CN102508125A - 一种利用在轨数据预示卫星深层介质放电是否危险的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用在轨数据预示卫星深层介质放电是否危险的方法，属于抗辐射加固技术领域。所述方法步骤为：(1)充电结构分为屏蔽层和介质层；(2)计算得到电子积分通量阈值F_max；(3)确定沉积在介质中的电子能量范围；(4)根据步骤(3)中得到的电子能量范围，进一步得到沉积于介质中引起深层介质充电的电子积分通量F；(5)F与F_max进行比较，判断是否存在深层介质放电的危险；所述方法中的充电结构模拟的是卫星上的充电结构，该方法可以预先提供几十分钟甚至几个小时之后可能发生的深层介质放电警报，使操作者有足够的时间来降低或者避免卫星在轨运行异常。

Description

一种利用在轨数据预示卫星深层介质放电是否危险的方法

技术领域

本发明涉及一种利用在轨数据预示卫星深层介质放电是否危险的方法，属于抗辐射加固技术领域。

背景技术

高能电子和质子可以穿透介质材料表面，停留在材料内部不同深度，高能电子穿透深度比质子厚。这些电子可以在介质中积累几个小时、几天甚至几个月，沉积的电子数目越来越多，在质子不能到达的介质深层，电子得不到中和而形成了一个强电场。当电场强度达到击穿阈值，则发生介质击穿。当航天器穿过地球高能粒子辐射带或者当太阳黑子活动处于剧烈时期以及发生大规模的太阳日冕物质抛射时，这些高能电子可直接穿透卫星的蒙皮(包括外层导电表面和绝缘材料等)和仪器设备外壳，嵌入卫星内部的电路板、导线绝缘层等深层绝缘介质中，导致绝缘介质如电路板、同轴电缆等深层处的电荷沉积，造成深层介质带电。

内带电效应会对卫星运行的安全性和可靠性产生严重的影响。当空间高能电子注入介质材料时，可能导致材料强度下降；对光学系统，会改变材料的光学参数，减少航天器的使用寿命。尤为严重的是，当介质材料发生内放电时，放电瞬间在卫星介质材料局部释放大量能量，可能造成航天器某些敏感部件的损坏，最终导致卫星完全失效。发生内放电时，会产生电磁脉冲干扰，并通过卫星内部金属连线、天线等耦合入卫星的内部电路，造成逻辑电路翻转，产生错误的数据接收和发射，因而其对航天器危害比较大。

鉴于深层介质放电的危害，提出了一种基于在轨空间数据来预示航天器深层介质充放电的方法，可以预先提供几十分钟甚至几个小时之后可能发生的深层介质放电警报，使操作者有足够的时间来降低或者避免航天器在轨运行异常。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用在轨数据预示卫星深层介质放电是否危险的方法，该方法可以预先提供几十分钟甚至几个小时之后可能发生的深层介质放电警报，使操作者有足够的时间来降低或者避免航天器在轨运行异常。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种利用在轨数据预示卫星深层介质放电是否危险的方法，所述方法步骤如下：

(1)高能电子穿透卫星表面屏蔽层沉积在介质层中，形成充电结构，屏蔽层材料为铝板，介质层材料为聚四氟乙烯(Teflon)、聚酰亚胺(Kapton)、环氧树脂或氟化乙丙烯，测试环境为有能量大于100KeV的高能电子存在的空间环境；

(2)计算得到电子积分通量阈值F_max：

F_max＝J_max/(π×e)            I

E＝J/σ                        II

其中，J为充电电流，e为元电荷电量1.6×10^-19C，E为电场强度，σ为介质材料电导率；

根据式II可推出充电电流阈值J_max＝E_max×σ；其中，E_max为击穿电场强度，特定材料的E_max和σ是确定的；

将式II推出的充电电流阈值J_max带入式I能够得到导致深层介质放电的电子积分通量阈值F_max；

(3)确定沉积在介质中的电子能量范围：

将介质层的结构材料厚度换算成铝的厚度，根据已知电子在铝中的射程随能量的变化，得到能够穿透屏蔽层的电子能量的最小值，表示为EN_min，和能够穿过介质层的电子能量的最大值，表示为EN_max，因此得出导致此结构深层介质充电的电子能量EN，其范围为EN_min＜EN＜EN_max；

(4)根据步骤(3)中得到的电子能量EN范围，进一步得到沉积于介质中引起深层介质充电的电子积分通量F：

根据实际探测，可得到能量EN大于最小值EN_min的电子积分通量，设为F₁和能量EN大于最大值EN_max的电子积分通量，设为F₂，则(F₁-F₂)即为EN_min＜EN＜EN_max范围内的电子积分通量F；

(5)将步骤(4)得到的电子积分通量F与步骤(2)计算得到的电子积分通量阈值F_max进行比较，判断是否存在深层介质放电的危险；当F≥F_max，存在危险；当F＜F_max，不存在危险。

有益效果

本发明提供的一种利用在轨数据预示卫星深层介质放电是否危险的方法，所述方法中的充电结构分为屏蔽层和介质层两层，模拟的是卫星上的充电结构，该方法可以预先提供几十分钟甚至几个小时之后可能发生的深层介质放电警报，使操作者有足够的时间来降低或者避免卫星在轨运行异常。

附图说明

图1-深层介质材料充电结构示意图

图2-电子在铝中的射程随能量的变化。

1-1：入射电子流，1-2：屏蔽层，1-3：介质层，1-4：透过介质的电子流，2-1：电子能量(单位：MeV)，2-2：电子在铝中的射程(单位：mil)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。

实施例

一种利用在轨数据预示卫星深层介质放电是否危险的方法，所述方法步骤如下：

(1)如图1所示，屏蔽层材料为铝板，厚0.2mm，介质层材料为Teflon，厚0.3mm。入射电子流1-1打到屏蔽层1-2上，屏蔽层1-2将能量低于EN_min的电子屏蔽掉，能量高于EN_min的电子能够到达介质层1-3，能量在EN_min～EN_max之间的电子沉积在介质层1-3中，形成电场；能量大于EN_max的电子穿透介质层1-3形成透过介质的电子流1-4。

(2)计算得到电子积分通量阈值F_max：

基于一维泊松方程、连续性方程和欧姆定律，推算出经过特征时间τ＝ε/σ之后，航天器深层介质充电电场强度接近于饱和值E

E＝J/σ            (1)

其中J为充电电流，σ为介质材料的电导率。具体的推导过程如下：

联立泊松方程、连续性方程和欧姆定律三式

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ϵ}\left(x\right)E(x,t)\right)}{\∂x}=\mathrm{\ρ}(x,t)---\left(2\right)$

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}(x,t)}{\∂t}=\frac{\∂(J_c(x,t)+J_R(x,t))}{\∂x}---\left(3\right)$

J_c(x，t)＝σ(x，t)E(x，t)                (4)

得到

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ϵ}\left(x\right)E(x,t)\right)}{\∂t}+\mathrm{\σ}(x,t)E(x,t)=-J_R(x,t)---\left(5\right)$

其中

E：t时刻x位置的电场强度

ρ：t时刻x位置的电荷密度

σ：电导率(单位(Ω·cm)^-1)＝σ₀+σ_r，其中σ₀是暗电导率，σ_r是辐射诱导电导率。

ε＝ε₀ε_r，其中真空介电常数ε₀＝8.8542×10^-12F·m^-1，ε_r为相对介电常数。

J_R：入射粒子通量(电流密度)

J_c：x处暗电导率引起的粒子通量(电流密度)

假设σ和J_R不随时间变化，可以得到方程(4)的一个简化解：

E＝E₀exp(-σt/ε)+(J_R/σ)[1-exp(-σt/ε)]            (6)

其中E₀是t＝0时的初始电场，假设开始时电场为0，则

E＝(J_R/σ)[1-exp(-σt/ε)]＝(J_R/σ)[1-exp(-t/τ)]    (7)

其中特征时间τ＝ε/σ，即大约经过时间τ后，电场接近于饱和值

E＝J_R/σ                                              (8)

为了更接近真实值，将(7)式中的入射电流密度修正为沉积电流密度。

特定介质材料的击穿电场阈值E_max和电导率σ都是确定的，根据(1)式得到充电电流阈值J_max＝E_max·σ，电子积分通量阈值F_max＝J_max/(π·e)，其中e为元电荷电量e＝1.6×10^-19C。如图1所示结构中，Teflon电导率σ＝1.0×10^-17Ω·cm，击穿电场为E_max＝2×10⁵V/cm，所以能够导致其深层介质放电的电子积分通量阈值为F_max＝σ×E_max/(π×e)＝3.98×10⁶/cm²·s·sr。

(3)确定导致介质深层充电的电子能量范围：

将介质材料Teflon的厚度换算成铝的厚度，图1中Teflon厚度为0.3mm，上面覆盖0.2mm铝屏蔽层，利用图2中电子在铝中的射程随能量的变化，可得到能够穿过0.2mm铝屏蔽层到达介质层而引起内带电的最低电子能量EN_min为200keV，0.3mm的Teflon等效成铝的厚度为0.23mm，屏蔽层和介质层总的等效铝厚度为0.43mm，因此能够穿透介质层的电子能量EN_max为300keV，因此导致此结构深层介质充电的电子能量范围为200keV＜EN＜300keV。

(4)根据步骤(3)中得到的电子能量EN范围，进一步得到沉积于介质中引起深层介质充电的电子积分通量F：

根据实际在轨探测，可得到能量EN＞200keV的电子积分通量F₁和EN＞300keV的电子积分通量F₂，则(F₁-F₂)即为200keV＜E＜300keV范围内的电子积分通量F；

(5)将在轨探测得到的电子积分通量F与计算得到的电子积分通量阈值F_max进行比较，如果F≥F_max，则可以初步判断航天器存在深层介质放电的危险，航天器因此而发出深层介质充电警示标志并传输到地面，便于技术人员采取缓解措施。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种利用在轨数据预示卫星深层介质放电是否危险的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

(1)高能电子穿透卫星表面屏蔽层沉积在介质层中，形成充电结构，屏蔽层材料为铝板，介质层材料为聚四氟乙烯、聚酰亚胺、环氧树脂或氟化乙丙烯，测试环境为有能量大于100KeV的高能电子存在的空间环境；

(2)计算得到电子积分通量阈值F_max：

F_max＝J_max/(π×e)            I

E＝J/σ                       II

其中，J为充电电流，e为元电荷电量1.6×10^-19C，E为电场强度，σ为介质层材料电导率；

根据式II可推出充电电流阈值J_max＝E_max×σ；其中，E_max为击穿电场强度，特定材料的E_max和σ是确定的；

将式II推出的充电电流阈值J_max带入式I能够得到导致深层介质放电的电子积分通量阈值F_max；

(3)确定沉积在介质中的电子能量范围：

将介质层的结构材料厚度换算成铝的厚度，根据已知电子在铝中的射程随能量的变化，得到能够穿透屏蔽层的电子能量的最小值，表示为EN_min和能够穿过介质层的电子能量的最大值，表示为EN_max，因此得出导致此结构深层介质充电的电子能量EN，其范围为EN_min＜EN＜EN_max；

(4)根据步骤(3)中得到的电子能量EN范围，进一步得到沉积于介质中引起深层介质充电的电子积分通量F：

根据实际探测，可得到能量EN大于最小值EN_min的电子积分通量，设为F₁和能量EN大于最大值EN_max的电子积分通量，设为F₂，则(F₁-F₂)即为EN_min＜EN＜EN_max范围内的电子积分通量F；

(5)将步骤(4)得到的电子积分通量F与步骤(2)计算得到的电子积分通量阈值F_max进行比较，判断是否存在深层介质放电的危险；当F≥F_max，存在危险；当F＜F_max，不存在危险。

2.根据权利要求1所述的一种利用在轨数据预示卫星深层介质放电是否危险的方法，其特征在于：设屏蔽层为铝，厚度为0.2mm；介质层材料为聚四氟乙烯，厚度为0.3mm，等效成铝的厚度为0.23mm；屏蔽层和介质层总的等效铝厚度为0.43mm；根据电子在铝中的射程随能量的变化，得到能够穿过0.2mm铝屏蔽层到达介质层而引起内带电的最低电子能量EN_min为200keV，能够穿透介质层的电子能量EN_max为300keV，导致此结构深层介质充电的电子能量范围为200keV＜EN＜300keV。

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