秦曉剛，羅白云，楊生勝，王 驥，孔風(fēng)連

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000;2.華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系，湖北武漢430074)

1 引言

自20世紀(jì)70年代末發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星內(nèi)帶電效應(yīng)以后，對(duì)內(nèi)帶電的研究逐漸成為國(guó)外衛(wèi)星帶電研究和防護(hù)的一個(gè)主要領(lǐng)域，隨著多次連續(xù)的衛(wèi)星失效都被認(rèn)定為內(nèi)帶電誘發(fā)的故障后，無(wú)論是理論研究還是工程實(shí)踐中都已經(jīng)清醒認(rèn)識(shí)到內(nèi)帶電危害的嚴(yán)重性和解決內(nèi)帶電問(wèn)題的緊迫性。NASA分別在1990年和1999年制定了相關(guān)的內(nèi)帶電可靠性設(shè)計(jì)手冊(cè)［1］，ESA也在1999年和2000年專(zhuān)門(mén)組織力量編寫(xiě)了“內(nèi)帶電工程工具”［2，3］。

一般認(rèn)為，1990年發(fā)射的聯(lián)合釋放與輻射效應(yīng)衛(wèi)星(CRRES)是“內(nèi)帶電研究的一個(gè)分水嶺”［4］。CRRES衛(wèi)星于1990年7月25日發(fā)射，目的是研究近地球空間的電磁場(chǎng)、等離子體和高能粒子環(huán)境及其對(duì)微電子元件的影響。CRRES衛(wèi)星首次搭載了內(nèi)放電監(jiān)測(cè)器(IDM，Internal Discharging Monitor)，對(duì)衛(wèi)星內(nèi)帶電問(wèn)題的研究獲得了大量成果，既包括總結(jié)性的NASA－HDBK－4002和ESA內(nèi)帶電工程工具，也包括大量文獻(xiàn)中提出如內(nèi)帶電空間電子通量模型、介質(zhì)電導(dǎo)率電荷衰減測(cè)量法及其測(cè)量結(jié)果、介質(zhì)內(nèi)充電電場(chǎng)計(jì)算和內(nèi)放電脈沖比例關(guān)系等新問(wèn)題和研究方向［5］。

CRRES衛(wèi)星的IDM試驗(yàn)了16個(gè)不同接地方式FR4電路板和PTEE絕緣電線，在其13個(gè)月的空間試驗(yàn)中，共監(jiān)測(cè)到3 886個(gè)放電，其中以背面接地的FR4樣品的放電現(xiàn)象最為嚴(yán)重，其放電占IDM的83%［6］。

GEANT4是由超過(guò)100名來(lái)自歐洲、美國(guó)和日本的科學(xué)家從1993年開(kāi)始合作研發(fā)的開(kāi)源粒子輸運(yùn)工具包，具有模擬粒子種類(lèi)和能量范圍廣、粒子與物質(zhì)作用物理模型可選和程序開(kāi)發(fā)容易的特點(diǎn)，已經(jīng)在高能物理(HEP)、醫(yī)學(xué)、空間物理和工程的各領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用［7］。目前，該軟件已成為空間輻射環(huán)境及其效應(yīng)探測(cè)器的設(shè)計(jì)的有效分析工具。作者創(chuàng)新性地提出將輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率(RIC)模型和GEANT4用于電子輻照充電模擬，預(yù)測(cè)介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)分布，并將其用于內(nèi)放電監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)中。通過(guò)與地面試驗(yàn)的比對(duì)，驗(yàn)證了GEANT4－RIC方法在內(nèi)帶電監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì)中的可行性和正確性。

2 內(nèi)帶電GEANT4模擬

2.1 GEANT4 模擬

利用GEANT4進(jìn)行模擬時(shí)必須要根據(jù)入射粒子的能量選擇合適的物理過(guò)程。電子屬于輕帶電粒子，在GEANT4中，主要考慮的物理過(guò)程是多次散射、電離和輻射損失。設(shè)入射電流密度為Ji(A/m2)，GEANT4模型中粒子源面積為Ai(m2)，入射粒子數(shù)為EN(e－)，電子電量為eQ(=1.6×10－19C)，設(shè)模型中介質(zhì)密度為ρm(kg/m3)，面積為Am(m2)，每層厚度為Δx(m)，模擬獲得的注入電量密度為(e－/m2)、沉積能量為(MeV)，沉積電荷量為(e－)，那么介質(zhì)中注入電流密度Jf(A/m2)、劑量率(rad/s)和沉積電荷密度Jd(A/m2)可分別按式(1)～(3)計(jì)算

2.2 RIC 模型

如圖1所示，一定能譜和通量的電子入射到介質(zhì)上在其內(nèi)部形成深層充電，介質(zhì)背面與地相連泄放注入電荷，這種連接方式稱(chēng)為背面接地結(jié)構(gòu)。

圖1 質(zhì)子輻照深層充電示意圖

電子輻照介質(zhì)內(nèi)帶電的一維解析RIC模型由3個(gè)方程組成，分別為電流密度連續(xù)性方程、泊松方程和深層俘獲方程［8］，即

式中 ε為材料的介電常數(shù);μ+為自由電荷遷移率;τ+為自由電荷俘獲時(shí)間常數(shù);ρm為最大俘獲電荷密度;E(x，t)、ρf(x，t)和ρt(x，t)分別為待求介質(zhì)內(nèi)t時(shí)刻x處的電場(chǎng)、自由電荷密度和俘獲電荷密度;J(x)是x處入射粒子通量，通過(guò)GEANT4模擬獲得;J0(t)為電子輻射注入電流密度。σ為材料的電導(dǎo)率，在輻射條件下與劑量率相關(guān)，可表示為

式中 σd為暗電導(dǎo)率或本征電導(dǎo)率;σr為輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率;k和Δ為輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率的系數(shù)和指數(shù);為輻照劑量率，也通過(guò)GEANT4模擬獲得。

3 內(nèi)放電監(jiān)測(cè)器試驗(yàn)與仿真模擬

3.1 內(nèi)放電監(jiān)測(cè)器

CRRES衛(wèi)星IDM的飛行試驗(yàn)表明，衛(wèi)星內(nèi)帶電主要發(fā)生在背面接地方式的FR4材料中，目前迫切需要針對(duì)此種結(jié)構(gòu)開(kāi)展在軌監(jiān)測(cè)和防護(hù)方法研究。因此，我們以此種結(jié)構(gòu)作為內(nèi)放電監(jiān)測(cè)器的試驗(yàn)對(duì)象。圖2為內(nèi)放電監(jiān)測(cè)器結(jié)構(gòu)。樣品夾具采用上、下分離的結(jié)構(gòu)形式，最大可夾持3 mm厚的樣品，上、下電極均可連接相應(yīng)的信號(hào)引出線或電源線，準(zhǔn)直孔直徑為84 mm。通過(guò)不同的配置和連接，該裝置可進(jìn)行樣品內(nèi)充電表面電位、泄漏電流測(cè)量，獲得不同接地方式下的介質(zhì)表面電壓、放電脈沖數(shù)據(jù)。樣品材料采用FR4覆銅板，厚度為1.6 mm(厚度取 FR4 為1.59 mm，銅箔0.01 mm)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

內(nèi)放電監(jiān)測(cè)器在能量為1 MeV，束流密度為10 pA/cm2的高能電子環(huán)境中輻照了2 h12 min，總共獲得了27個(gè)放電脈沖信號(hào)。典型內(nèi)放電脈沖波形如圖3所示。

圖2 內(nèi)放電監(jiān)測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

圖3 典型內(nèi)放電脈沖波形

圖4 背面接地FR4的GEANT4－RIC模擬

3.3 內(nèi)放電監(jiān)測(cè)器的GEANT4數(shù)值模擬

基于GEANT4－RIC模型，通過(guò)仿真分析表明，背面接地的1.6 mm厚FR4覆銅板在束流密度為10 pA/cm2的1 MeV電子脈沖輻照下，持續(xù)276 s背面電場(chǎng)即可達(dá)到1.65×107V/m發(fā)生放電，即輻照時(shí)間約為4.5 min左右發(fā)生放電。連續(xù)輻照276 s時(shí)的模擬結(jié)果如圖4所示。試驗(yàn)平均放電時(shí)間為4.8 min，數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果為4.5 min，初步說(shuō)明模擬計(jì)算的正確性。

4 結(jié)論

隨著航天器設(shè)計(jì)中表面帶電防護(hù)設(shè)計(jì)水平的不斷提高，空間介質(zhì)內(nèi)帶電問(wèn)題逐漸成為國(guó)際、國(guó)內(nèi)航天器帶電領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。衛(wèi)星內(nèi)放電監(jiān)測(cè)器的飛行試驗(yàn)可有助于研究引發(fā)內(nèi)帶電的各因素與介質(zhì)放電的關(guān)聯(lián)性規(guī)律，對(duì)航天器介質(zhì)內(nèi)帶電防護(hù)具有指導(dǎo)意義。同時(shí)，隨著航天器的小型化、高精度、高可靠、長(zhǎng)壽命的發(fā)展趨勢(shì)，集成化是未來(lái)環(huán)境及效應(yīng)探測(cè)器發(fā)展的趨勢(shì)，因此也需要采用新的設(shè)計(jì)手段開(kāi)展相關(guān)研制工作。作者采用GEANT4—RIC數(shù)值模擬和地面試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)內(nèi)放電監(jiān)測(cè)器的放電狀況進(jìn)行了對(duì)比研究，驗(yàn)證了模擬方法的正確性，為進(jìn)一步開(kāi)展空間輻射效應(yīng)監(jiān)測(cè)器研制提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。

［1］NASA－HDBK－4002.Avoiding problems caused by Spacecraft On－orbit internal charging effects［R］.ESA.1999.

［4］GARRENT H B，WHITTLESEY A C.Spacecraft charging，an update［R］.AIAA 96－0143，1996

［5］王驥，秦曉剛，李凱，等.CRRES/IDM空間內(nèi)帶電的研究進(jìn)展［J］.真空與低溫，2007，13(4):221～224.

［6］FREDERICKSON A R，MULLEN E G，KERNS K J，ROBINSON P A，et al.The CRRES IDM spacecraft experiment for insulator discharge pulses［J］.IEEE transactions on nuclear science，1993，40(2):410 ～ 415.

［7］SANTIN G.Applications of GEANT4 for the ESA space program［R］.SPENVIS＆ GEANT4 Workshop，Leuven，Belgium，2005.

［8］SESSLER G M.Charge Dynamics in Irradiated Polymers［J］.IEEE Transactions on Electrical Insulation，1992，27(5):961－973.