GEANT4－RIC方法在卫星内放电监测器研制中的应用研究

秦晓刚，罗白云，杨生胜，王 骥，孔风连

(1.兰州空间技术物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃兰州730000;2.华中科技大学电子科学与技术系，湖北武汉430074)

1 引言

自20世纪70年代末发现卫星内带电效应以后，对内带电的研究逐渐成为国外卫星带电研究和防护的一个主要领域，随着多次连续的卫星失效都被认定为内带电诱发的故障后，无论是理论研究还是工程实践中都已经清醒认识到内带电危害的严重性和解决内带电问题的紧迫性。NASA分别在1990年和1999年制定了相关的内带电可靠性设计手册［1］，ESA也在1999年和2000年专门组织力量编写了“内带电工程工具”［2，3］。

一般认为，1990年发射的联合释放与辐射效应卫星(CRRES)是“内带电研究的一个分水岭”［4］。CRRES卫星于1990年7月25日发射，目的是研究近地球空间的电磁场、等离子体和高能粒子环境及其对微电子元件的影响。CRRES卫星首次搭载了内放电监测器(IDM，Internal Discharging Monitor)，对卫星内带电问题的研究获得了大量成果，既包括总结性的NASA－HDBK－4002和ESA内带电工程工具，也包括大量文献中提出如内带电空间电子通量模型、介质电导率电荷衰减测量法及其测量结果、介质内充电电场计算和内放电脉冲比例关系等新问题和研究方向［5］。

CRRES卫星的IDM试验了16个不同接地方式FR4电路板和PTEE绝缘电线，在其13个月的空间试验中，共监测到3 886个放电，其中以背面接地的FR4样品的放电现象最为严重，其放电占IDM的83%［6］。

GEANT4是由超过100名来自欧洲、美国和日本的科学家从1993年开始合作研发的开源粒子输运工具包，具有模拟粒子种类和能量范围广、粒子与物质作用物理模型可选和程序开发容易的特点，已经在高能物理(HEP)、医学、空间物理和工程的各领域中有广泛应用［7］。目前，该软件已成为空间辐射环境及其效应探测器的设计的有效分析工具。作者创新性地提出将辐射诱导电导率(RIC)模型和GEANT4用于电子辐照充电模拟，预测介质内部电场分布，并将其用于内放电监测器的设计中。通过与地面试验的比对，验证了GEANT4－RIC方法在内带电监测器设计中的可行性和正确性。

2 内带电GEANT4模拟

2.1 GEANT4 模拟

利用GEANT4进行模拟时必须要根据入射粒子的能量选择合适的物理过程。电子属于轻带电粒子，在GEANT4中，主要考虑的物理过程是多次散射、电离和辐射损失。设入射电流密度为Ji(A/m2)，GEANT4模型中粒子源面积为Ai(m2)，入射粒子数为EN(e－)，电子电量为eQ(=1.6×10－19C)，设模型中介质密度为ρm(kg/m3)，面积为Am(m2)，每层厚度为Δx(m)，模拟获得的注入电量密度为(e－/m2)、沉积能量为(MeV)，沉积电荷量为(e－)，那么介质中注入电流密度Jf(A/m2)、剂量率(rad/s)和沉积电荷密度Jd(A/m2)可分别按式(1)～(3)计算

2.2 RIC 模型

如图1所示，一定能谱和通量的电子入射到介质上在其内部形成深层充电，介质背面与地相连泄放注入电荷，这种连接方式称为背面接地结构。

图1 质子辐照深层充电示意图

电子辐照介质内带电的一维解析RIC模型由3个方程组成，分别为电流密度连续性方程、泊松方程和深层俘获方程［8］，即

式中 ε为材料的介电常数;μ+为自由电荷迁移率;τ+为自由电荷俘获时间常数;ρm为最大俘获电荷密度;E(x，t)、ρf(x，t)和ρt(x，t)分别为待求介质内t时刻x处的电场、自由电荷密度和俘获电荷密度;J(x)是x处入射粒子通量，通过GEANT4模拟获得;J0(t)为电子辐射注入电流密度。σ为材料的电导率，在辐射条件下与剂量率相关，可表示为

式中 σd为暗电导率或本征电导率;σr为辐射诱导电导率;k和Δ为辐射诱导电导率的系数和指数;为辐照剂量率，也通过GEANT4模拟获得。

3 内放电监测器试验与仿真模拟

3.1 内放电监测器

CRRES卫星IDM的飞行试验表明，卫星内带电主要发生在背面接地方式的FR4材料中，目前迫切需要针对此种结构开展在轨监测和防护方法研究。因此，我们以此种结构作为内放电监测器的试验对象。图2为内放电监测器结构。样品夹具采用上、下分离的结构形式，最大可夹持3 mm厚的样品，上、下电极均可连接相应的信号引出线或电源线，准直孔直径为84 mm。通过不同的配置和连接，该装置可进行样品内充电表面电位、泄漏电流测量，获得不同接地方式下的介质表面电压、放电脉冲数据。样品材料采用FR4覆铜板，厚度为1.6 mm(厚度取 FR4 为1.59 mm，铜箔0.01 mm)。

3.2 试验结果

内放电监测器在能量为1 MeV，束流密度为10 pA/cm2的高能电子环境中辐照了2 h12 min，总共获得了27个放电脉冲信号。典型内放电脉冲波形如图3所示。

图2 内放电监测器结构图

图3 典型内放电脉冲波形

图4 背面接地FR4的GEANT4－RIC模拟

3.3 内放电监测器的GEANT4数值模拟

基于GEANT4－RIC模型，通过仿真分析表明，背面接地的1.6 mm厚FR4覆铜板在束流密度为10 pA/cm2的1 MeV电子脉冲辐照下，持续276 s背面电场即可达到1.65×107V/m发生放电，即辐照时间约为4.5 min左右发生放电。连续辐照276 s时的模拟结果如图4所示。试验平均放电时间为4.8 min，数值模拟预测结果为4.5 min，初步说明模拟计算的正确性。

4 结论

随着航天器设计中表面带电防护设计水平的不断提高，空间介质内带电问题逐渐成为国际、国内航天器带电领域关注的焦点。卫星内放电监测器的飞行试验可有助于研究引发内带电的各因素与介质放电的关联性规律，对航天器介质内带电防护具有指导意义。同时，随着航天器的小型化、高精度、高可靠、长寿命的发展趋势，集成化是未来环境及效应探测器发展的趋势，因此也需要采用新的设计手段开展相关研制工作。作者采用GEANT4—RIC数值模拟和地面试验相结合的方法对内放电监测器的放电状况进行了对比研究，验证了模拟方法的正确性，为进一步开展空间辐射效应监测器研制提供了一种新的设计思路。

［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］王骥，秦晓刚，李凯，等.CRRES/IDM空间内带电的研究进展［J］.真空与低温，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.