Ігнатьєв Ф Н Московський авіаційний інститут (Державний технічний університет) Москва, 125871, Росія e-mail: f пignatiev @ mtu-netru

Анотація – Пропонується метод оцінки радіаційно-ініційованих аберацій, основу якого складають традиційні в прикладній оптиці методи розрахунку аберацій

I                                         Введення

Зображення, сформоване сучасними космічними інформаційними оптичними системами, характеризується високим, близьким до дифракційну межу, якістю Внаслідок впливу іонізуючих випромінювань космічного простору (ШІ КП), параметри оптичних систем відчувають обурення, що викликають виникнення аберацій Дослідження показують, що в умовах тривалих польотів ці аберації здатні призвести до неприпустимою деградації оптичного зображення

II                                        Теорія

Радіаційно-ініційовані аберації оптичних систем, можуть бути оцінені, слідуючи відомим підходам \ Функція аберацій W (x, y) визначається виразом:

де Zq ■ оптична довжина шляху головного променя в оптичній системі, Цх, у ху ) – оптична довжина шляху променів між точками (х, у) вхідного і (х, у ) вихідної зіниць оптичної системи, Я – робоча довжина хвилі Внаслідок змін показників заломлення і геометрії елементів, і т п довжини оптичних шляхів променів змінюються Враховуючи, що ці зміни малі оцінку функції аберацій можна виконати методами теорії збурень ^

Тут Aj і Bj – константи, що визначаються

параметрами оптичної системи Перший доданок в правій частині виразу (2) описує обурення хвильового фронту у вихідному зіниці, що ініціюється змінами показників заломлення елементів оптичної системи Другий доданок виразу (2) описує обурення хвильового фронту у вихідному зіниці обумовлене змінами геометричних параметрів оптичної системи Таким чином, функція аберацій повністю визначається змінами показників заломлення елементів оптичної системи та її геометричних параметрів

У відповідності з природою зміни оцінка зміни показника заломлення здійснюється в два етапи На першому етапі оцінюється емпіричним методом зміна показника заломлення викликаються змінами спектрів електронних і атомних станів, ініційованих ефектами іонізації Такі зміни можуть бути описані дозо-вимі коефіцієнтами показників заломлення Д матеріалів лінз У відповідність з визначенням ^, дозовий коефіцієнт показника заломлення – емпіричний параметр визначає його зміна при поглинанні зразком одиничної дози іонізуючого випромінювання В умовах впливу на оптичні системи ІІ КП необхідно зробити уточнення в методі оцінки дозових коефіцієнтів ІІ КП являє собою багатокомпонентне випромінювання, дія якого на тверде тіло, в загальному випадку, має неаддитивну характер, та зміни матеріальних параметрів тіл можуть залежати від поглиненої дози нелінійно ® У цих умовах експериментальна оцінка дозових коефіцієнтів (показника заломлення і лінійного розширення твердого тіла, див нижче), повинна проводитись за допомогою лінеаризації відповідних залежностей в області актуальних значень поглинених доз

Використовуючи дозовий коефіцієнт показника заломлення перший доданок в (2) можна привести до вигляду

де Ду – дозовий коефіцієнт матеріалу j – ого елемента, Dj (r, t) – доза випромінювання поглинена в

j-му елементі Інтегрування проводиться уздовж траєкторії 5 невозмущенного елемента

На другому етапі оцінюються зміни показників заломлення, що викликаються фотопружних ефектами Для проведення цих оцінок, а також і оцінок змін геометричних параметрів оптичної системи Жу, необхідно оцінити напруги, ініційованими в оптичних елементах ІІ КП

Зміст методу дослідження упругонапряженного стану тіла в умовах впливу іонізуючих випромінювань складає встановлення залежності між деформаціями тіла і енергією, переданої тілу іонізуючими випромінюваннями Передана тілу енергія, з точністю до постійної величини, щільності матеріалу, дорівнює поглиненої дози випромінювання, D (f, t) ■ Використовуючи для

оцінки «откпіка» матеріалу дозові коефіцієнти лінійного розширення, рівняння звязку між напруженнями, деформаціями та радіаційної навантаженням може бути записано у вигляді

Тут: ccj -Коефіцієнт теплового розширення, дозовий коефіцієнт лінійного розширення, хімічний потенціал, е-середня енергія дефектообразования, р-щільність матеріалу, К – ізотермічний модуль обємного розширення, μ і Я – коефіцієнти ламе, Су – теплоємність при постійному обсязі, символ Кронекера Першим

доданком, що описує напруги, що у тілі внаслідок змін температури, що викликаються впливом ШІ КП в обговорюваних завданнях можна знехтувати Рівняння рівноваги тіла в цих умовах набуває вид:

тут: м i = u (f, ty) – вектор переміщень, V-коефіцієнт Пуассона Граничні умови для рівняння (5) можуть бути задані або в переміщеннях, або в напружених на поверхні досліджуваного тіла або його складової частини В умовах реальних навантажень рішення рівнянь (4), (5) може бути отримано лише чисельними методами

IV                                  Висновок

Запропонований метод оцінки радіаційно-ініційованих аберацій може бути використаний при проектуванні інформаційних оптичних систем космічного базування

IV                            Список літератури

[1] м А Gan, SI Ustinov, and А А Starl

[2]  F N ignatiev The theses of the reports of the 7-th All-Union conference on radiating physics and chemistry of inorganic materials Riga 1988, p 531

[3]  M M Mil<haiiov and M i Dvoretsl<ii, Journal of Advanced Materials, 1, 336 (1994)

IRRADIATION INDUCED ABERRATIONS IN SPACEBORNE OPTICAL SYSTEMS

F N Ignatiev

Moscow Aviation Institute (State Technical University) Moscow, 125871, Russia e-mail: fnignatiev@mtu-net ru

Abstract – The method for evaluating irradiation induced aberrations in space optical systems is discussed

I                                          Introduction

Irradiation induced aberrations in optical systems are a result of perturbations in geometry of reflective and refractive surfaces, refractive indexes of lenses, a change in distances between optical elements, and etc These aberrations are able to restrict a serviceability of optical systems during a long-term operation in space

II                                         Theory

Irradiation induced aberrations in optical systems can be described by the methods of geometrical optics The function of aberrations W(x,y) can be defined by equation (1) where Lq is the optical path of a main beam in an unperturbed optical system, L(x,y,xy) is the optical path of beams among the

points of entrance (x,y) and exit (x,y) pupils in the optical

system under irradiation and λ is the operating wavelength Under irradiation optical paths of beams in an optical system are changed owing to: perturbations in refractive indexes n, of

lenses, perturbations in geometry of reflective and refractive surfaces, and etc

Experimental and theoretical evaluations of these changes show that they can be considered as small values This circumstance permits to use the perturbation theory^ for evaluating the function of irradiation induced aberrations In a framework of this approach it may write equation (2) Here values

and Bj are the constants are determined by parameters of an

undisturbed optical system The first sum in this expression describes the wave front distortions caused by the change in refractive indexes The second sum describes the wave front distortions caused by the change in the geometrical parameters of an optical system Evaluation of the values drij in the first sum

of the equation (2) ought to divide into two stages corresponding to the nature of the refractive index’s changes In the first stage, the change in a refractive index caused by irradiation induced variations in electron and atom spectra are evaluated Such changes can be evaluated by the dose coefficients Д

According to the definition^the dose coefficient of a refractive index is the value of its change caused by absorption of a unit dose of ionizing radiation It is necessary to mark, that space radiation is multi-component one and change of the parameters induced by space radiation may be a non-linear function of absorption dose Therefore the dose coefficients need more precise definition Empirical estimations have to use a linear approximation of the function in intervals of the important doses Using the dose coefficients of the refractive indexes the first sum in (2) may be written in the form (3), where Ду is the dose coefficient for the material of the j – th optical element and Dj (f, t) is the dose of ionizing radiation absorbed in the j – th

element The integration in (3) is carried out along a beam trajectory 5 in an unperturbed element The second stage makes up the estimation of the change in the refractive index caused by the photo-elastic effect This estimation is needed to know the stresses arising in a volume of an optical element under irradiation To evaluate the stresses and strains in optical elements generated by ionizing radiation the theory was developed ^ The strains arising in an element can be evaluated using the equation (4) Where До is the isothermal compression module, ay is the thermal expansion coefficient, is the dose coefficient of linear expansion (According to the defini- tion^the dose coefficient of linear expansion is the change in the relative linear size of a body caused by absorption of a unit dose of ionizing radiation), ε is the defect creation energy, ^

is the chemical potential, Cy is the thermal capacity, Я and μ are the Lame parameters, is the strains tensor The displacements arising in an optical element under irradiation are described by the equation (5) Where м is the displacement vector, V is Poissons ratio

III                                       Conclusion

The method for evaluation of irradiation induced aberrations in space optical system is proposed The method proposed could be used during the design of the spaceborne information optical systems to estimate aberrations caused by ionized radiation

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р