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航天器介质深层充放电特征及其影响

作　者: 全荣辉
导　师: 韩建伟
学　校: 中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
专　业: 空间物理学
关键词: 深层充放电辐射感应电导率空间环境效应航天器
分类号: V47
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

空间辐射环境下,深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一。近25年(1973至1997)的统计结果表明,由介质充放电现象造成的航天器异常约占总异常现象的54.2%,其中由深层充放电效应引起的约占45.7%。因此深入研究深层充放电效应对保障航天器安全有着重要的意义。本论文通过地面模拟实验和模型分析,研究了航天器介质材料深层充放电现象。实验采用电子枪和Sr90放射源,在高真空和恒温条件下,模拟空间辐射环境对航天器常用聚合物介质辐照。通过监测样品的表面电位、放电电流和电磁脉冲信号,研究了介质深层充放电现象随电子束流强度、介质厚度和电阻率等的变化规律。论文建立辐射感应电导率模型,解释了辐射感应电导率与辐射剂量率的指数关系及指数范围,描述不同辐射剂量率及复合指数下感应电导率的变化过程。本文同时建立了深层充电模型,模型将介质的电场、电位等宏观参量与介质的载流子浓度、电荷束缚时间等微观参量相结合,对实验结果进行比较和分析,深入揭示深层充放电现象的一般规律。实验和模型计算结果表明,航天器介质材料深层充电现象随着辐照电子束流强度、介质厚度和电阻率的增加而趋于明显;介质所能达到的深层充电平衡电位随着电子束流强度和介质电阻率指数增加,其指数值小于1;介质到达深层充电平衡状态所需的时间主要由介质电阻率决定;介质深层放电电流峰值可达几十安培,电场脉冲强度可达几十伏/米,但放电脉冲宽度仅为几十纳秒至几微秒;介质深层放电高强度的电场脉冲可对试验电路造成强烈干扰。本论文的实验结果和模型可用于初步评估航天器介质材料深层充电现象,为深层充放电效应防护设计提供参考。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-15
引言  15-17
第一章研究背景  17-31
  1.1 空间辐射环境  17-24
    1.1.1 银河宇宙线  17
    1.1.2 异常银河宇宙线  17
    1.1.3 太阳宇宙线  17-18
    1.1.4 其他来源高能粒子  18-19
    1.1.5 地球辐射带粒子  19-21
    1.1.6 高能电子增强事件  21-24
  1.2 空间辐射效应  24-28
    1.2.1 总剂量效应  24
    1.2.2 移位损伤效应  24
    1.2.3 粒子效应  24-25
    1.2.4 背景噪声  25-26
    1.2.5 表面充放电效应  26
    1.2.6 深层充放电效应  26-28
  参考文献  28-31
第二章深层充放电现象研究概况  31-55
  2.1 研究历史与现状  31-32
    2.1.1 研究历史  31-32
    2.1.2 研究现状  32
  2.2 在轨探测实验  32-38
  2.3 地面模拟实验  38-45
  2.4 模型与软件  45-51
    2.4.1 模型  45-48
    2.4.2 软件  48-51
  参考文献  51-55
第三章航天器介质深层充电过程的地面实验模拟  55-75
  3.1 卫星深层充放电模拟实验装置  55-58
    3.1.1 真空系统  55-56
    3.1.2 温控系统  56
    3.1.3 辐照源  56-57
    3.1.4 测量系统  57-58
    3.1.5 实验过程  58
  3.2 辐照源束流强度的监测  58-61
    3.2.1 电子枪束流强度的监测  59-60
    3.2.2 放射源束流强度的监测  60-61
  3.3 电位测量的标定  61-63
  3.4 不同辐照条件下介质的深层充电过程  63-71
    3.4.1 不同能量电子辐照下介质的充电过程  63-65
    3.4.2 不同束流强度电子辐照下介质的充电过程  65-67
    3.4.3 不同厚度介质的充电过程  67-69
    3.4.4 其它材料介质的充电过程  69-70
    3.4.5 某卫星机构的深层充电过程  70-71
  3.5 表面电位的衰减及电阻率的测量  71-73
  3.6 深层充电的一般规律总结  73-74
  参考文献  74-75
第四章辐射感应电导率现象  75-90
  4.1 辐射感应电导率现象的研究历史  75-76
  4.2 辐射感应电导率实验  76-78
  4.3 辐射感应电导率模型  78-80
    4.3.1 RFV模型  78-79
    4.3.2 RFV模型的改进  79-80
  4.4 改进后模型的分析与计算  80-87
    4.4.1 辐射感应电导率与辐射剂量率的指数关系  80-81
    4.4.2 辐射感应电导率的延迟效应  81-82
    4.4.3 模型与实验结果的比较分析  82-87
  4.5 辐射感应电导率模型总结  87-88
  参考文献  88-90
第五章深层充电现象建模与模拟  90-102
  5.1 深层充电模型与软件  90-91
  5.2 模型的建立  91-93
  5.3 模型的实验验证  93-98
    5.3.1 实验设计  93
    5.3.2 实验结果与模型比较  93-96
    5.3.3 内部电荷与电场分布变化  96-98
  5.4 深层充电平衡电位和平衡时间的计算分析  98-100
  5.5 深层充电模型小结  100
  参考文献  100-102
第六章航天器介质深层放电实验  102-117
  6.1 深层放电过程的实验测量  102-106
    6.1.1 介质表面电位的监测  102-104
    6.1.2 介质放电电流和电磁脉冲的监测  104-106
  6.2 深层充放电的影响  106-111
    6.2.1 深层放电对时序脉冲电路的影响  106-108
    6.2.2 深层放电对CMOS JK触发器的影响  108-111
  6.3 深层放电现象模拟的初步探讨  111-114
    6.3.1 介质放电路径的模拟  111-112
    6.3.2 介质放电电流的模拟  112-114
  6.4 深层充放电防护设想  114-115
  6.5 小结  115-116
  参考文献  116-117
第七章总结与展望  117-119
  7.1 总结  117
  7.2 展望  117-119
致谢  119-120
作者简介  120
发表文章目录  120

航天器介质深层充放电特征及其影响

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