[发明专利]一种介质材料空间内带电数值模拟预估方法

摘要

本发明提出了一种介质材料空间内带电数值模拟预估方法，获得处于某种空间或地面电子能谱辐照条件下的空间常用介质材料发生内部充电现象时的内部电荷密度分布和电场分布，进而确定其放电频率，用于评估航天器上介质材料发生内带电与否和改进设计的参考依据。本发明利用电子在介质中的通量-深度和剂量或能量-密度分布曲线，将介质沿深度方向进行一维处理，根据电流平衡和电荷平衡关系，获得了改进的辐射诱导电导率模型，用于计算空间电荷和电场分布，进而对比材料击穿电场与介质内部最大电场确定放电发生与否。本发明解决了不同电连接边界和不同厚度介质的一维空间内充电计算和内放电预估问题。

主权项

1.一种介质材料空间内带电数值模拟预估方法，其特征在于：将蒙特卡洛计算方法和辐射诱导电导率模型相结合用于空间介质内带电数值模拟预估，解决空间介质内放电危险的评价问题；将蒙特卡罗方法用于获得电子在介质中的通量-深度和剂量率-深度曲线，辐射诱导电导率模型用于计算介质在不同边界条件和介质厚度下的内部电荷密度分布和电场分布，进而利用介质击穿电场判定是否会发生内放电；其步骤如下：①利用GEANT4或其它蒙特卡洛模拟方法获得特定空间环境能谱的电子在某介质中的通量-深度和剂量率-深度曲线；②设介质厚度为a，那么求解如下所列方程组来获得介质中的电荷密度和电场分布：ϵdE(x,t)dx=ρf(x,t)+ρt(x,t)---(1)]]>dρt(x,t)dt=ρf(x,t)τ_(1-ρl(x,t)ρm)---(2)]]>J(t)=ϵdE(x,t)dt+[σ(x)+μ_ρf(x,t)]E(x,t)+J(x)---(3)]]>σ=σ0+σD=σ0+kD·(x)Δ---(4)]]>式中ε为材料的介电常数，μ_为介质中的自由电荷迁移率，τ_为自由电荷俘获时间常数，ρ_m为最大俘获电荷密度，E(x，t)、ρ_f(x，t)和ρ_t(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处入射电子在介质中的通量-深度曲线，J(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，σ₀为介质本征电导率，σ_D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，为剂量率-深度曲线；在上述方程组中，(1)、(2)和(4)为RIC模型已有，式(3)为经过改进的电流平衡关系，可用于电子射程大于介质厚度以及正面接地的情形；③根据计算获得的内部最大电场，利用介质击穿电场判定发生内放电与否，即E_最大<E_临界不发生放电，反之发生内放电，放电前辐照时间倒数即为放电频率。