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。     

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.     

界面极化注极聚丙烯薄膜驻极体的电荷存储特性研究

本文报道一种基于双层介质界面极化机理的新型驻极体注极技术: 借助辅助层对PP薄膜进行注极. 采用表面电位测试方法考察了注极温度、注极电压对所获PP薄膜驻极体电荷存储性能的影响, 并利用热刺激放电技术研究了其高温电荷存储性能, 同时测试了PP薄膜驻极体在X和Y方向的静电场分布. 结果表明: 界面极化注极是一种比电晕注极更为优异的驻极体形成方法. 在一定温度下, 驻极体表面电位随注极电压的增加而增加, 而且两者呈线性关系, 这一结果与注极过程的电荷积聚方程的分析完全一致. 注极温度的影响研究表明, 在保持注极电压不变(注极电压范围为0.5–3.0 kV)的情况下, 温度低于75 ℃时, 温度的变化对于注极效果的影响不明显; 当注极温度大于75 ℃ 时, PP薄膜驻极体的表面电位随注极温度的增加而增加. 表面电位随时间的变化研究表明, PP薄膜驻极体具有良好的电荷存储稳定性. 对其表面电位分布的测试表明, 界面极化注极所形成的PP薄膜驻极体呈现均匀的静电场分布.     

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。     

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     

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     

充电参数对聚丙烯蜂窝膜驻极体压电性的影响

通过接触法充电、恒压电晕充电，以及开路热刺激放电技术，对充电参数(例如充电电压，充电时间和充电温度等)对聚丙烯蜂窝膜(PP cellular)驻极体的压电性及其热稳定性的影响的研究，并从孔洞型薄膜压电体的材料结构和理论模型出发，讨论了这些参数对其影响的原因，分析了与压电活性密切相关的空间电荷的动态特性.结果表明，合理地优化充电参数，能使这类呈闭合孔洞的聚合物蜂窝膜驻极体的压电性及其稳定性得以改善，为拓宽这类新型压电功能膜应用领域，推动其产业化进程提供了一定的理论和技术依据. 关键词： 聚丙烯蜂窝膜 压电性 充电参数 电荷输运     

月表尘埃颗粒带电的机理及应用研究

研究月尘颗粒在电子束环境下以及紫外源辐照下的带电机理,利用数值方法模拟月尘颗粒在不同背景环境下的充电过程,以探索月表尘埃颗粒的带电机理,进而便于地面月尘环境模拟装置选择合适的月尘带电方式进行空间模拟实验.给出了尘埃在电子束环境下的充电方程,并将紫外辐射带电与具体应用相结合.通过模拟结果可知,在电子束环境下,月尘表面的电荷数随粒径尺寸增大,随电子枪辐照束斑半径减少,随电子枪流强的增加而增多;在紫外源的辐照下,月尘表面电荷数随颗粒尺寸的增大以及紫外线辐照度的增加而增多.由月尘颗粒受太阳紫外辐照带电的数值模拟结果可知,月尘需要在太阳长时间的辐照下才可以带上可观的电荷数,地面模拟该过程需增加辐照源来加速实验.通过模拟结果的分析比较并结合"空间环境模拟装置"中对月尘舱的设计要求,最终优选紫外源辐照带电方式作为月尘颗粒的带电方案.     

Predicting the electrostatic charging behavior of insulating materials without charging tests

It is well known that experiments of charging and later discharging of materials with gas ignition probes or hand-coulombmeters show that some insulating materials do exist that cannot be hazardously charged by manual rubbing in spite of their high surface resistance. In this work, effects of variations of physical and chemical properties as well as the structure of these materials have been systematically investigated. The results obtained help to explain this behavior and propose approaches to predict the charging behavior of such insulating materials without any charging test at all.     

Charge and Levitation of Grains in Plasma Sheath with Dust Thermic Emission

By taking into account thermic emission current from hot dust surface, the problem involved in dust charging and levitation of dust grains in plasma sheath has been researched. The results are compared to that without including thermal emission current while the system parameters are same. It is found that the thermal emission current has played a significant role on modifying the dust charging and balance levitations. Both of the charging numbers of dust and the dust radius in balance are dramatically reduced. The stability of dust levitation is also analyzed and discussed.     

Charge and Levitation of Grains in Plasma Sheath with Dust Thermic Emission

By taking into account thermic emission current from hot dust surface, the problem involved in dust charging and levitation of dust grains in plasma sheath has been researched. The results are compared to that without including thermal emission current while the system parameters are same. It is found that the thermal emission current has played a significant role on modifying the dust charging and balance levitations. Both of the charging numbers of dust and the dust radius in balance are dramatically reduced. The stability of dust levitation is also analyzed and discussed.     

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.     

充电不均匀对脉冲形成系统输出方波脉冲平顶的影响

在对脉冲形成线进行充电时,由于充电时间较短,以及形成线具有一定的长度,往往会使得充电电压在脉冲形成线上存在一定的不均匀性,从而影响到负载输出电压。对此进行了理论和模拟研究,分析了引起充电不均匀的原因和机制;在此基础上,通过求解不均匀充电初始条件下的电报方程,得到负载输出电压,并进行了模拟。结果表明,充电不均匀会引起负载输出电压平顶的起伏。     

氟化时间对环氧树脂绝缘表面电荷积累的影响

为抑制环氧树脂绝缘的表面电荷积累、研究处理时间对表面电荷积累的影响, 使用氟/氮混合气在实验室反应釜中对环氧试样进行了不同时间(10 min, 30 min和60 min)的表面氟化处理. 衰减全反射红外分析与SEM断面和表面观察表明随氟化时间的增加, 氟化层的氟化度和厚度增大, 表面微观粗糙度降低、表面组织变得致密. 与开路热刺激放电电流测量所表明的、未氟化(原)试样有深的表面电荷陷阱和稳定的表面电荷相比, 这些氟化试样的表面不能存储电荷. 沉积在它们表面上的电晕电荷于室温下分别约在2 min, 10 min和15 min内快速衰减为零, 展现随氟化时间的延长而减慢的电荷释放速率. 表面电导率和接触角测量及表面能计算表明氟化引起表面电导率和表面润湿性与极性的显著增加, 但它们随氟化时间的延长而减小. 氟化试样表面电导率的显著增大归因于表面电荷陷阱的非常可能的实质变浅和表面吸附的水分. 表面充电电流测量进一步地表明, 与原试样几乎为零的稳态表面电流相比, 这些氟化试样在连续充电期间显现大的稳态表面电流. 这意味着这些氟化试样在充电期间比原试样有少得多的表面电荷积累.     

Analysis on surface charging of insulator prior to flashover in vacuum

Prior to the flashover across an insulator in vacuum, the insulator surface is usually charged. It is of great importance to investigate the charging phenomena for better understanding the flashover characteristics. It is considered that there are two kinds of mechanisms closely related to the surface charging of insulator i.e., the secondary electron emission occurred over an insulator, and while employing a perfect electrode contact ahead of electron emission into vacuum, the charge injection and accumulation occurred inside the surface layer of an insulator. Based on the rigorous analysis of the kinetic processes of both primary and secondary electrons, the related surface charges were theoretically deduced. Involving the detrapping of charges trapped and the recombination of charges injected, the charging process due to charge injection and accumulation was analyzed. Some formulas were given to express the density of surface charges.     

Recording of domains by an electron beam on the surface of +Z cuts of lithium niobate

Using an electron beam, spontaneous polarization on the surface of +Z cuts of lithium niobate crystals of various compositions is switched. Domains 100–200 nm in size are formed in a thin surface layer, with the thickness dependent on the primary-electron energy. The sizes of segments, on which submicron domains are formed, exceed the sizes of the irradiation region. The distributions of domains on the surface in crystals of various compositions are different and depend on the method of moving the electron beam and irradiation conditions. The results are discussed in the context of notions on the charging of dielectric materials by the electron beam. It is assumed that the spontaneous polarization in the surface layer of +Z cuts of lithium niobates is switched by the field of a double layer of charges formed as a result of the charging process near the surface.     

Memory and nonlinear transport effects in charging–discharging of a supercapacitor

We report on the results of analysis of the kinetics of charge–discharge current of Panasonic supercapacitors in a wide range of time from 10^–1 to 10⁴ s. The non-Debye behavior of relaxation observed earlier by us and other authors is confirmed experimentally, and the influence of the supercapacitor charging regime on this process for various previous histories (values of applied voltage, charging time, and load resistance) is analyzed. The results are compared with available experimental data for paper–oil and electrolytic capacitors and with the results of calculations in the linear response model. It is found that in contrast to conventional capacitors, the response of the supercapacitor under investigation to variations of the charging regime does not match the linear response model. The relation of this nonlinearity to processes in the double electric layer, the morphology of the porous electrode, and the effect of charge reversal in pores is considered.     

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.     

爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电的理论分析

 将爆磁压缩等效为电流源的方法，对爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电进行了理论分析，得出爆磁压缩发生器在负载上产生电流波形（简称负载电流）为直线情况和任意电流波形情况下充电电流和充电电压的表达式。分析表明变压器耦合互感与负载电流随时间变化增长率是脉冲形成线充电的两个重要参数，脉冲形成线第一个充电电压峰值与变压器的耦合互感和负载电流波形斜率成正比，负载电流波形斜率的变化可以改变充电电压峰值的时间，斜率不断增加可以延长第一个充电电压峰值时间，从而可能增加充电电压的幅值，提高爆磁压缩发生器能量的利用效率。     

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