电子辐照下聚合物介质深层充电现象研究

空间辐射环境中,聚合物介质的深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一.文中在Chudleigh和von Berlepsch所发展的电位衰减模型基础上引入传输电流项,考虑了电子入射引起的感应电导率和感应电场的影响,提出了新的分析研究介质材料深层充电规律和特征的模型.通过该模型,分析了不同辐射条件下介质的表面电位、内部电荷与电场分布的变化,并设计实验及援引其他实验数据对模型分析结果进行验证.分析和实验结果表明,聚合物介质在深层充电过程中的平衡电位随着入射电子束流强度和介质电阻率的增加而增大,决定深层充电平 关键词： 深层充电 电荷传输模型 电子束 聚合物     

航天器背面接地介质材料等离子体充电研究北大核心CSCD

处于等离子体环境中的航天器的介质材料受到带电粒子的作用,表面将产生电位。对背面接地的介质材料,上表面将与接地背面形成电势差。当电势差达到一定阈值时将产生放电,表面充电电位对充放电效应影响至关重要。综合考虑等离子体中粒子的质量、温度及密度,介质材料的二次电子效应,体电流泄漏以及介质材料的运行速度等因素,基于气体动理论,利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中背面接地介质材料表面充电电位一般表达式。讨论了地球同步轨道环境下,表面电位与等离子体环境及材料表面电阻等各个参数的关系,总结出等离子环境背面接地介质材料表面充电规律,为航天器介质材料静电防护设计提供一定的理论基础。     

天器背面接地介质材料等离子体充电研究

处于等离子体环境中的航天器的介质材料受到带电粒子的作用,表面将产生电位。对背面接地的介质材料,上表面将与接地背面形成电势差。当电势差达到一定阈值时将产生放电,表面充电电位对充放电效应影响至关重要。综合考虑等离子体中粒子的质量、温度及密度,介质材料的二次电子效应,体电流泄漏以及介质材料的运行速度等因素,基于气体动理论,利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中背面接地介质材料表面充电电位一般表达式。讨论了地球同步轨道环境下,表面电位与等离子体环境及材料表面电阻等各个参数的关系,总结出等离子环境背面接地介质材料表面充电规律,为航天器介质材料静电防护设计提供一定的理论基础。     

双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面的充电效应

空间等离子体在有些情形下,并非单麦克斯韦分布,而是双麦克斯韦分布。为了研究双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面的充电效应,基于等离子体动理学理论,建立表面充电平衡方程,综合考虑双麦克斯韦分布等离子体的粒子参数、航天器的单位电容、二次电子发射及光照等因素,得出了双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面充电电位的计算表达式,给出了表面充电电位随时间的变化规律。研究结果表明:当等离子体为双麦克斯韦分布时,航天器表面充电电位低于单麦克斯韦分布等离子体环境下的表面充电电位,单麦克斯韦分布的等离子体假设会过高估计航天器表面的充电效应;双麦克斯韦分布的第二分布函数中,对最终的表面充电平衡电位影响较大的主要是离子成分;双麦克斯韦分布等离子体的粒子数密度或温度越高,则表面充电达到平衡所需的时间越长;单位电容仅影响表面充电电位达到稳定所需的时间,对最终的充电平衡电位值影响不大。     

等离子体环境非偏置固体表面带电研究

航天器与等离子体环境中的电子、离子相互作用, 表面将出现充放电效应, 对航天器产生负面影响. 表面充电电位对充放电影响至关重要. 综合考虑等离子体中粒子质量、温度及密度, 二次电子效应及非偏置固体的运动速度等因素, 基于气体动理论, 利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中非偏置固体表面充电电位一般表达式. 分析了等离子体以及非偏置固体特殊状态下的表达式及一般状态下的表达式, 总结出不同等离子环境、不同运动状态下的表面充电规律. 关键词： 等离子体 非偏置固体 表面充电     

航天器背面接地介质材料等离子体充电研究

处于等离子体环境中的航天器的介质材料受到带电粒子的作用,表面将产生电位。对背面接地的介质材料,上表面将与接地背面形成电势差。当电势差达到一定阈值时将产生放电,表面充电电位对充放电效应影响至关重要。综合考虑等离子体中粒子的质量、温度及密度,介质材料的二次电子效应,体电流泄漏以及介质材料的运行速度等因素,基于气体动理论,利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中背面接地介质材料表面充电电位一般表达式。讨论了地球同步轨道环境下,表面电位与等离子体环境及材料表面电阻等各个参数的关系,总结出等离子环境背面接地介质材料表面充电规律,为航天器介质材料静电防护设计提供一定的理论基础。     

介质靶表面的充电效应对等离子体浸没离子注入过程中鞘层特性的影响

针对等离子体浸没离子注入技术在绝缘体表面制备硅薄膜工艺，采用一维脉冲鞘层模型描述介质靶表面的充电效应对鞘层厚度、注入剂量及靶表面电位等物理量的影响.数值模拟结果表明：随着等离子体密度的增高，表面的充电效应将导致鞘层厚度变薄、表面电位下降以及注入剂量增加，而介质的厚度对鞘层特性的影响则相对较小. 关键词： 等离子体浸没离子注入 脉冲鞘层 绝缘介质 充电效应     

聚酰亚胺电导率随温度和电场强度的变化规律

介质深层充电对航天器安全运行构成了重大威胁.以聚酰亚胺为代表的此类聚合物绝缘介质的电导率受温度影响显著,又因为充电过程中局部产生强电场(10~7V/m量级),因此,其电导率模型需要综合考虑温度和强电场的影响,这对介质深层充电的仿真评估意义重大.已有的两类模型,不是低温区间不适用,就是没有充分考虑强电场的影响.基于跳跃电导理论,本文分析对比了现有电导率模型,提出了适用于较宽温度范围且合理考虑强电场增强效应的电导率新模型,并采用某型聚酰亚胺电导率测试数据做出验证.此外,为了提高新模型在强电场下的低温适用范围,尝试对强电场因子中的温度做变换,取得了满意的效果.参数敏感度分析表明新模型在电导率拟合与外推方面具有参数少、适用性强的优势.     

电子辐照下聚合物介质内部放电模型研究

空间电子辐照环境中,聚合物介质充放电现象是威胁航天器安全的重要因素. 传统航天器介质充放电模型仅能分析材料充电过程,缺乏对放电前后介质电位残余情况与放电脉冲强弱的评估. 本文通过引入介质放电电导率,在数值积分 充电模型基础上建立同时描述航天器介质内部充电和放电过程的新模型,并将模型计算结果与实验数据进行比较,验证了所构建的模型. 模型分析结果表明,聚合物介质放电残余电位与放电电流脉冲宽度随着样品电阻率的增加而增大,放电电流强度随着临界电场强度和充电时间的增加而增强,其增幅随着辐照电子束流强度的增加而增大. 关键词： 放电模型 内部放电 电子辐照 航天器介质     

高能电子辐射下聚四氟乙烯深层充电特性

介质深层充放电现象是诱发航天器异常故障的重要因素之一.分析了高能电子辐射下介质内部电荷沉积、能量沉积特性和电导特性,考虑了真空与介质界面电荷对电场分布的影响,建立了介质二维深层充电的物理模型,并基于有限元方法实现了数值计算.计算了高能电子辐射下聚四氟乙烯的深层充电特性.结果表明:真空环境下,介质的表面存在较弱的反向电场,随着介质深度增大,电场减小至零,随后逐渐增大,最大值出现在靠近接地附近,但在接地点,电场存在小幅降低.分析了不同辐射时间下(1 h,1 d,10 d和30 d),介质内部最大电位和最大电场的时空演变特性.随着辐射时间的增加,最大电位由-128V增加至-7.9×104V,最大电场由2.83×105V·m-1增加至1.76×108V·m-1.讨论了入射电子束流密度对最大电场的影响,典型空间电子环境(1×10-10A·m-2)下,电子辐照10 d时,介质内部最大电场为2.95×106V·m-1.而恶劣空间电子环境(2×10-8A·m-2)下,电子辐射42 h,介质内部最大电场即达到108V·m-1,超过材料击穿阈值(约为108V·m-1),极易发生放电现象.该物理模型和数值方法可以作为航天器复杂部件多维电场仿真的研究基础.     

基于Geant 4的介质深层充电电场计算

基于Geant4模拟了电子在Teflon介质中的电荷输运过程,获得了其内部的电流密度、剂量率和电荷沉积量沿深度的分布曲线,进而利用电荷连续性方程、泊松方程和深层俘获方程求解出Teflon中高能量、小束流电子辐照下的电场分布. 将介质平板充电过程简化为屏蔽铝板与分层介质组成的Geant4模型,电子源为1.0MeV,0.1pA/cm²的平面源. 通过记录经过各层介质的电子电量和各层介质内沉积能量和电子数目,用统计平均的方法获得了介质内电流密度、剂量率和电荷沉积量沿深度的分布规律. 介质内 关键词： 卫星 介质深层充电 Geant4 电场     

不同温度下复杂介质结构内带电规律仿真分析

卫星上某些介质结构会遭遇较大范围的温度变化, 其电导率会随之出现数量级的变化, 这将显著影响内带电结果. 受限于电导率-温度模型和内带电三维仿真工具, 该温度效应远没有得到深入研究. 为此, 在真空变温(253-353 K)和强电场(MV/m量级)条件下测试了某种星用改性聚酰亚胺介质的电导率, 借鉴Arrhenius电导率-温度模型并考虑强电场下电导率的增强效应, 发现电导活化能取值为0.40 eV时, 可得到良好的拟合结果. 在此基础上, 同时考虑辐射诱导电导率, 采用地球同步轨道恶劣电子辐射能谱, 对该类介质盘环结构进行内带电三维仿真, 发现其内带电程度随温度降低而显著增加, 带电最严重的区域位于靠近辐射源的接地面边线. 温度低于250 K时, 2 mm屏蔽铝板下该区域的场强可达到10⁷ V/m量级, 发生介质击穿放电的可能性较大. 所讨论的电导率-温度模型与内带电三维建模方法对进一步评估卫星介质结构内带电程度和做好防护设计具有重要参考意义.     

入射电子能量对低密度聚乙烯深层充电特性的影响

高能带电粒子与航天器介质材料相互作用引起的深层带电现象, 一直是威胁航天器安全运行的重要因素之一. 考虑入射电子在介质中的电荷沉积、能量沉积分布以及介质中的非线性暗电导和辐射诱导电导, 建立了介质深层充电的单极性电荷输运物理模型. 通过求解电荷连续性方程和泊松方程, 可以得出不同能量 (0.1–0.5 MeV) 电子辐射下, 低密度聚乙烯 (厚度为1 mm) 介质中的电荷输运特性. 计算结果表明, 不同能量的电子辐射下, 介质充电达到平衡时, 最大电场随入射能量的增加而减小; 同一能量辐射下, 最大电场随束流密度的增大而增加. 入射电子能量较低时 (≤ 0.3 MeV) , 最大电场随束流密度的变化趋势基本相同. 具体表现为: 当束流密度大于3× 10^-9 A/m²时, 最大场强超过击穿阈值2×10⁷ V/m, 发生静电放电 (ESD) 的可能性较大. 随着入射电子能量的增加, 发生静电放电 (ESD) 的临界束流密度增大, 在能量为0.4 MeV时, 临界束流密度为6×10^-8 A/m². 当能量大于等于0.5 MeV时, 在束流密度为10^-9–10^-6 A/m²的范围内, 均不会发生静电放电 (ESD) . 该物理模型对于深入研究深层充放电效应、评估航天器在空间环境下 深层带电程度及防护设计具有重要的意义. 关键词： 高能电子辐射 低密度聚乙烯(LDPE) 介质深层充电 电导特性     

电子辐照聚合物带电特性多参数共同作用的数值模拟

电子辐照聚合物样品的带电特性是扫描电子显微镜成像、电子束探针微分析以及空间器件辐照效应等领域的一个重要研究课题. 通过建立基于蒙特卡罗方法的电子散射和时域有限差分法的电子输运的数值模型, 并采用高效的多线程并行计算, 模拟了电子非透射辐照聚合物样品的带电特性, 得到了带电稳态下的样品底部泄漏电流密度、表面负电位以及样品总电荷密度等带电特征量受入射电子能量、入射电流密度、样品材料的电子迁移率、样品厚度等相关参数共同作用的影响. 结果表明, 一个参数的变化使表面负电位增强时, 其他参数对负电位的影响将增强. 样品的带电稳态特征量在同一个电流平衡的模式下受参数影响的变化是单调的. 当电流平衡模式发生变化时, 如在入射电子能量较低的条件下, 样品内部的总电荷量会随着样品厚度的增大而先增加后减小, 出现局部极大值. 样品底部的泄漏电流密度随着入射电流密度的增大而近线性成比例地增大. 研究结果对于揭示电子辐照聚合物的带电规律及微观机理、预测不同条件下的样品带电状态具有重要科学意义.     

不同接地方式的卫星介质深层充电研究

关键词：     

Self-consistent charging in dielectric films under defocused electron beam irradiation

We clarify the transient and equilibrium charging characteristics of grounded dielectrics due to low-energy defocused electron beam irradiation by a three-dimensional self-consistent simulation model. The model incorporates the electron scattering, transport and trapping. Results show that some electrons can arrive at the grounded substrate due to the internal field and density gradient, forming the leakage current. The transient charging process tends to equilibrium as the surface potential decreases and the leakage electron current increases. The positive and negative space charges are distributed alternately along the beam incident direction. In the equilibrium state, the surface potential and leakage electron current decrease to stable values with increasing film thickness and the trap density, but with decreasing electron mobility. Moreover, the surface potential of the dielectric thin film exhibits a maximum negative value with variation of the beam energy; for example, under the condition of the film thicknesses 0.5 μm and 2 μm, the maximum negative values of surface potentials are -13 V and -98 V in beam energies 2 keV and 3.5 keV, respectively. However, for the thick film, the surface potential decreases with the increase in beam energy.