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tessarolo, enrico (2018) Componenti ottici negli ambienti spaziali: fabbricazione, caratterizzazione e degrado delle prestazioni. [Ph.D. thesis]

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PDF Document (tesi dottorato tessarolo enrico) - Accepted Version
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Abstract (english)

The objectives of the next-generation space missions lead the development of increasingly innovative instrumentation able to visit unexplored areas of the solar system, and to operate in relative increasing harsh environments. All the instrumental sub-systems, included optical components will have to be able to withstand extreme operational environments, characterized by high thermal gradients, electromagnetic irradiation, particulate and high and low energy particles/ions irradiation. In particular, recently, it was demonstrated that low energy particles could compromise the performances of optical coatings, leading a potential failure of a space instrument.
Accelerators are commonly used to reproduce the particles irradiation on components. By selecting ions energies and mission lifetime equivalent fluences it is in principle possible to replicate the effects induced by the space environment, although accelerators flux rates are higher of orders of magnitude with respect to the real space conditions. For this reason, it is arduous to be sure that ground tests are effectively representative of what occurs in space, making a crucial issue the definition of the experimental irradiation parameters like the ion flux. Moreover, the knowledge of the environmental agents of a specific space environment is still limited, and only in few cases in-situ measurements were performed. In order to overcome this lack, scaling models based on data collected at 1 A.U. can be used to estimate environment parameters of an unexplored space location.
The impact on the optical components of the space environment is the main topic of this research project. In particular, a systematic investigation devoted to define clear and reliable testing procedures for optical coatings were performed. Such systematic studies started with Monte Carlo simulations to evaluate the penetration depth of a specific ion specie or particle within an optical element, determining the energy range where the ions highly interact with the coating. After that, in order to perform a systematic investigation of the damage mechanisms that a coating can undergo, many implantation experiments were carried out by using accelerators facilities. We observed that, depending on the coating structure and the ion energy, different potential damages can occur, such as changes of the optical properties of the materials, inter-diffusion at the interfaces due to elastic scattering interactions between the incident ions and the target atoms, delamination of some layers or a full detachment of the coating or part of it.

Abstract (italian)

Il lavoro svolto in questo progetto di ricerca riguarda lo sviluppo e l’analisi di tecniche sperimentali atte alla validazione di un metodo affidabile per la qualifica spaziale di componenti ottici. In particolare è stato studiato l’effetto dell’irradiamento di ioni accelerati (principalmente protoni e ioni di He) in coating ottici, considerando energie simili a quelle presenti nel vento solare. Lo scopo principale è stato quello di studiare sperimentalmente l’impatto del vento solare sulle performance ottiche per componenti simili a quelli che possono essere utilizzati in missioni spaziali come ad esempio Solar Orbiter o BepiColombo.
Lo studio dei molteplici fattori che influenzano e modificano le performance ottiche è stato eseguito considerando vari tipi di coating ottici, dai single layer ai multistrato. A tale scopo, diverse sessioni di irraggiamento sono state effettuate, in ognuna delle quali sono stati variati i principali parametri chiave che caratterizzano il tipo di irraggiamento, come la dose, il flusso di ioni, il tipo di ione e la sua energia. Ognuno di questi fattori è risultato essere influente nella modifica delle performance ottiche dei dispositivi irraggiati. In particolare, si è osservato che alcuni di questi fattori producono danni comparabili fra loro su alcune tipologie di struttura, mentre su altre lo stesso comportamento non veniva mostrato.
Oltre alle analisi delle performance ottiche dei coating irraggiati sono state eseguite numerose indagini strutturali, allo scopo di chiarire quali modifiche a livello microstrutturale possono essere responsabili della modifica delle performance ottiche. Infine, è stato sviluppato un primo modello in grado di prevedere il cambiamento di riflettività prodotto su coating a single layer dall’irraggiamento con ioni.
La realizzazione di tutti i coating ottici studiati, la loro caratterizzazione ottica e strutturale prima e dopo l’irraggiamento nonché tutte le simulazioni atte alla preparazione degli esperimenti di irraggiamento sono parte del lavoro svolto in questi tre anni di dottorato.
In particolare, le attività di deposizione e caratterizzazione dei film sottili sono state realizzate utilizzando la strumentazione presente nei laboratori del CNR-IFN di Padova, nel dipartimento di fisica e di ingegneria industriale dell’Università degli Studi di Padova, e presso il sincrotrone Elettra di Trieste.
Le sessioni di irraggiamento son state effettuate presso l’Ion Beam Center (IBC) dei laboratori Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Germania. In particolare, nell’ultimo anno ho personalmente seguito una sessione di irraggiamento della durata di un mese eseguendo le caratterizzazione ottiche e strutturali in situ.

Statistiche Download
EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Pelizzo, Maria Guglielmina
Ph.D. course:Ciclo 30 > Corsi 30 > SCIENZE TECNOLOGIE E MISURE SPAZIALI
Data di deposito della tesi:15 January 2018
Anno di Pubblicazione:2018
Key Words:thin film, space environment, degradation, optical performances
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/04 Costruzioni e strutture aerospaziali
Area 02 - Scienze fisiche > FIS/01 Fisica sperimentale
Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/22 Scienza e tecnologia dei materiali
Struttura di riferimento:Centri > Centro Interdipartimentale di ricerca di Studi e attività  spaziali "G. Colombo" (CISAS)
Codice ID:10993
Depositato il:25 Oct 2018 16:46
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