發布時間：2020-12-30所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為了探究高能電子輻照下接地方式及高工作電壓與沉積電荷共同作用對介質內部充電性能的影響，提出了一種三維介質內帶電評估方法，先采用Geant4軟件模擬高能電子與介質的作用過程得到對應的電荷沉積速率及劑量率，再通過有限元方法求解三維電荷輸運方程
摘要：為了探究高能電子輻照下接地方式及高工作電壓與沉積電荷共同作用對介質內部充電性能的影響，提出了一種三維介質內帶電評估方法，先采用Geant4軟件模擬高能電子與介質的作用過程得到對應的電荷沉積速率及劑量率，再通過有限元方法求解三維電荷輸運方程得出介質內的電場分布。然后以聚醚酰亞胺為研究對象，計算了不同接地方式、工作電壓下介質內電場分布。結果表明：電子輻照下，接地方式主要影響接地面積及沉積電荷到接地側的最大傳輸距離;增大接地面積、減小電荷傳輸距離能有效降低介質內電場強度。工作電壓對介質內電場的影響取決于施壓方式及電壓，當工作電壓從100V增大到5000V：樣品正面懸浮、底面加壓(S-VS)或正面加壓、底面懸浮(VS-S)時，介質內電場最大值相差不大均不隨工作電壓變化，穩定在3.04×107V/m;樣品正面接地，底面加壓(G-VS)時內電場強度最大值從2.1×107V/m減小至1.78×107V/m;而正面加壓、底面接地(VS-G)時最大電場值則從2.11×107V/m增大到2.50×107V/m。綜上，高工作電壓下可以增大聚醚酰亞胺樣品的接地面積并采用G-VS型施壓方式來降低其內部放電風險。
關鍵詞：高能電子輻照;介質內帶電;接地方式;內電場強度
空間環境與航天介質材料相互作用引起的介質充放電現象是威脅航天器安全運行的重要因素之一，其中高能電子輻照下引起的介質深層充放電危害尤為嚴重[1]。介質的深層充放電是指高能電子(0.1～10MeV)穿透介質表面，沉積在介質內部建立內部電場，當內部電場強度超過材料擊穿閾值就會發生靜電放電現象[2]。當前，針對典型航天介質的深層帶電問題主要是通過建立相關模型計算高能電子輻照下介質內部的最大電場，將此電場與介質擊穿閾值相比較來評估介質的放電風險[3]。國外不同的研究機構開發了NUMIT[4]、DICTAT[5]和SPIS[6]等軟件來評估介質的放電風險。國內針對此問題也進行了較為深入的研究，例如文獻[7-9]通過建立一維電荷輸運方程來模擬分析電子輻射下絕緣介質的充放電問題。李國倡等建立二維充放電模型計算了高能電子輻照下聚四氟乙烯的深層充電特性，指出最大電場出現在靠近接地處[10]。文獻[11]通過COMSOL軟件建立并分析了三維印刷電路板模型充放電特征，結果表明采用一維模型計算得到的電場最大值比三維模型計算值小得多，三維模型更加精確。
當前研究主要集中在材料本身或者對電荷傳輸模型優化上，計算模型多采用正面輻照，背面接地形式。實際上接地方式是影響介質內部電場的重要因素，沉積電荷將在內電場的作用下向接地側泄放，接地的位置及接地方式都將影響介質內電場分布，文獻[9]報道了電子輻照下接地方式會嚴重影響介質的充電電勢，進一步也就影響了內部電場的分布，但未能揭示其具體作用機理，所以需要進一步結合實際工況探明其影響機制。同時，高電壓大功率航天器的發展也對航天介質材料帶來了新的挑戰[12]，高能電子輻照和高工作電壓共同作用下電介質的內部充電特性尚不明晰。
因此，本文從這兩點出發以航天介質聚醚酰亞胺(PEI)為研究對象，建立了三維電介質內帶電評估方法，本方法先采用基于蒙特卡洛法的Geant4軟件來模擬高能電子與材料的作用過程，再通過有限元方法求解三維電荷輸運方程即可求出對應輻照條件下電介質內部的電場分布。最后采用此方法計算了不同接地方式及工作電壓下聚醚酰亞胺內部電場的分布特征，并對其成因進行了理論分析。
1三維電荷輸運模型
高能電子輻照下，高能電子可能穿透屏蔽層沉積在電介質內部，電介質內部的凈電荷密度主要取決于電荷沉積速率和泄放速率，而泄放速率取決于介質電導率，因此這是一個競爭的過程。當電荷沉積速率大于電荷泄露速率時，對應凈電荷密度增大，反之則減小。由泊松方程得介質內電場幅值取決于凈電荷密度和介質的介電常數，所以電子輻照下電介質內部電場分布特性可以通過求解電流連續性方程，歐姆定律和泊松方程這三個互相耦合的方程來獲得[13-15]。
3.2計算結果分析分析
認為電子輻照下，介質中的沉積電荷將以較低的電導率向接地側傳輸，內部電場強度主要取決于凈電荷密度，而凈電荷密度由電荷沉積速率和電荷泄放速率共同決定，當沉積速率大于泄放速率時，介質內部凈電荷密度增大，內部電場增強，反之則減小，當兩者速率相同時內部電荷保持動態平衡，電場強度也趨于穩定。仿真計算中忽略了電極的厚度，輻照條件相同，所以四種方式下電荷沉積速率相同，由此造成此種差異的主要原因在于電荷泄放速率。
進一步分析4種接地方式可得：底面接地時，接地面積為10mm×10mm，沉積電荷向底面傳輸，最大傳輸距離為試樣厚度即1mm;正面接地時，接地面積為10mm×10mm，沉積電荷向輻照面傳輸，最大傳輸距離為1mm;側面接地時，接地面積為10mm×1mm，沉積電荷向左側接地面傳輸，最大傳輸距離為10mm;兩面接地時，接地面積為2×10mm×10mm，沉積電荷可以向輻照面及底面傳輸，最大傳輸距離應小于1mm。從電荷傳輸來看，接地面積越大、電荷向接地側的傳輸距離越短，越有利于電荷的泄放。由此四種接地方式對應的電荷泄放能力應為d>a=b>c，相同輻照條件下，內部電荷積聚量及電場強度關系為c>a=b>d，這與我們的計算結果一致。
4工作電壓對PEI內部電場分布的影響
4.14種工況下不同電壓時內電場計算結果
如圖5所示，考慮了4種工況：A(S-VS，正面懸浮，底面加壓)，B(G-VS，正面接地，底面加壓)，C(VS-S，正面加壓，底面懸浮)，D(VS-G,正面加壓，底面接地)。設定對應的邊界條件計算了輻照時間為24h時，工作電壓為100V、500V、1000V、5000V時PEI樣品內部的最大電場，計算結果如圖6所示。
相關期刊推薦：《西安交通大學學報》JournalofXi'anJiaotongUniversity(月刊)1960年創刊，是綜合性自然科學學術理論刊物，國際標準開本，國內外公開發行，具有明顯的機電特色。主要刊登機械、電氣、能源、動力、材料、電子、信息與控制、計算機、物理、力學、化學工程、生物工程、建筑工程以及有關新興、交叉學科方面的最新研究成果。
如圖6所示，當外加電壓從100V提高到5000V時，A、C兩種工況下，PEI內部最大電場基本相同且其值最大保持在3.04×107V/m左右，不隨電壓變化而變化;B型工況下，PEI內部最大電場強度由2.1×107V/m逐漸減小至1.78×107V/m;D型工況下，最大電場強度由2.11×107V/m增大到2.50×107V/m。初步來看采用B型工況有利于降低PEI內部電場強度。
5結論
本文采用一種可行的三維介質內帶電評估方法，以典型航天介質聚醚酰亞胺為研究對象，重點研究了高能電子輻照下接地方式及工作電壓對介質內電場分布的影響，得出以下結論。
(1)電子輻照下接地方式主要影響接地面積及沉積電荷到接地側的最大傳輸距離，增大接地面積減小最大傳輸距離能夠有效降低PEI內電場強度。在設定的輻照條件下，當樣品兩面接地時，電場強度最小為3.5×107V/m。
(2)工作電壓對內電場的影響與其施加方式有關，當樣品輻照面或底面既不接地也不加壓(A、C工況)工作電壓變化時PEI內電場保持不變;當樣品一面接地一面加壓(B、D工況)內電場受工作電壓的影響，電壓從100V升高到5000V時表現為B工況下內電場從2.1×107V/m減小至1.78×107V/m，D工況下電場從2.11×107V/m增大到2.50×107V/m。
(3)電子輻照下提升工作電壓需綜合考慮介質外加電壓電場及沉積電荷電場的共同作用，結合實際工況進行評估，選取最有利于降低介質內電場的工作方式。——論文作者：尚鵬輝1，張博1，王鵬1，鄭曉泉1，賀博1，烏江1，2
SCISSCIAHCI
