LIPS-300离子推力器为兰州空间技术物理研究所自主研制的双模式离子推力器。推力器在轨运行寿命是决定其是否能够满足未来航天使命需求的关键因素之一。根据未来航天任务对LIPS-300离子推力器系统寿命的要求,即采用LIPS-300离子推力器完成所有在轨任务所需要的时间为10 098 h。因此,为了准确预测LIPS-300离子推力器运行过程中其关键部组件单点失效的栅极组件寿命,文中建立了LIPS-300离子推力器栅极组件寿命模型,利用数值仿真计算的方法(PIC/MCC)预测了推力器分别单独工作在210 m N和80 m N时栅极发生失效所对应的寿命,并分析了关键失效模式,同时计算了推力器在大推力210 m N模式下工作6 000 h后,继续在小推力模式80 m N工况下栅极对应的寿命和关键失效模式。另外,分析了不同工况下LIPS-300离子推力器栅极寿命是否满足未来航天使命的寿命需求,即安全裕度。数值结果显示,LIPS-300离子推力器分别单独工作在210 m N和80 m N时,其栅极工作寿命分别为16 064.3、26 633.2 h,安全裕度分别为1.3、2.2,两种情况对应的关键失效失效模式均为电子反流失效;LIPS-300离子推力器在210 m N大推力模式下工作6 000 h后,继续在小推力80 m N下工作,此时对应的寿命约为22 064.3 h,安全裕度为1.8,关键失效模式为电子反流失效;推力器单独工作在210 m N和80 m N及双模式下工作时的安全裕度分别为1.6、2.6和2.2。
由于太赫兹(Terahertz,THz)波处于在电磁波频谱中独特的位置,使得太赫兹技术在天体物理学、信息和通信技术、生物医疗、人体安检、国土安全、爆炸物检测、全球环境监测等领域具有广阔的应用前景。太赫兹探测技术是太赫兹相关研究领域中最关键的部分,等离子波探测器(TeraFET)因具有可用范围广、较好的灵敏度及较短的响应时间的特点,成为太赫兹探测器研究的重点内容。
根据等离子波不稳定理论,通常TeraFET探测器的响应度比较低。为了提高探测器的响应度,本文主要做了以下三个方面的工作:
首先,建立了以等离子波不稳定性原理为基础的TeraFET探测器的数值仿真模型,用于研究不同器件结构、偏置条件对TeraFET探测器性能的影响。根据已有的实验数据针对漏电流对TeraFET探测器性能的影响进行了物理机理仿真,分析了漏电流对探测器性能指标的影响机理。仿真分析结果表明漏电流导致了沟道靠近漏端位置电子浓度和电场分布的不均匀性明显增加,这一影响显著提升了TeraFET探测器的响应(灵敏)度,漏电流从0 m A增加到饱和漏电流时响应度从0.94 k V/W增加到8.5 k V/W,提升大约8.7倍。通过仿真器件沟道的电子浓度和电场分布图,发现在漏极电流增加至饱和电流时,电子的运动会受到饱和速度的影响,导致电场和电子浓度是一个有限值,从而导致稳定的沟道电导以及饱和的响应度,成功解释了实验数据报道中大漏电流造成的响应饱和现象。
其次,为了对太赫兹探测器电路的设计提供理论和数据支撑,本工作研究了TeraFET器件串、并联结构对探测器整体的电压响应电压的影响。通过建立多个串联TeraFET器件电路结构来研究太赫兹辐射探测能力的增强效果。通过仔细调节每个器件的偏置电路条件来得到最优探测结果,两个TeraFET器件串联响应电压为36μV,约为单个器件饱和响应的2倍。结果表明每个晶体管的响应电压都是独立的,并且总响应电压与单探测器器件呈现近似线性关系。多个探测器器件并联会导致沟道总电阻减小,通过减小负载效应来提升探测器的响应电压。
最后,搭建了本论文研究的TeraFET探测器的SPICE模型并成功应用到ADS软件中,该模型能够准确建模栅极、漏极的泄露电流和沟道的电子惯性效应。通过直流仿真验证了TeraFET SPICE等效模型的正确性,并基于DC验证结果对TeraFET SPICE进行瞬态仿真,提取了响应电压仿真值。还模拟了不同辐射频率、不同辐射强度下的性能,最后研究连接放大器电路对探测器响应电压的增强作用。结果表明响应电压会随着辐射频率的增加而减小,辐射频率从0.1 THz到4.0 THz时,响应电压从33μV减小到0.9μV左右;随着辐射强度的增加先增加最后饱和,与实验数据和解析模型都比较吻合;通过连接放大器电路可以使响应电压的数量级增加,连接两级放大器后的响应电压大约在2000μV,相比于单个TeraFET探测器的响应电压增加了两个数量级。TeraFET探测器的SPICE模型为以后太赫兹探测器电路集成化的实现打下坚实的基础。
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