Эксперименты МИЭМ повысят надежность космических аппаратов и ядерных реакторов

 

Электрическая проводимость диэлектриков (изоляторов) – одно из свойств материалов, от которого зависит надежность работы космических аппаратов, ядерных реакторов, а также эффективность копировальной и множительной техники. Ученые Лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем Московского института электроники и математики (МИЭМ) НИУ ВШЭ разработали ряд эффективных методов исследования и применения полимерных диэлектриков, благодаря созданию и использованию уникальной установки на низкоэнергетических электронах. 

Обобщенные результаты исследований ученые Лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем представили на международной конференции Spacecraft Charging and Technology Conference в Калифорнии и международном форуме 40th COSPAR Scientific Assembly в Москве летом 2014 года. Данные будут опубликованы (уже прошли рецензирование и приняты в печать) в 2015 году в статьях в американском научном журнале IEEE Transactions on Plasma Science *. В настоящее время лаборатория реализует совместные проекты с зарубежными исследовательскими центрами.

Полимерные материалы важны как в повседневной бытовой жизни, так и в целых отраслях, от которых зависит безопасность окружающей среды. В исследованиях МИЭМ НИУ ВШЭ речь идет об изменениях электрофизических характеристик полимерных диэлектриков при воздействии света или радиации. Первые результаты были получены еще несколько десятилетий назад, а сегодня на них ссылаются ученые всего мира.

В настоящее время совершенствуются уже разработанные полимеры, а также создаются новые, поэтому исследования в данном направлении продолжаются. Их стимулирует необходимость практического использования, по крайней мере, в трех направлениях: «Во-первых, это проблема защиты космических аппаратов от поражающих факторов электризации. Во-вторых, это вопросы стойкости полимерных диэлектриков к воздействию ионизирующих излучений в ядерной энергетике. И, в-третьих, развитие техники и технологии процессов записи, хранения и считывания информации, включая тривиальный в настоящее время принтер или ксерокс», – рассказал профессор НИУ ВШЭ, руководитель лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем МИЭМ Владимир Саенко.

Исследовать полимеры важно в процессе воздействия излучений

Изучать процессы, протекающие в твердых телах в ходе воздействия на них излучений, гораздо труднее, чем последствия этих излучений, когда процесс закончен и образец можно вынести, например, из зоны реактора, и на специальных приборах посмотреть, что изменилось после облучения. Но легкий способ – не самый лучший. «Радиационная электропроводимость полимеров в процессе облучения может увеличиваться в сотни и даже тысячи раз, а когда процесс облучения прекращается, она практически возвращается к первоначальной величине и нет никакого пост-эффекта», – пояснил профессор НИУ ВШЭ, научный руководитель лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем Евгений Пожидаев.

Ученые МИЭМ решили эту задачу, создав установку на низкоэнергетических электронах. Работать на созданной установке гораздо легче и производительней, чем с ускорителями, реакторами и изотопными источниками ионизирующих излучений. Не нужно сложной защиты, а процесс измерений легко автоматизируется.

Этим был совершен большой шаг в науке. Появился ряд новых методов по исследованию свойств материалов, предназначенных для использования в ядерной энергетике и космической технике. При этом ученые МИЭМ теоретически предсказали и экспериментально подтвердили, что экспериментальные данные, полученные на созданной установке, полностью совпадают с данными полученными на ускорителях и реакторах. «На наши данные по радиационной электропроводности и подвижности носителей заряда сейчас ссылаются практически все ученые в мире, работающие в этой и смежных областях», – говорит Евгений Пожидаев.

Польза для космоса и ядерной энергетики

Радиационная стойкость электрической изоляции проводов и кабелей АЭС (атомные электростанции) – это важная часть многоступенчатой системы защиты ядерных реакторов. На своей установке сотрудники лаборатории проводят исследования, которые позволяют ответить на то, как изменяются свойства изоляции при длительном воздействии радиации и каков срок службы этой изоляции до ее полной или частичной замены. Своевременная замена позволяет избежать аварий на АЭС, поясняет профессор лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем МИЭМ Андрей Тютнев, являвшийся государственным экспертом по изоляционным материалам АЭС СССР.

Еще одна область, для которой важны результаты исследований МИЭМ – космические непилотируемые объекты (космические аппараты). Они работают в более жестких условиях, чем пилотируемые аппараты. Самая перспективная орбита для таких космических аппаратов – это геостационарная орбита, находящаяся в радиационном поясе Земли, поясняют ученые.

Эту орбиту человечество начало осваивать примерно 50 лет тому назад. Спутник на геостационарной орбите как бы находится на вершине вышки высотой 36700 км. На этой единственной такого рода орбите находится множество спутников. «Однако при освоении орбиты исследователи столкнулись с ранее не встречавшимся явлением электризации космических аппаратов. Оказалось, что на этой высоте очень много протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли из солнечного ветра. Электроны, как более быстрые частицы, внедряются в диэлектрические материалы поверхности спутников, что приводит к возникновению электростатических разрядов, которые быстро выводят из строя электронные системы этих спутников», - пишет Пожидаев.

Поэтому сейчас для космических аппаратов, работающих на геостационарной орбите, проводится тщательный выбор пластиков из существующих или создаются новые пластики с требуемыми свойствами, рассказал Саенко. Эти пластики также проходят проверку на установке МИЭМ.

В настоящее время коллективом лаборатории проводятся совместная работа с французскими учеными из космического центра г. Тулуза, где проводятся исследования воздействия реального спектра электронов в космосе на полимерные материалы. «Установка прекрасно имитирует, заряжение, а мы им измеряем радиационную электропроводность и подвижность носителей заряда в материалах», – рассказал Саенко.

Принтеры и ксероксы могут стать быстрее

Еще одна область применения результатов исследований МИЭМ – повышение эффективности множительной техники.

Сейчас ведущие производители множительной техники стремятся увеличить скорость цветных лазерных принтеров и ксероксов. «Физически этот процесс можно ускорить, если разработать новый пластик, которым покрыт барабан в картридже принтера или ксерокса. На этом пластике барабана лазерный луч должен быстрее рисовать изображение, к изображению должен прилипать ксеропорошок, остатки которого после переноса части порошка на бумагу, должны легко убираться с барабана», - пояснил Саенко. Для высокой скорости печати скорость движения носителей заряда (подвижность носителей заряда) должна быть высокой и управляемой. И здесь опять необходима установка, созданная в МИЭМ. Она позволяет экспериментально определять подвижность носителей заряда в пластиках.

В настоящее время ученые лаборатории помогают одной из ведущих фирм в области фотопечати и множительной техники отрабатывать рецептуру пластика барабана картриджа. Результатом работы должно стать увеличение скорости печати более чем в два раза.

См.также:

Инновации изменят авиапром
Нанотехнологии меняют мир
Искусственный интеллект помогает бороться с работорговлей
Математики помогли распознать домашнее насилие 

*

1. Andrey Tyutnev, Vladimir Saenko, Evgenii Pozhidaev, Renat Ikhsanov Experimental and theoretical studies of radiation-induced conductivity in spacecraft polymers.

2. Vladimir Saenko, Andrey Tyutnev, Evgenii Nikolskii, Anton Bakutov Protection of the "Spectr-R" Spacecraft against Effects of the on-board ESD using “Satellite-MIEM” computer code.

 

Автор текста: Селина Марина Владимировна, 16 февраля, 2015 г.