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     

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.     

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     

航天器内部充电效应及典型事例分析

航天器内部充电效应是由空间高能电子诱发的,通常发生在航天器内部以及表面绝缘材料深层,所产生的放电击穿及静电放电脉冲干扰较表面充电更为严重. 对内部充放电的一般规律进行了总结,并就一次典型的航天器异常事件,从异常的时空表现特征及其与高能电子环境扰动的相关性角度进行了深入分析和定量计算,得出了高能电子产生的内部充电引起的卫星异常的结论,为卫星异常诊断提供了范例. 关键词： 高能电子 内部充电 静电放电 空间环境     

一种新的航天器外露介质充电模型

为综合考虑高能电子辐射与周围等离子体对航天器外露介质充电的影响,在航天器内带电模型的基础上,通过添加边界充电电流来考虑等离子体与航天器介质表面的相互作用,并统一参考电位为等离子体零电位,建立了航天器外露介质充电模型,给出了新模型的一维稳态解法,并与表面充电模型和深层充电模型进行了对比分析.结果表明:新建模型能够综合考虑表面入射电流、深层沉积电流和传导电流对充电的耦合作用过程,实现外露介质表面和深层耦合充电计算,有利于全面评估航天器外露介质的充电问题.     

介质阻挡均匀大气压辉光放电数值模拟研究

通过数值求解一维电子、离子连续性方程和动量方程，以及电流连续性方程，计算了氦气介 质阻挡大气压辉光放电电子、离子密度和电场在放电空间的时空分布，以及放电电流密度和 绝缘介质板充电电荷密度随时间的变化. 分析讨论所加电压频率、幅值及介质板性质等对均 匀大气压辉光放电性质的影响. 当外加电压频率足够高时，大量离子被俘获在放电空间，空 间电荷场又引起足够多的电子滞留在放电空间. 这些种子电子使得在大气压下发生汤森放电 ，放电空间结构类似于低气压辉光放电，即存在明显的阴极位降区、负辉区、法拉第暗区和 等离子体正柱 关键词： 大气压辉光放电 介质阻挡 数值模拟 等离子体     

乏燃料贮运用铝基碳化硼复合材料的屏蔽性能计算

采用蒙特卡罗方法, 利用MCNP程序计算了在中子能量为0.5–20 MeV, ²³⁵U核热中子裂变源条件下, 厚度为3–9 cm、碳化硼含量5%–15%的铝基碳化硼复合材料在空气、水、200–1400 ppm (1 ppm=10^-6) 硼酸溶液介质中的中子透射系数. 结果表明: B₄C/Al复合材料的透射系数随碳化硼含量和材料厚度的增加而减少, 随中子能量的升高而增大, 而硼酸浓度的改变对中子透射系数影响不大. B₄C/Al复合材料在水中比硼酸中更能发挥其屏蔽效果, 在空气中屏蔽特性显现出“反转”现象, 中子能量高于5 MeV时透射系数几乎没有变化. 在裂变源条件下的B₄C/Al复合材料中子透射系数均比稳定源20 MeV 低. 介质的中子屏蔽效果是硼酸溶液>水> 空气, 水介质的中子透射系数与介质厚度呈指数下降关系, 裂变源和稳定源条件下分别近似为e^-0.71x和e^-0.669x, x为厚度(cm). 关键词： 蒙特卡罗 乏燃料设备 中子吸收材料 4C/Al')" href="#">B₄C/Al     

介质阻挡放电中的能量转换过程研究

研究了介质阻挡放电过程中的电流强度、电场强度以及电荷分布的演变规律，并对能量转换性质进行了分析.研究结果表明，在一个放电脉冲过程中，外加驱动电源所作的功、电场能量的增量均与起始时刻的壁电荷密度有关，而气体中放电电流所作的功即沉积于气体中的能量与起始时刻的壁电荷密度、放电电流的具体波形无关. 关键词： 介质阻挡放电 壁电荷 动力学过程 能量转换     

180 keV O6+离子与锥形玻璃毛细管相互作用研究

实验研究了强流（几个nA/mm²）180 keV O⁶⁺离子穿越微米尺度锥形玻璃毛细管的聚焦效应.结果表明,毛细管出口处束流密度比入口处束流密度增加了6～7倍,且出射离子保持原有的电荷态及能量.此外我们发现,当毛细管倾斜一定角度时,离子出射方向偏向毛细管管轴方向.基于自组织充电模型对上述实验结果进行了讨论.     

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     

Three-dimensional simulation of laser–plasma-based electron acceleration

A sequential three-dimensional (3D) particle-in-cell simulation code PICPSI-3D with a user friendly graphical user interface (GUI) has been developed and used to study the interaction of plasma with ultrahigh intensity laser radiation. A case study of laser–plasma-based electron acceleration has been carried out to assess the performance of this code. Simulations have been performed for a Gaussian laser beam of peak intensity 5 × 10¹⁹ W/cm² propagating through an underdense plasma of uniform density 1 × 10¹⁹ cm^− 3, and for a Gaussian laser beam of peak intensity 1.5 × 10¹⁹ W/cm² propagating through an underdense plasma of uniform density 3.5 × 10¹⁹ cm^− 3. The electron energy spectrum has been evaluated at different time-steps during the propagation of the laser beam. When the plasma density is 1 × 10¹⁹ cm^− 3, simulations show that the electron energy spectrum forms a monoenergetic peak at ~14 MeV, with an energy spread of ±7 MeV. On the other hand, when the plasma density is 3.5 × 10¹⁹ cm^− 3, simulations show that the electron energy spectrum forms a monoenergetic peak at ~23 MeV, with an energy spread of ±7.5 MeV.     

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.     

聚合物材料空间电荷陷阱模型及参数

采用电声脉冲测量技术研究了直流电场下低密度聚乙烯材料的电荷入陷和脱陷特征. 发现在不同电场周期下样品的电荷衰减呈现不同的特征, 为此提出了一个简单的基于两陷阱水平的入陷和脱陷模型, 并计算了相应的参数, 如陷阱能级和密度. 确定了不含任何添加剂的低密度聚乙烯样品中存在的两种水平的陷阱能级分别为: 较浅陷阱能级0.77–0.81 eV 对应的浅陷阱电荷密度为(1.168–1.553)× 10¹⁹ m^-3; 较深陷阱能级0.96–1.01 eV 对应的深陷阱电荷密度为(1.194–4.615)× 10¹⁸ m^-3. 最后初步验证了材料的深陷阱能级和对应的深陷阱电荷密度随老化而增加, 可考虑将模型中的两能级陷阱参数作为老化诊断特征参量. 关键词： 聚合物 空间电荷 陷阱 老化     

Energy scaling of quasi-monoenergetic electron beams from laser wakefields driven by 40-TW ultra-short pulses

By focusing 40-TW, 30-fs laser pulses to the peak intensity of 10¹⁹ W/cm² onto a supersonic He gas jet, we generate quasi-monoenergetic electron beams for plasma density in the specific range 1.5×10¹⁹ cm^-3≤n_e≤3.5×10¹⁹ cm^-3. We show that the energy, charge, divergence and pointing stability of the beam can be controlled by changing n_e, and that higher electron energies and more stable beams are produced for lower densities. The observed variations are explained physically by the interplay among pump depletion and dephasing between accelerated electrons and plasma wave. Two-dimensional particle-in-cell simulations support the explanation by showing the evolution of the laser pulse in plasma and the specifics of electron injection and acceleration. An optimized quasi-monoenergetic beam of over 300 MeV and 10 mrad angular divergence is demonstrated at a plasma density of n_e≃1.5×10¹⁹ cm^-3. PACS 52.35.-g; 52.38.Hb; 52.38.Kd; 52.65.-y     

On the nature of emissions of polymethyl methacrylate excited by an electron beam of subnanosecond or nanosecond duration

The results of studies of the physical nature of emissions produced in polymethyl methacrylate excited by electron beams of a subnanosecond or a nanosecond duration are presented. The spatial, amplitude, and spectral-kinetic properties of emissions have been examined under an electron beam energy density varying from 10^–4 to 4 × 10^–1 J/cm². It has been found that cathodoluminescence is the primary type of emission under low energy densities of the electron beam. When the energy density of a nanosecond electron beam and/or the number of pulses of excitation by a subnanosecond electron beam were increased, an electrical breakdown of polymethyl methacrylate occurred in the irradiated region. This process was accompanied by a burst of emission of dense, low-temperature plasma.     

Spacecraft charging, an update

Twenty years after the landmark SCATHA program, spacecraft charging and its associated effects continue to be major issues for Earth-orbiting spacecraft. Since the time of SCATHA, spacecraft charging investigations were focused primarily on surface effects and spacecraft external surface design issues. Today, however, a significant proportion of spacecraft anomalies are believed to be caused by internal charging effects (charging and ESD events internal to the spacecraft Faraday cage envelope). This review will, following a brief summary of the state of the art in surface charging, concentrate on the problems introduced by penetrating electrons (“internal charging”) and related processes (buried charge and deep dielectric charging). With the advent of tethered spacecraft and the deployment of the International Space Station, low altitude charging has taken on a new significance as well. These and issues tied to the dense, low altitude plasma environment and the auroral zone will also be briefly reviewed     

高能电子与超强激光束作用产生的阿秒脉冲列

利用非线性汤姆孙散射的理论，从理论和数值模拟上研究了单电子在横向穿越高斯激光束束 腰时所辐射的x射线阿秒脉冲列的性质. 主要分析了电子以初始能量γ₀=1M eV—100M eV横向穿越激光振幅参数为a₀=1—10的高斯光束束腰获得的阿秒辐射脉冲的 时间 和空间性质. 计算表明，辐射呈现脉冲列的形式. 脉冲列的包络宽度取决于激光强度、束腰 的宽度以及入射电子能量. 电子的初始能量比激光强度对电子辐射脉冲的影响更大. 辐射脉 宽、脉冲间隔和脉冲包络宽度都正比于1/γ²₀，辐射功率正比于 γ⁶₀，辐射能 量正比于γ⁴₀. 当改变激光振幅a₀时，辐射功率正比 于a²₀、辐射包络中单 个脉冲脉宽正比于1/a₀、脉冲之间的间隔正比于a₀. 当保持激光强 度不变，而改变光束 束腰半径w₀时，辐射的脉冲数量、包络和辐射能量正比于w₀. 当 激光功率保 持不变时而改变激光强度和束腰半径时，脉冲包络宽度和最大辐射能量都基本不变. 当激光 振幅参数a₀=1，电子初始能量为10MeV时，激光束腰为两个激光波长时，电子 辐 射脉冲包络宽度只有14×10^-3τ₀（τ₀为入 射激光周期），达到几个阿秒的量级. 关键词： 阿秒脉冲 非线性汤姆孙散射 高斯激光光束