低能粒子辐照对铝膜反射镜光学性能的影响

　　引 言

　　铝膜反射镜因其具有优异的反射性能而在航天器光学系统和元件中得到了广泛的应用。然而，地球辐射带内在轨航天器要受到能量范围极宽的质子和电子辐照作用，光学元件或材料长期在这种环境下服役会导致性能退化[1-4]。长期以来，无论在空间领域还是其它领域，在高能范围内辐射容易产生核反应、位移效应等明显的损伤作用，而低能范围内由于产生的辐射电离等损伤在短期内并不明显。因此，人们在研究带电粒子对光学材料性能的影响时，更多地关注高能粒子的作用[5-8]，而对低能带电粒子的辐照损伤报道甚少。

　　实际上，在地球辐射带中，随着轨道空间中带电粒子能量的减少，通量呈增加趋势。在 30keV~200keV 能量范围内的质子通量最高可达 1010cm-2·s-1，比 1MeV 以上的高能质子剂量大几个数量级[9]。由于能量相对较低的带电粒子在材料中射程小，导致受辐照材料表面的吸收剂量很大，可引起缺陷的产生，对表面光学性能产生不可忽视的影响。因此，开展空间低能量带电粒子对光学材料性能影响的研究，对长寿命空间光学元件十分必要。

　　本文研究了能量在 200keV 以下的低能质子和电子辐照对石英玻璃基铝膜反射镜光学性能的影响，为深入分析空间带电粒子辐照环境下太空反射镜的光学稳定性及性能演化规律提供了依据。

　　1 试验材料与方法

　　在光学石英玻璃JGS1 基片上，采用真空蒸镀的方法( 真空度为5×10-4Pa)，先镀制一层厚约为 500nm的 Al 膜(Al 的纯度为 99.99%) 后，立即在Al 膜上再镀一层厚度约为100nm 的 SiO2膜，如图1 所示。如图2 所示，低能带电粒子辐照试验是在专门的空间综合辐照模拟设备上进行的[10]。该设备可在 10-4Pa 真空和77K热沉两种基本背景环境下进行能量范围为30~200keV的质子和电子辐照试验。本文的辐照试验中，质子辐照能量为100keV 和 160keV、电子辐照能量为 100keV，辐照通量均为1.25×1012cm-2·s-1，辐照剂量范围最高达到1×1017cm-2。

　　本文中采用 Perkin-Elmer 公司Lambda950 型分光光度计测量辐照前后铝膜反射镜试样反射率光谱。

　　2 试验结果及分析

　　2.1 质子辐照对铝膜反射镜反射性能的影响

　　图3 给出了辐照能量分别为 100keV 和 160keV，辐照剂量为1×1014part/cm2、1×1015part/cm2、11016part/cm和 1×1017part/cm2下，质子辐照前后在 200~2500nm 波长范围内反射率变化关系。图中，曲线 1 为辐照前反镜的反射率，可以看出辐照前在 250~700nm 波长范围内其反射率大约为 90%;在约 810nm 波长处具有一反射率约为 87% 的极小值;在超过 980nm 波长后的近红外区域，铝膜反射镜样品的反射率达90% 以上。因此，未辐照铝膜反射镜原始样品具有优良的反射性能。曲线 2~5 为不同辐照剂量辐照后的反射率。从各图中可以清晰地看出一旦经过质子辐照反射镜的反射率，即在200~800nm 紫外短波波长范围内，产生下降;随着辐照剂量的增加这效应更加明显，且逐渐向长波方向移动;然而，对于红外区域，基本没有影响。对比以上两组辐照能量的试验果，可以发现随着辐照能量增加，因辐照剂量增加造成的辐照损伤效应具有减小的趋势。采用 SRIM 程序[12]拟计算了不同能量质子辐照后质子分布，如图4 所示。模拟结果表明，采用辐照能量越低质子的射程越短，在铝反射镜膜层中的浓度也越大，对表面膜层的损伤更为显著。因此，能量为 100keV 的质子辐照所引起反射镜光学反射率下降更为明显。