RU2771504C1 - Method for determining the change in the transmission coefficient of objective lens of space equipment under the influence of ionizing radiation from outer space - Google Patents
Method for determining the change in the transmission coefficient of objective lens of space equipment under the influence of ionizing radiation from outer space Download PDFInfo
- Publication number
- RU2771504C1 RU2771504C1 RU2021115283A RU2021115283A RU2771504C1 RU 2771504 C1 RU2771504 C1 RU 2771504C1 RU 2021115283 A RU2021115283 A RU 2021115283A RU 2021115283 A RU2021115283 A RU 2021115283A RU 2771504 C1 RU2771504 C1 RU 2771504C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- space
- radiation
- ionizing radiation
- equipment
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/52—Protection, safety or emergency devices; Survival aids
- B64G1/54—Protection against radiation
- B64G1/546—Protection against radiation shielding electronic equipment
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Critical Care (AREA)
- Emergency Medicine (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области обеспечения стойкости линзовых объективов космической аппаратуры к воздействию ионизирующих излучений космического пространства. Предварительная расчетная оценка изменения (снижения) спектрального коэффициента пропускания линзового объектива космической аппаратуры в условиях воздействия ионизирующих излучений космического пространства позволяет выбрать вариант конструкции объектива, обеспечивающий работу аппаратуры с требуемыми характеристиками в течение заданного срока активного существования на орбите. Повреждающее действие ионизирующих излучений космического пространства на изготовленные из оптических стекол элементы объектива (а именно - линзы, защитные стекла, светофильтры) состоит в увеличении их спектральной оптической плотности вследствие радиационного окрашивания стекол и соответствующего снижения спектрального коэффициента пропускания объектива.The invention relates to the field of ensuring the resistance of lens objectives of space equipment to the effects of ionizing radiation from outer space. A preliminary calculation estimate of the change (decrease) in the spectral transmittance of the lens lens of space equipment under the influence of ionizing radiation from outer space allows you to choose a lens design option that ensures the operation of the equipment with the required characteristics for a given period of active existence in orbit. The damaging effect of ionizing radiation from outer space on lens elements made of optical glasses (namely, lenses, protective glasses, light filters) consists in an increase in their spectral optical density due to radiation staining of glasses and a corresponding decrease in the spectral transmittance of the lens.
Известен способ определения изменения коэффициента пропускания оптических систем, элементы которых изготовлены из оптических стекол, при воздействии ионизирующих излучений космического пространства, описанный в книге «Модель космического пространства. Модель космоса - 82. Моделирование воздействия космической среды на материалы и оборудование космических летательных аппаратов» / Под редакцией Вернова С.Н., в 3-х томах, Москва, изд. МГУ, 1983 г., том 2, с. 567. Способ состоит в том, что приращение спектральной оптической плотности оптической системы в результате воздействия ионизирующих излучений космического пространства представляют в виде суммы соответствующих приращений спектральной оптической плотности отдельных элементов системы, определяемых произведением коэффициента радиационного повреждения стекла элемента на суммарную дозу ионизирующих излучений космического пространства распределенную по глубине стекла элемента, коэффициенты радиационного повреждения стекол определяют по результатам экспериментов, а распределение дозы по глубине элемента считают известным из других источников.There is a known method for determining the change in the transmittance of optical systems, the elements of which are made of optical glasses, when exposed to ionizing radiation from outer space, described in the book “Model of Outer Space. Space model - 82. Modeling the impact of the space environment on the materials and equipment of spacecraft " / Edited by Vernov S.N., in 3 volumes, Moscow, ed. Moscow State University, 1983, volume 2, p. 567. The method consists in that the increment of the spectral optical density of the optical system as a result of exposure to ionizing radiation of outer space is represented as the sum of the corresponding increments of the spectral optical density of individual elements of the system, determined by the product of the coefficient of radiation damage to the glass of the element by the total dose of ionizing radiation of outer space distributed over depth of the glass of the element, the coefficients of radiation damage to glasses are determined from the results of experiments, and the dose distribution over the depth of the element is considered known from other sources.
По данному способу коэффициент радиационного повреждения стекла является удельным приращением спектральной оптической плотности стекла, то есть приращением спектральной оптической плотности, создаваемым воздействием единичной поглощенной дозы ионизирующих излучений в единице толщины образца стекла и не учитывает эффекта обесцвечивания радиационной окраски стекла.According to this method, the coefficient of radiation damage to glass is a specific increment of the spectral optical density of glass, that is, an increment in the spectral optical density created by exposure to a single absorbed dose of ionizing radiation per unit thickness of a glass sample and does not take into account the effect of discoloration of the radiation coloring of glass.
Известен способ определения изменения коэффициента пропускания оптических систем - телескопа «PLATO», элементы которых изготовлены из оптических стекол, при воздействии ионизирующих излучений космического пространства, описанный на страницах 33851-33854 в работе Corso AJ, Tessarolo Ε, Baccaro S, et al. Rad-hard properties of the optical glass adopted for the PLATO space telescope refractive components. Optics Express. 2018, Vol. 26, No. 26, DOI: 10.1364/OE.26.033841, pp. 33841-33855. Способ состоит в том, что для каждой из используемых марок стекол по результатам эксперимента или справочным данным определяют характеристики кинетики радиационной окраски оптического стекла, совпадающие с коэффициентом радиационного повреждения стекла не учитывающего эффекта обесцвечивания радиационной окраски стекла, отличающейся от описанного выше способа книги «Модель космического пространства…» том 2, с. 567 только использованием натуральных логарифмов вместо десятичных логарифмов, что не имеет принципиального значения.There is a known method for determining the change in the transmittance of optical systems - the PLATO telescope, the elements of which are made of optical glasses, when exposed to ionizing radiation from outer space, described on pages 33851-33854 in Corso AJ, Tessarolo Ε, Baccaro S, et al. Rad-hard properties of the optical glass adopted for the PLATO space telescope refractive components. Optics Express. 2018 Vol. 26, no. 26, DOI: 10.1364/OE.26.033841, pp. 33841-33855. The method consists in the fact that for each of the glass brands used, according to the results of the experiment or reference data, the characteristics of the kinetics of radiation coloration of optical glass are determined, which coincide with the coefficient of radiation damage to glass that does not take into account the effect of discoloration of the radiation color of glass, which differs from the method described above of the book "Model of Outer Space ... "Volume 2, p. 567 only using natural logarithms instead of decimal logarithms, which is of no fundamental importance.
Затем, используя характеристики орбиты космического аппарата и применяя специальное программное обеспечение (SPENVIS) определяют характеристики ионизирующих излучений космического пространства -энергетические спектры протонов, которые в данном случае обеспечивают основной вклад в величину дозы. Используя полученные спектры протонов и предполагаемую длительность функционирования космического аппарата на орбите, применяя специальное программное обеспечение (MULASSIS, FASTRAD) определяют характеристики ионизирующих излучений космического пространства - флюенсы протонов и интегральные энергетические спектры флюенса протонов, падающих на каждую линзу с учетом защитных свойств конструкции телескопа. Применяя специальное программное обеспечение (SHIELDOSE-2) по полученным интегральным энергетическим спектрам флюенса протонов космического пространства определяют распределение дозы ионизирующих излучений космического пространства по оптической оси каждой линзы с использованием модели эквивалентной толщины защиты из алюминия.Then, using the characteristics of the orbit of the spacecraft and using special software (SPENVIS), the characteristics of ionizing radiation of outer space are determined - the energy spectra of protons, which in this case provide the main contribution to the dose. Using the obtained spectra of protons and the estimated duration of the operation of the spacecraft in orbit, using special software (MULASSIS, FASTRAD), the characteristics of ionizing radiation of outer space are determined - fluences of protons and integral energy spectra of the fluence of protons incident on each lens, taking into account the protective properties of the telescope design. Using special software (SHIELDOSE-2), the obtained integral energy spectra of the fluence of outer space protons determine the distribution of the dose of ionizing radiation of outer space along the optical axis of each lens using a model of the equivalent thickness of aluminum protection.
Относительное изменение (снижение) спектрального коэффициента пропускания оптической системы телескопа «PLATO» для выбранной длины волны света определяется в полном соответствии с приведенной выше последовательностью способа, описанного в книге «Модель космического пространства…» том 2, с. 567. Не имеющие принципиального значения отличия заключаются в использовании в формулах работы Corso A J, Tessarolo Ε, Baccaro S, et al. основания натуральных логарифмов e=2,718… в качестве основания степени, вместо основания 10 в аналогичных формулах описанного в книге «Модель космического пространства…» том 2, с. 567 способа, а также использовании суммирования по слоям линзы при определении приращения спектральной оптической плотности линзы в указанной выше работе Corso AJ, Tessarolo Ε, Baccaro S, et al. вместо интегрирования в описаном выше способе книги «Модель космического пространства…» том 2, с. 567.The relative change (decrease) in the spectral transmittance of the optical system of the PLATO telescope for the selected wavelength of light is determined in full accordance with the above sequence of the method described in the book “Space Model…”, Volume 2, p. 567. Differences of no fundamental importance lie in the use in the formulas of the work of Corso A J, Tessarolo E, Baccaro S, et al. bases of natural logarithms e=2.718… as the base of the degree, instead of base 10 in similar formulas described in the book “Space Model…”, Volume 2, p. 567 method, as well as the use of summation over lens layers in determining the increment in the spectral optical density of the lens in the above work Corso AJ, Tessarolo Ε, Baccaro S, et al. instead of integrating in the method described above of the book "Model of Outer Space ..." Volume 2, p. 567.
В данном способе последовательно используется сложное специальное программное обеспечение (SPENVIS, MULASSIS, FASTRAD, SHIELDOSE-2), так, что результаты применения программного обеспечения одного этапа являются исходными данными для применения программного обеспечения следующего этапа в процессе получения результата. Данное программное обеспечение основано на использовании сложных методов обработки данных и математических моделей, в том числе использует трехмерные модели конструкции аппаратуры (FASTRAD) из соответствующих САПР.In this method, complex special software (SPENVIS, MULASSIS, FASTRAD, SHIELDOSE-2) is sequentially used, so that the results of applying the software of one stage are the initial data for applying the software of the next stage in the process of obtaining the result. This software is based on the use of complex data processing methods and mathematical models, including the use of three-dimensional hardware design models (FASTRAD) from appropriate CAD systems.
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа определения изменения коэффициента пропускания линзовых объективов космической аппаратуры при воздействии ионизирующих излучений космического пространства является способ выбора марок оптических стекол для конструирования оптических систем космической аппаратуры, в условиях длительного воздействия ионизирующих излучений космического пространства, описанный в патенте РФ на изобретение №2626450, МПК B64G 1/56, G21F 1/06, опубл. 27.07.2017 г. Этот способ учитывает эффект обесцвечивания радиационной окраски стекла и разделен на четыре последовательно выполняемые операции. В первой операции производится определение характеристик кинетики радиационной окраски применяемых марок стекол по справочным или экспериментальным данным о радиационно-оптической устойчивости стекол с помощью системы компьютерной алгебры. Во второй операции оценивают среднюю мощность дозы ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси каждого элемента оптической системы с учетом защитных свойств конструкции аппаратуры, используя способ определения локальных доз ионизирующих излучений космического пространства за защитными экранами с аналитической формой поверхности описанный в патенте РФ на изобретение №2564472, МПК B64G 1/56, опубликованном 10.10.2015 г. В третьей операции определяют приращение спектральной оптической плотности для выбранной длины волны света и для каждого оптического элемента, с помощью системы компьютерной алгебры используя данные, полученные в первой и второй операциях. В четвертой операции определяют приращение спектральной оптической плотности оптической системы и соответствующее относительное снижение спектрального коэффициента пропускания системы за срок активного существования аппаратуры. Сравнивают снижение спектрального коэффициента пропускания оптической системы с допустимыми значениями и, в зависимости от результата, заменяют марки оптического стекла у элементов с максимальными величинами приращения спектральной оптической плотности.The closest analogue of the proposed method for determining the change in the transmittance of lens lenses of space equipment when exposed to ionizing radiation from outer space is the method for choosing brands of optical glasses for designing optical systems of space equipment, under conditions of prolonged exposure to ionizing radiation from outer space, described in the RF patent for the invention No. 2626450,
Задачей изобретения является создание способа определения изменения коэффициента пропускания линзовых объективов космической аппаратуры при воздействии ионизирующих излучений космического пространства, позволяющего предварительно оценить радиационную стойкость объектива типовыми средствами компьютерной алгебры без использования специального программного обеспечения и повысить точность результата.The objective of the invention is to create a method for determining the change in the transmittance of lens lenses of space equipment under the influence of ionizing radiation from outer space, which makes it possible to preliminarily estimate the radiation resistance of the lens using typical computer algebra tools without using special software and improve the accuracy of the result.
Технический результат - предложен способ, позволяющий определить радиационную стойкость объективов космической аппаратуры с высокой точностью без использования специального программного обеспечения и увеличить точность проводимых вычислений в результате более полного учета характеристик конструкции объектива и аппаратуры.EFFECT: a method is proposed that allows to determine the radiation resistance of space equipment lenses with high accuracy without the use of special software and to increase the accuracy of the calculations as a result of a more complete consideration of the characteristics of the lens and equipment design.
Это достигается тем, что в способе определения изменения коэффициента пропускания линзовых объективов космической аппаратуры при воздействии ионизирующих излучений космического пространства определяют характеристики кинетики радиационной окраски оптических стекол элементов объектива, определяют распределение дозы ионизирующих излучений космического пространства по оптической оси объектива по способу определения локальных доз ионизирующих излучений космического пространства за защитными экранами с аналитической формой поверхности, определяют приращение спектральной оптической плотности, вычисляют изменение спектрального коэффициента пропускания объектива, в зависимости от результата изменяют конструкцию объектива, в отличие от известного, для определения распределения дозы ионизирующих излучений космического пространства по оптической оси объектива элементы объектива аппроксимируют плоскими дисками с толщиной равной их толщине по оптической оси, аппроксимацию корпуса объектива цилиндром производят из условий равенства радиуса такого цилиндра среднему радиусу элементов объектива, зависимость переменной вдоль оси массовой толщины стенки цилиндра аппроксимируют исходя из защитных свойств аппаратуры и корпуса объектива, защиту объектива в заднем полупространстве аппроксимируют плоским диском или сегментом сферы с массовой толщиной по конструкции аппаратуры, защиту объектива в переднем полупространстве при наличии аппроксимируют плоским диском с массовой толщиной по конструкции аппаратуры.This is achieved by the fact that in the method for determining the change in the transmittance of lens lenses of space equipment under the influence of ionizing radiation from outer space, the characteristics of the kinetics of radiation coloration of the optical glasses of the lens elements are determined, the distribution of the dose of ionizing radiation from outer space along the optical axis of the lens is determined by the method for determining local doses of ionizing radiation from outer space behind protective screens with an analytical surface shape, determine the increment in the spectral optical density, calculate the change in the spectral transmittance of the lens, depending on the result, change the design of the lens, in contrast to the known one, to determine the dose distribution of ionizing radiation from outer space along the optical axis of the lens, the lens elements approximate flat disks with a thickness equal to their thickness along the optical axis, approximation of the lens body by a cylinder produced from the conditions of equality of the radius of such a cylinder to the average radius of the lens elements, the dependence of the variable along the axis of the mass thickness of the cylinder wall is approximated based on the protective properties of the equipment and the lens body, the lens protection in the rear half-space is approximated by a flat disk or a segment of a sphere with a mass thickness according to the design of the equipment, lens protection in the front half-space, if available, they are approximated by a flat disk with a mass thickness according to the design of the equipment.
Кроме того, характеристики кинетики радиационной окраски стекол элементов объектива могут определяться или без учета эффекта обесцвечивания радиационной окраски стекла или с учетом эффекта обесцвечивания радиационной окраски стекла используя модель непрерывного равномерного распределения ловушек по энергиям в конечном интервале энергий.In addition, the characteristics of the kinetics of the radiation coloration of glasses of the lens elements can be determined either without taking into account the effect of bleaching of the radiation coloring of glass or taking into account the effect of bleaching of the radiation coloring of glass using the model of a continuous uniform energy distribution of traps in a finite energy range.
Изобретение поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.
На чертеже изображена аппроксимированная конструкция объектива по данному изобретению. Ось z выбранной системы координат направлена по оптической оси объектива по ходу лучей света. Начало координат определяется пересечением оси z с плоскостью переднего основания цилиндра, аппроксимирующего конструкцию корпуса объектива. Радиус такого цилиндра обозначен R, а его длина - L. Для элемента объектива с номером i, где i=1,…, Ν, плотность стекла элемента обозначена ρi, координата передней поверхности аппроксимированного элемента обозначена через z2i-1 а координата задней поверхности через z2i. Массовая толщина защиты объектива в переднем полупространстве обозначена X1, в случае отсутствия такой защиты полагаем X1=0. Переменная, в общем случае, массовая толщина стенки аппроксимированного цилиндрического корпуса объектива обозначена X2(z), а массовая толщина защиты объектива в заднем полупространстве обозначена Х3. Массовая толщина Х3 аппроксимации защиты элементов объектива в заднем полупространстве плоским диском показана сплошной линией, а для случая аппроксимации сегментом сферы - соответственно пунктирной линией. В текущей точке z на оси введена сферическая система координат с центром в этой точке. Угол широты θ данной системы координат отсчитывается от отрицательного направления оси по часовой стрелке. Углы θ1(z) и θ2(z) соответствуют переднему и заднему основаниям аппроксимированного цилиндром корпуса объектива в данной системе сферических координат.The drawing shows an approximate design of the lens according to this invention. The z-axis of the selected coordinate system is directed along the optical axis of the lens in the direction of the light rays. The origin of coordinates is determined by the intersection of the z-axis with the plane of the front base of the cylinder approximating the design of the lens barrel. The radius of such a cylinder is denoted R, and its length is L. For the lens element with number i, where i=1,…, Ν, the glass density of the element is denoted by ρ i , the coordinate of the front surface of the approximated element is denoted by z 2i-1 and the coordinate of the back surface via z 2i . The mass thickness of the lens protection in the front half-space is designated X 1 , in the absence of such protection, we assume X 1 =0. The variable, in general, mass wall thickness of the approximated cylindrical lens body is denoted X 2 (z), and the mass thickness of the lens shield in the rear half-space is denoted X 3 . The mass thickness X 3 of the approximation of the protection of the lens elements in the rear half-space by a flat disk is shown by a solid line, and for the case of approximation by a segment of a sphere, respectively, by a dotted line. At the current point z on the axis, a spherical coordinate system is introduced with the center at this point. The latitude angle θ of a given coordinate system is measured from the negative direction of the axis clockwise. The angles θ 1 (z) and θ 2 (z) correspond to the front and rear bases of the lens barrel approximated by a cylinder in a given spherical coordinate system.
Способ определения изменения коэффициента пропускания линзовых объективов космической аппаратуры при воздействии ионизирующих излучений космического пространства по настоящему изобретению заключается в том, что сначала определяют характеристики кинетики радиационной окраски оптических стекол элементов объектива. Характеристики кинетики радиационной окраски оптических стекол элементов объектива могут быть определены двумя способами, или без учета эффекта обесцвечивания радиационной окраски или с учетом этого эффекта. При определении характеристик кинетики радиационной окраски оптических стекол объектива без учета эффекта обесцвечивания радиационной окраски анализируют справочные или экспериментальные данные по изменению коэффициента пропускания или, что эквивалентно, оптической плотности стекол в процессе воздействия ионизирующих излучений и получают величины Ki коэффициентов радиационного повреждения стекол элементов объектива по следующей формуле, приведенной в книге «Модель космического пространства. Модель космоса - 82. Моделирование воздействия космической среды на материалы и оборудование космических летательных аппаратов» / Под редакцией Вернова С.Н., в 3-х томах, Москва, изд. МГУ, 1983 г., том 2, с. 569The method for determining the change in the transmittance of the lens objectives of space equipment under the influence of ionizing radiation of outer space according to the present invention consists in first determining the characteristics of the kinetics of the radiation coloration of the optical glasses of the lens elements. Characteristics of the kinetics of the radiation coloration of the optical glasses of the lens elements can be determined in two ways, either without taking into account the effect of discoloration of the radiation coloration or taking into account this effect. When determining the characteristics of the kinetics of the radiation coloration of the optical glasses of the lens, without taking into account the effect of discoloration of the radiation coloration, reference or experimental data on the change in the transmittance or, equivalently, the optical density of the glasses during exposure to ionizing radiation are analyzed and the values K i of the coefficients of radiation damage to the glasses of the lens elements are obtained according to the following the formula given in the book “Model of Outer Space. Space model - 82. Modeling the impact of the space environment on the materials and equipment of spacecraft " / Edited by Vernov S.N., in 3 volumes, Moscow, ed. Moscow State University, 1983, volume 2, p. 569
где:where:
- τ0 - начальное значение спектрального коэффициента пропускания образца стекла до эксперимента;- τ 0 - the initial value of the spectral transmittance of the glass sample before the experiment;
- τэ - значение спектрального коэффициента пропускания образца стекла после эксперимента;- τ e - the value of the spectral transmittance of the glass sample after the experiment;
- Q - доза ионизирующего излучения, поглощенная в образце стекла в эксперименте, рад;- Q - dose of ionizing radiation absorbed in the glass sample in the experiment, rad;
- L-толщина образца стекла в эксперименте, см.- L is the thickness of the glass sample in the experiment, see
Коэффициент радиационного повреждения, определяемый формулой (1), учитывает только влияние дозы ионизирующего излучения на коэффициент пропускания образца стекла и не учитывает эффекты, связанные с мощностью этой дозы и, соответственно, связанные со временем воздействия ионизирующего излучения и разрушением образовавшихся центров окраски стекла с течением времени. Таким образом, формула (1) определяет коэффициент радиационного повреждения стекла без учета эффекта обесцвечивания радиационной окраски. Коэффициент радиационного повреждения, определяемый формулой (1), является удельным приращением спектральной оптической плотности стекла, то есть приращением спектральной оптической плотности (стоящей в числителе дроби правой части (1)), создаваемым воздействием поглощенной дозы ионизирующих излучений 1 рад в единице толщины образца стекла.The radiation damage coefficient determined by formula (1) takes into account only the effect of the dose of ionizing radiation on the transmittance of the glass sample and does not take into account the effects associated with the rate of this dose and, accordingly, associated with the time of exposure to ionizing radiation and the destruction of the formed glass color centers over time . Thus, formula (1) determines the coefficient of radiation damage to glass without taking into account the effect of discoloration of the radiation color. The radiation damage coefficient, determined by formula (1), is the specific increment of the spectral optical density of glass, that is, the increment of the spectral optical density (which is in the numerator of the fraction on the right side of (1)), created by the action of an absorbed dose of ionizing radiation of 1 rad per unit thickness of the glass sample.
При определении кинетики радиационной окраски оптических стекол объектива с учетом эффекта обесцвечивания радиационной окраски анализируют справочные или экспериментальные данные по изменению оптической плотности стекол при воздействии ионизирующих излучений и последующего обесцвечивания после окончания облучения и по способу патента РФ на изобретение №2626450 получают значения четырех характеристик кинетики радиационной окраски оптических стекол, обозначенных в указанном патенте как а, p1 и р2, q, которые описывают модель непрерывного равномерного распределения ловушек по энергиям в конечном интервале энергий.When determining the kinetics of the radiation coloration of the optical glasses of the lens, taking into account the effect of discoloration of the radiation coloration, reference or experimental data are analyzed on the change in the optical density of the glasses under the influence of ionizing radiation and subsequent discoloration after the end of irradiation, and according to the method of the patent of the Russian Federation for invention No. 2626450, the values of four characteristics of the kinetics of radiation coloration are obtained optical glasses, designated in the said patent as a, p 1 and p 2 , q, which describe a model of a continuous uniform energy distribution of traps in a finite energy range.
Для определения распределения дозы ионизирующих излучений космического пространства по оптической оси объектива производят аппроксимацию конструкции объектива и защитных свойств аппаратуры от воздействия ионизирующих излучений космического пространства. Элементы объектива аппроксимируют плоскими дисками с толщиной равной их толщине по оптической оси. Корпус объектива аппроксимируют цилиндром, радиус которого равен среднему радиусу элементов объектива, а стенка цилиндра в общем случае имеет переменную вдоль оси массовую толщину, аппроксимирующую суммарные защитные свойства корпуса объектива и конструкции аппаратуры от воздействия ионизирующих излучений космического пространства на элементы объектива со стороны боковой поверхности корпуса объектива. Массовая толщина защиты для однородного материала определяется как произведение геометрической толщины защиты на плотность материала защиты. Защиту элементов объектива в заднем полупространстве от воздействия ионизирующих излучений космического пространства аппроксимируют плоским диском или сегментом сферы с массовой толщиной по конструкции аппаратуры. Выбор аппроксимации защиты элементов объектива в заднем полупространстве плоским диском или сегментом сферы производят исходя из особенностей конструкции аппаратуры вблизи последнего элемента объектива.To determine the distribution of the dose of ionizing radiation of outer space along the optical axis of the lens, an approximation is made of the design of the lens and the protective properties of the equipment from the effects of ionizing radiation of outer space. The lens elements are approximated by flat disks with a thickness equal to their thickness along the optical axis. The lens body is approximated by a cylinder, the radius of which is equal to the average radius of the lens elements, and the cylinder wall in the general case has a mass thickness variable along the axis, approximating the total protective properties of the lens body and the equipment design from the effects of ionizing radiation from outer space on the lens elements from the side surface of the lens body . The mass thickness of the protection for a homogeneous material is defined as the product of the geometric thickness of the protection and the density of the protection material. The protection of the lens elements in the rear half-space from the effects of ionizing radiation from outer space is approximated by a flat disk or a segment of a sphere with a mass thickness according to the design of the equipment. The choice of approximation of the protection of the lens elements in the rear half-space by a flat disk or a segment of a sphere is made based on the design features of the equipment near the last lens element.
Защиту элементов объектива в переднем полупространстве от воздействия ионизирующих излучений космического пространства используют, например, в случае наличия защитной крышки объектива, которая открывается только на время сеанса работы аппаратуры и аппроксимируют плоским диском с массовой толщиной по конструкции аппаратуры.The protection of the lens elements in the front half-space from the effects of ionizing radiation from outer space is used, for example, in the case of a protective lens cover that opens only for the duration of the equipment operation and is approximated by a flat disk with a mass thickness according to the equipment design.
Для описания характеристик аппроксимированной конструкции объектива введем на оптической оси объектива координату z с началом в плоскости переднего основания аппроксимирующего цилиндра (фиг.). Длину аппроксимированного цилиндром корпуса объектива обозначим L. Для элемента объектива с номером i, где i=1,…, Ν, плотность стекла линзы обозначим pi координату передней поверхности аппроксимированного элемента обозначим через z2i-1, а координату задней поверхности через z2i. Определим функцию ƒ(z), описывающую распределение плотности стекол элементов объектива, которая равна 0 всюду на оптической оси, кроме внутренних областей элементов, и описывается следующим выражением:To describe the characteristics of the approximated lens design, we introduce the z coordinate on the optical axis of the lens with the origin in the plane of the front base of the approximating cylinder (Fig.). Let's denote the length of the lens body approximated by the cylinder as L. For the lens element with number i, where i=1,…, Ν, the density of the lens glass, let's denote p i the coordinate of the front surface of the approximated element by z 2i-1 , and the coordinate of the rear surface by z 2i . Let us define the function ƒ(z), which describes the density distribution of lens element glasses, which is equal to 0 everywhere on the optical axis, except for the internal regions of the elements, and is described by the following expression:
Определим функцию F(z) массовой толщины объектива по оптической оси следующим выражением:Let us define the function F(z) of the lens mass thickness along the optical axis by the following expression:
Массовую толщину защиты объектива в переднем полупространстве обозначим Χ1, в случае отсутствия такой защиты полагаем X1=0. Переменную, в общем случае, массовую толщину стенки аппроксимированного цилиндрического корпуса объектива обозначим Χ2(z), а массовую толщину защиты объектива в заднем полупространстве обозначим Х3. Введя сферическую систему координат (r, θ, ϕ) - (полярный радиус, широта, долгота) с центром в текущей точке z на оптической оси, для этой точки z определим углы θ1(z) и θ2(z), соответствующие переднему и заднему основаниям цилиндрического корпуса и определяемые приведенными ниже формулами:Let us designate the mass thickness of the lens protection in the front half-space as X 1 , in the absence of such protection we assume X 1 =0. The variable, in the general case, the mass thickness of the wall of the approximated cylindrical body of the lens will be denoted by X 2 (z), and the mass thickness of the lens protection in the rear half-space will be denoted by X 3 . By introducing a spherical coordinate system (r, θ, ϕ) - (polar radius, latitude, longitude) centered at the current point z on the optical axis, for this point z we determine the angles θ 1 (z) and θ 2 (z) corresponding to the forward and rear bases of the cylindrical body and defined by the formulas below:
где:where:
- R - радиус аппроксимированного корпуса объектива;- R - radius of the approximated lens body;
- L - длина аппроксимированного корпуса объектива.- L - length of the approximated lens body.
Функцию распределения дозы ионизирующих излучений космического пространства по оптической оси объектива обозначим Q(z).Let us denote the distribution function of the dose of ionizing radiation of outer space along the optical axis of the lens as Q(z).
Используя способ определения локальных доз ионизирующих излучений космического пространства за защитными экранами с аналитической формой поверхностей патента №2564472, запишем величину Q(z) в виде суммы трех слагаемых в соответствии с приведенным ниже выражением:Using the method for determining local doses of ionizing radiation from outer space behind protective screens with an analytical shape of surfaces patent No. 2564472, we write the value of Q(z) as the sum of three terms in accordance with the expression below:
где:where:
- U(X, a k) - функция непрерывной аналитической аппроксимации суммарной дозы ионизирующих излучений космического пространства для защитного экрана сферической формы и массовой толщины X, где a k - числовые параметры аппроксимации;- U(X, a k ) - function of continuous analytical approximation of the total dose of ionizing radiation of outer space for a protective screen of spherical shape and mass thickness X, where a k - numerical approximation parameters;
- dΩ=sin θ⋅dθdϕ - дифференциал телесного угла в сферической системе координат;- dΩ=sin θ⋅dθdϕ - solid angle differential in spherical coordinate system;
- Q1(z) - доза ионизирующих излучений космического пространства приходящих в данную точку z со стороны переднего основания цилиндрического корпуса из телесного угла Ω1 заданного в введенной сферической системе координат неравенством 0≤θ≤θ1(z);- Q 1 (z) - the dose of ionizing radiation of outer space coming to a given point z from the side of the front base of the cylindrical body from the solid angle Ω 1 given in the introduced spherical coordinate system by the inequality 0≤θ≤θ 1 (z);
- Q2(z) - доза ионизирующих излучений космического пространства приходящих в данную точку z через боковую поверхность цилиндрического корпуса из телесного угла Ω2 заданного в введенной сферической системе координат неравенством θ1(z)≤θ≤θ2(z);- Q 2 (z) - dose of ionizing radiation of outer space coming to a given point z through the side surface of the cylindrical body from the solid angle Ω 2 given in the introduced spherical coordinate system by the inequality θ 1 (z)≤θ≤θ 2 (z);
- Q3(z) - доза ионизирующих излучений космического пространства приходящих в данную точку z со стороны заднего основания цилиндрического корпуса из телесного угла Ω3 заданного в введенной сферической системе координат неравенством θ2(z)≤θ≤π.- Q 3 (z) - the dose of ionizing radiation of outer space coming to a given point z from the side of the rear base of the cylindrical body from the solid angle Ω 3 given in the introduced spherical coordinate system by the inequality θ 2 (z)≤θ≤π.
Так как аппроксимированная конструкция объектива симметрична относительно поворотов вокруг оптической оси объектива, то есть не зависит от значения угла ϕ - широты, то интегрирование по переменной ϕ в формуле (6) сводится к умножению на величину 2π. Учитывая геометрию защитных экранов с аналитической формой поверхности в аппроксимированной конструкции объектива - плоскость, цилиндр, сфера - запишем в явном виде выражения для доз Q1(z), Q2(z), Q3(z) в виде приведенных ниже соответствующих интегралов по углу широты θ.Since the approximate lens design is symmetrical with respect to rotations around the optical axis of the lens, that is, it does not depend on the value of the angle ϕ - latitude, then integration over the variable ϕ in formula (6) is reduced to multiplying by 2π. Taking into account the geometry of protective screens with an analytical surface shape in the approximated lens design - a plane, a cylinder, a sphere - we will explicitly write the expressions for doses Q 1 (z), Q 2 (z), Q 3 (z) in the form of the corresponding integrals given below angle of latitude θ.
При использовании определяемой формулой (3) функции F(z) массовой толщины объектива по оптической оси, выражение для дозы Q1(z) имеет следующий вид:When using the function F(z) of the mass thickness of the lens along the optical axis determined by formula (3), the expression for the dose Q 1 (z) has the following form:
где во втором интеграле формулы (16) произведена замена переменной интегрированияwhere in the second integral of formula (16) the integration variable has been replaced
и используется обозначениеand the notation is used
а также, здесь и далее, опущены обозначения числовых параметров a k в обозначении функции U(X, a k).and also, here and below, the designations of the numerical parameters a k in the designation of the function U(X, a k ) are omitted.
Аргументом функции U(X) в первом интеграле в выражении (7) является величина полной массовой толщины защиты точки z для значений угла θ из интервала 0≤θ≤θ1(z) как поясняется чертежом.The argument of the function U(X) in the first integral in expression (7) is the value of the total mass protection thickness of the point z for the values of the angle θ from the interval 0≤θ≤θ 1 (z) as explained in the drawing.
В случае аппроксимации защиты элементов объектива в заднем полупространстве от воздействия ионизирующих излучений космического пространства плоским диском, выражение для дозы Q3(z) имеет следующий вид:In the case of approximation of the protection of the lens elements in the rear half-space from the effects of ionizing radiation from outer space by a flat disk, the expression for the dose Q 3 (z) has the following form:
где во втором интеграле формулы (10) произведена замена переменной интегрирования (8) и используется обозначениеwhere in the second integral of formula (10) the integration variable (8) has been replaced and the notation is used
В формуле (11) используется знак модуля величины, поскольку величина угла θ2(z)>π/2 по определению этого угла для заднего полупространства, в силу чего косинус угла θ2(z) принимает отрицательные значения.In formula (11), the sign of the modulus of magnitude is used, since the value of the angle θ 2 (z)>π/2, by definition of this angle for the rear half-space, due to which the cosine of the angle θ 2 (z) takes negative values.
Аргументом функции U(X) в первом интеграле в выражении (10) является величина полной массовой толщины защиты точки z для значений угла θ из интервала θ2(z)≤θ≤π в случае аппроксимации защиты элементов объектива в заднем полупространстве плоским диском, как это поясняется чертежом.The argument of the function U(X) in the first integral in expression (10) is the value of the total mass thickness of the protection of the point z for the values of the angle θ from the interval θ 2 (z)≤θ≤π in the case of approximation of the protection of the lens elements in the rear half-space by a flat disk, as this is illustrated by the drawing.
В случае аппроксимации защиты элементов объектива в заднем полупространстве от воздействия ионизирующих излучений космического пространства сегментом сферы, выражение для дозы Q3(z) имеет следующий вид:In the case of approximation of the protection of the lens elements in the rear half-space from the effects of ionizing radiation from outer space by a sphere segment, the expression for the dose Q 3 (z) has the following form:
где во втором интеграле формулы (12) произведена замена переменной интегрирования (8) и используется обозначение (11). В указанном случае аппроксимации защиты элементов объектива в заднем полупространстве сегментом сферы, предполагается, что массовая толщина такой защиты одинакова для всех элементов объектива, но соответствующие телесные углы, в котором имеет место такая защита, различны для разных элементов в соответствии с формулой (5) для величины плоского угла θ2(z), определяющего такой телесный угол.where in the second integral of formula (12) the integration variable (8) has been replaced and the notation (11) is used. In this case of approximation of the protection of lens elements in the rear half-space by a segment of a sphere, it is assumed that the mass thickness of such protection is the same for all elements of the lens, but the corresponding solid angles in which such protection takes place are different for different elements in accordance with formula (5) for the magnitude of the plane angle θ 2 (z), which determines such a solid angle.
Аргументом функции U(X) в первом интеграле в выражении (12) является величина полной массовой толщины защиты точки z для значений угла θ из интервала θ2(z)≤θ≤π в случае аппроксимации защиты элементов объектива в заднем полупространстве сегментом сферы, как это поясняется чертежом.The argument of the function U(X) in the first integral in expression (12) is the value of the total mass thickness of the protection of the point z for the values of the angle θ from the interval θ 2 (z)≤θ≤π in the case of approximation of the protection of the lens elements in the rear half-space by a sphere segment, as this is illustrated by the drawing.
Выражение для дозы Q2(z) имеет следующий вид:The expression for the dose Q 2 (z) is as follows:
Аргументом функции U(X) в интеграле в выражении (13) является величина полной массовой толщины защиты точки z для значений угла θ из интервала θ1(z)≤θ≤θ2(z), как это поясняется чертежом.The argument of the function U(X) in the integral in expression (13) is the value of the total mass thickness of the protection of the point z for the values of the angle θ from the interval θ 1 (z)≤θ≤θ 2 (z), as explained in the drawing.
Для целей вычисления значения дозы Q2(z) численными методами в системе компьютерной алгебры, в интеграле (13) удобнее от интегрирования по углу θ сферической системы координат перейти к интегрированию по линейной переменной у (где 0≤у≤L) вдоль оптической оси объектива. В интервале значений θ1(z)≤θ≤θ2(z) величины переменных у и θ для текущего значения координаты z связаны следующими геометрическими соотношениями:For the purpose of calculating the dose value Q 2 (z) by numerical methods in the computer algebra system, in the integral (13) it is more convenient to go from integrating over the angle θ of the spherical coordinate system to integrating over the linear variable y (where 0≤у≤L) along the optical axis of the lens . In the range of values θ 1 (z)≤θ≤θ 2 (z), the values of the variables y and θ for the current value of the z coordinate are related by the following geometric relations:
После замены переменной интегрирования θ на y по формуле (14), выражение (13) для дозы Q2(z) перепишется в следующем видеAfter replacing the integration variable θ with y according to formula (14), expression (13) for the dose Q 2 (z) will be rewritten in the following form
При этом необходимо иметь в виду, что в подынтегральном выражении (17) при значении у=z аргумент функции U(X) содержит неопределенность вида 0/0 и для целей использования численных методов вычисления соответствующего интеграла аргумент функции U(X) следует доопределить в точке у=z. Используя определение (3) функции F(z) массовой толщины объектива по оптической оси получим приведенное ниже выражение:At the same time, it should be borne in mind that in the integrand (17) with the value y=z, the argument of the function U(X) contains an uncertainty of the form 0/0, and for the purposes of using numerical methods for calculating the corresponding integral, the argument of the function U(X) should be redefined at the point y=z. Using the definition (3) of the function F(z) of the lens mass thickness along the optical axis, we obtain the following expression:
С учетом соотношения (18), неопределенность аргумента функции U(Х) в числителе подынтегрального выражения (17) при значении переменной интегрирования y=z снимается доопределением значения функции U(X) в этой точке следующим образом:Taking into account relation (18), the uncertainty of the argument of the function U(X) in the numerator of the integrand (17) with the value of the integration variable y=z is removed by redefining the value of the function U(X) at this point as follows:
После проведения описанных выше вычислений, суммируя дозы Q1(z), Q2(z), Q3(z) согласно правой части формулы (6), получим выражение для Q(z) - функции распределения дозы ионизирующих излучений космического пространства по оптической оси объектива.After carrying out the calculations described above, summing the doses Q 1 (z), Q 2 (z), Q 3 (z) according to the right side of formula (6), we obtain an expression for Q (z) - the distribution function of the dose of ionizing radiation of outer space along the optical lens axis.
Для элемента объектива с номером i, величину Qi,ср - средней дозы на оптической оси данного элемента вычислим согласно следующему выражению:For the lens element with number i, the value of Q i,av - the average dose on the optical axis of this element is calculated according to the following expression:
где используются величины координат передней и задней поверхностей аппроксимированного элемента - z2i-1 и z2i соответственно, определенные выражением (2).where the values of the coordinates of the front and rear surfaces of the approximated element are used - z 2i-1 and z 2i , respectively, defined by expression (2).
После этого, полученное по формуле (20) значение Qi,cp средней дозы на оптической оси данного элемента с номером i можно использовать для определения приращения оптической плотности стекла элемента под действием ионизирующих излучений космического пространства без учета эффекта обесцвечивания радиационной окраски стекла с использованием величины удельного приращения спектральной оптической плотности стекла по формуле (1) или с учетом эффекта обесцвечивания радиационной окраски стекла по способу патента РФ на изобретение №2626450 используя модель непрерывного равномерного распределения ловушек по энергиям в конечном интервале энергий. Во втором случае, полученное по формуле (20) значение Qi,cp необходимо использовать как описано в способе патента №2626450, начиная с формулы (24) описания изобретения к патенту №2626450, для оценки средней мощности дозы ионизирующих излучений космического пространства на оптической оси элемента оптической системы с учетом защитных свойств конструкции аппаратуры.After that, the value of Q i,cp obtained by formula (20) of the average dose on the optical axis of this element with number i can be used to determine the increase in the optical density of the glass of the element under the action of ionizing radiation from outer space without taking into account the effect of discoloration of the radiation coloration of glass using the value of the specific increments in the spectral optical density of glass according to formula (1) or taking into account the effect of bleaching of the radiation coloration of glass according to the method of RF patent for invention No. 2626450 using the model of a continuous uniform distribution of traps over energies in a finite energy range. In the second case, the value of Q i,cp obtained by formula (20) must be used as described in the method of patent No. 2626450, starting with formula (24) of the description of the invention to patent No. 2626450, to estimate the average dose rate of ionizing radiation from outer space on the optical axis element of the optical system, taking into account the protective properties of the design of the equipment.
Таким образом, достигнут технический результат, позволяющий определить радиационную стойкость объективов космической аппаратуры с высокой точностью без использования специального программного обеспечения и увеличить точность проводимых вычислений в результате более полного учета характеристик конструкции объектива и аппаратуры.Thus, a technical result has been achieved, which makes it possible to determine the radiation resistance of space equipment lenses with high accuracy without the use of special software and to increase the accuracy of the calculations as a result of a more complete consideration of the characteristics of the lens and equipment design.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021115283A RU2771504C9 (en) | 2021-05-28 | Method for determining the change in the transmission coefficient of objective lens of space equipment under the influence of ionizing radiation from outer space |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021115283A RU2771504C9 (en) | 2021-05-28 | Method for determining the change in the transmission coefficient of objective lens of space equipment under the influence of ionizing radiation from outer space |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2771504C1 true RU2771504C1 (en) | 2022-05-05 |
| RU2771504C9 RU2771504C9 (en) | 2022-07-12 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3356579A (en) * | 1964-01-29 | 1967-12-05 | Corning Glass Works | Radiation window glass |
| US8119999B2 (en) * | 2005-10-19 | 2012-02-21 | Nippon Electric Glass Co., Ltd. | Radiation-shielding glass and method of manufacturing the same |
| RU2564472C1 (en) * | 2014-04-30 | 2015-10-10 | Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Method for determining local doses of ionising radiations of space environment behind protective screens with analytical shape of surface |
| RU2626450C1 (en) * | 2016-06-06 | 2017-07-27 | Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Method of selecting grades of optical glasses for design of space equipment optical systems in long-term exposure conditions of space ionising radiation |
| RU2675669C1 (en) * | 2017-11-30 | 2018-12-21 | Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева", ПАО КМЗ | Method for estimating the frequency of single radiation effects in the onboard equipment of spacecrafs |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3356579A (en) * | 1964-01-29 | 1967-12-05 | Corning Glass Works | Radiation window glass |
| US8119999B2 (en) * | 2005-10-19 | 2012-02-21 | Nippon Electric Glass Co., Ltd. | Radiation-shielding glass and method of manufacturing the same |
| RU2564472C1 (en) * | 2014-04-30 | 2015-10-10 | Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Method for determining local doses of ionising radiations of space environment behind protective screens with analytical shape of surface |
| RU2626450C1 (en) * | 2016-06-06 | 2017-07-27 | Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" | Method of selecting grades of optical glasses for design of space equipment optical systems in long-term exposure conditions of space ionising radiation |
| RU2675669C1 (en) * | 2017-11-30 | 2018-12-21 | Публичное акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева", ПАО КМЗ | Method for estimating the frequency of single radiation effects in the onboard equipment of spacecrafs |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Case | Introduction to the theory of neutron diffusion | |
| Stamnes et al. | A new look at the discrete ordinate method for radiative transfer calculations in anisotropically scattering atmospheres | |
| Wriedt et al. | Light scattering from a particle on or near a surface | |
| Zeng | Drell-Yan process with jet vetoes: breaking of generalized factorization | |
| Neill et al. | Jet axes and universal transverse-momentum-dependent fragmentation | |
| Caola et al. | On linear power corrections in certain collider observables | |
| Becher et al. | Non-global and rapidity logarithms in narrow jet broadening | |
| RU2771504C1 (en) | Method for determining the change in the transmission coefficient of objective lens of space equipment under the influence of ionizing radiation from outer space | |
| De La Torre Luque et al. | Anisotropic diffusion cannot explain TeV halo observations | |
| RU2771504C9 (en) | Method for determining the change in the transmission coefficient of objective lens of space equipment under the influence of ionizing radiation from outer space | |
| Schnablegger et al. | Sizing of colloidal particles with light scattering: corrections for beginning multiple scattering | |
| Szilard et al. | Numerical transport and diffusion methods in radiative transfer | |
| Fian et al. | Revealing the structure of the lensed quasar Q 0957+ 561-III. Constraints on the size of the broad-line region | |
| Budak et al. | A fast and accurate synthetic iteration-based algorithm for numerical simulation of radiative transfer in a turbid medium | |
| Xu et al. | Vane structure optimization method for stray light suppression in a space-based optical system with wide field of view | |
| Lappa et al. | Extraction of tissue optical parameters from diffuse reflectance measurements with a new able to count derivatives inverse Monte Carlo method | |
| Gratiy et al. | Rassvet: Backward Monte Carlo radiative transfer in spherical-shell planetary atmospheres | |
| Prokhorov et al. | Modeling of integrating spheres for photometric and radiometric applications | |
| Klein | Demystifying the sequential ray-tracing algorithm | |
| Shilkov | Even-and odd-parity kinetic equations of particle transport. 1: Algebraic and centered forms of the scattering integral | |
| Preisendorfer | The divergence of the light field in optical media | |
| Basov et al. | Mathematical model of a surface radiance factor | |
| Nikolaeva et al. | Radiative transfer in horizontally and vertically inhomogeneous turbid media | |
| Scheeline et al. | Algorithms for modeling and processing spatial information in heterogeneous plasma discharges | |
| Pfeiffer et al. | Monte Carlo simulations of the growth and decay of quasi-ballistic photon fractions with depth in an isotropic scattering medium |