РАДИАЦИОННО-ИНИЦИИРУЕМЫЕ АБЕРРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ

February 24, 2013 by admin Комментировать »

Игнатьев Ф. Н. Московский авиационный институт (Государственный технический университет) Москва, 125871, Россия e-mail: f. п.ignatiev@mtu-net.ru

Аннотация – Предлагается метод оценки радиационно- инициируемых аберраций, основу которого составляют традиционные в прикладной оптике методы расчета аберраций.

I.                                         Введение

Изображение, формируемое современными космическими информационными оптическими системами, характеризуется высоким, близким к дифракционному пределу, качеством. Вследствие воздействия ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП), параметры оптических систем испытывают возмущения, вызывающих возникновение аберраций. Исследования показывают, что в условиях длительных полетов эти аберрации способны привести к недопустимой деградации оптического изображения.

II.                                        Теория

Радиационно-инициируемые аберрации оптических систем, могут быть оценены, следуя известным подходам\ Функция аберраций W(x,y) определяется выражением:

где Zq ■ оптическая длина пути главного луча в оптической системе, Цх,у;х’у’)- оптическая длина пути лучей между точками (х,у) входного и (х’,у’) выходного зрачков оптической системы, Я – рабочая длина волны. Вследствие изменений показателей преломления и геометрии элементов, и т. п. длины оптических путей лучей изменяются. Учитывая, что эти изменения малы оценку функции аберраций можно выполнить методами теории возмущений^

Здесь Aj и Bj – константы, определяющиеся

параметрами оптической системы. Первое слагаемое в правой части выражения (2) описывает возмущение волнового фронта в выходном зрачке, инициируемое изменениями показателей преломления элементов оптической системы. Второе слагаемое выражения (2) описывает возмущение волнового фронта в выходном зрачке обусловленное изменениями геометрических параметров оптической системы. Таким образом, функция аберраций полностью определяется изменениями показателей преломления элементов оптической системы и ее геометрических параметров.

В соответствии с природой изменения оценка изменения показателя преломления осуществляется в два этапа. На первом этапе оценивается эмпирическим методом изменение показателя преломления вызываемые изменениями спектров электронных и атомных состояний, инициируемых эффектами ионизации. Такие изменения могут быть описаны дозо- выми коэффициентами показателей преломления Д материалов линз. В соответствие с определением^, дозовый коэффициент показателя преломления – эмпирический параметр определяющий его изменение при поглощении образцом единичной дозы ионизирующего излучения. В условиях воздействия на оптические системы ИИ КП необходимо сделать уточнение в методе оценки дозовых коэффициентов. ИИ КП представляет собой многокомпонентное излучение, действие которого на твердое тело, в общем случае, имеет неаддитивный характер, и изменения материальных параметров тел могут зависеть от поглощенной дозы нелинейно®. В этих условиях экспериментальная оценка дозовых коэффициентов (показателя преломления и линейного расширения твердого тела, см. ниже), должна проводиться посредством линеаризации соответствующих зависимостей в области актуальных значений поглощенных доз.

Используя дозовый коэффициент показателя преломления первое слагаемое в (2) можно привести к виду

где Ду – дозовый коэффициент материала j – ого элемента, Dj(r,t)- доза излучения поглощенная в

j- ом элементе. Интегрирование проводится вдоль траектории 5 невозмущенного элемента.

На втором этапе оцениваются изменения показателей преломления, вызываемые фотоупругими эффектами. Для проведения этих оценок, а также и оценок изменений геометрических параметров оптической системы Жу, необходимо оценить напряжения, инициируемыми в оптических элементах ИИ КП.

Содержание метода исследования упругонапряженного состояния тела в условиях воздействия ионизирующих излучений составляет установление зависимости между деформациями тела и энергией, передаваемой телу ионизирующими излучениями. Переданная телу энергия, с точностью до постоянной величины, плотности материала, равна поглощенной дозе излучения, D(f,t) ■ Используя для

оценки «откпика» материала дозовые коэффициенты линейного расширения, уравнение связи между напряжениями, деформациями и радиационной нагрузкой может быть записано в виде

Здесь: ccj. -коэффициент теплового расширения, дозовый коэффициент линейного расширения, химический потенциал, е-средняя энергия дефектообразования, р -плотность материала, К – изотермический модуль объемного расширения, μ и Я – коэффициенты Ламэ, Су – теплоемкость при постоянном объеме, символ Кронекера. Первым

слагаемым, описывающим напряжения, возникающие в теле вследствие изменений температуры, вызываемых воздействием ИИ КП в обсуждаемых задачах можно пренебречь. Уравнение равновесия тела в этих условиях приобретает вид:

здесь: м i=u(f,ty)- вектор перемещений, V- коэффициент Пуассона. Граничные условия для уравнения (5) могут быть заданы либо в перемещениях, либо в напряжениях на поверхности исследуемого тела или его составной части. В условиях реальных нагрузок решение уравнений (4), (5) может быть получено лишь численными методами.

IV.                                  Заключение

Предложенный метод оценки радиационно- инициируемых аберраций может быть использован при проектировании информационных оптических систем космического базирования.

IV.                            Список литературы

[1]  м. А. Gan, S. I. Ustinov, and А. А. Starl<ov, Soviet Journal of Optical Technology, 8, 60 (1993)

[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: f.n.ignatiev@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,x’y’) 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 К 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 Poisson’s 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.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты