Инжекция электронов и протонов в заряженные диэлектрические пленки и методика расчета их радиационно-наведенной электропроводности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат технических наук Скрябышева, Ирина Юрьевна

• Скрябышева, Ирина Юрьевна
• кандидат технических наук
• 1999

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инжекция электронов и протонов в заряженные диэлектрические пленки и методика расчета их радиационно-наведенной электропроводности»

Для нормального функционирования космических объектов необходимо осуществлять контроль за значениями потенциалов различных элементов на их поверхности. Наличие на поверхности космического аппарата (КА) материалов с различной эмиссионной способностью приводит к ее дифференциальной зарядке,что может вызвать электростатические разряды (ЭСР),обусловливающие различные аномалии и сбои в работе бортовой аппаратуры, а также деградацию диэлектрических покрытий и, как следствие, сокращение срока пребывания аппарата на орбите / 1-5 /. Классическим примером является ряд аномалий в работе бортовой аппаратуры технологического спутника "MARECS-A" Европейского космического агентства (ESA), обусловленных зарядкой его поверхности ./57/.

Накопление "тюве^&остях ■ КА отличных от нуля электрических потенциалов отмечалось при их первых полетах / 1 /. Но большие отрицательные потенциалы (до нескольких киловольт) были установлены де Форестом в 1971-1972 г.г. по спектрограммам, полученным с геостационарного КА "ATS-5" во время проггнрттаитзга ттг\ игпаиаггппшг trxiamvvTr nnrfт*тчл / О / TTr!ou,Ci АTir.QiinM

L JLi W UU J.VUUljiZUiTlj ^y -L i- >-/ Uf w Л. J. J-il <--> / , iiU UJ1MJ Vt/iUUiiUm

-от Птгттггттгпгчтуг n vT Л "ДФС—Л" г'гготч rrn Q vC \ / Q / iii. i-X^y w AUXl axhj w ^ t Uli / / '-v / «

Максимальный, зафиксированный в тени Земли, абсолютный отрицательный потенциал составил ~ 19 кВ,а дифференциальный -™ 9 кВ. Вместе с тем, экспериментально установлено / 58 /,что наибольшую опасность представляют ЭСР, которые могут развиваться при достаточно невысоких потенциалах: уже при потенциuttqv о ттамаггтл-С! тгога тготгтттттоптлгя-у- ттлхгтпитпчтяй —Л ггТЗ тя гти тлу тпкгЬ—

UlJlUiL fUrtfi ifc J.j£jJtJ. ^LbMLM, J. Ä JJf J. SV J. JfA XJ.£JJli ¿'Iii XJ^JiX^J ференциальной зарядке « -(2^5) kB, а не при « -(10-^20) кВ,как это было установлено в лабораторных условиях.

Поэтому необходимо исследовать другой механизм, способствующий развитию ЭСР.

Одним из источников развития ЭСР являются конструкции типа металл-металл. В этом случае развитие ЭСР возможно,когда металлические элементы не заземлены. Предотвратить ЭСР можно путем заземления металлических контактов.

Другим источником развития ЭСР могут являться конструкции типа положительный диэлектрик - отрицательный металл [581.

В силу своих электрофизических свойств, большинство используемых в качестве элементов диэлектрических покрытий материалов заряжаются положительно по отношению к корпусу КА. Энергия ЭСР в положительно заряженных по отношению к корпусу диэлектрических покрытиях запасается на стадии накопления предпробойного заряда, объемное перераспределение которого и

•чЛй Г'ттатгат! отпт rnr\vr/r tir тгигатттлргхш~1ггот>с1 ттоггат-тй- гтпт>г<?тт;тгллгг>-пг TTnqmnuif

W WXJLU Л. 4.'«/¿bjU jULi(U^L^JLi(illi~ri.JLJ.J.\-f i.O.CiXJW^WXXi.^.^.SJ. U^UU^I^HWUXUallUU lUtlljf важно изучить их роль в процессе накопления заряда, чтобы не допустить развитие ЭСР.

Величину этих токов можно оценить на основании данных проведенных экспериментов по измерению электрических полей в объеме полимерных пленок,облучаемых пучками моно- и полиэнергетических электронов, величина которых, в зависимости от условий облучения и электрофизических свойств полимеров, может достигать нескольких десятков МВ/м [[14, 27, 47, 481.Очевидно, что такие поля способны создавать большие токи радиационно-на-веденной проводимости, приводящие к указанным явлениям.

В одном из натурных экспериментов была измерена величина тока утечки [48,49]. 28 марта 1979 г. на спутнике Р78-2 (S0ATHA), при прохождении им тени Земли в геомаиштновозмущенный период, образцы кантона толщиной 2 шла (или 50 мкм 1), расположенные на центральной части корпуса, зарядились до потенциала -1Т00 В относительно окружающей плазмы и положительно относительно корпуса аппарата (потенциал корпуса составил -4.0 кВ) и сохранялись таковыми до выхода спутника в область светотени. В течение этого периода измерялась величина плотности тока утечки на корпус, которая также оставалась относительно постоянной о

1тг\ хги-уттс* -лга mcitrw тх г>п.пгръъттa wa „, ^П ттА /т/с- /wrrw П R* jijjW UiJtiLU^U i.<JiUrl ЛЛ. WW W A UiJifldU'iU rv WW Li-ti/ wm \£J.ilLlii /V w* w '

10"6 A/M2).

В ходе лабораторных экспериментов по облучению образцов панелей солнечных батарей [кварцевого покрытия толщиной 6 мил или 150 мкм на алюминиевой подложке], заряженных электронным пучком положительно относительно подложки, было установлено, что при потенциалах подложки « -(2.5*4.5) кВ величина плотности тока утечки составила ~ (20*30) пА/см2 Е(0.2*0.3)*10-6А/м2], соответственно [58].

В периоды геомагнитных возмущений на больших высотах (в том числе и на геостационарной орбите), когда условия работы бортовой аппаратуры и систем спутника считаются наиболее экст

-ппмо Tr?-trLTR;ror п шгкггхегя ат-,птп1га тэгкгзггг/кгхтгк-аа-птла rtrfnan ттгит-птпг upawnn— wt f t«i. 1.П , ц f я»' у » А V/ -X ¿.(.£1 W i^W i.iMi-J i. *"■■" ^ 1 LI.'—' 1- W-i-'jZ-'.L UliiUi нов с энергиями в десятки килоэлектрон-вольт могут достигать до 100 пА/см2, а протонов с такими же энергиями - на два порядка ниже [41]. Таким образом, если сопоставить величины токов радиационно-наведенной проводимости,определенные в ходе экспериментов на полимерных ж кварцевом покрытиях, с величинами плазменных токов, то можно заключить, что первые могут

1 мил = 10 3 дюйма, 1 дюйм = 2.5 см. быть в 2*3 раза меньше электронных плазменных токов, но в то же время на два порядка превосходить протонные плазменные токи. Выбранные автором величина плазменных токов для экстремальной ситуации (то есть количественное рассмотрение вопроса) будут представлены ниже. Здесь же представлен качественный анализ, который и позволяет заключить, что учет токов радиа-ционно-наведенной проводимости позволит корректно рассчитывать потенциалы конструкционных материалов КА с целью разработки мер, направленных на минимизацию опасных последствий радиационного воздействия на материалы КА. Этот учет тем более важен, поскольку на современных КА наряду с материалами с достаточно высокой радиационно-наЕеденной проводимостью используются и материалы с достаточно высокими электроизоляционными свойствами, например, в цепях электроники и кабелях КА.

ХЗ -вор ггг;рмд т> п-гшйг^-отгтпттлт т> ~а о п ц<г\ ага а. а. етлуа -гтппп^— ранственных физико-математических моделях электризации высокоорбитальных КА [6-91, позволяющих рассчитывать потенциальные поля вблизи моделей КА геометрически сложной формы, не учитываются токи радиационно-наведенной проводимости.

Поэтому целью настоящей работы стала разработка и проверка методики расчета тока радиационно-наведенной проводимости в объеме плоского диэлектрического слоя толщиной до миллиметра моделирующего элемент диэлектрического покрытия КА, при условии, когда в нем могут развиваться сильные поля, обус

ЯПМНШШВЯНННШПЙЙМММММЯМВдИвМ!

А *ю (т?ат\аил огтКтч^-езг-ч тргл татлАй »-\ тчта оххтл-ттххтдс» ттг\ гтсл.-ч ттт. ту»тг тл ггп7тятгс.т хл-г ¿.IV! ^^^¿¿и шч^^ихи а. '-УД. ¿^САА^А. -го ААУАЛГ у А.ЛЛ.У АЪ^чЧА^А-и .¿Г А. ^/ч/Ш^Ул.у г.и! конструкционных диэлектрических покрытий на корпусе спутников проектируются менее миллиметра, что связано с минимизацией их веса.

- 13ловливающие инициирование ЭСР.

Поскольку наибольшее число отказов и сбоев в работе бортовой аппаратуры и систем КА наблюдались на высоте геостационарной орбиты в геомагнитновозмущенные периода в тени Земли, автором предполагалооь провести расчеты с помощью разработанной методики именно для этого случая. Далее представлены характеристики плазмы в этой области магнитосферы.

13 xfаттапппзс! т^атттяатттяптгтхггпл тзпоrrciifrr-¡vn~,rст гга nmfwrrnv аотллпкя

XJ ZiiU IW W i. JL4KJ V .' yi- i-i^Ud. О J. -i-l i-1^ i. UUU^UliU iUilii au WAA^ AAA-tfAAb uui.uyuiti рассматривались потоки электронов с энергиями до 10G кэВ 95 пА/см2; л>0.95*10~ь А/м2) и протонов с энергиями до 120 кэВ (3 /v 0.32 пА/см2; л,0.32*10-8 А/м2) [411. Такое ограничение

1г определено на основании анализа данных натурных экспериментов: при инжекции электронов, протонов и ионов с энергиями в десятки килоэлектрон-вольт из плазменного слоя максимальные потоки электронов наблюдаются в послеполуночном и утреннем секторах магнитосферы, а протонов и ионов - в предполуночном и. вечернем, что связано с различным направлением градиентного дрейфа этих частиц [41, 60-623.

Экспериментально установлено 1633, что потоки инжектиро

•о citrut.j-v rmnrpntin-о г» Qtiorirwmra ttci a. 1 9П ггаТЗ тгггпгЛ TrwoT/rfPCi пъ.хлг\ гха juxmiii^i. u^/uxuuuu w шшрА <— ¿^ л ¿AU три порядка ниже электронных и на два порядка - потоков протонов с энергиями менее 120 кэВ. Кроме того, для рассматриваемого случая характерно, отсутствие вариаций штоков электронов с энергиями более 100 кэВ и протонов с энергиями 1 МэВ и более, что объясняется большим магнитным моментом этих частиц при на

I) пряженностях геомагнитного поля >f100^-120J7, вследствие чего они не достигают полуночной области геостационарной орбиты.

Таким образом, основным источником зарядки геостационарного КА в геомагнитновозмущенный период в тени Земли будут Ij-= 1СГ5 Го = I нТ /62/ инжектированные из плазменного слоя электроны с энергиями до

100 кэВ и протоны с энергиями до 120 кэВ.

Функция распределения хшжектированшх в геомзгнитновозмущенкый период частиц по энергиям будет отлична от максвелловской, поскольку инжекция определяется резким возрастанием всплеском) потока частиц определенной анергии (например, более 50 кэВ). Однако, впоследствии она трансформируется в двухмаксвелловскую. Поэтому автором проводились расчеты как для нормально распределенных по энергиям заряженных частиц, так ж для случая их двухмаксвелловского распределения.

Таким образом» для достижения поставленной цели автором решались следующие задачи!

- хшжекционная задача с разработаннши автором граничными условиями, определенная на основании общей феноменологической теории Роуза-Фаулера-Вайсберга радиационной электрической проводи-' мости диэлектриков;

- исследование ее решения, полученного с помощью численных методов, направленное на практическую реализацию диссертационной работы автора: определение вероятности пробоев диэлектрических покрытий спутника, а также расчет их оптимальной толщины с точки зрения минимизации негативных последствий радиационного воздействия.

Сопоставление размеров различных частей корпуса реального КА с толщиной элементов диэлектрических покрытий на его порттл' Т7Г\ПГ2Г1 тгсt£i*v тттпатл'аг^г-рттг. ^поггг^аггттг^а тгг. гггол* г»пг»*т*от> тгсгхп]по'№

LJw^iiUiiw v J. лх i. -jlaj JU unj. >.>i¿U^Iuatíí^J.iuuu i напряженности поля объемного заряда и использовать в расчетах только нормальную составляющую» рассчитанную по разработанной автором методике.

Кроме того, при расчете граничных потенциалов для модели КА геометрически сложной формы можно пренебречь эффектом увеличения плотности тока электронной эмиссии, который наблюдается только в местах открытых контактов диэлектрических покрытий с проводящим корпусом, поскольку экспериментально установлено / 58 /, что поправка за счет этого эффекта мала и 12 пА/см^)1 в сравнении с величинами первичных электронных токов в геомагнитновозмущенный период, для которого предполагается применять методику (для этих случаев плотности тока электронов составляют более ™ 100 пА/см^). Но поправка за счет указанного выше эффекта и плотность тока утечки по порядку величин равны / 49, 58 /'. Возникает закономерный вопрос: раз пре-небрегается эффектом увеличения электронного тока за счет вторичной эмиссии в местах открытых контактов .диэлектрических покрытий с корпусом, значит можно пренебречь и токами радиа-ционно-наведенной проводимости. Однако, если в первом случае указанный эффект наблюдается только в местах открытых проводящих контактов, то токи проводимости имеют место по всей площади соприкосновения диэлектриков с корпусом, По этой причине ток проводимости приблизится по величине к .другим составляю! Эта величина получена автором при сравнении вольт-амперных характеристик (рассматривалась область отрицательных потенциалов) элементов солнечных батарей с заряженными положительно по отношению к алюминиевой подложке кварцевыми покрытиями,полученных с учетом эффекта увеличения вторичной эмиссии в местах открытых проводящих контактов и без его учета /58/. щим полного тока с поверхности КА. Поэтому ток проводимости должен быть учтен при расчете граничных потенциалов к задаче Пуассона для модели КА геометрически сложной фермы.

Поставленные задачи исследования определили план построения диссертации.

В обзоре литературы, по теме диссертации рассматриваются физико-математические модели электризации KA (NASCAP,"Кулон", модель Красноярского Госуниверситета). Формулируется круг нерешенных задач, на основании чего обосновывается выбор темы диссертационной работы.

Для решения поставленных задач необходимо сформировать базу данных жз используемых в расчетах величин, характеризующих. электрофизические свойства диэлектрических материалов. Поэтому первая глава освещает вопросы взаимодействия космической радиации с поверхностью диэлектрика,обусловливающего вторичную эмиссию электронов с нее под воздействием падающих частиц - первичных электронов и протонов,радиационно-наведенную проводимость, термализацию электронов в объеме диэлектрика.

Во второй главе представлена феноменологическая модель накопления объемного заряда в диэлектрических материалах с открытой поверхностью,облучаемой потоками моно- или полиэнергетических электронов - модель НИИ интроскопии Томского политехнического университета как один из предельных случаев решения системы уравнений модели Роуза-Фаулера-Вайсберга (стационарное приближение), а также разработанная автором на ее основе методика расчета электризации диэлектриков с открытой поверхностью в потоках полиэнергетических электронов и протонов при заряженных открытой поверхности и подложке, позволяющая уточнить эмпирическую формулу для пробега электронов.

Поскольку разработанная автором методика предназначалась в первую очередь для случая, когда спутник, пересекая границу одного плазменного образования входит в другое (например, пересекая границу светотени входит в тень Земли), анализ экспериментальных данных позволил автору установить постоянство ттглзаа ггтгаотлттгчргр^спгпгпт^п N -о ^аттаггота ппапп тттт&гття ттг,аЛгг-ос(рт>га л. »-/ ^ 1 иЛии I ии 1 л-1 д. -г^АШи х ХА^УС? спутника в тени потенциалов корпуса и элементов диэлектрических покрытий на нем. Такое постоянство определяется, очевидно, большой емкостью спутника и малыми токами утечки. Кроме того, правомерность рассмотрения стационарных процессов в объеме облучаемых диэлектрических покрытий определена автором на основании критерия перехода нестационарных процессов в стационарные. Последний, а следовательно и определение области применимости разработанной методики, установлен автором по экспериментальной зависимости накопления объемного заряда от времени облучения X / 22 /: п / + \ = -? >г Г Л -СТТ, (- %. М

4 \ и / — V 1- < ч т/-1 Э

-1 О где - ток электронов, инжектируемых в диэлектрик при облусс чении; и = —- - время релаксации зарядов в диэлектрике;е,е0-аР . диэлектрические постоянные материала и вакуума,соответственно. Переход нестационарных процессов в стационарные может быть определен спадом экспоненты, например, в 100 раз, когда выполняется неравенство ехр(- Х/1)«Л . Тогда выражение = 4.6т , определит критерий перехода нестационарных процессов в стат ттлгчт! о тгргл а

I 11 )П| I ЛП .

Для диэлектриков с радиационно-наведенной проводимостью i О ъ п ""ff! ' П " -' Пал Air nnnfnisafnnmtiTrmmci'iÄ- *п о тгтд о т пхгхиггиты -аг^п тта-ffcnwDix— / - '<" WIVi/ Lti , WWW х uw A W A AJ^jf шЦи ÄA ' W tJ^IIAW ¿.AI AULIU UWUf^UXLV t UU f ' ям, близким к рассматриваемым в настоящей работе,и диэлектрической проницаемостью s ™ 3.5 t "2.3 * 21 сек. Таким образом, нестационарные процессы становятся стационарными по истечении л'2.3 * 21 сек после начала облучения материала или после пересечения спутником границы светотени (полное время пребывания аппарата в тени составляет « 10*12 мин / 48, 49 /).

Также во второй главе представлен алгоритм расчета распределений напряженности электрического поля объемного заряда 2(х) и тока радиационно-наве денной проводимости Зщоз'^) по толщине диэлектрического слоя с открытой поверхностью, заряженной до потенциала ил при потенциале подложки ил. Приведены

L/

TiCiQTrTrt-Фогргт -полттргро оаътхпгяъ&г^пгра.'Нс "ftfirS тя i (у\ тгтта тгт,тоттот^пгпт;г.

JLfW WJf +/IZJ Л. M.LÄ L/ t-i«-/ -IQ X i-UH. WifüVit-/ W X. WAt XJ у ÄL / Лl «¿ГГГЧГЧ» ^ / Дв^^'^хи i'ji

U^fUU ческих пленок из кварцевого стекла, полиэтилентерефталата (ПЭТФ) и полиамида (ПА). Анализ результатов расчетов позволил заключить, что в случае положительной зарядки открытой поверхности диэлектрика относительно подложки (AU = U^-LTd <0) будет наблюдаться выравнивание потенциала по нулевому уровню 0. И чем больше радиационно-наведенная проводимость материала, тем меньше величина объемного заряда, и тем больше величина тока проводимости через границу соприкосновения диэлектрик-металл.

Для случая отрицательной зарядки открытой поверхности относительно подложки (Д11> О) уточненный потенциал открытой поа а тгу гггч ~ m ттг гчт-тр тга тгтлгппа mmnutr-lfr ттгипаы-гттл-о тт^п г<гръгг,пфг<т% rrn-pa-nx'&'nf—

А tiJL Wi.A^JW^WtfiJI.1. А wJX W ji t?U?lWÄA tiW 1 -JlilljJtiÜt/iUU W A A W-JTA tiUÜU|jJUiWU ттл wq nciVTi-nT/TtfCi тл ттгчTTnny/wne f"V"i TToomx. ТТЛ Trnvsrjrpa TTZ.Tjr\-nr* rirttpiurown/"*

АЛА ¿AWtAil«/iWjXU.i/JiA . WWfc/iWW J.U ¿iUi/LUilim 1 UlTlLIUUi W W W AJ W i«A.i. W A W гз а-псттго пЛгапиарФла тэrpпт^ттпзгуй' q tTCi'trrn-nr>'titi/-\'ft аняТ'Т^^т.трт^

WWW>rL£AW UVWJiUiUlyi-Wi UiUMIllUUJli UJlüHil UUiiliUii wmtfAW WJiÜ JIA «

Анализ глубинной зависимости абсолютного значения напряженности поля позволил определить оптимальную толщину диэлектрических пленок, исключающую развитие ЭСР.

Представлены экспериментальные данные, подтверждающие полученные автором результаты расчетов по разработанной методике.

В третьей главе представлена математическая постановка задачи расчета потенциала вокруг модели КА сложной геометрии, оъгтпаттоттает ггяъг т\апт/гг*гртпп-Е2Т,та лппппЛпо пагитата тттто-пахпштгу- ттгчтотт— ыГхлггИЬ¿^ихъ ииу.ииии^у^и ^ииаихи шлиииши^Д. иихии циалов геометрически простых тел (сферы, цилиндра, плоскости) с элементами диэлектрических покрытий', или полностью диэлектрических, или проводящих, так и собственно постановку математической задачи расчета потенциала вокруг геометрически сложного объекта (решение уравнения Пуассона) с учетом наличия на его поверхности конструкционных материалов с различными электрофизическими свойствами 1. Рассмотрены случаи, когда необходимо учитывать тангенциальную составляющую поля объемного заряда элементов диэлектрических покрытий КА (т.е. когда характерные размеры элементов конструкции КА сравнимы с толщиной их покрытий, как, например, соотношение этих параметров тгттег ¡дпф-п.^ттоттгш^'пгг \ ~,гтл ъепгчга аа по тгглл млига-гч ггпаггоЛ-поттт. ТГтга последнего случая, когда толщина диэлектрических покрытий

Потенциалы поверхности для геометрически простых тел рассчитывались в зондовом приближении,т.е. из равенства нулю токов, падающих и стекающих с тела.Для расчетов использовались выражения, полученные Ленгмюром в теории плазменного зонда. много меньше характерных размеров аппарата, автором проведены оценки величины Е^при значениях нормальной составляющей нап-ряясенности поля Еп 10^. В/м при выполнении условий й<<Д7<<й величина Е„. ~ 104 В/м. Сравнение величин Е^ и Е^ позволило о П Ь автору в последующих, расчетах пренебречь тангенциальной составляющей напряженности поля объемного заряда.

Анализируются результаты расчета плавающих потенциалов некоторых конкретных зондовых задач, представлено их сравнение с уточненными по разработанной автором методике потенциалами , приведены практические рекомендации относительно выбора оптимальной толщины .диэлектрических покрытий КА.

ТТа о оштягг.тг "с-гг-р-,- п сг гл г» а п тса ттхгтттха ттр тггга.-р.хзтла' • т\ а гзт-1 о Лг\ ¡т> а-стт! о а орфплпи иа«пл ттатга тчарттата т гурт а 1- а ттт/г а т ттлу-ал—

А '-¿ААААЛиЫА '-4.0 А. X Л. А »-/АЪиг ^''-у но-наведенной проводимости диэлектрических материалов при радиационном воздействии на них;

- расчет с помощью разработанной методики и пакета прикладных программ уточненных потенциалов открытой поверхности, распределений напряженности стационарного электрического поля и тока проводимости по толщине следующих конструкционных материалов: кварцевого стекла марки К-208, полиэтилентерефталата, полиамида;

- практические рекомендации относительно выбора оптимальной толщины диэлектрических покрытий КА,

В работе обобщены основные результаты,полученные автором за период с 1986 по 1998 г.г., которые изложены в публикациях /40,55,69-80 и др./.

Заключение диссертации по теме «Вакуумная и плазменная электроника», Скрябышева, Ирина Юрьевна

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом.

1. Решение инжекционной задзчи с.разработанными автором >аевыми условиями позволило разработать методику расчета напрячгСхтлтгчг*ттд- о ттс^ттнтгстпъгг\-пг^ ттг\ па ^ р *лтл'пт*»эстсгтго 1? г'*у* \ ттртзпп^ ттлиптттдълг^оглтд /"5Г \ ттп ?ргч тптттлхта гх/^ тттгттоо —

Х£Г1»х«^6хи^хч-/ПххО ххСД.О^*<Д~хххх*./жх хх »^^^ч^^дхту/хлх ^ г<-^уур Ч-"» / ххи/ х Хи^/хххи' "х¿ии' мого электронами и протонами диэлектрика, а также уточнения потенциала его облучаемой поверхности (с поправкой на поле объемного заряда) при различных граничных условиях.

Анализ результатов расчетов по разработанной методике позволил автору заключить,что в диэлектриках электронного типа в случае положительной зарядки открытой поверхности относительно подложи (т.е. в случае МЫ^-и^О) будет наблюдаться выравнивание потенциала по нулевому уровню иА 0. И чем больше радиационно-наведенная проводимость материала, тем меньше величина объемного заряда, и тем больше величина тока ттпптгтиппття пс^тло о ттпагптггттг пг*ттптлхгг*пт1пгюггтл'ст ттт;та тгохтп^ттгто'—дл.й гр о тт п ТТ-па г» тип тост .птттвггтап'с! ■пт.гзггч-й- о отчет тге,"т;г птггтче.тгпгч"?!' ттг<^йптпп^т>т,т относительно подложки ( АЬт>0 ) уточненный потенциал открытой поверхности определится суммой потенциалов открытой поверхности диэлектрика и подложки. Область положительного объемного заряда объясняется вторичной электронной эмиссией.

2. Автором проведен расчет уточненного с поправкой на поле объемного заряда потенциала облучаемой поверхности, а также зависимостей напряженности поля объемного заряда и тока радиащюнно-наведенной проводимости по толщине упомянутых диэлектриков при различных спектральных характеристиках радиационных воздействий кэВ-ными электронами и протонами (для случая частиц с двухмаксвелловоким спектром и нормальным),а также ггщуг лоо тптгтгтлтг 5тза ьлттр "пагг>тгпаV тт-гаа ттатггрттогатгтэ пг\гкпторпч.

АА£ЛЭА ^СЛ 'ЦЦА/ь А А,у 1-ЦЛА>' А** А. ^аХ'^иЫ \ ¿'■.«.-/тАА'—< АААЧ/ЯА ДА иии 1ЫС7 1 ствующей условиям космического пространства, т.е. 150°К) и параметре формы распределения ловушек. На основании анализа полученных результатов автором был сделан следующий выводразработанная и представленная в главе 2 методика позволяет не только корректно рассчитать поправку на поле объемного заряда, но и корректно, в зависимости от вида радиационного воздействия и электрофизических свойств материалов,определить направление тока радиационно-наведенной проводимости. Последнее определится не знаком потенциалов открытой поверхности и подложки, а локализацией областей избыточного отрицательного и положительного объемного зарядов.

ТТпр тг/ттизр TTatxm.jp ища -псют<тгт.!710гтпт тггч тгтта-сп.т ъ гчп^г^г^пп^тгтятл

-1- '.ХХРкЛ^Х .4 1) 4 СУ ииши А ^ "I1-' 1.1 I Ч. -/ 2. л х^ло-йх тока обратно рассеянных (упруго и неупруго отраженных) электронов. Насколько корректна постановка инжекционной задачи и ее решение в таком виде можно заключить на основании следующих соображений.Использование двухмаксвелловской функции распределения электронов позволяет учесть низкоэнергетические частицы с энергиями от нескольких единиц до нескольких десятков электрон-вольт, которые вносят основной вклад в ток обратно рассеянных электронов. Вместе с тем, ток обратно рассеянных электронов составляет ™ 5% от истинной вторичной элект-нно-электронной эмиссии. Для случая нормально распределенных о ■потгГТ5ППЦГФ гппъг гч^гпофгггх -полнаотгиггхV а ттатггрту"чтгг\г» пгкптатуигф па л, 5%f а значительно меньше, поскольку тогда из рассмотрения будут исключены низкоэнергетические электроны. Таким образом, вклад отраженных электронов не скажется на результатах, полученных по представленной инжекционной модели.

3. При постановке оптимизационной задачи - определении оптимальной толщины покрытия спутника, с точки зрения минимизации деградации материалов,решение стационарной системы Роу-за-Фаулера-Вайсберга с разработанными и предложенными автором граничными условиями позволило исследовать изменение величины плотности тока проводимости через границу соприкосновения диэлектрик-металл 1 id), а также суммарного по толщине электij.jjüb

TYr-TTTCimfn-nri rrnrta rtr\<z.psyniri.-nr\ оопаггп TT i r¡ \ n гзятзг.тптлмпрт.пг nrr¡ mn s.j\jv/Lai xjixmxxxxx uupji^u '"'V 1 ■ xj u'-(j-'jil.:jíuVjuu ¿jí '--i x x wjixxi^ax ш диэлектрического покрытия.Значения ínpoB(ü) и ü2(d) рассчитывались для диапазона толщин 100 мкм £ d < 200 мкм.В качестве диэлектрических образцов были выбраны материалы из кварце-еого стекла марки К-208, полиамида и полиэтилентерефталата. Оптимизация проводилась следующим образом: с одной стороны, существовало ограничение диапазона изменений величин d постоянным значением 1 id),соответствующим длине пробега электпро В ~ рона в материале R, и минимумом кривой U^(d), также соответствующим R, поэтому, казалось бы,что оптимальная толщина должна соответствовать R. Однако, анализ зависимостей Е(х) позволил выделить особенность - характерный "излом" для всех графиков: при х > 120 мкм сЩх)/<2х=0, т.е. E(x)=Const. Таким образом, автором было сделано предположение, что оптимальная толщина donT не должна превышать 120 мкм. Вероятно, для кварцевого стекла это связано с тем, что количество электронно-дырочных пар, выходящих в объем .диэлектрика на каждые 100 эВ поглощенной энергии наиболее высоко на расстояниях, соответствующих 0.7Н (для рассматриваемых энергий падающих частиц). Таким образом, при толщине кварцевого покрытия йОПТп,0.ТН ток радиатттл-/^1тст-аг0т>а тгр*£гыггч*№ тгг\г\х^г\тгтзг\яг\птх ттпгг'т^/л тят ггатл'Ап тгось огрг^-а'ггттлтзигх компенсировать избыточный заряд.

В полимерных пленках в связи с их структурой длина пробега электронов с энергией 100 кэВ меньше, чем в кварцевом стекле. Кроме того, для рассматриваемого диапазона толщин в них помимо облучаемой области имеется необлучаемая, которой не достигают первичные электроны и где проводимость происходит за счет дрейфа свободных носителей из облучаемой области. При (1ОПТ>120 мкм, чем толще покрытие, тем в нем шире необлучаемая область. Чем шире необлучаемая область, тем меньше вероятность выхода заряда из объема диэлектрика, и тем больше вероятность а Т"< Гч ТТПА ГЧ СГ х ¿¿^и^и^д «

Данные рекомендации могут быть применены для кварцевых покрытий солнечных батарей или полимерных покрытий радиаторов современных спутников. В качестве покрытий последних на зарубежных спутниках используют полиамидные материалы, обладающие высокой радиационно-наведенной проводимостью в условиях отсутствия фотоэффекта. Отечественный аналог этого покрытия, к сожалению, не используется ввиду его недостаточной белизны (оптической прозрачности), а используются либо лакокрасочные покрытия толщиной до 200 мкм,либо фторопласт марки 00Т1-С-100 толщиной 100 мкм с односторонней металлизацией алюминием,либо, крайне редко, полиэтилентерефталат.

Фаъгтлту! .пЛпаогзд *п о о -п си"! п. гг< а ир" а сг отэнпгч"пр!у1 мйФпттт.тв'о ттнотго ттаа*р

1. уЬ-^ии^и^ ^ии^/иии х '-ли} д. '-^^и/т дии х1-71.¿ггрг.тготл-тх- г1\тгт5тг ттхг тттгг,т1хс.т ттгчЛо-па тхгз'&ахгФтгг\г<тзатйхти-7- о гчЛ'Е.ру тгипз ттахгт> рика электронов.

- 138

4. При вычислений граничных условий для задачи Пуассона (для геометрически сложного объекта) учет тока проводимости позволил уточнить плавающий потенциал диэлектрических покрытий который оказался меньше более чем в 2 раза, а металлического корпуса - в ~ 1.3 раза, неуточненного.

Отсутствие открытых участков металлического корпуса модели ЕА привело к снижению плавающего потенциала как диэлектрических покрытий, так и металлического корпуса более чем в 2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа посвящена исследованию вопросов, связанных с расчетом электрических потенциалов поверхности заряженных конструкционных материалов,широко используемых на современных оте

•хи ^ X и'-Л' 1 Н Д-А

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Скрябышева, Ирина Юрьевна, 1999 год

1. Whipple E.G.// Rep. Prog. Phys., v.44, p.1197 (1981);

2. De forest S.E. Spacecraft Charging at Synchronous Orbit, Journal of Geophysical Research, Vol 77, 1972, p.651;

3. Olsen R.O. & Purvis O.K.// Journal of Geophysical Research, Vol 86, 1981;

4. McPherson D.A. & Schober W.R. Spacecraft Charging at High Altitudes.// Spacecraft Charging by Magnetospherlc Plasmas. Progress in Astronautics and Aeronautics Series. Yol 47, edited by A.Rosen, 1976, pp.15-30;

5. Олсен P.E.//' Аэрокосмическая техника, 1 3, 1986, с. 132;

6. О.S.Grafodatsky et al. Spacecraft charging at high altitude // International conference "Problems of spacecraft -environments interaction" .Novosibirsk,15-19 June, 1992, p.26;

7. I.Katz et al. 3-D study of electrostatic chargihg in materials. NASA-CR-135256, 1977;

8. K.K.Krupnikov et al.Mathematical simulation of high-orbit spasecraft charging /7 International conference "Problems of spacecraft environments interaction".Novosibirsk,15-19 June, 1992, p.72;

9. Милеев B.H., Новиков JI.0.//Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.:"Наука", вып.86, 1989, с.75;

10. Yu.V.Vasiliev et al. Program system EKO-M experience of operation,and the prospects for further development // International conference "Problems of spacecraft environments interaction". Novosibirsk, 15-19 June, 1992, p.85;

11. Добрецов Л.Н., Гомоюнова M.B. Эмиссионная электроника. М.: "Наука", 1966, с. 315;

12. Фридрихов С.А., Мовнин О.М. Физические основы электроннойтехники. М.: "Высшая школа", 1982;

13. Бронштейн М.М., Фрайман B.C. Вторичная электронная эмиссия. М.: "Наука", 1969, сс. 54, 73, 170;

14. Кивенко Е.Б. Моделирование накопления объемного заряда при взаимодействии электронов с диэлектриками. Диссертация на соискание ученой степени канд. физ.- мат. наук. TIM. 1991 г.;

15. Брусжловскнй E.ä. Кинетическая ионно-электронная эмиссия. М.: Энергоатомиздат. 1990, с. 8;

16. Thornton Т.A., Anno J.N.// J. Appl. Phys., т.48, No.4, p.1718 (1977);

17. Musket R.G.// J. Vac. Scl. Technology, v.12, No.1, p.444 (1975);

18. Wurtz J.L., Tapp GM.// J. Appl. Phys., v.43, No.8, p.3318 (1972);

19. Электреты /7 Под ред. Г.Оесслера. Перевод с англ. -М.:"Энергоатомиздат", 1983;

20. Као К., Хуанг В. Перенос электронов в твердых телах. 4.1, М.:"Мир", 1984;

21. Электрические явления при облучении полимеров /"/" Под ред. А.П.Тютнева М.:"Энергоатомиздат", 1985;

22. Громов В.В. Электрический заряд в облученных материалах. М.:"Энергоиздат", 1982, с.19;

23. Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в неорганических веществах. М.:"Мир", 1974;

24. Ламперт М., Марк П. Мнжекционные токи в твердых телах. М.:"Мир", 1973, 416 с.;

25. Вайсберг G.3. Обратные радиационные эффекты в полимерах. В кн.:Радиационная химия полимеров. Под ред. В.А.Каргина.1. М.:"Наука", 1973, с.376;

26. Роуз А. Основы теории фотопроводимости. М.:"Мир", 1973, 192 е.;

27. Ягушкин Н.И. и др.Радиационно-электрические явления в диэлектрических материалах космических аппаратов при электризации // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: "Наука", вып.86, 1989, с.131;

28. Вайсберг О.Э., Оичкарь В.П., Карпов В.Л. /7 Высокомолекулярные соединения, Т.А13, 1975, с.2502;

29. Оичкарь В.П. // Высокомолекулярные соединения, т.17, 1975,-У « I U i Ту

30. Воробьев А.А.,Коноше В.А. // Прохождение электронов через вещество. Томск: Издательство ТГУ, 1966, 178 е.;

31. Matsukava T.,Shimizu R. /7 J. Appl. Phys., y. 45, No. 2,p. 733 (1974);

32. Gross B. et al. /7 Colloid and Polymer Sci., y.262, No.2, p.93 (1984);

33. Евдокимов О.Б. Квазистационарное взаимодействие быстрых электронов и объемного заряда в диэлектриках. Диссертация на соискание ученой степени докт. физ.- мат. наук. МИФИ. 1980 г.;

34. Дырков В.А. Воздействие быстрых электронов на объемный заряд в диэлектриках. Диссертация на соискание ученой степени канд. физ.- мат. наук. ТПИ. 1984 г.;

35. Омекалин Л.Ф., Ягушкин Н.И. // Изв. ВУЗое. Физика. J6 1, -í ад й г> л а •в í п- ,

36. Бом Д. Квантовая теория. М.:"Наука", 1965, с. 256;

37. Ягушкин Н.И. Динамика объемного заряда в диэлектриках при неоднородном облучении их быстрыми электронами.Диссертация на соискание ученой степени канд. физ.- мат. наук. ТПИ. 1975 г.;

38. Смекалин Л.Ф. Взаимодействие электронов средних энергий с объемным зарядом в слоистых диэлектрических структурах. Диссертация на соискание ученой степени канд. физ.- мат. наук. ШМ. 1985 г.;

39. Ивановский С.А. Взаимодействие электронов с энергией десятки килоэлектрон-вольт с диэлектриками, имеющими открытую поверхность, диссертация на соискание ученой степени канд. физ.- мат. наук. ТЛИ. 1986 г;

40. Руководящий документ (РД) 92-0288-91.Методические указания. Методы оценки электростатических потенциалов неметаллических материалов элементов конструкции космического аппарата. 1992 г.;

41. Гарретт Г.В., Спитэйл Г.С. // Аэрокосмическая техника, No 3, 1986, с. 105;

42. Parks G.R., lank В. et all // J. Geophys.Res., 1977, Yol. 82, p. 5208;

43. Bahnsen A., Jespersen M., Neubert T. et all // Prac.Gonf. achievements of the IIB. 26-28 June. 1984. Gras. Austria. ESA1. QP-CM? r-j -ЭТО.Î í y Jj * i i W y

44. Вакулин Ю.Й., Графодатский O.G., Дегтярев В.M. /7 Космические исследования. 1988, т. 26, с. 120;

45. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. Теоретичеекая физика. Т.8 M.; Наука. 1992, с.59;

46. Ильин В.П. Численные методы решения задач электрофизики. М.;Наука. 1985, с. 123,124;

47. Haselton R.G., Yadlowsky E.J. Effect of laser produced pinholes upon the charging characteristics of spacecraft thermal control surfaces /7 IEEE Transactions on Nuclear Science. Yol.NS-29, No.6, December 1982, p.p.1633-1638;

48. Labonte К. Radiation-induced, charge dynamics in dielectrics // IEEE Transactions on Nuclear Science. Vol„NS-29sNo.6, December 1982, p.p.1650-1653;

49. Leung M.S. & Kan Я.К.А. Laboratory study of the charging of spacecraft materials // Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 18, Mo.6, 1981, pp. 510-514;

50. Вербицкий И.И. Электростатика и электромагнетизм. Минск: изд-во ВПИ, 1961, сс. 105-112;

51. Таблицы физических величин. Справочник под ред. акад.И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976 г.;

52. Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991 г., с.583;

53. Скрябышева И.Ю. // Тезисы докладов на III55.1. Потапов A.B.

54. Межотраслевой научно'-технической конференции по электризации. Июнь 1988, Иркутск;

55. Козловский В.Х. // Труды МИЭМ. Электретный эффект и электрическая релаксация в твердых диэлектриках. 1986;

56. Capart J.J. & Bumesnil J.J« The electrostatic-Discharge Phenomena on MARECS-A. ESA Bulletin. 1983, No. 3, p.p. 22-27;

57. Inouye G.T. & Chaky R.O. Enhanced electron emission from positive dielectric/negative metal configurations on Spacecraft.//IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-29, No. 6, 1932, p.p. 1589-1593;

58. Pike C.P., Bum M.H. A correlation study relating spacecraft .anomalies to environmental data.//Paper SA 38 at the American Geophysical Union Annual Meeting. Washington. June 16-19. 1975;

59. Prank L.A. // J. Geophys.Res., 1971, Vol. 76, p. 2265;

60. Parrugia O.J., Youhg D.T., Geiss J., Balsiger H. // J. Geophys.Res., 1989, Vol. 94, p. 11865;

61. Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. M.: Мир, 1980, с.с. 181, 186, 192, 182;

62. Sauvand J.-A., Winckler J.R. /7 J. Geophys.Res., 1980, Vol. 85, p. 2043;

63. Ягушкин Н.И. и др. // Справочное руководство для конструкторов по радиационной электризации. Издательство ЦНИИМАШ, 1988;

64. Koons Н.О. Summary of Environmentally Induced Electrical Discharges on the P78-2 (SOATHA) Satellite. // Journal of Spacecraft mid Rockets, Vol. 20, No. 5, 1983, p. 425;

65. Prank L.A. /7 J. Geophys.Res., 1967, Vol. 72, p. 3753;

66. Parker L.W., Meulenberg A. Theory of radiation-Induced and carrier-enhanced conductivity: Space charge and contact effects. // IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-31, No. 6, 1984, p.p. 1368;

67. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). М.: ГИФМЛ, 1958, с. 710-713;

68. Скрябышева И.Ю. К вопросу о расчете длины, пробега электронов и протонов с энергией 100 кэВ в элементах тонких диэлектрических покрытий поверхности спутников при воздействии факторов космического пространства. .//" Там же» с. 34;

69. Скрябышева И.Ю. К вопросу о расчете тангенциальной составляющей поля объемного заряда диэлектрических покрытий спутника. /7 Там же, с. 37;

70. Скрябышева И.10. Учет поля объемного заряда диэлектрических покрытий геометрически сложной модели спутника при расчете потенциального поля в его окрестности. // Там же, с. 39;

71. Окрябышева И.Ю. Расчет тока радиационно-наведенной проводимости в диэлектриках,облучаемых высокоэнергетическими электронами и протонами. /У Космические HLС OJIÖ .Д01В Q ахХх Я 1998, Том 36, М 4, с.430;

72. Скрябышева И.Ю. Зависимость потенциала корпуса космического аппарата от токов радиационно-наведенной проводимости в элементах его диэлектрических покрытий при радиационном воздействии. // Проблемы безопасности полетов 1998, В 2, с.29;

73. Скрябышева И.Ю. Случаи положительной и отрицательной зарядки элементов диэлектрических покрытий космического аппарата относительно его корпуса в условиях радиационного воздействия. // Там же, с.33;

74. Скрябышева И.Ю. Учет тангенциальной составляющей поля объемного заряда диэлектрических покрытий спутника. // Там же,r> О. f.' »-/ . wo ,

75. А UiJ 1 -I> , dp» Л. Л. , W . f

76. Саенко B.C. Повышение стойкости КЛА к воздействию факторов электризации. Диссертация на соискание ученой степени Д.т.н.ШЭГи. 1998 г., с.с, 17, 35, 41