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《兰州大学》 2020年
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空间介质材料的内部充电特性数值模拟

张鑫  
【摘要】:随着航空航天事业的发展以及B5G/6G技术的布局,航天器的辐射防护和卫星的稳定运行已经成为国家战略需求和世界空间科学技术的重大问题。空间介质内部充电效应引起的卫星故障事件已成为航天器防护领域的重要问题,直接影响卫星的稳定性和寿命。近年来,蒙特卡洛粒子输运方法被运用于空间辐射环境效应的评估中,相比早期使用的经验模型能更好地描述粒子输运过程中的复杂物理机制,目前已经成为一种有效的内部充电效应仿真手段。本文使用蒙特卡洛软件Geant4模拟粒子辐照过程,并结合辐致电导率(RIC)理论模型对空间介质内部充电问题进行研究。本文讨论了简单几何模型接地方式、常用空间材料和温度效应对空间介质内部的宏观电场变化和微观电荷迁移过程的影响,同时模拟了空间电子环境辐照情况下介质电场变化。研究结果如下:(1)Geant4-RIC方法研究内部充电过程是可行的,经验证在分布趋势和数量级方面都可以给出较好的预测效果;(2)在单能电子辐照芯部接地圆柱模型的研究中,辐照区域容易因辐致电导率影响而出现电场先减小后增大的“突起型”分布;(3)在单能电子辐照不同材料(ETFE、PTFE、FR-4、PI和PE)背面接地平板模型的研究中,密度更大的材料(如ETFE)电场更大,材料内部掺杂元素的原子序数更大(如FR4)导致电荷俘获能力更强;(4)在单能电子辐照不同温度(150~350K)背面接地PI平板模型的研究中,随着温度降低,材料内部电场将明显增大,到150K时这种增大趋势会减缓;(5)在已有的空间高能电子环境模型的基础上,结合蒙卡抽样算法给出高能电子环境模型,解决了以往仿真系统中只能模拟单能粒子的问题;(6)在对比不同空间电子环境模型情况下聚酰亚胺内部建立电场的研究中,FLUMIC和类似的Yan模型由于冗余特性更适合于用于工程设计评估,AE9模型更能用于描述空间介质的实际充电情况。
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