3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 3.1. Исследуемые материалы и средства контроля загрязнений
Как указывалось выше наибольший интерес представляют исследования загрязнений, формируемых в космических условиях из продуктов обезгаживания и эрозии органических и кремнийорганических полимерных материалов. Такие материалы широко используются на современных низкоорбитальных аппаратах. Это такие кремнийорганические материалы как: лаки К-008, КО-85, КО-978, эмали КО-811, герметики «Виксинт» ВКО-1, У2-28, теплопроводная паста КПТ-8 и пр. К кремнийсодержащим материалам следует отнести и терморегулирующие покрытия на основе калиевого жидкого стекла типа ТРСО-1, 12, эрозия которых также приводит к эмиссии Si в СВА. Примерами органических полимерных материалов, применяемых на космических аппаратах, являются: эпоксидные эмали ЭП-140, терморегулирующие акриловые покрытия АК-512, АК-573, анаэробные компаунды «Анатерм» , эпоксидные компаунды К-115, ЭЗК-6, эпоксидные шпатлевка ЭП и клей ЭПК-1, аримидные и капроновые нити и ткани, полимерные пленки, эластомеры и др.
В проведенных экспериментах для представления двух распространенных классов материалов: органических и кремнийорганических полимеров были выбраны материалы, используемые на российских КА в качестве герметиков и компаундов. Это соответственно диановый эпоксидный компаунд К-115 и однокомпонентный силиконовый герметик «Виксинт» ВКО-1 на основе диметилсилоксанового каучука. Выбор материалов в форме компаундов позволяет за счет увеличения объема образца, изменения соотношения компонентов и неполной полимеризации повысить количество и скорость выделения загрязняющего продукта и тем самым привести в соответствие интенсивности потоков загрязнений и АК, характерные для ускоренных испытаний с высокой кратностью.
Образцы выполнялись в форме пластин размером 20х20х2 мм путем заливки в формы с последующей полимеризацией и термообработкой. После этого пластины резались на мелкие куски, размерами примерно 10х5х2 мм, которые засыпались в полость эффузионной печи.
Для изучения влияния потока АК на средства контроля загрязнений выбраны кварцевые микровесы типа КМВ, которые используются а полетных экспериментах для определения скорости роста загрязнений.
3.2. Экспериментальная установка и методика измерений
Эксперимент по совместному воздействию потоков загрязнений и АК на оптические поверхности и на средства контроля проводился на плазменно-пучковом стенде НИИЯФ МГУ [1].
Лабораторные ускоренные испытания образцов материалов проводились в потоках кислородной плазмы. Для формирования плазменных потоков кислорода с низкой энергией используется магнитоплазмодинамический ускоритель (МПДУ) с внешним магнитным полем, модифицированный для функционирования в окислительной плазмообразующей среде [1, 7].
В данном стенде проведена коренная модернизация для улучшения вакуумных условий и усовершенствования методики испытаний. Модернизация включает замену средств вакуумной откачки, изменение конфигурации вакуумной камеры и применение современных средств диагностики.
Схема модернизированного стенда приведена на рис.1, а фото на рис.2. Стенд содержит одну вакуумную камеру (1), разделенную перегородкой (2) на две части: секцию (3) источника плазмы и измерительную секцию (4). Плазменный пучок (5) формируется в ускорителе (6) и поступает на образец (7) через сепаратор (8) заряженных частиц и отверстие в перегородке, охлаждаемой водой. Образец (7) материала крепится на держателе (9) и термостатируется в диапазоне 10-200 С.
Диагностика пучка осуществляется датчиками (10, 11) ионной и нейтральной компонент, размещенными на манипуляторе (12), позволяющем помещать их на место образца. Энергетическое распределение ионной компоненты измеряется трехсеточным анализатором тормозящего поля. Среднемассовые параметры молекулярного пучка определяются по величинам потоков энергии и импульса термисторным болометром и крутильными весами. Массовый состав ионной компоненты регистрируется квадрупольным масс-спектрометром LM-102 фирмы MKS (США), анализатор (13) которого установлен на фланце камеры, а электронный блок (14) соединен с компьютерной системой (15) сбора, регистрации и обработки информации. Система построена на базе ПК Pentium-4 с использованием среды программирования LabView.
Вакуумная система стенда выполнена с дифференциальной откачкой обеих секций и ускорителя криогенными насосами SPACETORR фирмы Susuky Shokan (Япония) на фланцах ДУ-400 SA-16 (16), ДУ-250 SA-10 (17), ДУ-100 SA-4 (18) с быстротой действия 6, 2,5 и 0,3 м3 с-1.соответственно. Остаточное давление в камере без ее прогрева не превышает (3-5 ) 10-5 Па при отсутствии в спектре углеводородов. Рабочий вакуум составляет (1-1,5)* 10-2 Па в секции (3) и (3-5)* 10-3 Па в секции (4) при типовых расходах плазмообразующего газа -кислорода-0,2-0,5 см3 с-1 и рабочих гаов полого катода: аргона или ксенона- 0,1-0,2 см3 с-1. Параметры потока определяются на расстоянии 0,2 м от среза анода в плоскости размещения образца материала.
Рис.2. Плазменно-пучковый стенд НИИЯФ МГУ. Вид со стороны источника плазмы. Видны три крионасоса SPACETORR с электромеханическими вакуумными затворами и мультикомпрессор на заднем плане.
Для предотвращения осаждения на стенках стенда исследуемых загрязнений экспериментальная установка размещалась в специальной камере осаждения, установленной внутри вакуумной камеры стенда. Для проведения данной работы по исследованию эффектов загрязнения оптических поверхностей потребовалось создание вакуумной среды, свободной от паров рабочей жидкости паромасляных насосов. Требуемая чистота была достигнута благодаря глубокой модернизации вакуумной системы и всей установки в целом. Схема размещения аппаратуры в стенде показана на рис.3.
Рис.3. Схема размещения аппаратуры на стенде. 1-вакуумная камера, 2-разделяющая стенка, 3-окно для выхода пучка, 4-секция источника, 5-источник плазмы, 6-измери-тельная секция, 7-камера осаждения, 8-окно для введения пучка, 9-пучок кислородной плазмы, 10-механизм вращения, 11-ввод вращения, 12-шевронная решетка, 13-коллектор осадка, 14-крионасос 6 м3/с, 15- крионасос 4 м3/с.
Описанный выше стенд содержит цилиндрическую вакуумную камеру 1, разделенную на две части стенкой 2 с окном 3 для пропуска пучка. Одна часть-это секция 4 источника 5 плазмы, вторая часть-это измерительная секция 6. Внутри этой секции 6 размещена камера 7 осаждения. В камере 7 смонтирована экспериментальная установка. Эта камера представляет собой цилиндр, в боковой стенке которого выполнено окно 8 для введения внутрь пучка 9 кислородной плазмы. На верхней крышке установлен механизм 10 вращения рамы фотометра. Он приводится в действие от ручного ввода 11 вращения в вакуум, установленного на верхнем фланце стенда. Нижняя стенка камеры выполнена в виде шеврона 12 для обеспечения вакуумной откачки и задержки выхода загрязнений. Коллектор 13 для сбора осадка размещен внутри камеры 7.
Вакуумная система стенда выполнена с дифференциальной откачкой криогенными насосами 14, 15 Spacetorr фирмы Suzuki Shokan с быстротой действия по кислороду 6 и 4 м3 с-1. Рабочий вакуум составляет (0,5-1)* 10-2 Па в камере источника и (2-3)* 10-3 Па в измерительной камере при типовых расходах плазмообразующего газа -кислорода-0,2-0,5 см3 с-1 и катодного газа аргона или ксенона- 0,1-0,2 см3 с-1.
Схема экспериментальной установки для определения влияния АК на конденсацию загрязнений, размещенной внутри камеры осаждения, приведена на рис.4.
Плазменный пучок вводится внутрь камеры осаждения через окно в ее боковой стенке и поступает на коллектор загрязнений. Для получения осадка загрязнений применялся призматический коллектор с двумя контролируемыми поверхностями на боковых гранях: грани 1, облучаемой одновременно потоками кислородной плазмы и загрязнений, и грани 2, облучаемой только потоком загрязнений. Таким образом проводился сравнительный анализ процесса накопления осадка загрязнений при наличии и отсутствии потока АК.
Грани коллектора осадка представляли собой две пластины 1, 2 из стекла К-208 размером 20х20х0,18 мм. Пластины установлены ортогонально друг другу в держателе. Ребро 3 образованной пластинами призмы обращено к щели эффузионной печи 4 с материалом. Щель 5 печи ориентирована перпендикулярно ребру призмы. Поток 6 кислородной плазмы, выходящий из окна 7, падал на грань 1, одновременно с потоком 8 загрязнений из печи 4. Поверхность пластины 2 экранировалась от воздействия АК пластиной 1.
Щелевая эффузионная печь с электроподогревом использовалась для формирования молекулярного пучка загрязняющих молекул. Нагревательная камера состояла из двух половин-щечек, между которыми размещался образец материала. После установки образца щечки соединялись 4-мя винтами М4, образуя замкнутую камеру с щелью шириной 3 мм на верхнем торце. Плоские нагреватели из 4-х керамических резисторов суммарной мощностью 5 Вт установлены на наружных стенках щечек. Камера с нагревателями окружена трехслойным тепловым экраном из алюминиевой жести. Измерение температуры внутри печи производится термопарой. При нагреве печи до температуры 100-125 С летучие компоненты материала образца испаряются и возникает эффузионный поток 8 сечением 20х3 мм из продуктов эмиссии материала, выходящий из щели печи на поверхность пластин 1.
|
