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静电放电：从地面新技术应用到空间卫星安全防护—中国物理学会第二十届全国静电学术会议

作者：王俊冯展祖柳青赵呈选汤道坦陈益峰杨生胜秦晓刚真空技术与物理重点实验室兰州空间技术物理研究所空间环境材料行为及评价技术重点实验室兰州空间技术物理研究所

研究空间介质材料在60Co伽马射线辐照下,不同辐射剂量率对介质材料辐射诱导电导率产生过程中的作用,分析辐照下内部电荷产生、复合和流动机理,建立辐射诱导电导率测试方法,为航天器内带电效应防护设计研究提供依据。对比高能电子辐照和... 详细信息

研究空间介质材料在60Co伽马射线辐照下,不同辐射剂量率对介质材料辐射诱导电导率产生过程中的作用,分析辐照下内部电荷产生、复合和流动机理,建立辐射诱导电导率测试方法,为航天器内带电效应防护设计研究提供依据。对比高能电子辐照和伽马射线辐照的不同,开展60Co伽马射线辐照条件下介质材料内部电荷产生、复合及流动机理分析,明确影响微小电流测量的因素,采用三电极法测量技术,测量介质材料在不同剂量率下辐射诱导电导率的变化趋势,通过公式拟合得到辐射诱导电导率参数Kp和(35)。试验获得60Co剂量率分别在10rad/s,30rad/s和50rad/s下,Kapton辐射诱导电导率分别为1.9×10-16Ω-***-1、4.7×10-16Ω-***-1和7.1×10-16Ω-***-1,Teflon辐射诱导电导率分别为7.3×10-16Ω-***-1、1.3×10-15Ω-***-1和1.6×10-15Ω-***-1,无辐照条件下测得的Kapton和Teflon的本征电导率分别为3.1×10-17Ω-***-1和2.3×10-16Ω-***-1。通过最小二乘法拟合得到Kapton的Kp=3.1×10-17Ω-***-1.s和(35)=0.8,Teflon的Kp=2.3×10-16Ω-***-1.s和(35)=0.5。空间介质材料辐射诱导电导率随辐照剂量的增加呈上升趋势,通过与国外测试数据比较,所测试验数据与国外数据符合性较好,从而验证了建立的星用材料辐射诱导电导率测试装置的有效性。

关键词：空间介质材料辐射诱导电导率内带电效应电子-空穴对三电极法

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多层电路板的深层充电研究

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中国科学：技术科学 2015年第3期45卷 330-337页

作者：王建昭陈鸿飞于向前邹鸿施伟红北京大学空间物理与应用技术研究所北京100871

以欧空局的FLUMIC2模型为输入电子能谱,基于Monte Carlo方法和辐射诱导电导率模型进行多层电路板充电分析,可模拟地球同步轨道上有2 mm铝层屏蔽时的多层FR4印刷电路板的深层充电过程,得到电场和电势随介质深度的变化.研究发现与双面接... 详细信息

以欧空局的FLUMIC2模型为输入电子能谱,基于Monte Carlo方法和辐射诱导电导率模型进行多层电路板充电分析,可模拟地球同步轨道上有2 mm铝层屏蔽时的多层FR4印刷电路板的深层充电过程,得到电场和电势随介质深度的变化.研究发现与双面接地电路板相比较,电路板四层铺铜接地内部最大充电电场减少54%,有效地减小介质内部电场,降低深层放电风险.充电时间常数和电介质的物理特性有关而与电路板分层情况无关.分析各接地层的电流,两层电路板为90-150 pAm^-2,四层电路板为10-100 pAm^-2.

关键词：深层充电辐射诱导电导率 Geant4 Monte Carlo 方法地球同步轨道

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卫星介质深层充电的两类计算模型对比分析

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空间科学学报 2016年第2期36卷 202-208页

作者：王松唐小金武占成易忠军械工程学院静电与电磁防护研究所石家庄050003 北京卫星环境工程研究所北京100094

计算模拟是评估航天器介质深层充电危害的重要研究方法之一.通过粒子输运模拟,可以得到特定空间辐射环境下介质中的电荷沉积分布,进而根据电位/电场计算模型,得到深层充电结果.前期研究多是围绕RIC(辐射诱导电导率)模型及其改进模型展开... 详细信息

计算模拟是评估航天器介质深层充电危害的重要研究方法之一.通过粒子输运模拟,可以得到特定空间辐射环境下介质中的电荷沉积分布,进而根据电位/电场计算模型,得到深层充电结果.前期研究多是围绕RIC(辐射诱导电导率)模型及其改进模型展开的,而目前通常采用基于电流守恒定律的简单计算模型.为了研究二者关系,给出其各自求解方法,并采用已发表数据对计算结果进行验证;从理论上阐述了后者是RIC模型的进一步简化,只要二者考虑相同的介质电导率,则对应计算结果就是一致的;结合GEO恶劣电子辐射环境下平板介质模型在三类边界条件下的充电情况,进行了充分的仿真验证.相关结论为介质深层充电效应评估提供了有益参考.

关键词：介质深层充电 RIC模型电流守恒定律粒子输运模拟辐射诱导电导率

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基于空间充放电效应的航天器功率传输结构电场特性研究

基于空间充放电效应的航天器功率传输结构电场特性研究

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作者：谢鹏敏北京交通大学

学位级别：硕士

航天器运行于空间环境中,将遭遇多种空间环境因素的影响,其中具有重要影响的是空间带电粒子,由此产生的空间充放电效应是造成卫星故障的重要原因之一。功率传输结构作为卫星能源系统重要部件,极易成为充放电效应侵害的对象,其一旦故障,... 详细信息

航天器运行于空间环境中,将遭遇多种空间环境因素的影响,其中具有重要影响的是空间带电粒子,由此产生的空间充放电效应是造成卫星故障的重要原因之一。功率传输结构作为卫星能源系统重要部件,极易成为充放电效应侵害的对象,其一旦故障,则整星失效。近年来,随着高电压大功率航天器能源系统的广泛应用,对能源系统的设计、制造及防护要求也日益提高。本文针对功率传输结构的充放电效应问题,采用数值模拟及实验研究相结合的方法,从材料级和结构件级两个方面展开研究,并在设计制造及防护方面提出优化措施。空间充放电效应的本质是空间带电粒子与航天器材料之间的相互作用。本文基于带电粒子衰减机理及蒙特卡罗统计方法,针对功率传输结构常用材料-铝和聚酰亚胺,采用GEANT4等粒子输运模拟软件,对带电粒子在材料中的输运特性、沉积特性及能量衰减情况等进行了模拟分析,并基于深层充电模型及辐射诱导电导率模型等经验公式,对材料内辐射诱导电导率特性及电场分布特性进行了理论分析。航天器功率传输结构复杂,包括高功率导电环组件及绝缘介质材料,存在较大充放电效应风险。本文针对功率传输通道简化结构,采用基于GEANT4的二次开发软件,模拟了电子束辐射下结构内电场特性分布,并分析了入射粒子能量、结构件自身几何参数等因素对充电结果的影响；后搭建深层充电实验平台,采用电子束辐射功率传输结构表面,在接地、接高压及悬浮等三种不同工况下对绝缘材料表面充电电位进行测量,分析表面充电电位随辐射时间的变化规律,并验证几何参数对充电结果的影响。研究结果表明,绝缘材料电导率是决定材料是否发生放电的重要因素；空间粒子能量大小、结构件自身几何参数等因素对于功率传输结构充电结果影响明显；功率传输结构自身工作电压对充电电位起到抵销作用;尽量使功率传输结构内绝缘材料接地,这有助于减小充放电效应风险。

关键词：空间充放电效应深层充电辐射诱导电导率功率传输

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用于深层充电评估的卫星介质电导率测量技术研究

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航天器环境工程 2012年第4期29卷 425-429页

作者：王燕张振龙全荣辉黄建国李宏伟韩建伟中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190

准确测量得到卫星介质材料的电导率对于卫星深层充电危害评估具有重要意义。在电荷贮存衰减法的基础上,文章提出了一种获得介质材料暗电导率和辐射诱导电导率的试验测量和数值计算方法,即采用90Sr-90Yβ放射源,在温度为20℃、束流密度为... 详细信息

准确测量得到卫星介质材料的电导率对于卫星深层充电危害评估具有重要意义。在电荷贮存衰减法的基础上,文章提出了一种获得介质材料暗电导率和辐射诱导电导率的试验测量和数值计算方法,即采用90Sr-90Yβ放射源,在温度为20℃、束流密度为5pA/cm2的条件下对卫星常用的聚酰亚胺材料进行辐照试验,通过测得的材料表面电位随时间的变化曲线,拟合得到材料的暗电导率和辐射诱导电导率。该方法已在某卫星产品的充电评估中得到应用,计算结果与模拟试验结果符合较好。

关键词：深层介质充电暗电导率辐射诱导电导率电参数测量

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GEANT4-RIC方法在卫星内放电监测器研制中的应用研究

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真空与低温 2011年第4期17卷 205-208页

作者：秦晓刚罗白云杨生胜王骥孔风连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 华中科技大学电子科学与技术系湖北武汉430074

围绕CRRES卫星内放电监测器在轨试验,国外开展了大量空间内带电的关键性研究,为NASA-HDBK-4002等规范的建立奠定了坚实的基础。针对实验室研制的内放电监测装置,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... 详细信息

围绕CRRES卫星内放电监测器在轨试验,国外开展了大量空间内带电的关键性研究,为NASA-HDBK-4002等规范的建立奠定了坚实的基础。针对实验室研制的内放电监测装置,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方法。

关键词：内带电内放电监测器 GEANT4 辐射诱导电导率

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卫星外露电缆束介质结构深层充电仿真分析

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航天器环境工程 2015年第3期32卷 268-272页

作者：王松武占成唐小金易忠军械工程学院静电与电磁防护研究所石家庄050003 北京卫星环境工程研究所北京100094

受到空间高能带电粒子的作用,航天器蒙皮外侧电缆束的绝缘介质会产生深层充电效应。基于介质的电流连续性方程,并利用Geant4粒子输运模拟和辐射诱导电导率公式分析了介质深层充电的物理过程。在地球同步轨道(GEO)恶劣电子环境下,对外露... 详细信息

受到空间高能带电粒子的作用,航天器蒙皮外侧电缆束的绝缘介质会产生深层充电效应。基于介质的电流连续性方程,并利用Geant4粒子输运模拟和辐射诱导电导率公式分析了介质深层充电的物理过程。在地球同步轨道(GEO)恶劣电子环境下,对外露电缆束介质结构深层充电进行三维仿真分析。结果表明:深层充电导致介质结构带20 V以内负电位,电位和电场强度峰值分别出现在电缆束外圈电缆介质层的外侧与内侧;对于导线介质层厚度为0.19 mm的情况,各介质层间是否紧密邻接和电缆束包含电缆根数多少对充电峰值结果影响不大;捆缚电缆的条状介质块是发生放电的危险区域,介质块厚度为0.8 mm时,充电电位在-103 V量级,电场强度可达到4×106 V·m-1,且电场强度与电位随介质块厚度增加而显著增大。

关键词：地球同步轨道电缆束外露介质深层充电辐射诱导电导率仿真分析

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卫星内带电效应地面试验技术研究

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航天器环境工程 2009年第4期26卷 317-320,401-402页

作者：张超易忠唐小金孟立飞北京卫星环境工程研究所北京100094

内带电效应是导致航天器运行故障和异常的主要原因之一。文章针对卫星内带电效应研究中的地面模拟试验技术,着重介绍了介质辐射诱导电导率及相关参数的试验测量方法。基于电声脉冲法测量介质内部电场的原理,提供了一种验证内带电仿真计... 详细信息

内带电效应是导致航天器运行故障和异常的主要原因之一。文章针对卫星内带电效应研究中的地面模拟试验技术,着重介绍了介质辐射诱导电导率及相关参数的试验测量方法。基于电声脉冲法测量介质内部电场的原理,提供了一种验证内带电仿真计算的试验方法。

关键词：内带电辐射诱导电导率空间电荷地面试验

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行星际空间质子引起介质深层充电的GEANT4模拟研究

行星际空间质子引起介质深层充电的GEANT4模拟研究

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中国空间技术研究院第二届空间材料及其应用技术学术交流会

作者：秦晓刚王骥杨生胜真空低温技术与物理国家级重点实验室中国航天科技集团五院五一○所甘肃兰州 730000 中国航天科技集团五院原材料保证中心分部甘肃兰州 730000

高通量的空间质子是导致行星际航天器深层充电的主要原因，基于辐射诱导电导率模型(RIC)和粒子输运模拟工具GEANT4对介质材料在质子辐照条件下的深层充电问题进行了预估。利用GEANT4-RIC充电计算方法，首先计算出10MeV质子在Kapton和Tef... 详细信息

高通量的空间质子是导致行星际航天器深层充电的主要原因，基于辐射诱导电导率模型(RIC)和粒子输运模拟工具GEANT4对介质材料在质子辐照条件下的深层充电问题进行了预估。利用GEANT4-RIC充电计算方法，首先计算出10MeV质子在Kapton和Teflon中的注量和剂量沉积曲线，进而根据电流连续性方程、泊松方程和电荷俘获方程组成的辐射诱导电导率模型(RIC)求解出介质内电荷和电场分布，与介质击穿电场阈值对比结果作为其发生放电与否的依据。模拟结果证实了对10MeV质子，在质子注量为3×1012／cm2时Kapton会发生放电，而Teflon则不会发生放电的一般性试验结论。验证了GEANT4-RIC方法用于行星际航天器介质材料质子充放电评价的可行性，为此类问题的解决奠定了基础。

关键词：行星际空间质子辐照介质深层充电 GEANT4模拟辐射诱导电导率质子充放电评价

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碳纤维复合材料内带电研究

碳纤维复合材料内带电研究

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第八届全国抗辐射电子学与电磁脉冲学术交流会

作者：秦晓刚翟厚明王立买胜利马亚莉中国航天科技集团公司五院五一○所兰州市九十四号信箱730000

本文主要论述了复合材料内带电对各种卫星和飞行器的影响和危害,着重讨论了与环氧/碳纤维复合材料内带电有关的重要的三个参数即放电阈值、材料的电导率和辐射诱导率对环氧/碳纤维复合材料的带电性能的影响.

关键词：碳纤维复合材料内带电放电阈值电导率辐射诱导电导率

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