卫星深层充电特征研究

周庆

(天津市技术物理研究所，天津 300192)

根据近些年来统计影响卫星发生异常的因素可以看出，卫星深层充电对于卫星的损害占据了很重要的部分。卫星介质深层充电是指空间高能电子穿过卫星表面，沉积于介质内部，从而在介质内部构建电场。高能电子穿过卫星屏蔽层，打到介质上，由于不同能量的电子射程不同，在介质不同层次的积累也不一样，这样介质不同部位就会形成电场。当介质内部沉积电荷积攒到一定数量，产生的电场超过了介质材料的击穿阈值时，就会发生放电现象，干扰卫星正常工作的电子学系统，严重时会使整个卫星运行失败(王骥，2008;黄建国，2004a)。

宇宙中大部分高能电子的能量集中在0.1～1 MeV左右，所以卫星介质深层充电主要是受这部分能量电子的影响。本文着重研究这部分能量电子在介质深层充电的过程。介质深层充电主要分为两个方面:一方面是高能电子穿过卫星表面材料，由于不同能量的电子沉积于介质材料的不同深度，从而在介质内部建立了电场(全荣辉等，2007，2009;高炳荣，2004)。另一方面，卫星构件的电介质材料多为高分子聚合物，在受到电子辐照时介质本身的电导率会发生变化(Ahzens et al.，1976; Fowler，1956)，从而影响介质内产生的电场。因此在研究高能电子对卫星造成的伤害时，要着重的考虑这两方面的影响。

黄建国等(2004b，2004c)利用近似辐射通量公式方法，系统的计算了平板和圆柱两种结构不同接地方法下的介质内电场分布，获得的结果与欧空局内放电分析和评估软件DICTAT结果近似，该方法主要是解析方法。秦小刚等(2009)通过Geant4软件模拟了Teflon介质中的电荷输运过程。本文主要通过MCNP软件模拟介质为聚四氟乙烯情况下的深层充电过程。

1 模拟方法

1.1 模拟结构

图1是本文所有对卫星介质深层充电讨论的基本结构，从左到右分别是入射电子、屏蔽物质以及介质。一般可做卫星的介质的有聚四氟乙烯、氟化乙丙烯和环氧树脂。此次本文研究的卫星介质为聚四氟乙烯(Teflon)。

图1 模拟图形结构Fig.1 The simulation structure

1.2 最大电场的计算

介质深层充电是由高能电子的沉积于电荷的泄露两个过程决定的，当两个过程达到平衡状态时，即充放电达到平衡，此时计算出介质内部产生的稳定的最大电场。

根据Fowler方程可以推导出σ背部=σ0+σD= σ0+TФ背部(忽略电场和温度的影响)，其中σ0为介质未受辐照下的电导率。T取决于介质材料的物理性能。

从介质层背部穿过的电子通量为Ф背部 = Ф入射(x+d)，其中x为屏蔽层厚度，d为进入到介质内的深度。则e(Ф入射－Ф出射)=J背部=σ背部EMAX;所以介质中最大电场E=e(Ф入射－Ф背部)/σ背部，其中Ф入射为入射面通量，Ф背部为出射面通量。

2 模拟数据

当没有屏蔽，介质聚四氟乙烯为平板模型，入射电子能量为0.75 MeV时，研究其内部产生的最大电场与介质厚度之间的关系(图2)。

图2 介质内部产生的最大电场与介质厚度的关系图Fig.2 The relationship between the maximum electric field produced by internal medium and the thickness of medium

从图2中可以看出，随着介质厚度的增加，介质内部产生的最大电场逐渐增大，当介质厚度达到0.2 cm时，介质内部产生的最大电场达到最大值，并且不再随着介质厚度的增加而改变。因此，卫星介质的厚度选择越小越好。

研究没有屏蔽时，入射电子的能量与介质内部产生最大电场之间的关系(图3)。

从图3中可以看出，随着入射电子能量的增加，介质内部产生的最大电场逐渐降低。当入射电子能量小于1 MeV时，介质内部产生的最大电场最大。从而可以看出，能量小于1 MeV的电子对卫星的伤害最大。

图4 介质内部产生的最大电场与入射电子能量的关系图Fig.4 The relationship between the maximum electric field produced by internal medium and the incident electron energy

图4是在无屏蔽(Al=0.1 cm)，介质Teflon厚度为0.3 cm时，介质内部产生的最大电场与入射电子能量的关系对比图。从图4中可以看出，电子能量小于1 MeV时，增加屏蔽物质Al后，介质内部产生的最大电场比没有屏蔽时要小很多，由于太空中大部分电子能量集中在0.1～1 MeV，所以着重考虑这部分能量的电子对卫星介质的危害。从图4可以看出，增加屏蔽物质Al可以降低能量小于1 MeV的电子在介质内部产生的最大电场。

图5为入射电子能量0.75 MeV，介质厚度为0.2 cm时，不同屏蔽Al厚度与介质内部产生的最大电场的关系图。从图5中可以看出，随着屏蔽Al厚度的增加，介质内部产生的最大电场先增大，后减小。这是因为随着屏蔽Al厚度的增加，沉积在介质内部的电荷逐渐增多，所以最大电场增大;当屏蔽Al厚度达到0.04 cm时，沉积在介质内部的电子最多，介质内部产生的最大电场最大;随着屏蔽Al厚度的继续增加，沉积在屏蔽Al中的电子增多，导致沉积在介质内的电子逐渐减少，所以最大电场减小。当屏蔽Al的厚度约为0.1 cm时，大部分电子沉积在屏蔽Al里，介质内部产生的最大电场降到安全区域。

图5 介质内部产生的最大电场与屏蔽物质厚度的关系图Fig.5 The relationship between the maximum electric field produced by internal medium and the thickness of shielding

4 结论

通过模拟卫星基本结构模型，研究电子在卫星中一些基本运动情况。通过模拟得出对于0.75 MeV的单能电子，深层充电所致的介质内部产生的最大电场随着介质厚度的增加而增大，当介质厚度达到0.2 cm之后介质内部产生的最大电场达到最大值，并且不再随着介质厚度的增加而改变;对比了有无屏蔽Al情况，介质Teflon厚度为0.3 cm，介质内部产生的最大电场与入射电子能量之间的关系，观察屏蔽Al的作用效果;模拟出0.75 MeV单能电子，介质厚度为0.2 cm，不同屏蔽Al厚度对介质内部产生的最大电场的影响。

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