22.02.2018

Многослойные пленочные структуры для защиты от переменных электромагнитных и постоянных магнитных полей

Василенков Н.А., Грабчиков С.С., Максимов А.Ю.

В последнее годы интенсивно развивается новое направление материаловедения и электродинамики, связанное с исследованием и разработкой материалов обладающих высокой способностью поглощать и отражать электромагнитное излучение (ЭМИ). Актуальность его связана с тем, что решение проблемы защиты элементной базы, радиоэлектронной (РЭА) и научной аппаратуры широкого спектра назначения от воздействия ЭМИ различного типа постоянно усложняется, формирование электромагнитной обстановки, обеспечение требований нормального функционирования РЭА и научной аппаратуры требует все более значительных временных и материальных затрат.

Одним из наиболее эффективных способов защиты от воздействия ЭМИ является экранирование. Традиционные методы экранирования с помощью массивных листовых и ленточных материалов на основе железа и его сплавов во многих случаях позволяют решить проблему электромагнитной защиты, однако, это дорогостоящий, технологически сложный и материалоемкий путь. Один из наиболее перспективных способов экранирования это применение многослойных материалов.

В АО «ТЕСТПРИБОР» совместно с ГО «НПЦ НАН Беларуси по материаловедению» на основе метода электролитического осаждения разработана новая эффективная технологии для формирования многослойных пленочных структур (МПС) симметричного и градиентного типа на основе систем (Fe-Co-Ni)/Cu. Данный процесс позволяет на стандартных металлических корпусах и блоках радиоэлектронной аппаратуры в едином цикле формировать многослойные структуры с высокой эффективностью электромагнитного экранирования в широком частотном и спектральном диапазонах (постоянное магнитное поле, низкочастотное и высокочастотное регулярные электромагнитные излучения (ЭМИ) и импульсное ЭМИ). Новая технология обладает уникальными возможностями в варьировании электрических и магнитных параметров, количеством, толщиной и последовательностями в расположении отдельных слоев, что позволило создать материалы, существенно отличающиеся от однородных материалов механизмами взаимодействия ЭМИ с веществом и, соответственно, новыми и более высокими параметрами поглощения и отражения излучений [1-10].

Преимущества МПОЭ

Оптическое изображение шлифа МПОЭ
Рисунок 1. Оптическое изображение шлифа МПОЭ

    ▪ Возможность нанесения МПОЭ на металлические поверхности корпусов РЭА и базовых несущих конструкций любой формы.
    ▪ Высокая коррозионная стойкость как в обычных атмосферных условиях, так и во многих агрессивных средах.
    ▪ Превосходная эффективность экранирования в широком диапазоне частот.
    ▪ Возможность нанесения финишного золотого покрытия на МПОЭ для уменьшения поверхностного сопротивления.
    ▪ МПОЭ обладают одновременно отражающими и поглощающими свойствами благодаря уникальной запатентованной структуре, что обеспечивает их большую эффективность по сравнению с существующими аналогами.

Частотная зависимость эффективности экранирования МПОЭ

Частотная зависимость эффективности экранирования  МПОЭ

Основные характеристики МПОЭ

Наименование параметра, единица измерения Значение
Эффективность экранирования постоянного магнитного поля, не менее 4-40
Эффективность экранирования в диапазоне частот от 50 Гц до 10 кГц, дБ, не менее 50-70
Эффективность экранирования в диапазоне частот от 10 кГц до 300 МГц, дБ, не менее 60-90
Эффективность экранирования в диапазоне частот от 300 МГц до 1500 МГц, дБ, не менее 100-110
Изменение температуры окружающей среды, ºС от минус 65 до плюс 60
Коррозионная стойкость (при влажности 93 % и Т=40 ºС; ГОСТ 9.308-73), не менее 15 суток
Прочность сцепления с поверхностью основания (после отжига при 300 ºС в течение 1 часа; ГОСТ 9.302-79) отсутствие вздутий, отслоений

Примеры практической реализации технологии МПС

1. Новая технология была успешно применена для защиты фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) от воздействия постоянных магнитных полей: полностью устранено влияние магнитных полей с индукцией до 0,5 мТл и снижено влияние на амплитудное разрешение импульсов (рис. 2) [1,3,4].

Образцы серийных корпусов ФЭУ-85 с экранов МПС
Рисунок 2. Образцы серийных корпусов ФЭУ-85 с экранов МПС (слева) и без МПС (справа).

2. Технология была использована для обеспечения электромагнитной совместимости блоков бортовой космической аппаратуры, содержащей линейный шаговый двигатель, блок электроники и оптическую систему (рис. 3). Испытания экранов на основе МПС показали снижение уровня помех на 30-40дБ×мкВ/м частотном диапазоне от 10 до 107 Гц, что позволило их рекомендовать для применения в сканирующем устройстве космического аппарата.

Образец корпуса ЛШД блока КА с экраном МПС
Рисунок 3. Образец корпуса ЛШД блока КА с экраном МПС (диаметр основания 40мм, диаметр корпуса 28мм, высота 35мм)

3. Технология МПС была применена для защиты деталей корпусов волоконно-оптических гироскопов от магнитостатических полей (рис. 4), при этом МПС оказались более эффективными, чем экраны на основе аморфной металлической фольги 84КХСР [6,7].

Крышка и основание волоконно-оптических приборов с экранами на основе МПС
Рисунок 4. Крышка и основание волоконно-оптических приборов с экранами на основе МПС

4. МПС градиентного типа были успешно использованы для широкополосного экранирования конструкций бортовых кабельных сетей (БКС) ракетно-космической техники (рис. 5). Созданные экраны обеспечили эффективное экранирование мощных импульсных ЭМИ с напряженностью магнитной составляющей от 1 до 8кА/м в диапазоне частот от 50 Гц до 10 ГГц [9,10].

Секции экспериментальных образцов типовых защитных коробов БКС с экранами МПС
Рисунок 5. Секции экспериментальных образцов типовых защитных коробов БКС с экранами МПС

5. Экраны на основе МПС использовались для защиты базонесущих конструкций (БНК) 1, 2, 3 уровней от воздействия магнитостатических и НЧ ЭМП (рис. 6). Толщина стальных стенок деталей БНК составляла 1÷2 мм. Общая толщина покрытия МПС составляла ≈ 350мкм. Показано, что МПС экраны, сформированные на конструкциях БНК, позволяют повысить эффективность экранирования постоянного магнитного поля на 12-17 дБ и переменного электромагнитного поля в диапазонах от 50 до 100Гц; от 1 до 5 кГц и от 10 до 20 кГц на 10-20дБ; 20-40дБ и 4-20дБ, соответственно; обеспечивают выполнение требований ТЗ по коррозионной стойкости и прочности сцепления с основой.

Экраны на основе МПС, сформированные на поверхностях БНК
Рисунок 6. Экраны на основе МПС, сформированные на поверхностях БНК 1, 2, 3 уровней

1. .Батищев А.Г, Власик К.Ф., Грабчиков С.С. и др. Применение многослойных пленочных экранов для защиты фотоэлектронных умножителей от воздействия внешних постоянных магнитных полей. Приборы и методы измерений, Т. 4, № 1, 2012г., с. 16-23.
2. Грабчиков С.С., Сосновская Л.Б., Шарапа Т.Е. Многослойный электромагнитный экран. Патент на изобретение РБ №11843 от 2009.01.28.
3. Батищев А.Г, Власик К.Ф., Грабчиков С.С. и др. Применение многослойных пленочных экранов в бортовых космофизических спектрометрах. Ядерная физика и инжиниринг. Т.3, №5, 2012г., с. 1-8.
4. Дмитренко В.В., Батищев А.Г., ., Грабчиков С.С. и др. Многослойный электромагнитный экран для защиты фотоэлектронных умножителей и способ его нанесения. Патент на изобретение, РФ, № 2474890 от 10 февраля 2013 г.
5. Василенков Н.А., Грабчиков С.С., Максимов А. Ю., Защита радиоэлектронной аппаратуры от воздействия магнитостатических и низкочастотных электромагнитных полей. Роскосмос, МАКС-2015; Сборник статей Федерального космического агентства, 2015. , с. 52-54.