周 慶, 王德軍, 趙廣義, 馬玉剛, 趙寶奎, 易海云, 王振超, 牛璐瑩

(1. 吉林大學(xué) 物理學(xué)院, 長(zhǎng)春 130012; 2. 長(zhǎng)春大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院, 長(zhǎng)春 130022)

空間高能電子導(dǎo)致的介質(zhì)深層充電嚴(yán)重威脅衛(wèi)星安全和空間環(huán)境效應(yīng). 衛(wèi)星中介質(zhì)深層充電是指空間高能電子穿過衛(wèi)星表面, 沉積于介質(zhì)內(nèi)部而構(gòu)建的電場(chǎng). 當(dāng)介質(zhì)內(nèi)部沉積電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)超過介質(zhì)材料的擊穿閾值時(shí), 將發(fā)生放電現(xiàn)象, 干擾衛(wèi)星正常工作的電子系統(tǒng), 導(dǎo)致衛(wèi)星運(yùn)行失敗[1]. 介質(zhì)深層充電主要分為兩方面:

1) 高能電子穿過衛(wèi)星表面材料, 由于不同能量電子沉積于介質(zhì)材料的不同深度, 從而在介質(zhì)內(nèi)部建立電場(chǎng)[2-4];

2) 衛(wèi)星構(gòu)件的電介質(zhì)材料多為高分子聚合物, 介質(zhì)受電子輻照其電導(dǎo)率發(fā)生變化[5-6], 從而影響介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng).

引起介質(zhì)深層充電的高能電子能量為0.1～10 MeV, 宇宙中電子能量主要按積分譜分布, 大部分能量為0.1～1 MeV. 因此衛(wèi)星中介質(zhì)深層充電主要受該部分能量電子影響.

文獻(xiàn)[7-8]利用解析方法計(jì)算了平板和圓柱兩種結(jié)構(gòu)不同接地方法下的介質(zhì)內(nèi)電場(chǎng)分布; 文獻(xiàn)[9]通過Geant4軟件模擬了Teflon介質(zhì)中的電荷輸運(yùn)過程. 本文利用MCNP軟件模擬介質(zhì)為環(huán)氧樹脂的充電過程及不同能量電子對(duì)衛(wèi)星介質(zhì)內(nèi)最大電場(chǎng)的影響.

1 模擬方法

圖1 模擬結(jié)構(gòu)Fig.1 Analog structure

1.1 模擬結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星介質(zhì)深層充電的模擬結(jié)構(gòu)如圖1所示. 通常聚四氟乙烯、 氟化乙丙烯和環(huán)氧樹脂等高分 子聚合物作為衛(wèi)星介質(zhì). 本文模擬的衛(wèi)星介質(zhì)為環(huán)氧樹脂.

1.2 最大電場(chǎng)計(jì)算 若忽略電場(chǎng)和溫度影響, 則

σ背部=σ0+σD=σ0+TФ背部,

其中:σ0為介質(zhì)未受輻照下的電導(dǎo)率;T取決于介質(zhì)材料的物理性能[10].

從介質(zhì)層背部穿過的電子通量

Ф背部=Ф入射(x+d),

其中:x為屏蔽層厚度;d為進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)的深度. 由

e(Ф入射-Ф出射)=J背部=σ背部Emax

可得介質(zhì)中最大電場(chǎng)

E=e(Ф入射-Ф背部)/σ背部.

2 模擬數(shù)據(jù)

本文計(jì)算了無屏蔽平板模型的環(huán)氧樹脂最大電場(chǎng). 模擬過程中, 入射電子采用積分譜的平均能量0.75 MeV, 電子通量為1×108cm-2·s-1(誤差小于5%). 介質(zhì)內(nèi)最大電場(chǎng)隨入射深度的變化關(guān)系如圖2所示. 由圖2可見, 介質(zhì)內(nèi)電場(chǎng)隨介質(zhì)厚度的增加先減小后增大, 當(dāng)介質(zhì)厚度為0.2 cm時(shí), 電場(chǎng)達(dá)到最大值后趨于不變.

當(dāng)不同電子能量入射時(shí), 屏蔽物和介質(zhì)第一個(gè)面的電子通量如圖3所示. 由圖3可見, 當(dāng)電子能量大于1 MeV時(shí), 介質(zhì)第一個(gè)面比屏蔽層第一個(gè)面的電子通量多, 這是由于電子經(jīng)過屏蔽層后, 打出較多次級(jí)電子進(jìn)入介質(zhì)所致. 當(dāng)沒有屏蔽層時(shí), 介質(zhì)內(nèi)的最大電場(chǎng)出現(xiàn)負(fù)值, 如圖2所示. 這是由于電子在介質(zhì)內(nèi)打出大量次級(jí)電子使得Ф出射增多, 最終Ф入射<Ф出射所致.

圖2 介質(zhì)內(nèi)最大電場(chǎng)隨入射 深度的變化關(guān)系Fig.2 Change of the biggest electric field in the medium vs penetration depth

圖3 屏蔽層Al和介質(zhì)環(huán)氧樹脂 第一個(gè)面的電子通量Fig.3 Electron flux of shielding Al and medium epoxy at the first face

圖4 介質(zhì)內(nèi)最大電場(chǎng)隨屏蔽層厚度的變化關(guān)系Fig.4 Change of the largest electric field in the medium vs shielding thickness

當(dāng)入射電子能量為0.75 MeV, 介質(zhì)厚度為0.3 cm時(shí), 介質(zhì)內(nèi)電場(chǎng)隨屏蔽層Al厚度的變化關(guān)系如圖4所示. 由圖4可見, 隨著屏蔽層厚度的增加, 介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)先增大后減小, 當(dāng)屏蔽層厚度約為0.04 cm時(shí), 介質(zhì)內(nèi)電場(chǎng)達(dá)到最大值. 在曲線上升區(qū)間, 隨著屏蔽層厚度的增加, 介質(zhì)內(nèi)電荷沉積增多, 因此電場(chǎng)增大, 當(dāng)電子射程等于介質(zhì)長(zhǎng)度時(shí), 電子穿出介質(zhì), 介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)隨屏蔽層厚度的增加而逐漸減小, 當(dāng)屏蔽層厚度約為0.1 cm時(shí), 電場(chǎng)達(dá)到最小值. 因此本文在模擬過程中均采用介質(zhì)厚度為0.3 cm, 屏蔽層厚度為0.1 cm.

當(dāng)厚度為0.1 cm的Al作為屏蔽層時(shí), 介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生最大電場(chǎng)隨介質(zhì)厚度的變化關(guān)系如圖5所示. 由圖5可見, 當(dāng)介質(zhì)達(dá)到一定厚度后, 介質(zhì)內(nèi)的最大電場(chǎng)不再變化. 比較圖5與圖2可見, 對(duì)介質(zhì)加屏蔽物后能縮小介質(zhì)產(chǎn)生最大電場(chǎng)的厚度, 且最大電場(chǎng)在有屏蔽時(shí)較小.

當(dāng)無屏蔽和有屏蔽層Al時(shí), 介質(zhì)0.3 cm處電場(chǎng)隨入射電子能量增加的變化關(guān)系如圖6所示. 由圖6可見, 當(dāng)電子能量小于1 MeV時(shí), 入射電子幾乎全部消耗在屏蔽層中, 即電荷均沉積在屏蔽層中, 有屏蔽介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)遠(yuǎn)小于無屏蔽介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng), 隨著能量增加, 電子穿過屏蔽層, 沉積在介質(zhì)內(nèi)的電子增加, 電場(chǎng)增大, 當(dāng)電子能量為1.5 MeV時(shí), 電場(chǎng)達(dá)到最大, 此時(shí)有屏蔽比無屏蔽的電場(chǎng)大, 但該能量電子在積分譜中所占比例很小, 繼續(xù)增加電子能量, 電子將穿出介質(zhì), 使介質(zhì)中的電場(chǎng)下降.

圖5 介質(zhì)厚度對(duì)最大電場(chǎng)的影響Fig.5 Influence of medium thickness to the largest electric field

圖6 介質(zhì)0.3 cm處電場(chǎng)隨入射電子能量的變化關(guān)系Fig.6 Change of electric field in the medium at the place of 0.3 cm vs incident electron energy

當(dāng)屏蔽層Al的厚度不同時(shí), 介質(zhì)0.3 cm處電場(chǎng)隨入射電子能量增大的變化關(guān)系如圖7所示. 由圖7可見, 隨著屏蔽層厚度的增加, 介質(zhì)內(nèi)達(dá)到最大電場(chǎng)的電子能量逐漸增大, 即介質(zhì)內(nèi)的最大電場(chǎng)逐漸降低, 因此應(yīng)選擇較厚的屏蔽物. 當(dāng)屏蔽層厚度為0.1 cm, 介質(zhì)厚度為0.3 cm時(shí), 不同屏蔽材料對(duì)介質(zhì)內(nèi)0.3 cm處的電場(chǎng)影響如圖8所示. 由圖8可見, Ag作為屏蔽層的保護(hù)作用最好.

圖7 不同屏蔽層Al厚度下介質(zhì)中0.3 cm處 電場(chǎng)與電子能量的關(guān)系Fig.7 Relationship between electron energy and electric field in the medium at the place of 0.3 cm at different thickness of shielding Al

圖8 不同屏蔽材料下電子能量與 最大電場(chǎng)間的關(guān)系Fig.8 Relationship of electron energy and the largest electric field in the different shielding materials

綜上, 本文通過模擬衛(wèi)星基本結(jié)構(gòu)模型, 研究了電子在衛(wèi)星中的運(yùn)動(dòng)情況和不同能量入射電子產(chǎn)生的電場(chǎng)與屏蔽體厚度的關(guān)系以及不同材料對(duì)衛(wèi)星的保護(hù)作用. 結(jié)果表明: 當(dāng)單能電子的能量為0.75 MeV時(shí), 深層充電導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)最大電場(chǎng)隨介質(zhì)厚度的增加而增大, 介質(zhì)厚度大于0.3 cm后, 介質(zhì)內(nèi)的最大電場(chǎng)不再隨介質(zhì)厚度的增加而增大; 當(dāng)介質(zhì)厚度一定時(shí), 介質(zhì)內(nèi)最大電場(chǎng)隨屏蔽層厚度的增加先增大后減小, 當(dāng)屏蔽層厚度約為0.04 cm時(shí), 介質(zhì)內(nèi)電場(chǎng)達(dá)到最大值; Ag作為屏蔽層的保護(hù)作用最好.

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