介質(zhì)深層帶電數(shù)值模擬與應(yīng)用研究.pdf

1、高能粒子與航天器介質(zhì)材料相互作用引起的空間介質(zhì)深層帶電效應(yīng)對航天器的長壽命、高可靠運行構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，一直是航天器充放電效應(yīng)及其防護(hù)技術(shù)研究的熱點問題。目前，將蒙特卡羅粒子輸運模擬引入到航天器空間環(huán)境效應(yīng)分析和評價中，并與具體空間環(huán)境效應(yīng)模型相結(jié)合，已經(jīng)成為一種解決粒子輻照引起空間環(huán)境效應(yīng)數(shù)值模擬的普遍方法。
　　 本論文首先對當(dāng)前空間介質(zhì)深層帶電研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了總結(jié)，提出了GEANT4-RIC方法，即采用GEANT

2、4粒子輸運模擬工具包實現(xiàn)介質(zhì)深層充電輻射過程數(shù)值模擬，利用輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率(RIC)模型實現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)部電場計算。研究了利用GEANT4工具包進(jìn)行介質(zhì)深層帶電輻射模擬的物理過程建模和物理量統(tǒng)計方法，推導(dǎo)出了介質(zhì)結(jié)構(gòu)的輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率充電動力學(xué)方程，解決了不同介質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)電場數(shù)值計算問題，同時通過對文獻(xiàn)中所報道的算例進(jìn)行計算，對比了電荷密度、表面電位和內(nèi)部電場分布模擬結(jié)果，驗證了GEANT4-RIC模型及其計算方法的正確性。
　　 利用建

3、立的模擬方法，研究了介質(zhì)材料密度、厚度、電導(dǎo)率等參數(shù)對介質(zhì)深層帶電的影響，獲得了在FLUMIC2最惡劣電子環(huán)境下，F(xiàn)R4和TEFLON在背面接地時介質(zhì)深層帶電的規(guī)律。結(jié)果表明：介質(zhì)密度對內(nèi)充電過程中的電荷密度分布影響明顯，隨著密度的增加，介質(zhì)內(nèi)電荷密度增大；介質(zhì)厚度對電荷密度分布和電場分布的影響非常顯著，當(dāng)介質(zhì)厚度小于射程時，最大電場會隨著介質(zhì)厚度的增加而不斷增大；電導(dǎo)率對內(nèi)電場的影響較大，當(dāng)電導(dǎo)率低于1×10-14Ω-1m-1時，介質(zhì)

4、材料會產(chǎn)生嚴(yán)重的充電問題。
　　 針對我國衛(wèi)星采用盤環(huán)結(jié)構(gòu)件及其工作狀態(tài)，建立了介質(zhì)內(nèi)充電的三維RIC數(shù)學(xué)模型，開展了未輻照、理想介質(zhì)輻照和RIC模型介質(zhì)輻照三種情況下的數(shù)值計算，初步驗證了GEANT4-RIC作為一種通用方法在處理二維和三維的復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)深層帶電評價問題上的可行性。
　　 首次將GEANT4-RIC方法用于衛(wèi)星介質(zhì)深層帶電監(jiān)測器(IDM)的研制工作中，對IDM所采用的FR4覆銅板在背面接地條件下的充電過