周慶

(天津市技術(shù)物理研究所，天津 300192)

根據(jù)近些年來統(tǒng)計影響衛(wèi)星發(fā)生異常的因素可以看出，衛(wèi)星深層充電對于衛(wèi)星的損害占據(jù)了很重要的部分。衛(wèi)星介質(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，從而在介質(zhì)內(nèi)部構(gòu)建電場。高能電子穿過衛(wèi)星屏蔽層，打到介質(zhì)上，由于不同能量的電子射程不同，在介質(zhì)不同層次的積累也不一樣，這樣介質(zhì)不同部位就會形成電場。當(dāng)介質(zhì)內(nèi)部沉積電荷積攢到一定數(shù)量，產(chǎn)生的電場超過了介質(zhì)材料的擊穿閾值時，就會發(fā)生放電現(xiàn)象，干擾衛(wèi)星正常工作的電子學(xué)系統(tǒng)，嚴(yán)重時會使整個衛(wèi)星運(yùn)行失敗(王驥，2008;黃建國，2004a)。

宇宙中大部分高能電子的能量集中在0.1～1 MeV左右，所以衛(wèi)星介質(zhì)深層充電主要是受這部分能量電子的影響。本文著重研究這部分能量電子在介質(zhì)深層充電的過程。介質(zhì)深層充電主要分為兩個方面:一方面是高能電子穿過衛(wèi)星表面材料，由于不同能量的電子沉積于介質(zhì)材料的不同深度，從而在介質(zhì)內(nèi)部建立了電場(全榮輝等，2007，2009;高炳榮，2004)。另一方面，衛(wèi)星構(gòu)件的電介質(zhì)材料多為高分子聚合物，在受到電子輻照時介質(zhì)本身的電導(dǎo)率會發(fā)生變化(Ahzens et al.，1976; Fowler，1956)，從而影響介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的電場。因此在研究高能電子對衛(wèi)星造成的傷害時，要著重的考慮這兩方面的影響。

黃建國等(2004b，2004c)利用近似輻射通量公式方法，系統(tǒng)的計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)電場分布，獲得的結(jié)果與歐空局內(nèi)放電分析和評估軟件DICTAT結(jié)果近似，該方法主要是解析方法。秦小剛等(2009)通過Geant4軟件模擬了Teflon介質(zhì)中的電荷輸運(yùn)過程。本文主要通過MCNP軟件模擬介質(zhì)為聚四氟乙烯情況下的深層充電過程。

1 模擬方法

1.1 模擬結(jié)構(gòu)

圖1是本文所有對衛(wèi)星介質(zhì)深層充電討論的基本結(jié)構(gòu)，從左到右分別是入射電子、屏蔽物質(zhì)以及介質(zhì)。一般可做衛(wèi)星的介質(zhì)的有聚四氟乙烯、氟化乙丙烯和環(huán)氧樹脂。此次本文研究的衛(wèi)星介質(zhì)為聚四氟乙烯(Teflon)。

圖1 模擬圖形結(jié)構(gòu)Fig.1 The simulation structure

1.2 最大電場的計算

介質(zhì)深層充電是由高能電子的沉積于電荷的泄露兩個過程決定的，當(dāng)兩個過程達(dá)到平衡狀態(tài)時，即充放電達(dá)到平衡，此時計算出介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的穩(wěn)定的最大電場。

根據(jù)Fowler方程可以推導(dǎo)出σ背部=σ0+σD= σ0+TФ背部(忽略電場和溫度的影響)，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。

從介質(zhì)層背部穿過的電子通量為Ф背部 = Ф入射(x+d)，其中x為屏蔽層厚度，d為進(jìn)入到介質(zhì)內(nèi)的深度。則e(Ф入射－Ф出射)=J背部=σ背部EMAX;所以介質(zhì)中最大電場E=e(Ф入射－Ф背部)/σ背部，其中Ф入射為入射面通量，Ф背部為出射面通量。

2 模擬數(shù)據(jù)

當(dāng)沒有屏蔽，介質(zhì)聚四氟乙烯為平板模型，入射電子能量為0.75 MeV時，研究其內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場與介質(zhì)厚度之間的關(guān)系(圖2)。

圖2 介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場與介質(zhì)厚度的關(guān)系圖Fig.2 The relationship between the maximum electric field produced by internal medium and the thickness of medium

從圖2中可以看出，隨著介質(zhì)厚度的增加，介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場逐漸增大，當(dāng)介質(zhì)厚度達(dá)到0.2 cm時，介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場達(dá)到最大值，并且不再隨著介質(zhì)厚度的增加而改變。因此，衛(wèi)星介質(zhì)的厚度選擇越小越好。

研究沒有屏蔽時，入射電子的能量與介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生最大電場之間的關(guān)系(圖3)。

從圖3中可以看出，隨著入射電子能量的增加，介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場逐漸降低。當(dāng)入射電子能量小于1 MeV時，介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場最大。從而可以看出，能量小于1 MeV的電子對衛(wèi)星的傷害最大。

圖4 介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場與入射電子能量的關(guān)系圖Fig.4 The relationship between the maximum electric field produced by internal medium and the incident electron energy

圖4是在無屏蔽(Al=0.1 cm)，介質(zhì)Teflon厚度為0.3 cm時，介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場與入射電子能量的關(guān)系對比圖。從圖4中可以看出，電子能量小于1 MeV時，增加屏蔽物質(zhì)Al后，介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場比沒有屏蔽時要小很多，由于太空中大部分電子能量集中在0.1～1 MeV，所以著重考慮這部分能量的電子對衛(wèi)星介質(zhì)的危害。從圖4可以看出，增加屏蔽物質(zhì)Al可以降低能量小于1 MeV的電子在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場。

圖5為入射電子能量0.75 MeV，介質(zhì)厚度為0.2 cm時，不同屏蔽Al厚度與介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場的關(guān)系圖。從圖5中可以看出，隨著屏蔽Al厚度的增加，介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場先增大，后減小。這是因?yàn)殡S著屏蔽Al厚度的增加，沉積在介質(zhì)內(nèi)部的電荷逐漸增多，所以最大電場增大;當(dāng)屏蔽Al厚度達(dá)到0.04 cm時，沉積在介質(zhì)內(nèi)部的電子最多，介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場最大;隨著屏蔽Al厚度的繼續(xù)增加，沉積在屏蔽Al中的電子增多，導(dǎo)致沉積在介質(zhì)內(nèi)的電子逐漸減少，所以最大電場減小。當(dāng)屏蔽Al的厚度約為0.1 cm時，大部分電子沉積在屏蔽Al里，介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場降到安全區(qū)域。

圖5 介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場與屏蔽物質(zhì)厚度的關(guān)系圖Fig.5 The relationship between the maximum electric field produced by internal medium and the thickness of shielding

4 結(jié)論

通過模擬衛(wèi)星基本結(jié)構(gòu)模型，研究電子在衛(wèi)星中一些基本運(yùn)動情況。通過模擬得出對于0.75 MeV的單能電子，深層充電所致的介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場隨著介質(zhì)厚度的增加而增大，當(dāng)介質(zhì)厚度達(dá)到0.2 cm之后介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場達(dá)到最大值，并且不再隨著介質(zhì)厚度的增加而改變;對比了有無屏蔽Al情況，介質(zhì)Teflon厚度為0.3 cm，介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場與入射電子能量之間的關(guān)系，觀察屏蔽Al的作用效果;模擬出0.75 MeV單能電子，介質(zhì)厚度為0.2 cm，不同屏蔽Al厚度對介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生的最大電場的影響。

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