秦曉剛，羅白云，楊生勝，王 驥，孔風連

(1.蘭州空間技術物理研究所，真空低溫技術與物理重點實驗室，甘肅蘭州730000;2.華中科技大學電子科學與技術系，湖北武漢430074)

1 引言

自20世紀70年代末發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星內(nèi)帶電效應以后，對內(nèi)帶電的研究逐漸成為國外衛(wèi)星帶電研究和防護的一個主要領域，隨著多次連續(xù)的衛(wèi)星失效都被認定為內(nèi)帶電誘發(fā)的故障后，無論是理論研究還是工程實踐中都已經(jīng)清醒認識到內(nèi)帶電危害的嚴重性和解決內(nèi)帶電問題的緊迫性。NASA分別在1990年和1999年制定了相關的內(nèi)帶電可靠性設計手冊［1］，ESA也在1999年和2000年專門組織力量編寫了“內(nèi)帶電工程工具”［2，3］。

一般認為，1990年發(fā)射的聯(lián)合釋放與輻射效應衛(wèi)星(CRRES)是“內(nèi)帶電研究的一個分水嶺”［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、等離子體和高能粒子環(huán)境及其對微電子元件的影響。CRRES衛(wèi)星首次搭載了內(nèi)放電監(jiān)測器(IDM，Internal Discharging Monitor)，對衛(wèi)星內(nèi)帶電問題的研究獲得了大量成果，既包括總結性的NASA－HDBK－4002和ESA內(nèi)帶電工程工具，也包括大量文獻中提出如內(nèi)帶電空間電子通量模型、介質電導率電荷衰減測量法及其測量結果、介質內(nèi)充電電場計算和內(nèi)放電脈沖比例關系等新問題和研究方向［5］。

CRRES衛(wèi)星的IDM試驗了16個不同接地方式FR4電路板和PTEE絕緣電線，在其13個月的空間試驗中，共監(jiān)測到3 886個放電，其中以背面接地的FR4樣品的放電現(xiàn)象最為嚴重，其放電占IDM的83%［6］。

GEANT4是由超過100名來自歐洲、美國和日本的科學家從1993年開始合作研發(fā)的開源粒子輸運工具包，具有模擬粒子種類和能量范圍廣、粒子與物質作用物理模型可選和程序開發(fā)容易的特點，已經(jīng)在高能物理(HEP)、醫(yī)學、空間物理和工程的各領域中有廣泛應用［7］。目前，該軟件已成為空間輻射環(huán)境及其效應探測器的設計的有效分析工具。作者創(chuàng)新性地提出將輻射誘導電導率(RIC)模型和GEANT4用于電子輻照充電模擬，預測介質內(nèi)部電場分布，并將其用于內(nèi)放電監(jiān)測器的設計中。通過與地面試驗的比對，驗證了GEANT4－RIC方法在內(nèi)帶電監(jiān)測器設計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進行模擬時必須要根據(jù)入射粒子的能量選擇合適的物理過程。電子屬于輕帶電粒子，在GEANT4中，主要考慮的物理過程是多次散射、電離和輻射損失。設入射電流密度為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)，設模型中介質密度為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上在其內(nèi)部形成深層充電，介質背面與地相連泄放注入電荷，這種連接方式稱為背面接地結構。

圖1 質子輻照深層充電示意圖

電子輻照介質內(nèi)帶電的一維解析RIC模型由3個方程組成，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)分別為待求介質內(nèi)t時刻x處的電場、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為材料的電導率，在輻射條件下與劑量率相關，可表示為

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

3 內(nèi)放電監(jiān)測器試驗與仿真模擬

3.1 內(nèi)放電監(jiān)測器

CRRES衛(wèi)星IDM的飛行試驗表明，衛(wèi)星內(nèi)帶電主要發(fā)生在背面接地方式的FR4材料中，目前迫切需要針對此種結構開展在軌監(jiān)測和防護方法研究。因此，我們以此種結構作為內(nèi)放電監(jiān)測器的試驗對象。圖2為內(nèi)放電監(jiān)測器結構。樣品夾具采用上、下分離的結構形式，最大可夾持3 mm厚的樣品，上、下電極均可連接相應的信號引出線或電源線，準直孔直徑為84 mm。通過不同的配置和連接，該裝置可進行樣品內(nèi)充電表面電位、泄漏電流測量，獲得不同接地方式下的介質表面電壓、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 試驗結果

內(nèi)放電監(jiān)測器在能量為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個放電脈沖信號。典型內(nèi)放電脈沖波形如圖3所示。

圖2 內(nèi)放電監(jiān)測器結構圖

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)測器的GEANT4數(shù)值模擬

基于GEANT4－RIC模型，通過仿真分析表明，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背面電場即可達到1.65×107V/m發(fā)生放電，即輻照時間約為4.5 min左右發(fā)生放電。連續(xù)輻照276 s時的模擬結果如圖4所示。試驗平均放電時間為4.8 min，數(shù)值模擬預測結果為4.5 min，初步說明模擬計算的正確性。

4 結論

隨著航天器設計中表面帶電防護設計水平的不斷提高，空間介質內(nèi)帶電問題逐漸成為國際、國內(nèi)航天器帶電領域關注的焦點。衛(wèi)星內(nèi)放電監(jiān)測器的飛行試驗可有助于研究引發(fā)內(nèi)帶電的各因素與介質放電的關聯(lián)性規(guī)律，對航天器介質內(nèi)帶電防護具有指導意義。同時，隨著航天器的小型化、高精度、高可靠、長壽命的發(fā)展趨勢，集成化是未來環(huán)境及效應探測器發(fā)展的趨勢，因此也需要采用新的設計手段開展相關研制工作。作者采用GEANT4—RIC數(shù)值模擬和地面試驗相結合的方法對內(nèi)放電監(jiān)測器的放電狀況進行了對比研究，驗證了模擬方法的正確性，為進一步開展空間輻射效應監(jiān)測器研制提供了一種新的設計思路。

［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.