Экспериментальное исследование оптических свойств материалов и покрытий космических аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Курилович, Андрей Викторович

• Курилович, Андрей Викторович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Курилович, Андрей Викторович

1. Введение

1.1. Актуальность

1.2. Цели работы

1.3. Задачи работы

1.4. Результаты работы

1.5. Научная новизна

1.6. Практическая ценность

1.7. Основные положения, выносящиеся на защиту

1.8. Апробация работы.

1.9. Личный вклад автора.

2. Исследование поляризационных характеристик ТРП, подвергшихся 11 воздействию факторов космического пространства

2.1. Обзор

2.1.1. Краткая характеристика ФКП, оказывающих влияние на 14 свойства материалов КА

2.1.1.1. Вакуум

2.1.1.2. Радиационные пояса Земли

2.2. Образцы

2.3. Установки для измерения поляризационных характеристик 18 2.3.1. Полуавтоматический эллипсометр

2.3.1.1. Схема измерений параметров Стокса излучения

2.3.1.2. Конструкция эллипсометра.

2.3.1.3. Корректировка параметра Стокса 83 излучения.

2.3.1.4. Работа фотоприемника и его калибровка.

2.3.1.5. Корректировка искажений сигналов, вносимых 23 интерференционным светофильтром.

2.3.1.6. Анализ точности измерения параметров Стокса 24 излучения.

2.3.2. Автоматизированный многоволновой эллипсометер

2.3.2.1. Основные математические соотношения

2.3.2.2. Корреляционная обработка оптическогоо сигнала

2.3.2.3. Поляриметр

2.3.2.4. Компоновка эллипсометра

2.4. Экспериментальная методика

2.4.1. Расчетные зависимости для эллипсометрических 38 параметров излучения.

2.4.2. Расчетные значения для параметров вектора Джонса 38 излучения а и 8.

2.4.3. Расчетные зависимости для комплексного показателя 38 преломления материала.

2.4.4. Анализ точности вычисления эллипсометрических 39 параметров излучения.

2.4.5. Анализ точности вычисления параметров вектора Джонса 40 излучения а и 5.

2.4.6. Анализ точности вычисления комплексного показателя 41 преломления материала.

2.5. Результаты экспериментов

2.6. Обсуждение результатов

2.7. Анализ причин деполяризации излучения

2.8. Предложение по созданию дистанционной системы контроля 54 работоспособности ТРП

2.8.1. Оптическая схема поляриметра и расчетные соотношения

2.8.2. Конструкция поляриметра

2.9. Выводы

3. Исследование оптических постоянных кремния, используемого в 63 солнечных батареях

3.1. Обзор

3.2. Характеристика исследуемых образцов

3.3. Теоретическая модель кремниевой пластины и методика 69 оценки оптических постоянных

3.4. Результаты расчетов и сравнение с литературными данными

3.5. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование оптических свойств материалов и покрытий космических аппаратов»

1.1. Актуальность

Разработка и создание новых типов теплорегулирующих покрытий (ТРП), многофункциональных и конструкционных материалов является наиболее важной задачей материаловедения. Динамично развивающиеся в настоящее время предприятия космической отрасли заинтересованы в создании новых материалов, которые бы в достаточной мере обеспечивали безопасность пилотируемых космических полетов, надежность и долговечность космических аппаратов и бортовых источников энергии. Большинство перспективных материалов - это композитные материалы (керамики, пластики, пластмассы и др.). В условиях космического пространства на космический аппарат (КА) одновременно воздействуют различные внешние факторы (электроны, протоны, солнечная радиация и др.) - факторы космического пространства (ФКП) [1]. При перемещении КА из одной области околоземного космического пространства (ОКП) в другую сочетание этих факторов может изменяться, при этом действие последующих факторов может происходить на фоне эффектов, обусловленных предшествующими воздействиями. При воздействии на материалы КА электронов и ионов высоких энергий в материалах возникают радиационные эффекты разных видов: образование дефектов структуры, ионизация и возбуждение атомов вещества, ядерные превращения. Радиационные эффекты изменяют физико-химические и механические свойства материалов, и следовательно, эксплуатационные характеристики изготовленных из них элементов. Это обстоятельство требует, с одной стороны, разработки и создания новых адекватных комплексных методов исследования свойств, а с другой -дистанционных методов контроля работоспособности этих материалов. Оптические методы исследования материалов традиционно широко используются в материаловедении, т.к. реализуют бесконтактность и "ненарушаемость" свойств среды ("информационное" излучение), как в процессе производства, так и в период эксплуатации материала или изделия [2 - 6]. Это связано с тем, что оптическое излучение обладает различной проникающей способностью, определяемой как длиной волны зондирующего излучения, так и структурой объекта исследования (непрозрачная, полупрозрачная среды и т.д.). Следует отметить, что первично процессы теплообмена на борту космического аппарата определяются, в частности, и взаимодействием внешнего покрытия аппарата с солнечным излучением [7-10]. Это определяет требуемый рабочий спектральный диапазон - 0.2 - 2.5 мкм, а также позволяет использовать преобразование пассивного солнечного подсвета в качестве информативного признака. Наряду со спектральными характеристиками большое значение имеют поляризационные характеристики (параметры Стокса) отраженного материалами лазерного или некогерентного излучений. Рассчитываемые из них значения оптических постоянных материалов (показатели преломления и поглощения) являются наиболее эффективными критериями оценки деградации материалов в условиях воздействия ФКП.

Все это позволяет сформулировать задачу разработки и создания методики поляризационной оптической диагностики с целью получения дополнительной информации о структуре исходного материала и оценки его деградации в условиях воздействия ФКП. Получаемые в результате измерений поляризационных характеристик данные позволяют разрабатывать каталоги оптических свойств (в том числе оптических постоянных) конструкционных материалов и покрытий КА, а также кремния, являющегося основным элементом солнечных батарей. Здесь же следует отметить необходимость разработки теоретических концепций восстановления оптических постоянных из измерений оптических характеристик.

В общем случае корректность измерения оптических характеристик определяется следующими факторами:

1. стабильность параметров измерительной аппаратуры;

2. физическая корректность измерительных методик;

3. свойствами изучаемой поверхности (шероховатость, оптические константы);

4. внутренней структурой среды (наличие крупных неоднородностей, пор и структурных образований);

5. физико-химическими процессами, происходящими в среде под действием ФКП.

Как видно, п.З требует исследования влияния шероховатости поверхности на поляризационные характеристики.

Резюмируя, можно сформулировать что актуальность работы определяется необходимостью: получения данных о поляризационных (оптических) свойствах материалов, покрытий КА и кремния в условиях воздействия ФКП, исследования особенностей отражения поляризованного излучения от шероховатой поверхности, разработки теории отражения оптического излучения от кремниевых пластин (трехслойная модель), учета влияния кислорода на оптические постоянные кремния, разработки принципов построения системы дистанционного контроля работоспособности материалов и покрытий различного назначения в условиях воздействия ФКП.

1.2. Цели работы Целями работы является:

- разработка оптических методов и средств контроля за результатами воздействия внешних разрушающих факторов на материалы и покрытия КА на основании проведения лабораторных исследований оптических свойств указанных материалов,

- получение количественных данных об оптических свойствах материалов и покрытий КА, а также кремния с целью последующей каталогизации свойств,

- получение оптических постоянных кремния на основании трехслойной модели с использованием данных о его коэффициентах отражения и поглощения,

- разработка предложений и рекомендаций по созданию оптических дистанционных систем контроля деградационных процессов на поверхностях материалов и покрытий КА.

1.3. Задачи работы

Общая цель работы определила основные задачи и этапы исследования:

- Разработка и создание экспериментальной установки для измерения параметров Стокса излучения отраженного поверхностями материалов КА;

- Получение экспериментальных данных об оптических (поляризационных) характеристиках ТРП и кремния (коэффициенты отражения и пропускания);

- Разработка теоретической (трехслойной) модели определения оптических постоянных кремния в широком спектральном интервале;

- Разработка предложений по созданию оптических систем дистанционного контроля состояния ТРП в натурных условиях.

1.4. Результаты работы

- Создана экспериментальная установка для измерения параметров Стокса и излучения отраженного поверхностями ТРП,

- Получены экспериментальные данные по поляризационным характеристикам ТРП на длине волны 0,6328 мкм,

- Получены экспериментальные данные по коэффициентам отражения и пропускания монокристаллического кремния в интервале длин волн 0,6 - 2,0 мкм,

- Разработана теоретическая модель и проведены расчеты оптических постоянных монокристаллического кремния по спектрам отражения и пропускания.

1.5. Научная новизна

Новизна работы заключается в следующем:

- Впервые получены экспериментальные данные по поляризационным характеристикам ТРП при воздействии ФКП,

- Впервые получены экспериментальные данные по оптическим постоянным монокристаллического кремния в широком спектральном интервале зондирующего излучения (0,7-2,0 мкм) и определен состав приповерхностного слоя (SiOx) с помощью оже-спектроскопии,

- Впервые проведен анализ причин деполяризации излучения при отражении от шероховатых материалов ТРП,

- Разработана теоретическая модель расчета оптических постоянных кремния и определены значения постоянных в интервале длин волн - 0,7-2,0 мкм.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Курилович, Андрей Викторович

3.5. Выводы

- Получены математические соотношения для коэффициентов отражения и пропускания трехслойной поглощающей среды, учитывающие толщину и оптические постоянные кремния и оксидных пленок, шероховатость поверхности и степень временной когерентности оптического излучения;

- Для полированных образцов монокристаллического кремния, легированного бором, фосфором и сурьмой, экспериментально определены высотные параметры шероховатости поверхности, структура тонких пленок и коэффициенты отражения и пропускания в диапазоне длин волн 0,68-2,0 мкм.

- По полученным математическим соотношениям и экспериментальным данным о спектральных коэффициентах отражения и пропускания рассчитаны оптические постоянные монокристаллического кремния [59,61].

4. Заключение

Разработана установка для исследования поляризационных характеристик материалов и покрытий КА и проведены измерения параметров Стокса отраженного оптического излучения на длине волны 0,632 мкм.

Полученные в результате исследований данные могут быть использованы при разработке каталогов оптических характеристик ТРП, а также найти применение при разработке инженерных математических моделей и программного обеспечения для компьютерного моделирования процессов взаимодействия материалов с ФКП.

Полученные результаты показывают возможность разработки стандартов по оптическим моделям различных типов ТРП в условиях воздействия космической среды на материалы и покрытия.

Показана возможность разработки и создания на базе проведенных исследований перспективного скоростного поляриметра для дистанционного контроля поляризационных параметров ТРП в натурных условиях.

Проведены исследования оптических свойств (коэффициенты отражения и пропускания) кремния в широком интервале изменения спектра зондирующего излучения (0.7 - 2.0 мкм).

Разработана теоретическая модель расчета оптических постоянных кремния с использованием экспериментальных данных о коэффициентах отражения и пропускания.

На основании разработанной модели проведены расчеты оптических постоянных кремния в интервале длин волн 0.7 - 2.0 мкм. Полученные результаты изданы ГСССД в 2007 г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Курилович, Андрей Викторович, 2010 год

1. Глаголев Ю.А. Справочник по физическим параметрам атмосферы. Гидрометеоиздат, 1970

2. J.I.Vette, The АЕ-8 Trapped Electron Environment, NSSDC/WDC-A-R&S 1-24 (1991).

3. D.M.Sawyer, J.I.Vette, AP-8 Trapped Proton Environment for Solar Maximum and Solar Minimum, NSSDC/WDC-A-R&S 76-06 (1979).

4. Пояса Земли радиационные естественные. Пространственно-энергетические характеристики плотности потоков электронов. ГОСТ 25645.138, ГОСТ 25645.139 М., Издательство стандартов.

5. ГОСТ 25645.134, Солнечные космические лучи. Модель потоков частиц. Издательство стандартов, Москва.

6. Feynman, J., Spitale, G., Wang, J. and Gabriel, S: 1993, Interplanetary Proton Fluence Model; JPL 1991, Journal of Geophysical Research 98, А8Д328.

7. Nymmik, R.A. 1994a, Energy Spectra of Proton Fluences in Solar Cosmic Rays, Part I: Spectra in average and its fluctuations, Preprint INP MSU № 94-14/336.

8. Nymmik, R.A. 1994b, Energy Spectra of Proton Fluences in Solar Cosmic Rays, Part II: Probabilistic model, Preprint INP MSU No.94-15/337.

9. Nymmik R.A.: 1995, A Model for Solar Cosmic Ray Events, Nuclear Tracks and Radiation Measurements (in press).

10. Вещество метеорное. Термины, определения и буквенные обозначения. ГОСТ 25645.112. М.: Изд-во стандартов, 1983, 5 с.

11. Kessler D.G. Aerospace America, 1988, N 6, p. 22.

12. Акишин А.И., Новиков JI.C. Имитация радиационных эффектов от воздействия космических излучений. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989, 87 с.

13. Акишин А.И., Кирюхин В.П., Новиков JI.C., Сливков И.Н. ЖТФ, 1984, т. 54, N 1, с. 179.

14. ГОСТ Р 50109. Материалы неметаллические наружных поверхностей изделий. Метод испытания на потерю массы и общее содержание в ней летучих конденсируемых веществ при вакуумно-тепловом воздействии. 1992г.

15. Proceedings of the 8th International Symposium on "Material in a Space Environment" and 5th International Conference on "Protection of Materials and Structures from the LEO Space Environment", Arcachon, France, 2000 r.

16. Модель Космоса, т.1., M., МГУ, 1983 г.

17. Г.С.Фомин Коррозия и защита от коррозии. Энциклопедия международных стандартов. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999 г.

18. Модель Космоса, т.2., М., МГУ, 1983 г.

19. R. М. A. Azzam and N. М. Bashara, Ellisometiy and Polarized Light, North-Holland Publishing Company, New York, 1977.

20. Zolotaryev V.M., Morozov V.N., Smirnov E.V. Optical constants of natural and technical mediums (Leningrad, Chemistry, 1984)

21. Gavrilenko V.I., Grekhov A.M., Korbutyak D.V. Optical properties of semiconductors (Kiev, Naukova dumka, 1987)

22. Handbook Series on Semiconductor Parameters ed. by M. Levinshtein, S. Rumyantsev, M. Shur (World Scientific, Singapore 1991).

23. Dargys A., Kundrotas J. Handbook on Physical Properties of Ge, Si, GaAs and InP (Vilnius, Science and Encyclopedia Publishers, 1994).

24. Philipp H.R., Taft E.A. "Optical constants of silicon in the region 1 to lOeV" Phys. Rev. vol. 120 no. 1, p. 37-38 (1960).

25. Philipp H.R., Ehrenreich H. "Optical properties of semiconductors" Phys. Rev. vol. 129, no. 4, p. 1550-1560 (1963).

26. Sobolev V.V., Alekseev S.A. Donetskikh V.I. Calculations of optical functions of semiconductors from Kramers-Kronig relation (Kishinev, Shtinitsa, 1976).

27. Aspnes D.E., Studna A.A. "Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 eV," Phys. Rev. B. vol. 27. no. 2. p. 985-1009 (1983)

28. G.E. Jellison Jr. "Optical functions of silicon determined by two-channel polarization modulation ellipsometry," Optical Materials vol. 1, no. 1, p. 41-47 (1992).

29. Briggs H.B. Optical effects in bulk silicon and germanium Physical Review vol. 77, 287 (1950).

30. Salzberg C.D., Villa J.J. "Infrared refractive indexes of silicon germanium and modified selenium glass," J. Opt. Soc. Am. Vol. 47, no. 3, p. 244-246 (1957).

31. Primak W. "Refractive index of silicon" Applied Optics vol. 10, no. 4, p. 759-763 (1971)

32. Villa J.J. "Additional data on the refractive index of silicon" Applied Optics vol. 11, no. 9, p. 2102-2103 (1972).

33. Dash W.C., Newman R. "Intrinsic optical absorption in single-crystal germanium and silicon at 77°K and 300°K" Physical Review vol. 99, no. 4, p. 1151-1155 (1955).

34. Edwards D.F. "Silicon (Si)" in Handbook of Optical Constants of Solids ed. by E.D. Palik (Academic Press Inc. 1985) p. 547-569.

35. Hulthen R. "Optical Constants of Epitaxial Silicon in the Region 1-3.3 eV" Physica Scripta vol. 12. p. 342-344 (1975)

36. А.Я. Нашельский «Технология полупроводниковых материалов» М. Металлургия, 1987

37. J.P. Spicer Appl. Phys. Lett. V.27, no. 8, p. 452-454, (1975).

38. Philipp H.R., Taft E.A. "An optical characterization of native oxides and thin thermal oxides on silicon" J. Appl. Phys. Vol. 53, no. 7, p. 5224-5229 (1982).

39. Helms C.R., Johnson N.M., Schwarz S.A., Spicer W.E. J. "Studies of the effect of oxidation time and temperature on the Si-Si02 interface using Auger sputter profiling," Appl. Phys., vol. 50, no. 11, p. 7007-7014, (1979).

40. Philipp H.R. "Optical properties of non-crystalline Si, SiO, SiOx and Si02" J. Phys. Chem. Solids vol. 32 p. 1935-1945 (1971).

41. Philipp H.R. "Silicon monoxide (SiO) (Noncrystalline)" in Handbook of Optical Constants of Solids ed. by E.D. Palik (Academic Press Inc. 1985) p. 765-769.

42. State verification scheme for apparatuses measuring of absorbance GOST 8.500-84 (Moscow, State Committee of USSR on Standards, 1984)

43. Born M, Wolf E. Principles of Optics (Cambridge University Press, Cambridge,1999)

44. Bennett J. M., Mattson L. Introduction to Surface Roughness and Scattering (Optical Society of America, Washington, 1999).

45. N. C. Bruce, A. J. Sant, and J. C. Dainty, "The Mueller matrix for rough surface scattering using the Kirchhoff approximation," Opt. Commun. 88, 471-484, 1992.

46. S. Krishnan and P. C. Nordine, "Mueller-matrix ellipsometry using the division-of-amplitude photopolarimeter: a study of depolarization effects," Appl. Opt. 33, 41844192, 1994.

47. V. Ya. Mendeleev, "Limits of applicability of the Bouguer model for analyzing the optical reflective characteristics of rough metal surfaces," J. Opt. Technol. 62, 88-91, 1995.

48. D. L. Jordan, G. D. Lewis, and E. Jakeman, "Emission polarization of roughened glass and aluminum surfaces," Appl. Opt. 35, 3583-3590, 1996.

49. F. Le Roy-Brehonnet and B. Le Jeune, "Utilization of Mueller matrix formalism to obtain optical targets depolarization and polarization properties," Prog. Quant. Electr. 21, 109-151, 1997.

50. S. F. Nee and T. Nee, "Polarization of scattering by rough surfaces," Proc. SPIE 3426, 169-180, 1998.

51. M. Born and E. Wolf, Principles of Optics, Pergamon Press, Oxford, 1968.

52. D. Middelton, An Introduction to Statistical Communication Theory, McGraw-Hill, New York, 1960.

53. Курилович А.В., Менделеев В.Я., Сковородько С.Н., Хвист Д.В. Автоматизированный многоволновый поляризационный анализатор. // Труды конференции «ЛАЗЕРЫ. ИЗМЕРЕНИЯ. ИНФОРМАЦИЯ», 3-5 июня 2008 года, Санкт-Петербург. 2008. С. 67.

54. Менделеев В.Я., Сковородько С.Н., Курилович A.B., Лубнин E.H., Просвириков В.М. Влияние примесей на оптические свойства монокристаллического кремния // Физика и химия обработки материалов. 2009. №4. С. 18-25.