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

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

Основные характеристики МПОЭ

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].

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.

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].

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].

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.

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.