卫星中介质深层充电特征研究

介质深层充电效应是诱发地球同步轨道卫星运行故障和异常的重要因素之一.通过数值模拟方法对卫星介质材料中充电所致最大电场与高能电子能谱、介质厚度，及屏蔽厚度等的关系进行了详细研究，给出了介质中最大电场的基本特征. 关键词： 卫星 介质深层充电 高能电子 计算机模拟     

不同接地方式的卫星介质深层充电研究

关键词：     

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.     

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.     

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     

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     

空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理

空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理是研究和防护航天器聚合物充放电特性的基础.采用蒙特卡罗方法模拟空间电子的散射过程,快二次电子模型模拟二次电子的产生,有限差分法求解电荷连续性方程、电流密度方程和泊松方程的电荷输运过程,俘获过程基于Poole-Frenkel效应来实现.基于电子散射/输运同步模型基础,结合法国国家航空航天科研局(ONERA)的地球同步轨道电子能谱分布理论公式和欧空局(SIRENE)机构的地面实验方法,建立了基于地球同步轨道电子能谱分布的空间多能电子的散射模型.通过空间电子辐照聚合物充电过程的数值模拟,获得了空间电荷密度、电位、电场和空间电位分布.阐明了空间电子辐照聚合物的充电特性和样品微观参数与表面电位的关联性.表面电位特性与实验结果相吻合,单能电子的电位强度高于多能电子的电位.充电达到稳态时,电子迁移率较小时(小于10~(–11)cm~2·V~(–1)·s~(–1)),空间电位绝对值随电子迁移率的降低明显加强;复合率较大时(大于10~(–14)cm~3·s~(–1)),空间电位绝对值随复合率的增大而增大.研究结果对于揭示空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理、提高航天器充放电故障机理研究水平具有重要科学意义和价值.     

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     

直流电晕充电下环氧树脂表面电位衰减特性的研究

介质材料表面电荷的积累和衰减行为是制约众多高压直流电力设备研制的关键因素. 薄片状介质试样的表面电荷密度与表面电位近似呈线性关系, 因此常通过表面电位衰减行为研究表面电荷的衰减特性. 基于电晕充电、表面电荷沉积和脱陷、介质体内单极性电荷输运等3个物理过程, 建立表面电位动态响应的物理模型. 通过计算环氧树脂的表面电位衰减行为, 得到栅极电压、相对介电常数和体电导率等对其表面电位衰减特性的影响. 栅极电压越高, 表面电位的衰减速度越快; 环氧树脂材料参数典型值(相对介电常数3.93, 体电导率10^-14 S· m^-1)下, 归一化表面电位的衰减速率随时间变化的曲线可拟合为分段幂函数, 其中, 分段幂函数的特征时间、指数系数与栅极电压分别呈幂函数和线性变化关系. 相对介电常数越大, 表面电位的衰减速度越慢; 环氧树脂相对介电常数典型范围(3–4)内, 表面电位衰减时间常数由1720 s增大到2540 s, 两者呈线性关系. 体电导率越大, 表面电位的衰减速度越快; 环氧树脂体电导率典型范围(10^-15–10^-13 S· m^-1)内, 表面电位衰减时间常数由24760 s 减小到260 s, 两者呈幂函数变化关系.     

空间多能电子辐照聚合物充电过程的稳态特性

空间同步轨道上多能电子辐照聚合物的充电过程及其稳态特性是研究和抑制通信卫星静电放电的基础.在同步电子散射-输运微观模型的基础上,采用具有10—400 keV积分能谱分布的多能电子辐照聚酰亚胺样品,进行了多能电子辐照聚酰亚胺充电过程的数值模拟,获得了空间电荷密度、空间电位、空间电场分布和聚合物样品参数条件下的表面电位和最大场强.结果表明,多能电子与样品发生散射作用并沉积在样品内形成具有高密度的电荷区域分布,同时在迁移和扩散的作用下输运至样品底部形成样品电流;充电达到稳态、电子迁移率较小时(小于10-10cm2·V-1·s-1),表面电位绝对值和充电强度随电子迁移率的降低明显加强,捕获密度较大时(大于1014cm-3),表面电位绝对值和充电强度随捕获密度的增大明显加强;聚合物样品厚度对表面电位和充电强度的影响大于电子迁移率、捕获密度和相对介电常数的影响.研究结果对于揭示空间多能电子辐照聚合物的充电现象及微观机理、提高航天器故障机理研究水平具有重要科学意义和价值.     

低能电子束照射接地绝缘薄膜的负带电过程

为揭示低能电子束照射接地绝缘薄膜的负带电过程及其机理,建立了同时考虑电子散射与电子输运的计算模型,综合Monte Carlo方法和有限差分法进行了数值模拟,获得了内部空间电荷、泄漏电流和表面电位随电子束照射的演化规律.结果表明,入射电子因迁移、扩散效应会超越通常的散射区域产生负空间电荷分布,并经过一定的渡越时间后到达接地基板,形成泄漏电流,负带电暂态过程则随着泄漏电流的增加而趋于平衡.在平衡状态下,泄漏电流随电子束能量和电流而增大;薄膜净负电荷量和表面电位随膜厚而增加、随电子迁移率的增大而降低,随着电子束 关键词： 绝缘薄膜 电子束照射 带电效应 数值模拟     

Charging dynamics of polymer due to electron irradiation: A simultaneous scattering-transport model and preliminary results

We present a novel numerical model and simulate preliminarily the charging process of polymer subjected to electron irradiation of several 10 keV. The model includes the simultaneous processes of electron scattering and ambipolar transport and the influence of a self-consistent electric field on the scattering distribution of electrons. The dynamic spatial distribution of charges is obtained and validated by existing experimental data. Our simulations show that excess negative charges are concentrated near the edge of the electron range. However, the formed region of high charge density may extend to the surface and bottom of a kapton sample, due to the effects of electric field on electron scattering and charge transport, respectively. Charge trapping is then demonstrated to significantly influence the charge motion. The charge distribution can be extended to the bottom as the trap density decreases. Charge accumulation is therefore balanced by the appearance and increase of leakage current. Accordingly, our model and numerical simulation provide a comprehensive insight into the charging dynamics of polymer irradiated by electrons in the complex space environment.     

Analysis of microscopic parameters of surface charging in polymer caused by defocused electron beam irradiation

The relationship between microscopic parameters and polymer charging caused by defocused electron beam irradiation is investigated using a dynamic scattering-transport model. The dynamic charging process of an irradiated polymer using a defocused 30 keV electron beam is conducted. In this study, the space charge distribution with a 30 keV non-penetrating e-beam is negative and supported by some existing experimental data. The internal potential is negative, but relatively high near the surface, and it decreases to a maximum negative value at z = 6 μm and finally tend to 0 at the bottom of film. The leakage current and the surface potential behave similarly, and the secondary electron and leakage currents follow the charging equilibrium condition. The surface potential decreases with increasing beam current density, trap concentration, capture cross section, film thickness and electron–hole recombination rate, but with decreasing electron mobility and electron energy. The total charge density increases with increasing beam current density, trap concentration, capture cross section, film thickness and electron–hole recombination rate, but with decreasing electron mobility and electron energy. This study shows a comprehensive analysis of microscopic factors of surface charging characteristics in an electron-based surface microscopy and analysis.     

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.     

非聚焦电子束照射SiO2薄膜带电效应

采用考虑电子散射、俘获、输运和自洽场的三维数值模型, 模拟了低能非聚焦电子束照射接地SiO₂薄膜的带电效应. 结果表明, 由于电子的迁移和扩散, 电子会渡越散射区域产生负空间电荷分布. 空间电荷呈现在散射区域内为正, 区域外为负的交替分布特性. 对于薄膜负带电, 电子会输运至导电衬底形成泄漏电流, 其暂态过程随泄漏电流的增加趋于平衡. 而正带电暂态过程随返回二次电子的增多而趋于平衡. 在平衡态时, 负带电表面电位随薄膜厚度、陷阱密度的增大而降低, 随电子迁移率、薄膜介电常数的增大而升高;而正带电表面电位受它们影响较小.     

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.