GEANT4－RIC方法在衛(wèi)星內放電監(jiān)測器研制中的應用研究

秦曉剛，羅白云，楊生勝，王 驥，孔風連

(1.蘭州空間技術物理研究所，真空低溫技術與物理重點實驗室，甘肅蘭州730000;2.華中科技大學電子科學與技術系，湖北武漢430074)

1 引言

自20世紀70年代末發(fā)現衛(wèi)星內帶電效應以后，對內帶電的研究逐漸成為國外衛(wèi)星帶電研究和防護的一個主要領域，隨著多次連續(xù)的衛(wèi)星失效都被認定為內帶電誘發(fā)的故障后，無論是理論研究還是工程實踐中都已經清醒認識到內帶電危害的嚴重性和解決內帶電問題的緊迫性。NASA分別在1990年和1999年制定了相關的內帶電可靠性設計手冊［1］，ESA也在1999年和2000年專門組織力量編寫了“內帶電工程工具”［2，3］。

一般認為，1990年發(fā)射的聯合釋放與輻射效應衛(wèi)星(CRRES)是“內帶電研究的一個分水嶺”［4］。CRRES衛(wèi)星于1990年7月25日發(fā)射，目的是研究近地球空間的電磁場、等離子體和高能粒子環(huán)境及其對微電子元件的影響。CRRES衛(wèi)星首次搭載了內放電監(jiān)測器(IDM，Internal Discharging Monitor)，對衛(wèi)星內帶電問題的研究獲得了大量成果，既包括總結性的NASA－HDBK－4002和ESA內帶電工程工具，也包括大量文獻中提出如內帶電空間電子通量模型、介質電導率電荷衰減測量法及其測量結果、介質內充電電場計算和內放電脈沖比例關系等新問題和研究方向［5］。

CRRES衛(wèi)星的IDM試驗了16個不同接地方式FR4電路板和PTEE絕緣電線，在其13個月的空間試驗中，共監(jiān)測到3 886個放電，其中以背面接地的FR4樣品的放電現象最為嚴重，其放電占IDM的83%［6］。

GEANT4是由超過100名來自歐洲、美國和日本的科學家從1993年開始合作研發(fā)的開源粒子輸運工具包，具有模擬粒子種類和能量范圍廣、粒子與物質作用物理模型可選和程序開發(fā)容易的特點，已經在高能物理(HEP)、醫(yī)學、空間物理和工程的各領域中有廣泛應用［7］。目前，該軟件已成為空間輻射環(huán)境及其效應探測器的設計的有效分析工具。作者創(chuàng)新性地提出將輻射誘導電導率(RIC)模型和GEANT4用于電子輻照充電模擬，預測介質內部電場分布，并將其用于內放電監(jiān)測器的設計中。通過與地面試驗的比對，驗證了GEANT4－RIC方法在內帶電監(jiān)測器設計中的可行性和正確性。

2 內帶電GEANT4模擬

2.1 GEANT4 模擬

利用GEANT4進行模擬時必須要根據入射粒子的能量選擇合適的物理過程。電子屬于輕帶電粒子，在GEANT4中，主要考慮的物理過程是多次散射、電離和輻射損失。設入射電流密度為Ji(A/m2)，GEANT4模型中粒子源面積為Ai(m2)，入射粒子數為EN(e－)，電子電量為eQ(=1.6×10－19C)，設模型中介質密度為ρm(kg/m3)，面積為Am(m2)，每層厚度為Δx(m)，模擬獲得的注入電量密度為(e－/m2)、沉積能量為(MeV)，沉積電荷量為(e－)，那么介質中注入電流密度Jf(A/m2)、劑量率(rad/s)和沉積電荷密度Jd(A/m2)可分別按式(1)～(3)計算

2.2 RIC 模型

如圖1所示，一定能譜和通量的電子入射到介質上在其內部形成深層充電，介質背面與地相連泄放注入電荷，這種連接方式稱為背面接地結構。

圖1 質子輻照深層充電示意圖

電子輻照介質內帶電的一維解析RIC模型由3個方程組成，分別為電流密度連續(xù)性方程、泊松方程和深層俘獲方程［8］，即

式中 ε為材料的介電常數;μ+為自由電荷遷移率;τ+為自由電荷俘獲時間常數;ρm為最大俘獲電荷密度;E(x，t)、ρf(x，t)和ρt(x，t)分別為待求介質內t時刻x處的電場、自由電荷密度和俘獲電荷密度;J(x)是x處入射粒子通量，通過GEANT4模擬獲得;J0(t)為電子輻射注入電流密度。σ為材料的電導率，在輻射條件下與劑量率相關，可表示為

式中 σd為暗電導率或本征電導率;σr為輻射誘導電導率;k和Δ為輻射誘導電導率的系數和指數;為輻照劑量率，也通過GEANT4模擬獲得。

3 內放電監(jiān)測器試驗與仿真模擬

3.1 內放電監(jiān)測器

CRRES衛(wèi)星IDM的飛行試驗表明，衛(wèi)星內帶電主要發(fā)生在背面接地方式的FR4材料中，目前迫切需要針對此種結構開展在軌監(jiān)測和防護方法研究。因此，我們以此種結構作為內放電監(jiān)測器的試驗對象。圖2為內放電監(jiān)測器結構。樣品夾具采用上、下分離的結構形式，最大可夾持3 mm厚的樣品，上、下電極均可連接相應的信號引出線或電源線，準直孔直徑為84 mm。通過不同的配置和連接，該裝置可進行樣品內充電表面電位、泄漏電流測量，獲得不同接地方式下的介質表面電壓、放電脈沖數據。樣品材料采用FR4覆銅板，厚度為1.6 mm(厚度取 FR4 為1.59 mm，銅箔0.01 mm)。

3.2 試驗結果

內放電監(jiān)測器在能量為1 MeV，束流密度為10 pA/cm2的高能電子環(huán)境中輻照了2 h12 min，總共獲得了27個放電脈沖信號。典型內放電脈沖波形如圖3所示。

圖2 內放電監(jiān)測器結構圖

圖3 典型內放電脈沖波形

圖4 背面接地FR4的GEANT4－RIC模擬

3.3 內放電監(jiān)測器的GEANT4數值模擬

基于GEANT4－RIC模型，通過仿真分析表明，背面接地的1.6 mm厚FR4覆銅板在束流密度為10 pA/cm2的1 MeV電子脈沖輻照下，持續(xù)276 s背面電場即可達到1.65×107V/m發(fā)生放電，即輻照時間約為4.5 min左右發(fā)生放電。連續(xù)輻照276 s時的模擬結果如圖4所示。試驗平均放電時間為4.8 min，數值模擬預測結果為4.5 min，初步說明模擬計算的正確性。

4 結論

隨著航天器設計中表面帶電防護設計水平的不斷提高，空間介質內帶電問題逐漸成為國際、國內航天器帶電領域關注的焦點。衛(wèi)星內放電監(jiān)測器的飛行試驗可有助于研究引發(fā)內帶電的各因素與介質放電的關聯性規(guī)律，對航天器介質內帶電防護具有指導意義。同時，隨著航天器的小型化、高精度、高可靠、長壽命的發(fā)展趨勢，集成化是未來環(huán)境及效應探測器發(fā)展的趨勢，因此也需要采用新的設計手段開展相關研制工作。作者采用GEANT4—RIC數值模擬和地面試驗相結合的方法對內放電監(jiān)測器的放電狀況進行了對比研究，驗證了模擬方法的正確性，為進一步開展空間輻射效應監(jiān)測器研制提供了一種新的設計思路。

［1］NASA－HDBK－4002.Avoiding problems caused by Spacecraft On－orbit internal charging effects［R］.ESA.1999.

［4］GARRENT H B，WHITTLESEY A C.Spacecraft charging，an update［R］.AIAA 96－0143，1996

［5］王驥，秦曉剛，李凱，等.CRRES/IDM空間內帶電的研究進展［J］.真空與低溫，2007，13(4):221～224.

［6］FREDERICKSON A R，MULLEN E G，KERNS K J，ROBINSON P A，et al.The CRRES IDM spacecraft experiment for insulator discharge pulses［J］.IEEE transactions on nuclear science，1993，40(2):410 ～ 415.

［7］SANTIN G.Applications of GEANT4 for the ESA space program［R］.SPENVIS＆ GEANT4 Workshop，Leuven，Belgium，2005.

［8］SESSLER G M.Charge Dynamics in Irradiated Polymers［J］.IEEE Transactions on Electrical Insulation，1992，27(5):961－973.