摘要：为了探究高能电子辐照下接地方式及高工作电压与沉积电荷共同作用对介质内部充电性能的影响，提出了一种三维介质内带电评估方法，先采用Geant4软件模拟高能电子与介质的作用过程得到对应的电荷沉积速率及剂量率，再通过有限元方法求解三维电荷输运方程得出介质内的电场分布。然后以聚醚酰亚胺为研究对象，计算了不同接地方式、工作电压下介质内电场分布。结果表明：电子辐照下，接地方式主要影响接地面积及沉积电荷到接地侧的最大传输距离;增大接地面积、减小电荷传输距离能有效降低介质内电场强度。工作电压对介质内电场的影响取决于施压方式及电压，当工作电压从100V增大到5000V：样品正面悬浮、底面加压(S-VS)或正面加压、底面悬浮(VS-S)时，介质内电场最大值相差不大均不随工作电压变化，稳定在3.04×107V/m;样品正面接地，底面加压(G-VS)时内电场强度最大值从2.1×107V/m减小至1.78×107V/m;而正面加压、底面接地(VS-G)时最大电场值则从2.11×107V/m增大到2.50×107V/m。综上，高工作电压下可以增大聚醚酰亚胺样品的接地面积并采用G-VS型施压方式来降低其内部放电风险。
关键词：高能电子辐照;介质内带电;接地方式;内电场强度
空间环境与航天介质材料相互作用引起的介质充放电现象是威胁航天器安全运行的重要因素之一，其中高能电子辐照下引起的介质深层充放电危害尤为严重[1]。介质的深层充放电是指高能电子(0.1～10MeV)穿透介质表面，沉积在介质内部建立内部电场，当内部电场强度超过材料击穿阈值就会发生静电放电现象[2]。当前，针对典型航天介质的深层带电问题主要是通过建立相关模型计算高能电子辐照下介质内部的最大电场，将此电场与介质击穿阈值相比较来评估介质的放电风险[3]。国外不同的研究机构开发了NUMIT[4]、DICTAT[5]和SPIS[6]等软件来评估介质的放电风险。国内针对此问题也进行了较为深入的研究，例如文献[7-9]通过建立一维电荷输运方程来模拟分析电子辐射下绝缘介质的充放电问题。李国倡等建立二维充放电模型计算了高能电子辐照下聚四氟乙烯的深层充电特性，指出最大电场出现在靠近接地处[10]。文献[11]通过COMSOL软件建立并分析了三维印刷电路板模型充放电特征，结果表明采用一维模型计算得到的电场最大值比三维模型计算值小得多，三维模型更加精确。
当前研究主要集中在材料本身或者对电荷传输模型优化上，计算模型多采用正面辐照，背面接地形式。实际上接地方式是影响介质内部电场的重要因素，沉积电荷将在内电场的作用下向接地侧泄放，接地的位置及接地方式都将影响介质内电场分布，文献[9]报道了电子辐照下接地方式会严重影响介质的充电电势，进一步也就影响了内部电场的分布，但未能揭示其具体作用机理，所以需要进一步结合实际工况探明其影响机制。同时，高电压大功率航天器的发展也对航天介质材料带来了新的挑战[12]，高能电子辐照和高工作电压共同作用下电介质的内部充电特性尚不明晰。
因此，本文从这两点出发以航天介质聚醚酰亚胺(PEI)为研究对象，建立了三维电介质内带电评估方法，本方法先采用基于蒙特卡洛法的Geant4软件来模拟高能电子与材料的作用过程，再通过有限元方法求解三维电荷输运方程即可求出对应辐照条件下电介质内部的电场分布。最后采用此方法计算了不同接地方式及工作电压下聚醚酰亚胺内部电场的分布特征，并对其成因进行了理论分析。
1三维电荷输运模型
高能电子辐照下，高能电子可能穿透屏蔽层沉积在电介质内部，电介质内部的净电荷密度主要取决于电荷沉积速率和泄放速率，而泄放速率取决于介质电导率，因此这是一个竞争的过程。当电荷沉积速率大于电荷泄露速率时，对应净电荷密度增大，反之则减小。由泊松方程得介质内电场幅值取决于净电荷密度和介质的介电常数，所以电子辐照下电介质内部电场分布特性可以通过求解电流连续性方程，欧姆定律和泊松方程这三个互相耦合的方程来获得[13-15]。
3.2计算结果分析分析
认为电子辐照下，介质中的沉积电荷将以较低的电导率向接地侧传输，内部电场强度主要取决于净电荷密度，而净电荷密度由电荷沉积速率和电荷泄放速率共同决定，当沉积速率大于泄放速率时，介质内部净电荷密度增大，内部电场增强，反之则减小，当两者速率相同时内部电荷保持动态平衡，电场强度也趋于稳定。仿真计算中忽略了电极的厚度，辐照条件相同，所以四种方式下电荷沉积速率相同，由此造成此种差异的主要原因在于电荷泄放速率。
进一步分析4种接地方式可得：底面接地时，接地面积为10mm×10mm，沉积电荷向底面传输，最大传输距离为试样厚度即1mm;正面接地时，接地面积为10mm×10mm，沉积电荷向辐照面传输，最大传输距离为1mm;侧面接地时，接地面积为10mm×1mm，沉积电荷向左侧接地面传输，最大传输距离为10mm;两面接地时，接地面积为2×10mm×10mm，沉积电荷可以向辐照面及底面传输，最大传输距离应小于1mm。从电荷传输来看，接地面积越大、电荷向接地侧的传输距离越短，越有利于电荷的泄放。由此四种接地方式对应的电荷泄放能力应为d>a=b>c，相同辐照条件下，内部电荷积聚量及电场强度关系为c>a=b>d，这与我们的计算结果一致。
4工作电压对PEI内部电场分布的影响
4.14种工况下不同电压时内电场计算结果
如图5所示，考虑了4种工况：A(S-VS，正面悬浮，底面加压)，B(G-VS，正面接地，底面加压)，C(VS-S，正面加压，底面悬浮)，D(VS-G,正面加压，底面接地)。设定对应的边界条件计算了辐照时间为24h时，工作电压为100V、500V、1000V、5000V时PEI样品内部的最大电场，计算结果如图6所示。
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如图6所示，当外加电压从100V提高到5000V时，A、C两种工况下，PEI内部最大电场基本相同且其值最大保持在3.04×107V/m左右，不随电压变化而变化;B型工况下，PEI内部最大电场强度由2.1×107V/m逐渐减小至1.78×107V/m;D型工况下，最大电场强度由2.11×107V/m增大到2.50×107V/m。初步来看采用B型工况有利于降低PEI内部电场强度。
5结论
本文采用一种可行的三维介质内带电评估方法，以典型航天介质聚醚酰亚胺为研究对象，重点研究了高能电子辐照下接地方式及工作电压对介质内电场分布的影响，得出以下结论。
(1)电子辐照下接地方式主要影响接地面积及沉积电荷到接地侧的最大传输距离，增大接地面积减小最大传输距离能够有效降低PEI内电场强度。在设定的辐照条件下，当样品两面接地时，电场强度最小为3.5×107V/m。
(2)工作电压对内电场的影响与其施加方式有关，当样品辐照面或底面既不接地也不加压(A、C工况)工作电压变化时PEI内电场保持不变;当样品一面接地一面加压(B、D工况)内电场受工作电压的影响，电压从100V升高到5000V时表现为B工况下内电场从2.1×107V/m减小至1.78×107V/m，D工况下电场从2.11×107V/m增大到2.50×107V/m。
(3)电子辐照下提升工作电压需综合考虑介质外加电压电场及沉积电荷电场的共同作用，结合实际工况进行评估，选取最有利于降低介质内电场的工作方式。——论文作者：尚鹏辉1，张博1，王鹏1，郑晓泉1，贺博1，乌江1，2
