张剑锋，郭　云，杨生胜（兰州空间技术物理研究所 .真空技术与物理重点实验室；.空间环境材料行为与评价技术重点实验室，兰州　730000）

电子/质子综合辐照带通滤光片的性能退化机理研究

张剑锋a，郭云b，杨生胜a
（兰州空间技术物理研究所 a.真空技术与物理重点实验室；b.空间环境材料行为与评价技术重点实验室，兰州730000）

随着航天器的寿命从5年增加到8年以上，光学薄膜在空间飞行中经受的带电粒子辐照时间更长，光学薄膜更容易受到损伤，因此对光学薄膜抗辐射性能要求也不断提高。开展了光学薄膜带通滤光片电子/质子综合辐照实验，研究电子/质子综合辐照作用下带通滤光片的性能退化规律，借助于XPS和AFM等表面分析技术对带通滤光片微观分析，研究带通滤光片在电子/质子综合辐照下的退化机理。为带通滤光片空间适应性研究提供基础，同时为带通滤光片工艺设计与可靠性提供技术支撑。

带通滤光片；电子/质子辐照；性能退化

0　引言

随着我国空间技术的不断发展，空间光学薄膜技术已经发展成为一项独特的光学薄膜应用技术，为空间探测、遥感等提供了技术基础。光学薄膜滤光片在成像光学系统中主要用于光谱选择、能量增强以及色差均衡等，广泛应用于各种空间相机、光谱仪、望远镜中。

随着高分辨对地观测卫星等低地球轨道航天器寿命从5年增加到8年以上，光学薄膜滤光片在空间飞行中要经受的带电粒子辐照影响时间更长，条件更为苛刻，带电粒子（质子和电子）对光学薄膜的影响也逐渐变大，暴露带电粒子的辐照环境中的光学薄膜更容易受到损伤，损伤的表现形式主要是薄膜开裂、脱落、折射率及光学厚度发生变化，使其光学性能发生严重退化，导致光学系统分辨率降低，成像质量下降。因此空间环境是引起光学薄膜性能退化和失效的主要原因之一。

因此，通过开展带通滤光片电子/质子综合辐照实验，研究在电子/质子综合辐照作用下带通滤光片的性能退化规律，同时用表面分析方法开展带通滤光片微观分析，研究电子/质子综合辐照对带通滤光片光学性能与表面化学结构和形貌变化的直接联系，研究电子/质子综合辐照与带通滤光片的作用机理，为通滤光片的设计与改进提供建议。

1　实验

实验采用双束加速器进行光学薄膜带通滤光片电子、质子综合辐照实验，电子、质子辐射总量相当于低轨8年的总注量。同时按要求对试样进行透射率和微观结构分析。

1.1实验材料

实验材料为表面镀制硫化锌（ZnS）和碲化铅（PbTe）多层膜系的带通滤光片，工作波长在9 000～12 000 nm范围的远红外区域。选取单晶Ge作为基底材料，选用折射率比值较大的PbTe和ZnS材料为光学薄膜。最表层为硫化锌（ZnS）膜层。材料为直径12 mm的圆形样品，并用无水乙醇对试样表面进行超声清洗5 min。

1.2实验设备

实验设备采用兰州空间物理研究所的双束加速器（Dual Beam Accelerator）对光学薄膜带通滤光片进行电子、质子综合辐照实验。设备由1台质子加速器和1台电子加速器组成，可进行电子、质子单一和综合辐照实验。双束加速器能够比较准确地模拟空间电子、质子环境，是目前国际上比较先进的地面模拟实验设备。用于开展绝缘材料内带电研究，电离总剂量研究、位移损伤研究。双束加速器由直线电子加速器、电子束流管、直线质子加速器、质子束流管以及真空样品室五大部分构成，如图1所示。

图1　双束加速器实物图

1.3实验方法

实验条件为真空度优于1.0×10-4Pa时，质子、电子能量为100 keV，质子注量率为2×109e/cm2·s，电子注量率为2×1010e/cm2·s，质子总注量为4.0×1011e/ cm2、电子总注量2.24×1013e/cm2时（相当于低轨8年的电子质子总注量），当电子和质子达到在轨8年的总注量时在轨分别停止辐照，取出样品，并按要求对试样进行透射率和微观结构分析。

2　实验结果与讨论

2.1实验结果

选用美国Frontier Optica傅利叶红外光谱仪对带通滤光片在波长为9 000～12 000 nm范围内进行透过率测试。电子质子综合辐照前带通滤光片的透过率峰值为83.6%，峰值位置10 500 nm。电子质子综合辐照后带通滤光片的透过率峰值为71.2%，峰值位置10 588 nm。通过对比可知，带通滤光片电子质子综合前后的透过率降低，透过率峰值从83.6%降至71.2%，峰值降低12.4%，中心波长从10 500 nm移动到10 588 nm，中心波长漂移88 nm，通带向长波方向发生漂移。

图2　带通滤光片电子、质子综合辐照前后的透过率对比图

通过EscaLab-220iXL X射线光电子能谱仪对电子质子综合辐照后的带通滤光片进行XPS分析。当能量为100 keV的电子、质子作用到带通滤光片光学薄膜表面时，带通滤光片表面出现Pb和Te元素（表1和图3）。

通过Pb元素谱图分析，得到的结果如图4所示，可以看出Pb能谱图有明显叠加，通过用高斯型曲线对Pb元素谱图进行了拟合。拟合结果显示，Pb存在不同价态。Pb共分解出结合能位于137.2、138.1和139.0 eV处的三条子谱线，这三条子谱线的结合能分别与PbO2、PbTe和PbO的Pb4f结合能相对应。因此，滤光片光学薄膜表面存在PbO2、PbTe和PbO。分析可知，其中PbO2和PbO是由PbTe氧化而成。

图3　电子、质子综合辐照前后带通滤光片XPS全谱图

表1　电子、质子综合带通滤光片表面成分和元素百分含量

图4　Pb4f的XPS谱图和高斯拟合图

通过Te元素谱图分析，得到的结果如图5所示，可以看出Te能谱图明显有叠加，通过用高斯型曲线对Te元素谱图进行了拟合。拟合结果显示，Te存在不同价态。Te共分解出结合能位于576.7、572.6 eV处的两条子谱线，这两条子谱线的结合能分别与TeO2和PbTe的Te3d结合能相对应。因此，滤光片光学薄膜表面存在TeO2和PbTe。分析可知，其中部分TeO2是由PbTe氧化而成。

图5　Te3d的XPS谱图和高斯拟合图

2.2实验讨论

通过XPS分析可知，在电子、质子综合辐照作用下，带通滤光片表面的S和Zn的元素百分含量降低，同时出现Pb和Te元素，如表1所列。通过解谱分析，带通滤光片表面存在PbO2、PbO、TeO2和PbTe。因此，可以判断带通滤光片表面膜层中的Zn-S键发生断裂，导致S和Zn元素的释放。这致使滤光片外层ZnS部分剥落，形成表面点状缺陷，通过原子力显微镜分析，如图6所示，可以观察到带通滤光片表面膜层出现点状缺陷，表面变的较为粗糙，暴露出下一层的PbTe膜层，PbTe在空气中氧化生成PbO2、PbO、TeO2。

在电子、质子综合辐照作用下，带通滤光片表面的ZnS薄膜中的Zn-S键部分断裂，导致S和Zn元素的释放，改变了ZnS膜层结构，ZnS折射率降低；ZnS膜层部分被剥蚀，暴露出下一层的PbTe膜层，电子和质子直接轰击在PbTe膜层上，导致PbTe膜层更加致密，PbTe膜层光谱特性发生变化，PbTe膜层折射率增加。同时，PbTe薄膜暴露在大气环境中，氧气可改善PbTe薄膜结构和光学性能，使PbTe膜层折射率增加。根据透过率计算公式，当ZnS膜层折射率变小，PbTe膜层折射率变大，带通滤光片透过率降低。并且，由于带通滤光片表面粗糙度增加，致使入射光入射到带通滤光片表面时的入射角度增大，入射光部分被散射，也导致带通滤光片透过率降低。同时，根据中心波长计算公式，PbTe膜层折射率变大时，中心波长变大。

因此，在电子、质子综合辐照作用下，带通滤光片宏观性能表现为透过率降低，带通向长波方向漂移。

图6　电子、质子综合辐照前后滤光片表面形貌对比图

3　结论

通过开展带通滤光片电子、质子综合辐照实验和微观分析研究表明，电子、质子综合辐照对带通滤光片的硫化锌（ZnS）和碲化铅（PbTe）膜层有一定的损伤，导致带通滤光片的中心波长漂移，透过率降低，性能下降。建议通过优化带通滤光片膜系设计和制备工艺，提高带通滤光片的抗辐射性能，为带通滤光片的空间应用奠定基础。

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THEDETERIORATIONMECHANISMSOFTHE SYNERGISTIC RADIATIONOFPROTON AND ELECTRONSON BANDPASSFILTER

ZHANG Jian-fenga，GUO Yunb，YANG Sheng-shenga
（a.Scienceand Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，b.Scienceand Technology on Material Performance Evaluating in Space Environm ent Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

As the life of the spacescraft increased from five years tomore than eightyears，the longer thatoptical film suffered from the radiation of space charged particles，the easier for optical film to getdamaged.Therefore，it isnecessary to continue to improve the requirements to the capacity and anti-radiation performance of optical film.In this article，the radiation of proton and electrons experimentof bandpass filterhasbeenmade.Research the deterioration of bandpass filter which isunder the radiation of proton and electrons.Analysis themicro-mechanism of the bandpass filter irradiation damagebased on the XPSand AFM surfaceanalysis technique.Providebandpass filterspace adaptabilityw ith a basic research，at the same time，someadvice for further improvementof bandpass filter’sdesignwasgiven.

bandpass filter；radiation of proton and electrons；the deterioration

O47

A

1006-7086（2016）04-0210-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.04.006

2016-03-21

真空技术与物理重点实验室基金项目（9140C550102140C55235）

张剑锋，男，（1978-），陕西咸阳人，主要从事空间环境效应及防护技术研究。E-mail：zhangjfak2002@163.com。