高能电子辐照下聚合物介质深层放电实验研究

为揭示聚合物介质材料在连续能谱高能电子辐射下的深层放电规律特征,利用~(90)Sr放射源对聚四氟乙烯(PTFE)材料进行了不同条件的辐照实验。对采集的大量放电数据进行统计分析发现,电子辐照累积时间、入射电子通量以及温度都会影响介质的放电风险以及放电脉冲特征。高能电子对样品持续数天的累积辐照会降低介质自发放电的阈值条件,辐照后期放电更加频繁,但放电强度会减弱。入射电子通量越低时,放电风险越小;通量越高时,放电频率越高,高强度放电事件的发生概率也越大。温度主要通过影响介质的电导率而影响其深层放电特性,温度下降时介质本征电导率降低,充电电位和放电风险增加;一旦发生放电,放电电流脉冲的平均幅度也更大。     

高能电子辐照下介质-导体相间结构深层充电特性研究

为研究影响介质-导体相间结构深层充电特性的内在因素,设计了不同构型的试验样品,利用90Sr放射源模拟空间高能电子环境对样品进行深层充电辐照试验,测量了充电电位的差异。并借助深层充电三维仿真软件计算介质-导体相间结构在不同几何构型情况下的深层充电电位、电场分布。试验和仿真结果表明,介质最高表面电位以及介质内部最大电场均与介质宽度和高度呈正相关。其他条件不变时,介质越宽,或越高于导体表面,发生放电的风险就越高。在介质与导体侧面存在微小缝隙情况下,介质内最大电场显著增强,易发生内部击穿。而在介质与导体之间的真空间隙内,电场很容易超过击穿阈值,放电风险很大。航天工程应用中为降低此种结构深层充放电的风险,在满足绝缘性能及其他要求的前提下应尽量减小介质的宽度,降低介质与导体间的高度差,并确保介质与导体侧面接触良好。     

行星际空间质子引起介质深层充电的GEANT4模拟研究

高通量的空间质子是导致行星际航天器深层充电的主要原因,基于辐射诱导电导率模 型（RIC）和粒子输运模拟工具GEANT4对介质材料在质子辐照条件下的深层充电问题进行了 预估。利用GEANT4-RIC充电计算方法,首先计算出10MeV质子在Kapton和Teflon中的注量和 剂量沉积曲线,进而根据电流连续性方程、泊松方程和电荷俘获方程组成的辐射诱导电导率 模型（RIC）求解出介质内电荷和电场分布,与介质击穿电场阈值对比作为其是否发生放电 的依据。模拟结果证实了对10MeV质子,在质子注量为3×10 12 ／cm 2时Kapton会发 生放电,而Teflon则不会发生放电的一般性试验结论。验证了GEANT4-RIC方法用于行星际航 天器介质材料质子充放电评价的可行性,为此类问题的解决奠定了基础。
     

基于等效电路模型的介质材料二次电子发射系数研究

材料表面的二次电子发射过程是空间大功率微波射频器件微放电效应的触发与维持机制。微放电效应是限制空间大功率微波部件应用的关键问题之一。因此,对材料二次电子发射特性的研究与表征非常重要。为正确理解电子辐照下介质样品的充放电过程,文章提出一种基于等效电路模型的理论模型对二次电子发射特性进行表征。针对不同电导率样品进行仿真验证以证实该电路模型的有效性。仿真结果与理论分析结果相符。     

航天器典型悬浮导体结构深层放电 现象的模拟试验研究

空间辐射环境中,由高能电子所引起的深层充放电现象是威胁航天器安全的重要因素之一。文章采用90Sr放射源模拟GEO电子环境,试验观测了电子辐照下几种含有悬浮导体的典型卫星模拟部件结构的深层充放电现象,比较了真空度、束流密度与温度对放电现象的影响。试验结果表明,深层放电现象的产生与部件结构密切相关,在一定环境条件下含有悬浮导体的结构即可产生放电现象。因此,航天器深层放电防护除了选择合适的介质材料外,要尽可能地避免悬浮导体的存在,同时还必须考虑真空度和温度的影响。     

高压太阳电池阵静电放电产生脉冲信号的特性研究

研究高压太阳电池阵静电放电产生脉冲信号的特性,有助于深入了解太阳电池阵充放电形成机制。在试验中,利用电子枪模拟GEO空间带电环境,辐照太阳电池样品表面。利用电流探头CT-2、单极子天线和数字存储示波器测量静电放电所产生的脉冲电流、辐射电场并记录其波形。试验结果表明:太阳电池在静电放电过程中产生了脉冲宽度为几μs的瞬态电流,其峰值幅度为几A;辐射电场的脉冲信号持续时间几百ns至几个μs,其峰值幅度达数百V/m。脉冲信号的时域特征表现为脉冲群,其波形具有陡峭的前沿,能量分布的频率范围主要集中在0.1~50 MHz之间。最后根据上述研究对在轨静电放电测试仪的设计提出建议。     

卫星介质深层充电电场时域差分计算方法研究

根据卫星介质深层充电的物理机制,分别对应介质板正面接地、背面接地和正面背面同时接地三种情况建立相应的介质板深层充电模型,研究了利用时域差分和数值积分方法求解卫星介质深层充电电场的算法,计算了在单能电子束流垂直入射作用下卫星内部介质板(Teflon)深层充电电场,计算结果表明,文章建立的数值计算方法能求解出介质深层充电电场,且计算结果能反映充电电场在介质板中的时空分布特征.     

卫星静电放电传导干扰耦合的试验研究

通过进行卫星电子系统空间静电放电(ESD)传导干扰的地面评价试验,可以直观地了解卫星结构及电缆中ESD传导干扰的耦合规律,对于静电放电传导干扰的防护设计具有指导意义.针对空间平板介质型天线系统的ESD传导干扰,设计了两种ESD传导干扰试验方法及其试验装置,进行了单点电流脉冲注入法和容性电流耦合注入法ESD传导干扰耦合评价试验,试验结果表明,利用上述方法进行空间电子系统的ESD传导干扰评价试验是有效的,其试验结果对于航天器防静电设计具有重要实用价值.     

转移轨道航天器深层充放电效应仿真分析

为研究转移轨道卫星介质深层动态充电规律特征,针对卫星动态辐射环境的特点,基于FLUMIC思想,建立辐射带动态电子环境模式。针对动态辐射环境下星上介质深层充电的特征,使用辐射诱导电导率(RIC)模型和Geant4建立了适用于转移轨道卫星动态环境下的介质深层充电应用模型。首次对地球同步转移轨道(GTO)和嫦娥一号卫星调相轨道运行过程中介质深层充电情况进行了仿真分析。结果表明:转移轨道卫星在运行时会多次穿越辐射带区域,电子通量存在明显波动,这种波动性反映在材料的充电电位变化中。材料峰值充电电位分别为-2 846V和-4 110V,介质内部平衡电场均超过106 V/m,存在内放电风险,需要在工程设计中进行针对性防护。     

卫星外露电缆束介质结构深层充电仿真分析

受到空间高能带电粒子的作用,航天器蒙皮外侧电缆束的绝缘介质会产生深层充电效应。基于介质的电流连续性方程,并利用Geant4粒子输运模拟和辐射诱导电导率公式分析了介质深层充电的物理过程。在地球同步轨道(GEO)恶劣电子环境下,对外露电缆束介质结构深层充电进行三维仿真分析。结果表明:深层充电导致介质结构带20 V以内负电位,电位和电场强度峰值分别出现在电缆束外圈电缆介质层的外侧与内侧;对于导线介质层厚度为0.19 mm的情况,各介质层间是否紧密邻接和电缆束包含电缆根数多少对充电峰值结果影响不大;捆缚电缆的条状介质块是发生放电的危险区域,介质块厚度为0.8 mm时,充电电位在-103 V量级,电场强度可达到4×106 V·m-1,且电场强度与电位随介质块厚度增加而显著增大。     

卫星介质深层充放电模拟实验装置研制进展

文章介绍了深层充放电研究的国内外现状及中科院空间中心在研的卫星深层充放电实验模拟装置进展情况。锶90/钇90β放射源和5～100 keV电子枪被设计到一个真空系统内,分别作为介质深层充电及介质电导率的测试手段。分别用β放射源和电子枪对介质样品进行了辐照试验,观察到了kV级的充电电位和放电现象。在辐照样品之前进行的辐照空靶的实验均未观测到放电信号。该装置可为我国发展长寿命、高可靠的新一代通信、气象等中高轨卫星提供深层放电防护设计的基础数据、理论和技术支撑。     

诱发卫星深层充电的高能电子环境模式研究

文章介绍了与卫星介质深层充电相关的辐射带高能电子环境的主要特征和规律,建立了相应的高能电子环境模式及软件,并运用该模式针对某飞行器的深层充放电危险性进行了分析和评估。结果表明该模式相对于AE8模式更好地反映了高能电子环境的动态特征,与欧空局建立的FLUMIC模式符合较好。该模式与深层充电分析模型相结合,可用于对航天器的充放电异常进行在轨诊断,以及在工程上针对深层充电进行防护设计。     

LEO太阳电池一次放电模型研究

空间等离子体作用下,太阳电池一次放电是诱发二次放电的主要原因。目前缺乏适合工程应用的一次放电快速评估模型。文章借鉴辉光放电理论,针对太阳电池三联点结构提出一次放电一维简化模型,用于评估太阳电池设计对放电脉冲强弱的影响。模型计算结果表明,增加玻璃盖片厚度和电池串联间隙有助于提高一次放电起始电压,一次放电频率随着太阳电池偏压和表面二次电子发射系数增加而增大,放电电流随着太阳电池偏压和电池阵电容增加而增强。该模型计算结果与试验测试结果基本一致,且比其他模型计算过程简单,可以为太阳电池设计中一次放电现象快速评估提供参考。     

电子辐照下聚酰亚胺薄膜的深层充电现象研究

空间辐射环境下聚合物绝缘材料的深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一。文章利用能量为5～100keV的单能电子枪,研究了不同束流强度电子辐照下聚酰亚胺薄膜样品的深层充电过程。实验表明,在102pA量级的电子束辐照下,聚酰亚胺薄膜样品的表面电位迅速上升后缓慢变化,最终可以达到几kV。在一定条件下,样品表面电位随着辐照电子束流密度和样品厚度的增加而增大;充电达到平衡所需的时间随着辐照电子束流密度和样品厚度的增加而减少。辐照截止后聚酰亚胺薄膜样品内部电荷的泄放需经历较长时间,由衰减时间常数推测出的样品电阻率要比采用传统测量方法得到的结果高一个量级。     

星用介质材料表面充放电效应试验研究

航天器表面介质材料易遭受表面充放电危害。利用30keV单能电子对几种不同的航天介质材料进行了表面充放电模拟试验,测量了不同电子通量辐照下的表面充电电位以及放电脉冲。试验结果表明,聚酰亚胺薄膜在接地处理不当时表面可充至千伏以上,易发生表面放电,且辐照强度越大,放电频率越高。表面镀铝的聚酰亚胺薄膜在不接地时,铝膜成为悬浮导体更加剧了放电的危害。而通过渗碳处理的聚酰亚胺薄膜,其良好的导电性能可有效抵御nA/cm~2量级电子的表面充电。聚四氟乙烯天线罩表面未进行防静电处理时,表面充电电位可达万伏量级,极易发生放电。     

脉冲等离子体推力器等效电路模型分析

脉冲等离子体推力器(PPT)的放电电流与推力器性能有密切关系。为了分析影响脉冲等离子体推力器放电电流的因素,建立了推力器放电过程中的等效电路模型,分析了等效电路中电感及电阻的分量,并对简化的等效电路模型进行解耦,得到了放电电流的3种状态。通过实验以及方程解耦,得到了实际电路中的等效电感及等效电阻值,研究了等效电感及电阻中影响推力器性能的因素。结果表明,推力器的间距和放电能量改变了等离子体的电感及电阻值,从而改变了放电电流曲线,影响了推力器的电磁加速性能。设计PPT时,应尽量减小电极的寄生电感和电阻,采用内感和内阻较小的放电电容,获得较高的PPT效率。     

激光燃速仪排烟改进措施的研究

本文分析了激光燃速仪中影响排烟的各种因素,给出了同步跟踪条件,并根据流场分析计算的结果,改进了燃烧室内部结构和进气设备,以及电路和光路,解决了排烟问题,使实验压力由原来的1MPa提高到6.4MPa。     

An experimental study on carbon nanotube cathodes for electrodynamic tether propulsion

Research and development of an electrodynamic tether propulsion system for space debris removal has been started in the Institute of Space Technology and Aeronautics, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA). An experimental investigation of a carbon-nanotube field-emission cathode (FEC), which is suitable as an electron emitter in this propulsion system, was conducted in this study. One of the important issues in the design of a FEC is to suppress an electron flow to a gate electrode to avoid thermal deformation of the electrode and to reduce power loss. For meeting this requirement, we designed an FEC device having a masking plate on a cathode surface. A numerical simulation indicated that presence of the masking plate distorts the electric field adjacent to the cathode surface and a converged electron beam that does not impinge on the gate electrode is formed. Several FEC devices were fabricated based on the simulation results, and they were tested experimentally. Results showed that no electron current flowed to the gate electrode when all the electrodes were assembled and aligned correctly.