專利名稱：一種介質(zhì)材料空間內(nèi)帶電數(shù)值模擬預(yù)估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間應(yīng)用技術(shù)，特別是航天器空間環(huán)境效應(yīng)，具體為航天器上 介質(zhì)材料發(fā)生內(nèi)部充、放電效應(yīng)的數(shù)值模擬預(yù)估方法。
背景技術(shù)：
在地球空間環(huán)境中沿著開普勒軌道運(yùn)行的航天器會(huì)受到各種粒子、場(chǎng)和等 離子體的作用，其中與粒子輻射相關(guān)的空間環(huán)境效應(yīng)有充放電、單粒子效應(yīng)和 輻射損傷等。作為一種重要的空間效應(yīng)，介質(zhì)內(nèi)部充放電或內(nèi)帶電的數(shù)值模擬 預(yù)估和評(píng)價(jià)技術(shù)是航天器設(shè)計(jì)過程中必須要考慮的一個(gè)重要因素。
一般認(rèn)為衛(wèi)星介質(zhì)內(nèi)充電是由能量在O. 1 10MeV高能電子造成的，當(dāng)電子在 電阻率很高的介質(zhì)材料中沉積時(shí)，由于電子的遷移率很小，電荷將很難泄放， 并且在材料內(nèi)積累成為空間電荷，建立內(nèi)部電場(chǎng)。當(dāng)介質(zhì)材料內(nèi)電子積累的速 率會(huì)超過泄放的速率，空間電荷的密度和內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨注入時(shí)間延續(xù)逐漸 增加，超過材料的承受閾值時(shí)，就會(huì)發(fā)生材料內(nèi)放電?；蛘哒f，介質(zhì)充電的基 本物理過程為入射電子不斷沉積和已沉積電子建立電場(chǎng)形成泄漏電流二者之間 的平衡過程，介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)是其發(fā)生放電的根本原因。目前比較成熟的內(nèi)帶電 預(yù)估和評(píng)價(jià)方法是以歐空局的DICTAT為代表的經(jīng)驗(yàn)公式解析計(jì)算方法，利用電 子射程公式和微觀歐姆定律來計(jì)算介質(zhì)內(nèi)部最大電場(chǎng)。同時(shí)基于EGS4、 GEANT4 等蒙特卡洛模擬軟件來獲得介質(zhì)中的沉積電流密度，采用歐姆定律獲得了最大 電場(chǎng)的方法也開始逐漸出現(xiàn)在文獻(xiàn)中，并據(jù)此研究了入射能量、屏蔽厚度和介 質(zhì)厚度對(duì)介質(zhì)內(nèi)最大電場(chǎng)的影響規(guī)律。早在1992年，Sessler等人就對(duì)電子輻射 過程中電荷俘獲、載流子產(chǎn)生和復(fù)合過程建立了輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率(RIC)模型， 計(jì)算了低能電子(30keV)對(duì)空間常用介質(zhì)背面接地輻照的電荷和電場(chǎng)分布，采 用的介質(zhì)相對(duì)于電子射程較厚。2003年，G. F. Ferreira.等人將其進(jìn)一步擴(kuò)展 到介質(zhì)兩面施加固定電壓的情形，獲得了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的結(jié)論
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種介質(zhì)材料空間內(nèi)帶電數(shù)值模擬預(yù)估方法。 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明將蒙特卡洛計(jì)算方法和輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率模型相結(jié)合用于空間介質(zhì)內(nèi) 帶電數(shù)值模擬預(yù)估，解決空間介質(zhì)內(nèi)放電危險(xiǎn)的評(píng)價(jià)問題。在本發(fā)明中，蒙特 卡羅方法用于獲得電子在介質(zhì)中的通量-深度和劑量率-深度曲線，輻射誘導(dǎo)電 導(dǎo)率模型用于計(jì)算介質(zhì)在不同邊界條件和介質(zhì)厚度下的內(nèi)部電荷密度分布和電 場(chǎng)分布，進(jìn)而利用介質(zhì)擊穿電場(chǎng)判定是否會(huì)發(fā)生內(nèi)放電。
采用改進(jìn)輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率模型，考慮電子能量在0.1 10MeV范圍內(nèi)，介質(zhì)
厚度小于、等于或大于電子射程，介質(zhì)兩側(cè)電勢(shì)差任意的情形。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的步驟是
1. 利用GEANT4或其它蒙特卡洛模擬方法獲得特定空間環(huán)境能譜的電子在 某介質(zhì)中的通量-深度和劑量率-深度曲線；
2. 設(shè)介質(zhì)厚度為a,那么求解如下所列方程組來獲得介質(zhì)中的電荷密度和
電場(chǎng)分布
g，力",似)+ a(x，/) (1)
7(0 = s + [o"O) + 〃—p, (jc, O諷x, 0 + J(x) (3)
cr =o"0+crD 二cr。+Ai!)(x)" (4)
式中s為材料的介電常數(shù)，//_為介質(zhì)中的自由電荷遷移率，r為自由電荷俘獲時(shí) 間常數(shù)，A,為最大俘獲電荷密度，S(x力、。(x,0和A(x,0分別為待求介質(zhì)內(nèi),時(shí) 亥IP處的電場(chǎng)、自由電荷密度和俘獲電荷密度，J(;c)是;c處入射電子在介質(zhì)中的 通量-深度曲線，J(t)為電子輻射注入電流密度，c7為材料的電導(dǎo)率，在輻射條 件下與劑量率相關(guān)，cr。為介質(zhì)本征電導(dǎo)率， 為輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率，；t和A為輻射 誘導(dǎo)電導(dǎo)率的系數(shù)和指數(shù)，力為劑量率-深度曲線。在上述方程組中，(1)、 (2) 和(4)為RIC模型已有，式(3)為經(jīng)過改進(jìn)的電流平衡關(guān)系，可用于電子射 程大于介質(zhì)厚度以及正面接地的情形。3.根據(jù)計(jì)算獲得的內(nèi)部最大電場(chǎng)，利用介質(zhì)擊穿電場(chǎng)判定發(fā)生內(nèi)放電與否， 即￡^<￡ 不發(fā)生放電，反之發(fā)生內(nèi)放電，放電前輻照時(shí)間倒數(shù)即為放電頻率。
本發(fā)明的的有益效果在于把RIC模型引入到內(nèi)帶電數(shù)值模擬過程中，改
進(jìn)了 RIC模型，所建立的基于蒙特卡洛模擬和RIC模型數(shù)值模擬方法涉及了介
質(zhì)電連接邊界條件和介質(zhì)厚度變化，解決了航天器介質(zhì)內(nèi)帶電預(yù)估和評(píng)價(jià)問題。


圖1——介質(zhì)在電子輻照下的GEANT4模型； 圖2——GEANT4計(jì)算獲得的通量-深度曲線； 圖3——GEANT4計(jì)算獲得的劑量率-深度曲線；
圖4~":三種電連接條件下的介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)分布(電子射程小于介質(zhì)厚度)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
首先利用GEANT4工具包計(jì)算25ii m厚平板TEFLON介質(zhì)在30keV單能電子 輻照下的通量-深度和劑量率-深度曲線。在編寫的模型源文件"++程序)中， 模型幾何圖形如圖l所示，介質(zhì)厚度25ym，面積為4腿X4mm;粒子源為平面， 面積為lOmmXlOmm;粒子源和介質(zhì)間距5mm，建模方法為直接建模，也可通過 GDML格式導(dǎo)入。其它輸入?yún)?shù)為
入射粒子類型電子
束流密度10nA/cm2
物理模型電磁模型
能量閾值lkeV
物理過程涉及粒子伽瑪、電子
輸出量通量，單位nA/cn)2;劑量率，單位rad/s
數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)沿厚度方向取100點(diǎn)
計(jì)算結(jié)果如圖2和3所示，圖2為通量-深度曲線，圖3為劑量率-深度曲 線。可以看出30keV電子的射程約為10pm，小于25(im，介質(zhì)相對(duì)較厚。再將這兩條曲線代入上述改進(jìn)RIC模型中計(jì)算介質(zhì)電場(chǎng)分布，邊界條件為 介質(zhì)背面接地時(shí)非輻射面電勢(shì)為O，正面接地時(shí)輻射面電勢(shì)為0，兩面接地時(shí)介
質(zhì)兩側(cè)面電勢(shì)均為o。方程a) - (4)組成的方程組是一個(gè)初始一邊值問題，
可用《計(jì)算方法》中的"數(shù)值差分"沿時(shí)間反復(fù)迭代求出，編程語(yǔ)言可選Matlab 或VC++。這里以背面接地為例進(jìn)行說明計(jì)算過程，設(shè)時(shí)間步長(zhǎng)為&，那么程序
流程如下—
① 首先將劑量率曲線力00代入式(4)中獲得電導(dǎo)率a(;c);
② 通量曲線即為JW， J(O為x-0時(shí)的JW;
③ 取計(jì)算初始時(shí)刻為z二0，根據(jù)初始條件￡"0) P, "0)和A"，O)，代入方程(3 )
求出五(X" + ")，電勢(shì)邊界條件通過電場(chǎng)-電勢(shì)的關(guān)系E^df7/(k引入；
④ 利用式(2)求出A(U + Af);
(D再利用式(1)求出/^(U + AO;
⑥判斷是否達(dá)到計(jì)算終止條件(如事先設(shè)定的輻照時(shí)間，不限于此)，否 則回到第③步。
本例中，50秒時(shí)介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)E(x,50)的計(jì)算結(jié)果如圖4所示， 一同列出的 還有其它接地方式時(shí)的電場(chǎng)分布。若取介質(zhì)擊穿電場(chǎng)為lE8V/m，那么背面接地 時(shí)己經(jīng)發(fā)生內(nèi)部擊穿放電，放電在未輻照面發(fā)生，放電時(shí)間可通過縮短模擬時(shí) 間獲得。
本發(fā)明包括但不局限于本實(shí)施算例，凡是在本發(fā)明的精神和原則之下進(jìn)行 的計(jì)算和任何形式上的修改、刪加，都將視為在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種介質(zhì)材料空間內(nèi)帶電數(shù)值模擬預(yù)估方法，其特征在于將蒙特卡洛計(jì)算方法和輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率模型相結(jié)合用于空間介質(zhì)內(nèi)帶電數(shù)值模擬預(yù)估，解決空間介質(zhì)內(nèi)放電危險(xiǎn)的評(píng)價(jià)問題；將蒙特卡羅方法用于獲得電子在介質(zhì)中的通量-深度和劑量率-深度曲線，輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率模型用于計(jì)算介質(zhì)在不同邊界條件和介質(zhì)厚度下的內(nèi)部電荷密度分布和電場(chǎng)分布，進(jìn)而利用介質(zhì)擊穿電場(chǎng)判定是否會(huì)發(fā)生內(nèi)放電；其步驟如下①利用GEANT4或其它蒙特卡洛模擬方法獲得特定空間環(huán)境能譜的電子在某介質(zhì)中的通量-深度和劑量率-深度曲線；②設(shè)介質(zhì)厚度為a，那么求解如下所列方程組來獲得介質(zhì)中的電荷密度和電場(chǎng)分布式中ε為材料的介電常數(shù)，μ_為介質(zhì)中的自由電荷遷移率，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處入射電子在介質(zhì)中的通量-深度曲線，J(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)，σ0為介質(zhì)本征電導(dǎo)率，σD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)，為劑量率-深度曲線；在上述方程組中，(1)、(2)和(4)為RIC模型已有，式(3)為經(jīng)過改進(jìn)的電流平衡關(guān)系，可用于電子射程大于介質(zhì)厚度以及正面接地的情形；③根據(jù)計(jì)算獲得的內(nèi)部最大電場(chǎng)，利用介質(zhì)擊穿電場(chǎng)判定發(fā)生內(nèi)放電與否，即E最大<E臨界不發(fā)生放電，反之發(fā)生內(nèi)放電，放電前輻照時(shí)間倒數(shù)即為放電頻率。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種介質(zhì)材料空間內(nèi)帶電數(shù)值模擬預(yù)估方法，獲得處于某種空間或地面電子能譜輻照條件下的空間常用介質(zhì)材料發(fā)生內(nèi)部充電現(xiàn)象時(shí)的內(nèi)部電荷密度分布和電場(chǎng)分布，進(jìn)而確定其放電頻率，用于評(píng)估航天器上介質(zhì)材料發(fā)生內(nèi)帶電與否和改進(jìn)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。本發(fā)明利用電子在介質(zhì)中的通量-深度和劑量或能量-密度分布曲線，將介質(zhì)沿深度方向進(jìn)行一維處理，根據(jù)電流平衡和電荷平衡關(guān)系，獲得了改進(jìn)的輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率模型，用于計(jì)算空間電荷和電場(chǎng)分布，進(jìn)而對(duì)比材料擊穿電場(chǎng)與介質(zhì)內(nèi)部最大電場(chǎng)確定放電發(fā)生與否。本發(fā)明解決了不同電連接邊界和不同厚度介質(zhì)的一維空間內(nèi)充電計(jì)算和內(nèi)放電預(yù)估問題。
文檔編號(hào)G01R29/08GK101470150SQ20071030461
公開日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者驥 王, 秦曉剛 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五一〇研究所