摘要：地面模拟研究了低能质子和电子对铝膜反射镜光学性能的影响。结果表明，低能质子辐照后，在 200~800nm 波长范围内铝膜反射镜反射率随辐照剂量增加而下降。质子辐照能量越低射程越短，则反射镜表面膜层中质子浓度越大损伤也更为明显。电子辐照射程较深，辐照作用对铝膜反射镜光学性能影响很小。
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。
2.2 电子辐照对铝膜反射镜反射性能的影响
图5 是能量为 100keV 采用不同剂量的电子辐照前后反射率变化曲线，图中曲线1为辐照前反射镜的反射率，曲线2~6 为不同剂量辐照后的反射率。从图中可见，电子辐照前后反射率只在波长约为 200~210nm 范围内略有下降，而其它波谱范围内基本没有变化。文中采用 CASINO 程序[11]模拟计算了100keV 电子辐照电子运动轨迹分布的概率图，如图6 所示。从模拟结果中可以看出，电子射程较深，远远超出了铝反射镜膜层范围，损伤主要集中于石英玻璃基底内，对表面膜层产生的影响并不明显。与质子辐照试验结果相对比，在所测量的波长范围内电子辐照对铝膜反射镜光学性能影响较小。
3 结 论
本文讨论了低能质子、电子辐照对铝膜反射镜光学性能的影响，可以得到以下结论：
1) 低能质子辐照射程短，对反射镜表面膜层具有明显的损伤效应，可引起显著的光学性能退化，是反射镜光学性能的主要影响因素之一。
2) 在质子辐照下，在 200nm~800nm 波长范围内铝膜反射镜反射率随着辐照剂量的增加而下降，且逐渐向长波方向移动，然而对于红外区域基本没有影响。
3)由于电子辐照射程较深，损伤作用集中于石英玻璃基底，对表面膜层影响较小。在所测量的波长范围内，电子辐照对铝膜反射镜光学性能影响较小。
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作者简介：魏 强(1978-)，男(汉族)，河北邢台人，博士，主要研究空间环境地面模拟技术及光学材料在空间环境下的行为。E-mail: weiqiang.hit@163.com
