航天器介質材料深層放電脈沖分析

蘇慧雯 強鵬 王乙 余俊豪

摘 要：航天器在軌運行時受到高能帶電粒子的作用而引起深層介質充放電。當高能粒子進入材料深部時，引起充放電過程，對器件造成直接的損傷，同時充放電過程中產生的放電電磁脈沖會干擾航天器電子系統的正常工作。本文根據麥克斯韋方程組，通過有限差分法對放電脈沖進行了數值計算，得到由放電脈沖產生的電磁輻射脈沖及放電電場很強，場強最高可達1.8×104V/m。對放電脈沖進行傅里葉變換后獲得電磁脈沖頻率譜，可以得出放電脈沖頻譜較寬，高頻部分頻率最高可達2GHz。由于高頻電磁脈沖穿透力很強，且難以抑制，高頻航天器件空間輻射損傷及防護問題需要進一步研究。

關鍵詞：深層放電 放電脈沖 分析方法

中圖分類號：V52 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0012-04

航天器在空間運行過程中，會遭受空間帶電粒子輻射、空間微流星體及碎片碰撞和空間氧原子侵蝕等。而對航天器影響最嚴重的則是空間帶電粒子輻射，其會引起航天器材料損傷、器件性能退化等影響。空間帶電粒子輻射會引起單粒子效應、總劑量效應、充放電效應和位移損傷效應這4種主要效應。空間等離子體與航天器材料表面或內部發生相互作用，使電荷在材料表面或內部不斷積累，直至不同部件間或同一部件不同部位形成的電位差超過擊穿閾值時，就會發生放電現象，放電過程中會釋放出電荷、熱量、電磁脈沖以及輝光等，這就是充放電效應。

航天器充放電效應又可分為表面充放電效應和深層充放電效應[1]。其中，高能粒子輻射引起的介質材料深層充放電效應對于航天器損傷最為嚴重，其又被稱為衛星內帶電。深層充電是由高能電子（0.1～10MeV）引起的，主要發生在材料內部。高能帶電粒子入射到材料表面，穿透表面屏蔽層，在材料中沉積，形成深層充電，會導致材料擊穿，進而引起性能的改變；材料中沉積的大量高能粒子后隨即發生靜電放電現象形成干擾更加強烈的電子系統，同時充放電過程中產生的放電電磁脈沖也會干擾衛星的電子系統正常工作，對在軌航天器造成了巨大的傷害。

1 放電電流脈沖

航天器在經過深層充電后，介質內部由于高能電子形成的強電場會隨充電的持續不斷升高，當其超過介質可承受的放電閾值時，便會發生局部放電，而電子在這個過程中受強電場影響，引起雪崩效應，產生巨大的放電電流，此即為深層介質放電過程。

由于靜電放電對航天器會造成產生的巨大的影響，國際上為分析靜電放電干擾實驗提出了技術標準IEC61000-4-2[2]。如圖1所示為放電電流脈沖的技術標準時域圖。

放電脈沖中的快成分在納秒數量級，其對應的頻譜則延伸到GHz頻率范圍，如圖2所示。

由此可以歸納出靜電放電產生的瞬變電磁場主要有以下特性：

（1）脈沖上升很快，并會形成陡峭的上升沿，根據靜電放電情況的不同而有所不同，通常在ns級。

（2）頻帶比較寬，放電脈沖有從直流分量到GHz的所有頻率分量，也正是因為陡峭的上升沿，使它具有很寬的頻譜分量。

（3）近場幅值很高，在靜電放電發生的附近，電場可達幾千V/m，放電電流可達10A數量級，近場磁場可達毫特斯拉數量級。

（4）脈沖波形具有較長的衰減尾沿，說明放電頻譜中存在極低頻率的成分，脈沖持續時間長，對電子器件的充電時間長，對電子器件帶來的損傷會增大。

2 放電電磁脈沖數值的計算

在充電過程中，電子在介質中積累并在其中形成特殊的空間分布，在這種空間電荷分布下會形成特定的電場分布。當入射電子通量不變時，充電形成的電場、空間電荷分布最終會達到一個動態平衡，即達到穩態。當存在擾動或材料缺陷等因素時，充電形成的穩態會被打破，進而發生放電過程，形成放電電流。在電荷分布，電流的共同作用下，形成電磁脈沖。

對電流脈沖產生電磁脈沖的可根據麥克斯韋電磁場理論進行求解。在電荷分布、電流分布及介質參數和邊界條件確定的情況下，就能夠準確獲得放電產生的電磁脈沖。

麥克斯韋方程組的積分形式和微分形式如式（1）和式（2）所示。

（1）

（2）

麥克斯韋方程的數值求解有多種方法，常用方法有矩量法、有限元法和時域有限差分法。本文采用時域有限差分法對的麥克斯韋方程進行差分離散化，利用蛙跳算法對空間領域內的電場和磁場進行交替計算，進而迭代求解出電磁場見圖3。

利用時域有限差分法推導出直角坐標系中麥克斯韋方程組的的差分方程[3]如式（3）所示。

（3）

其中Δx，Δy，Δz為空間步長，Δt為時間步長。

平板介質模型如圖4所示，介質版厚度1.5mm。高能電子垂直入射進入介質平板時，將入射背面接地。空間步長取0.15mm。

經過一段時間的充電后，介質深層充電電場逐漸增強。當充電電場強度超過放電閾值時，會產生快電流激勵，電流激勵方程如式（4）所示。

（4）

放電時域波形如圖5所示。

從圖6中可以看出，當放電開始發生時，介質電導率快速變大；當放電電流達到峰值后，可近似認為電導率不再改變。由時域有效差分可以求得電磁脈沖分布：

該放電脈沖是包含多種頻率的電磁脈沖，脈沖上升時間在10ns之間，脈沖衰減時間則相對較長。通過數值分析，可以得到深層充電引發的放電過程包含多種頻率的電磁輻射，其高頻成分可以到達GHz頻率范圍。

對放電脈沖進行傅里葉變換后得到放電電磁脈沖頻譜如圖7所示。

從圖7中可以看出，放電過程中釋放出來的電磁脈沖包含多種成分，空間電子器件在電磁脈沖的作用下會出現擾動、軟錯誤及損傷，特別是近場區域的電子器件影響更大。

3 結語

本文以Maxwell方程為基礎，利用有限元差分方法編程計算放電過程產生的電磁脈沖，通過差分計算獲得了放電產生的電磁脈沖波形，在此基礎上通過傅里葉變換得出放電電磁脈沖的頻譜，分析了電磁脈沖的頻譜特征。分析得出：傅里葉變換后得到的放電電磁脈沖頻譜中，高頻部分頻率很高，最高可達2GHz；放電過程中形成的電場強度極強，最高可達1.8×104V/m。由于高頻成份穿透力極強，且難以抑制，所以隨著航天技術的發展，許多航天器件工作的頻率向高頻方向延伸，開展充放電過程中電磁脈沖的分析研究很有意義。

參考文獻

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