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     

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     

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     

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     

厚度对非极性聚合物薄膜驻极体电荷储存及电荷动态特性的影响

以Du Pont公司的商用Teflon FEP A型薄膜为例，通过热脉冲技术、等温表面电位衰减测量和开路热刺激放电电流谱分析等实验结果，讨论了经常温和高温电晕充电后样品厚度对薄膜驻极体的沉积电荷密度、薄膜驻极体的内电场、体电导率以及电荷储存稳定性的影响.通过热脉冲技术组合电导率温度曲线的测量，研究了在不同温度条件下样品厚度对沉积电荷层的平均电荷重心移动的影响.结果表明：在充电参数一定的条件下，随着膜厚的降低，储存电荷密度上升，但电荷稳定性有所下降.因此，合理地调控薄膜厚度，可以有效地优化驻极体的电荷储存能 关键词： 厚度 驻极体 电荷储存能力 电荷稳定性     

重离子在碳化硅中的输运过程及能量损失

利用蒙特卡罗方法,模拟计算了不同线性能量传输(liner energy transfer, LET)的重离子在碳化硅中的能量损失,模拟结果表明:重离子在碳化硅中单位深度的能量损失受离子能量和入射深度共同影响;能量损失主要由初级重离子和次级电子产生,非电离能量损失只占总能量损失的1%左右;随着LET的增大,次级电子的初始角度和能量分布越来越集中;重离子诱导产生的电荷沉积峰值位置在重离子径迹中心,在垂直于入射深度方向上呈高斯线性减小分布.利用锎源进行碳化硅MOSFET单粒子烧毁试验,结合TCAD模拟得到不同漏极电压下器件内部电场分布,在考虑电场作用的蒙特卡罗模拟中发现:碳化硅MOSFET外延层的电场强度越大,重离子受电场作用在外延层运动的路径越长、沉积能量越多,次级电子越容易偏向电场方向运动导致局部能量沉积过高.     

宏观电偶极子对聚丙烯铁电驻极体膜电荷储存及其动态特性的影响

利用栅控恒压电晕充电组合反极性电晕补偿充电法，研究了孔洞(单元电畴)内分布的空间电荷型宏观电偶极子的形成，及其增长对聚丙烯孔洞膜电极化期间的电流特性及电导率的影响. 借助等温表面电位衰减测量、开路和短路热刺激放电电流谱分析等，讨论了宏观电偶极子及其密度变化时的聚丙烯孔洞驻极体膜电荷储存稳定性及电荷动态特性. 实验结果说明：由电极化形成的宏观电偶极子的自身电场提高了聚丙烯孔洞驻极体膜的电导率，从而降低了驻极体膜电荷储存的稳定性. 对呈现弱极化强度的孔洞驻极体膜，以孔洞为畴结构基本单元内的宏观电偶极子，其两性空间电荷的大部分仅仅分别沉积在透镜状孔洞上下两壁的两端. 外激发脱阱电荷从脱阱位置的输运路径，主要是绕孔洞两边沿介质层迁移；而极化强度较高的样品，其两性电荷则分别分布在上下两壁的宽广区域内，脱阱电荷的大部分在驻极体电场驱动下从脱阱位置通过孔洞层间的介质层迁移并衰减.     

介质层充电对光栅光调制器驱动的影响

利用高斯定理分析了二氧化硅层中存在电荷时,光栅光调制器中的空间电场分布,得到了光栅光调制器在介质层存贮电荷影响下的静电力公式. 分析了调制器中二氧化硅介质的充电和放电机理,得到了光栅的位移随介质充放电的变化关系. 通过分析指出当驱动电压的周期和介质的充放电时间常数相近的时候,介质层中存贮的电荷会使得可动光栅被下拉后发生缓慢的回跳. 电压被撤消后,光栅会受到存贮电荷所产生电场的作用而被下拉. 当驱动电压的周期远小于介质的充放电时间常数的时候,随着存贮电荷的增加,光栅在有外加电场时被下拉的距离和外加电场为零时被下拉的距离逐渐相等,光调制器输出光的光强变化逐渐减弱,当存贮电荷产生的电场为外加电场的一半时,器件完全失效. 通过实验对理论分析的结果进行了验证,实验结果和理论分析一致. 文章最后提出了一种消除介质层所存贮的电荷的方法,通过实验证明了这种方法的可行性. 关键词： 微机电系统 光栅光调制器 介质层充电     

射频辉光放电CH4等离子体中电子的能量分布

通过求解Lorentz简化的玻尔兹曼方程,得到射频放电CH₄等离子体中电子的能量分布函数.求解过程中使用一个简化的射频电场模型代替泊松方程求解放电电场.共计包含6类环境气体及27种电子碰撞反应.通过EEDF对等离子体中的电子反应率系数、电子平均能量、电子的传输率系数等进行求解分析.结果表明,在等离子体鞘层区域电子能量具有Maxwell分布形式,在正柱区域具有Druyvesteyn分布形式.最高电子能量和最大反应率系数出现在鞘层区域.电子的迁移率系数和扩散率系数随射频周期的演化时空分布不均匀.     

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.     

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.     

电介质/半导体结构样品电子束感生电流瞬态特性

电子束照射下电介质/半导体样品的电子束感生电流(electron beam induced current,EBIC)是其电子显微检测的重要手段.结合数值模拟和实验测量,研究了高能电子束辐照下SiO2/Si薄膜的瞬态EBIC特性.基于Rutherford模型和快二次电子模型研究电子的散射过程,基于电流连续性方程计算电荷的输运、俘获和复合过程,获得了电荷分布、EBIC和透射电流瞬态特性以及束能和束流对它们的影响.结果表明,由于电子散射效应,自由电子密度沿入射方向逐渐减小.由于二次电子出射,净电荷密度呈现近表面为正、内部为负的特性,空间电场在表面附近为正而在样品内部为负,导致一些电子输运到基底以及一些出射二次电子返回表面.SiO2与Si界面处俘获电子导致界面附近负电荷密度高于周围区域.随电子束照射样品内部净电荷密度逐渐降低,带电强度减弱.同时,负电荷逐渐向基底输运,EBIC和样品电流逐渐增大,电场强度逐渐减小.由于样品带电强度较弱,表面出射电流和透射电流随照射基本保持恒定.EBIC、透射电流及表面出射电流均随束流呈现近似正比例关系.对于本文SiO2/Si薄膜,透射电流随束能的升高逐渐增大并接近于束流值,EBIC在束能约15 keV时呈现极大值.     

One-Dimensional Fluid Model for Dust Particles in Dual-Frequency Capacitively Coupled Silane Discharges

A self-consistent fluid model, which incorporates density and flux balances of electrons, ions, neutrals and nanoparticles, electron energy balance, and Poisson＇s equation, is employed to investigate the capacitively coupled silane discharge modulated by dual-frequency electric sources. In this discharge process, nanoparticles are formed by a successive chemical reactions of anion with silane. The density distributions of the precursors in the dust particle formation are put forward, and the charging, transport and growth of nanoparticles are simulated. In this work, we focus our main attention on the influences of the high-frequency and low-frequency voltage on nanoparticle densities, nanoparticle charge distributions in both the bulk plasma and sheath region.     

超短脉冲激光在电介质材料中传输及破坏深度微观理论计算

基于Fokker-Planck方程和激光传输方程建立超短脉冲激光在电介质材料中的传输及材料破坏理论模型,计算材料内不同位置处导带电子数密度及激光电场强度随时间的变化,进而得到激光的反射率、透射率及沉积率随激光能量密度的变化特征.选取导带电子数密度阈值作为材料破坏的判断条件,计算了不同激光能量密度下的破坏深度,发现破坏深度随激光能量密度的变化曲线呈现先增长后减小,讨论了激光能量沉积特性对破坏深度的影响.计算最大破坏深度随激光脉宽的变化发现,激光脉宽越短则最大破坏深度越小. 关键词： 超短脉冲激光 电介质材料 破坏深度 微观理论模型     

不同接地方式的卫星介质深层充电研究

关键词：     

Computer simulation of charging the silicon dioxide surface and subsurface layers by electron bombardment

A physical model and program of calculating the parameters of charging dielectrics by electron bombardment is described. A method of computer simulation is used to investigate the main processes of charging the subsurface silicon dioxide layers. Dependences of the current density, volume charge density, and electric field strength on the material layer depth are calculated for variable electron beam parameters, irradiation time, and grid potential near the sample surface.