Формула изобретения Устройство для защиты обьекта от заряженных частиц, состоящее из нескольких слоев материалов, отличающееся тем.

0 что, с целью снижения массы и повышения эффективности защиты, каждый слой выполнен из диэлектрической пленки с двухсторонним металлизированным покрытием причем металлизированные покрытия всех

5 слоев электрически соединены с корпусом объекта, а толщина диэлектрической пленки не превышает 0.05-0.1 мм.

Изобретение относится к средствам защиты от излучений, в частности к средствам защиты от заряженных частиц (электронов, протонов) и может быть использовано для защиты экипажа, биокомплекса и специального оборудования космических аппаратов при полетах в радиационных поясах Земли. Цель изобретения - снижение массы и повышение эффективности защиты. Защита состоит из набора слоев диэлектрической пленки с двухсторонним металлическим покрытием каждого слоя пленки, Металлические покрытия всех слоев электрически соединены с корпусом защищаемого объекта. Толщина диэлектрической пленки в каждом слое не превышает 0,05-0,1 мм. 1 ил.