基于平均二次电子发射系数的航天器表面起电特征分析

为了进一步贴近航天器表面起电环境以得到更加可信的分析结果,针对航天器在恶劣充电环境下的表面起电问题,考虑空间等离子体双麦克斯韦分布情况,建立了基于平均二次电子发射系数的航天器表面起电阈值方程,可在入射电子能量连续分布情况下定量分析航天器表面起电特征,其中双麦分布可更好地描述磁层亚爆期间的恶劣充电环境。经过理论分析,归纳出双麦分布下的两种典型等离子体状态。通过仿真计算,得到了在两种典型等离子体状态下航天器表面电位随等离子体浓度和温度变化的特征。结果表明:电子温度越高,表面负带电电位越高,充电越严重,与此同时,双麦分布下等离子体两种电子组分的浓度比值对带电结果有重要影响。     

航天器内部孤立导体表面带电面积效应研究

航天器内部孤立导体充放电对航天器的影响更为隐蔽, 造成直接和潜在的伤害更加严重. 综合考虑航天器内部环境中粒子参数及材料二次电子特性等因素, 基于气体动理论, 结合粒子的麦克斯韦速度分布函数, 得出孤立导体球充电电位一般表达式. 利用电位表达式推导得出孤立导体球净电荷量及静电场能量与导体面积关系表达式. 讨论了特殊情况下孤立导体静电场能量与面积及空间环境的关系, 与地面电子元器件电磁脉冲放电损伤值进行了对比, 总结出孤立导体表面带电面积效应规律. 关键词： 孤立导体 表面带电 静电场能量 面积效应     

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     

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。     

嫦娥一号卫星太阳风离子探测器数据分析

探月航天器与月球周围等离子体环境相互作用,表面将出现充放电效应,给航天器带来很多不利影响.表面充电电位对充放电的影响至关重要.评估探月航天器的充放电效应,首先需获得月球周围等离子体环境数据.嫦娥一号上搭载的两台太阳风离子探测器SWIDA/B是用来观测月球200 km轨道附近等离子体环境的探测仪器,获得了月球附近的太阳风速度、密度和温度.本文对2008年6月一个月内太阳风离子探测器SWIDA机获得的离子微分通量进行统计平均,得到太阳风离子微分通量能谱,并计算得到了月球200 km附近的太阳风速度(300.00—600.00 km·s-1)、密度(1—10 cm-3)和温度(1—20 eV).最后采用等效电路模型的方法计算得到了探月航天器表面充电电位范围为-7—-70 V.     

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     

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。     

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     

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.     

空间站快速充电效应的物理过程及特征

“快速充电事件”是国际空间站2006年首次观测到的一种充电现象, 在出地影瞬间的1–3 s内航天器结构体被迅速充到-30–-70 V的负电位, 显著超过空间站的安全设计标准, 一度引起国际航天界的关注. 目前国际上对“快速带电”的研究尚不充分. 基于Furguson等的研究, 本文建立了快速充电的物理模型, 对快速充电的机理和规律给出了合理的解释. 计算及分析结果表明: 快速充电是在航天器出地影瞬间由高压太阳电池阵的光伏激发过程驱动的, 是一种非平衡态的充电过程; 快速充电脉冲主要是由于在太阳帆板电压的快速启动过程中帆板上 的电子充电电流未及时被玻璃盖片的充电所阻塞而导致的, 当快速充电过程达到平衡时便表现为“正常充电事件”; 快速充电的幅度主要取决于太阳帆板电压的启动时间、启动方式等, 因此表现出一定的离散性, 但随着等离子体密度的增大而衰减, 与国际空间站观测结果一致. 关键词： 表面充电 等离子体 国际空间站 高压太阳电池阵     

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.     

等离子体环境下孤立导体表面充电时域特性研究

航天器在等离子体环境下的表面充放电受到多种因素影响, 其中充电时间是影响静电放电频次的一个重要因素. 本文从等离子体的微观结构出发, 同时考虑材料参数特性, 在对每个粒子运用力学原理的基础上, 以统计方法 推导出孤立导体球表面充电电位时域表达式. 利用电位时域表达式推导出孤立导体球净电荷量时域表达式及静电场能量时域表达式. 以较低非极地地球轨道和较高地球同步轨道为例对孤立导体球电位、 净电荷量及静电场能量的时域特性进行了讨论, 分析了空间环境参数和导体球半径大小对表面充电的影响, 总结出等离子体环境下孤立导体表面充电时域特性规律. 关键词： 等离子体 孤立导体 表面带电 时域     

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.     

Calculations on the effect of the surface potential barrier in LEED

The main effects of the surface potential barrier in LEED arise from strong internal reflection of diffraction beams for incidence conditions close to those for their grazing emergence. Near each grazing emergence condition, the details of LEED intensity profiles depend on the amplitude coefficient of internal reflection and hence on the shape of the surface potential barrier. Calculations of the amplitude coefficient for real one-dimensional barrier potentials with shapes specified by three parameters are reported. The calculations are done as a function of the energy associated with the surface-normal momentum component of the internally incident beam. The potential has the image form at large distances from the surface and joins smoothly to a quadratic at an intermediate distance. The results are tabulated and an interpolation formula is given so that the amplitude coefficient of reflection can be evaluated readily for potentials of the assumed form. Applications to the calculation of LEED intensity lineshapes are summarized.     

高功率微波同轴阻抗变换器优化设计及功率计算

 在高功率微波应用中,同轴线的阻抗匹配十分重要。通过同轴线内导体的渐变,可以实现阻抗变换与阻抗匹配。内导体渐变可以采用多项式、余弦、指数等函数形式。用时域有限差分方法计算同轴线的反射系数,以同轴线内导体渐变段的长度和反射系数达到最小为目标,采用遗传算法优化渐变段的结构参数,得到了反射系数为0.015、渐变长度为148 mm的同轴线阻抗变换结构。在一套具有16节点的Beowulf型并行计算机系统上采用主从式并行计算技术完成了计算,缩短了遗传算法搜索时间。最后计算和分析了该同轴线阻抗变换结构的带宽和微波功率容量,该结构峰值功率达8.734 MW。     

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.     

Multi-interaction of surface wave between subwavelength grooves surrounding a single metallic slit

We propose a physical understanding of scattering by subwavelength grooves surrounding a single perfect conductor slit based on the superposition of a cylindrical traveling surface wave and a standing surface wave. The collective reflection coefficient was introduced to handle the multi-interaction of the surface wave between subwavelength grooves, and a slit–grooves focusing structure was designed to demonstrate its validity. In comparison to numerical simulations by the finite difference time domain method, the proposed method proves effective in describing the multi-interaction behavior of a surface wave and in further refining the phase perturbation at the grooves’ exits.     

Retrieval of the complex reflection coefficient from nano scale thin films by using polarized neutrons and magnetic substrates

A method is proposed for overcoming the famous ‘phase problem’ in neutron specular reflectometry. It is shown that the complex reflection coefficient of any unknown non magnetic layer, with real scattering length density, can be determined by using a magnetic transmitted media and by measuring the polarization of the reflected beam relative to the incident beam. The method follows directly from a recent one which is limited to a one-dimensional neutron polarization. Here, the theory is generalized for a neutron polarization of arbitrary direction. We show that some combinations between the polarization of the incident and reflected beam must be used to determine the reflection coefficient. Also, it is shown that instead of full polarization or reflectivity analysis, some combinations between polarization and reflectivity can be used in the analysis process. The method is supplemented with a schematic example to test the method and its stability in the presence of experimental uncertainties and roughness of the interfaces. PACS 61.12.Ha; 28.20.-v     

Measuring electrostatic properties of fibrous materials: A review and a modified surface potential decay technique

Electrostatic charging of fibrous materials are of concern for the performance of electret filters and comfort issues of textiles. However there is a huge controversy in the characterization techniques of ion beam irradiated or corona charged fibrous materials. In this study we reported a reliable, simple surface potential measurement method. Large variations in potential measurements were found to be mostly due to structural nonuniformity such as packing density, thickness and fiber–fiber proximity. Test samples were prepared after optimizing those parameters and we were able to reduce coefficient of variation below 15%. Methods that were developed so far were also reviewed.     

带高阶模谐振腔反射器的过模高功率毫米波源

针对过模系数为2.3的高功率毫米波发生器设计了工作于高次模的谐振腔反射器。谐振腔反射器工作模式为TM035模式,在58~62 GHz频带内对TM01模式的反射系数大于0.9。运用2.5维全电磁粒子程序模拟分析了器件中束波相互作用过程,通过调整慢波结构与谐振腔反射器间的漂移段长度得到了器件在570 kV,6.0 kA电子注量驱动下,在引导磁场为4 T时,能辐射出功率1.06 GW、频率为60.2 GHz的毫米波,主要工作模式为TM01模,效率约为31%,起振时间为3.3 ns。