不同接地方式的卫星介质深层充电研究

关键词：     

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     

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.     

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.     

介质空腔内电场的计算

提出了有电介质存在时计算电场的一种新的等价方法，使介质腔内部的静电场能更简便地求解。     

基于Geant4的回旋加速器束流动力学计算

针对回旋加速器的束流动力学设计,基于Geant4模拟研究,提供一种可行的数值模拟方法。通过电磁场仿真软件Opera建立相应的电磁场数据导入到Geant4中进行插值计算,利用Geant4自带的电磁场微分方程与微分方程求解器计算粒子的平衡轨道,振荡频率以及加速轨道。其结果表明:对于横向运动而言,Geant4的计算结果与传统数值方法计算结果趋于一致;对于轴向运动而言,由于磁场插值方法的差异性,二者有一定的区别,对于在加速过程中的非平衡粒子,其能量变化围绕平衡粒子振荡。对于束损,通过限制粒子的运动时间,轴向位移加快计算效率,加入电极碰撞的判定使模拟更趋近实际情况。     

基于Geant4的反应堆临界及动态计算方法

Geant4是一款基于C++面向对象技术的蒙特卡罗开发程序包,可以模拟各种已知粒子与物质之间的相互作用。然而该程序包没有提供临界源功能,无法直接用于反应堆物理计算。因此,利用Geant4提供的基础物理模型和粒子跟踪控制等功能,用两种不同方法实现了临界源的设置,实现了基于Geant4的反应堆静态计算程序G4-RSM和反应堆动态计算程序G4-RDM。两个程序均可用于反应堆临界计算,与MCNP计算结果相对误差在5%以内。G4-RDM程序除可用于临界计算外,还可用于模拟堆内事故工况下的中子学瞬态变化。     

基于Geant4的反应堆临界及动态计算方法

Geant4是一款基于C++面向对象技术的蒙特卡罗开发程序包,可以模拟各种已知粒子与物质之间的相互作用。然而该程序包没有提供临界源功能,无法直接用于反应堆物理计算。因此,利用Geant4提供的基础物理模型和粒子跟踪控制等功能,用两种不同方法实现了临界源的设置,实现了基于Geant4的反应堆静态计算程序G4-RSM和反应堆动态计算程序G4-RDM。两个程序均可用于反应堆临界计算,与MCNP计算结果相对误差在5%以内。G4-RDM程序除可用于临界计算外,还可用于模拟堆内事故工况下的中子学瞬态变化。     

基于Geant4的卢瑟福散射计算机模拟

利用Geant4对卢瑟福散射实验进行仿真模拟,改变模拟过程中的相关参数以达到不同实验条件的要求。对模拟过程中收集的数据进行分析得到的结果符合卢瑟福散射关系式。这说明利用计算机模拟卢瑟福散射实验是可行的。本文中的实验对大学物理实验教学的开展有很大的意义。     

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     

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     

用电介质镜像法计算线电荷与介质圆柱所形成的电场

利用电介质镜像法计算线电荷与介质圆柱体所形成的电场,给出电势与场强的解析表达式,进一步得出等势线与电场线方程,并利用软件MATLAB绘制出电场线和等势线(面)图予以验证.     

Particle charging characteristics with the low-speed mixed fluid under high electric field

Air pollution caused by particles with small size has been a global concern because of threats to human health. A feasible way to remove these super fine suspended particles is using electrostatic precipitation technology. Herein, the PIV was used to measure the particle velocity distribution. By analyzing the particle motion trend in high electric field, a process of particle charging loss was observed. This phenomenon cannot be explained by current particle charging theories. Our conclusions may improve the understanding of particle charging processes.     

均匀外电场中无限长介质圆柱壳的场分布的计算和讨论

用圆柱坐标系中的分离变量法计算了位于均匀外电场中的无限长介质圆柱壳各区域的电势和电场,由计算结果分析了无限长介质圆柱壳对外电场的屏蔽效果,并指出均匀外电场中的无限长导体圆柱壳、无限长介质圆柱体、无限长导体圆柱及无限大均匀电介质中开有一无限长的圆柱形空腔的电势和电场都可以由均匀电场中的无限长介质圆柱壳电势及电场给出.     

介质球在点电荷电场中产生的电势分布规律

推证了介质球在点电荷电场中产生的电势分布规律;同时由此推出了当介质球的电容率ε→∞时,介质球在点电荷的电场中为等电势体,以及金属导体球在点电荷电场中产生的电势分布规律．     

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.