星用介质材料深层充电效应仿真分析

高能带电粒子与航天器介质材料相互作用引起的深层带电现象,一直是威胁航天器安全运行的重要因素之一。随着航天器在轨飞行时间的增长,以及航天器飞行在中高轨道,其遭遇空间高能电子引起的介质深层充放电效应越来越严重。针对星用介质材料的深层充放电效应问题,提出了一种平板型多层结构的介质深层充放电分析模型,利用FLUKA仿真和带电分析程序分析了多层介质材料内部电荷沉积情况,研究了介质中叠合的金属层厚度和层数两个不同因素对充电电荷沉积的影响。仿真结果表明,建立的物理模型能有效地得到介质深层的电荷沉积分布特性,其研究结果可直接应用于空间辐射效应监测载荷中。

屏蔽材料对木星轨道卫星内部介质充电效应的影响研究

在木星轨道的空间辐射环境中,占主导地位的粒子是能量大于1 MeV(甚至高于100 MeV)的高能电子,这可能会产生卫星内部介质充电效应。在卫星的防辐射设计中,通常需要一定厚度的材料来屏蔽这些电子,使得进入卫星内部的电子通量达到安全的水平。利用所建立的GEANT4-RIC(radiation induced conductivity)方法,研究了运行于木星轨道的卫星对高能电子的最佳屏蔽材料设计。研究了铝、钛、铁、铜、钽和铅作为卫星屏蔽材料的可能性。研究结果表明,在木星探测任务中,为了减轻卫星内部介质充电效应,高原子序数材料比低原子序数材料在相同质量下提供的屏蔽效果更好。因此,用钛、铁、铜、钽或铅代替地球轨道卫星上常用的屏蔽材料铝,可以节省屏蔽质量。

航天器表面充电效应及其工程计算

文章较全面地介绍了航天器与空间等离子体发生的表面充电效应。从航天器表面充电的发现到充放电带来的危害,阐述了航天器表面充电研究对航天器安全飞行的重要性,最后对如何消减表面充电效应带来的危害提出了建议,分析了用充电软件进行工程模拟计算的可行性.

反应离子刻蚀工艺中的充电效应

本文阐述了反应离子刻蚀 (RIE)工艺过程中充电效应产生的机理 ,认为它是由等离子体分布的不均匀性引起的 ,推导了等离子体充电电流的表达式 .

SMILE卫星的表面充电效应

卫星在轨运行时,航天器表面材料与周围的等离子体环境相互作用,会积累电荷产生表面充电效应,严重时将导致静电放电从而影响航天器的运行.SMILE卫星运行在太阳同步轨道和高倾角大椭圆轨道,在轨运行将遭遇多种等离子体环境,产生的表面充电效应将影响卫星在轨安全和科学数据的获取.本文采用spacecraft plasma interaction system软件仿真,建立了复杂精细的三维模型,评估了卫星在磁尾瓣等离子体、太阳风等离子体及地球静止轨道极端恶劣等离子体不同环境中的表面充电风险.仿真结果显示,不同环境下的表面充电电位有差异,但是不会影响科学载荷的数据获取.通过对表面电流的分析发现,二次电子发射在各种等离子体环境中都对表面充电有很大的影响.通过分析阴影区材料表面充电电流,计算得到的结果能够补充氧化铟锡材料二次电子发射系数实验曲线.在光照下,光电子发射在表面充电中占据统治地位.

航天器介质充电效应模拟试验中的非接触式电位转接测量技术

航天器充放电效应地面模拟试验中需要测量的一个重要参数是介质的充电电位。文章基于介质充电电位的非接触式转接测量技术,分析了测量中引起误差的各个因素,讨论了减小测量误差和提高转接测量分辨率的方法,并进行试验验证。据此设计了一套介质电位非接触式转接测量系统,其测量分辨率达到10 V以下,且由电荷泄漏引起的测量误差<1%,能够满足航天器介质充电电位的测量要求。

介质靶表面的充电效应对等离子体浸没离子注入过程中鞘层特性的影响

针对等离子体浸没离子注入技术在绝缘体表面制备硅薄膜工艺 ,采用一维脉冲鞘层模型描述介质靶表面的充电效应对鞘层厚度、注入剂量及靶表面电位等物理量的影响 .数值模拟结果表明 :随着等离子体密度的增高 ,表面的充电效应将导致鞘层厚度变薄、表面电位下降以及注入剂量增加 。

卫星介质深层充电的计算机模拟研究

卫星介质深层充电效应是诱发地球同步轨道卫星运行故障和异常的重要因素之一 ,文中介绍了介质深层充电的物理机制 ,给出了初步的物理模型和计算机模拟方法 ,该模型的模拟计算结果与欧空局的深层充电分析软件DICTAT的计算结果吻合得很好 .深层充电导致的最大电场总是出现在介质的接地侧 ,因此 ,介质的接地侧是发生放电的危险区域 ;对于典型的外辐射带高能电子能谱情况 ,介质的充电时间为小时量级 .

基于SPIS地球同步轨道航天器表面充电仿真

航天器在地球同步轨道(GEO)运行时与空间中的大量等离子体相互作用,使航天器表面具有充电效应。当表面电位足够高时发生静电放电现象,产生的电磁脉冲对航天器内部敏感设备正常工作产生影响,甚至威胁航天器工作安全。文章基于欧空局开发的航天器静电仿真软件SPIS,基于PIC粒子分室算法对运行在地球同步轨道上的航天器表面充电效应进行仿真计算,得到航天器表面带电规律。结果表明,地球同步轨道航天器充电103s后达到电位平衡,最高电位达-1.05×104V;太阳能电池板外侧与内侧、内侧与航天器主体间存在数千伏电位差,易产生静电放电现象。

介质材料内部充电特性模拟仿真与试验研究

针对星用介质材料的深层充电效应问题,基于高能电子在介质材料中的传输模型,仿真分析了介质材料在不同深度处的电荷沉积,分析了介质中叠合的金属层厚度和层数对电荷沉积的影响。基于仿真结果设计了平板型多层结构的测试系统,利用加速器辐照试验,分析了电子辐照后的电荷沉积情况,并与仿真结果进行了对比分析。结果表明,8层叠加的多层结构能有效地得到介质深层的电荷沉积分布特性。本文研究结果可直接应用于空间辐射效应监测载荷中。

木星极光等离子体环境表面充电三维仿真分析

木星为太阳系内少有的强磁场行星,其等离子体环境十分恶劣,可对木星探测器造成严重的表面充电效应。文章采用有限元方法,借助COMSOL仿真软件,对航天器表面充电现象进行三维仿真,结合NASCAP-2k以及SPIS软件对比验证了GEO表面充电效应的模拟结果,证明了该仿真方法的有效性。对航天器在木星极光等离子体环境下的表面充电现象仿真分析结果表明,在木星背景等离子体环境中15RJ处,航天器表面充电电位较低,仅为平均-80 V左右;而在木星极光等离子体中,航天器表面充电电位最高可以达到-36.7 k V,CERS等材料表面充电电位差最大可以达到-16 k V,具有较高的放电风险。

量子尘埃等离子体中尘埃充电对尘埃声波的影响

采用流体动力学方程组和尘埃充电方程组成的自洽模型系统,对量子尘埃等离子体中的尘埃声波波动性质进行了研究。通过线性理论分析方法得到系统的尘埃声波波动方程及其色散关系,并对色散关系进行了数值分析。研究表明:充电效应定性地修正了尘埃声波的色散特性,引起尘埃声波的耗散,其耗散强度主要与尘埃等离子体的参数有关。最后,分析了引起尘埃声波耗散的物理原因。

计及全寿命周期成本的两阶段电动汽车充电网络规划模型

电动汽车产业推进依赖于其充电网络,设计了电动汽车充电网络的两阶段规划模型,模型第一阶段运用伏罗诺伊图,根据充电站数目以全体充电站服务半径之和最大对充电站进行选址。模型第二阶段基于全寿命周期成本理论,考虑规划过程中的不确定性因素,建立了计及用户便利度修正因子的充电网络定容模型。定容模型在第一阶段选址基础上,通过充电负荷转移效应确定充电负荷需求,以最小全寿命周期成本为目标,规划定容结果。最后,运用将莱维飞行与传统粒子群算法相结合的混合搜索算法对上述规划模型进行求解,通过规划实例验证了所提模型的有效性。

空间站主动电位控制技术及其天地一体化验证

针对中国空间站100 V太阳电池阵引起的结构带电威胁航天员出舱活动安全问题,通过空间站结构充电模拟仿真与理论计算,研究了空间站在低轨道等离子体和地磁场环境下的充电特性,得出最恶劣条件下,空间站结构充电电位最大可达-108.6 V。并针对空间站的太阳电池阵电子吸收充电特性,以及电位控制需求,开展了自适应主动电位控制方法研究,采用空心阴极电子发射技术,研制了中国首个测控一体的空间主动电位控制系统,该系统完成了电位控制地面模拟试验验证,并搭载于空间站天和一号核心舱,实现了在轨应用。空间站在轨电位检测数据表明,主动电位控制系统成功将中国空间站结构电位从-55 V控制到-12 V以内,保障了航天员出舱活动的生命安全。

关于电动自行车铅酸蓄电池的“热力效应”

电动自行车铅酸蓄电池在使用过程中由于热能和机械能的作用易发生“胀肚”，这就是“热力效应”。产生“热力效应”的原因主要有：氧气吸收过程的热效应、欧姆热效应、机械应力效应、充电电流效应、环境温度热效应等。

直流电压下绝缘子附近纤维的吸附运动行为及其对表面电荷积聚的影响

从近几年交流气体绝缘隔离开关(gas insulated switchgear,GIS)现场运行情况发现,纤维也可引起设备绝缘故障,而直流单极性场下,纤维的带电更为充分,运动也将更为活跃,且和绝缘子表面电荷有着强烈的交互作用。为此通过搭建半封闭式同轴圆柱电极实验平台,研究了直流电压下纤维在电极上充电效应,以及在盆式绝缘子附近吸附运动特性,最后使用粉尘图法,分析了纤维附着状态下对绝缘子表面电荷积聚的影响程度。研究结果表明,纤维由充电效应在启举过程中表现时滞特性,并实验验证了纤维充电特性。纤维起跳后在气隙中呈往复摆动向上的吸附运动特性,当纤维长度较长或离绝缘子较远时,起跳后的径向速度较小,且由于受到地电极静电吸附的影响运动高度很低,从而被吸附于绝缘子中下部表面;相反,纤维起跳后径向速度大,首次与绝缘子表面碰撞时攀升或被反弹,最终吸附于绝缘子中上部表面。通过粉尘图得出纤维附着状态下长期耐压后,将呈现“伞状”电荷分布,且与高压电极接触时,电荷分布范围广且积聚量最多;与地电极接触时次之;附着于绝缘子中间部位时最小。

离子成分比对等离子体浸没离子注入圆柱形介质管内表面鞘层演化特性的影响

采用一维和双离子自洽流体模型研究了等离子体浸没离子注入圆柱形聚对苯=甲酸乙=醇酯介质内表面的离子鞘层动力学。在模型中,考虑工作气体为氮气时离子成分为氮原子离子N+和分子离子N2+。计算结果表明,不同的离子成分比具有不同的鞘层演化特性,氮原子离子含量高会导致严重的充电效应。在实际工艺中,可通过调整相关参数以降低原子离子N+的成分以抑制充电效应。

硅微波BJT集电极-发射极漏电的失效机理分析

介绍了硅微波双极晶体管中一种集电极-发射极漏电的失效模式,着重从芯片制造工艺方面研究了失效机理。建立了RIE等离子体刻蚀等效电容模型,研究了电容介质隧穿/击穿诱发的工艺损伤和接触孔侧壁角度对Pt Si的影响。结果表明:RIE干法刻蚀在接触孔局部诱发Si损伤,接触孔侧壁角度减小导致参与合金的Pt总量增加,部分Pt沿此通道穿透发射结进入中性基区形成深能级陷阱,在高反偏集电极-发射极电压VCE作用下进入扩展的集电结空间电荷区,增加了空间电荷区电子-空穴对的产生率和集电结反偏电流ICO,形成快速增大的集电极-发射极漏电流ICEO,导致芯片失效。

卫星天线抗静电技术研究的进展

论述了卫星天线的主要电环境：地球同步轨道和低高度极轨空间环境；卫星天线表面充电的危害性； 抗静电膜的发展水平。已研制出了导电膜＋ Ｋａｐｔｏｎ（聚酰亚胺） ＋ 温控漆的复合结构抗静电膜和加有氧化锡的可溶性高聚物涂层。通过环境效应试验、抗静电膜对天线电性能影响的试验和模拟极光充电环境下的充放电评估实验， 证明抗静电膜符合天线性能要求，

空间环境引起太阳电池表面电弧放电现象的研究

论述了引发太阳电池电弧放电的空间环境因素特点。综述了等离子体中的质子、电子和航天器周围的特征气体环境对太阳电池的作用 。