[发明专利]重冕ZK9系列空间耐辐照光学玻璃及其制备方法

说明书

本发明涉及一种主要用于航天空间星载星敏感器光学系统的重冕ZK9系列空间耐辐照光学玻璃及其制备方法，该光学玻璃的原料成分及质量配比为：20‑30％的SiO₂、12‑20％的B₂O₃、1‑3％的Al₂O₃、0.5‑4％的MgO、1‑3％的ZnO、0.5‑3％的CaO、40‑50％的BaO、0‑4％的La₂O₃、0‑3％的Y₂O₃、0.2‑2％的CeO₂。本发明提出的系列耐辐照光学玻璃材料中，如ZK509经受总剂量为1×10⁵rad(Si)γ射线辐照后每厘米厚度上的光密度增量ΔD≤0.030，能够满足空间光学星敏感器光学系统在太空环境中长期耐受高剂量累积辐照，可满足其在空间高轨道、10～25年使用寿命的要求。

技术领域

本发明涉及一种主要用于航天空间星载星敏感器光学系统的重冕ZK9系列空间耐辐照光学玻璃及其制备方法。

背景技术

航天空间星载光学星敏感器在获取空间航天飞行器的精确姿态信息方面发挥着关键作用，是决定月球探测、深空探测和高轨道卫星导航定位等重大航天科技活动任务成败的关键。满足高可靠性、长期在轨有效工作或超预期服役的长寿命空间光学星敏感器，必然能给空间科技研究活动带来巨大的收益。

高质量、高性能的星敏感器光学系统是高精度星敏感器的基础。空间光学星敏感器多采用透射式或折返式光学系统，光学系统由一组折射率、色散不同的光学玻璃材料加工而成的正、负透镜组合构成。核心组件光学系统的主要作用是将星空成像在探测器上，所成星象质量应能满足长期在轨、姿态测量高精度需求。

光学星敏感器在空间环境中工作运行时，光学系统不可避免地会遭遇来自紫外线、χ-射线、γ-射线和具有一定能量的粒子流-电子、质子等高能量射线和粒子的电磁辐射。在高能电磁辐射作用下，光学系统中的光学玻璃镜头由于吸收辐射能量后产生电离，形成色心缺陷吸收可见光而引起光学玻璃镜头着色、光学系统的透过率下降。继而会造成光学系统的成像质量降低，空间辐射剂量累积过大最终还会导致其光学系统无法使用。这将极大地影响光学星敏感器的姿态测量精度和高可靠性及使用寿命。所以，目前普通牌号光学玻璃设计构成的光学星敏感器光学系统无法满足高轨道空间环境下长寿命(在轨寿命8～15年及以上)、高可靠性工作要求，只适合于短期或近地轨道服役的探测器和卫星导航定位系统等。而且，为了防止光学系统性能衰退、保证成像质量及定位精度，短期或近地轨道用空间星敏感器光学系统也越来越多地倾向于采用具有耐辐照性能的光学玻璃替代普通牌号光学玻璃，进行空间光学载荷的抗辐照性能加强。

空间星敏感器光学玻璃选择性采用变价离子掺杂，在受到高能辐射照射时，变价离子首先俘获电子避免了玻璃材料中产生着色中心，可提高光学玻璃对高能辐射的辐照稳定性。能够改善玻璃辐照稳定性的有Ce⁴⁺、Cr³⁺、Mn⁴⁺、As⁵⁺、Sb⁵⁺、Fe³⁺以及某些其他的变价离子。但Cr³⁺、Mn⁴⁺、Fe³⁺等离子在紫外或可见光波段存在吸收，其本身着色影响可见光光谱短波透过性，在耐辐照光学玻璃中很少采用。较为常用的离子为Ce⁴⁺，含有CeO₂的耐辐照光学玻璃在受到高能辐射作用后，高速运动的电子首先与Ce⁴⁺离子作用形成Ce³⁺离子，即Ce⁴⁺+e→Ce³⁺。由于含Ce⁴⁺及Ce³⁺离子玻璃的光谱吸收带均在紫外波段，Ce⁴⁺、Ce³⁺离子在可见光区域都没有吸收峰，因而不致影响玻璃着色。玻璃中引入的CeO₂含量越高，其耐辐照性能就越好，但同时短波透过率也会略有下降。