复杂空间电子辐照条件下电介质带电动态特性研究

电子辐照电介质带电特性是研究和减少航天器静电放电异常事件的基础，但目前对于复杂条件下的电子辐照电介质带电动态特性仍缺乏了解。本项目将考虑空间电子辐照环境的特点和材料表面形貌的影响，研究、建立包括电子散射、二次电子发射、电荷输运、自洽电场的三维物理模型，采用蒙特卡罗方法模拟电子散射和二次电子发射过程，得到呈现局部等离子体特征的空间电荷分布，然后通过流体模拟计算、分析局部等离子体与电介质相互作用的迁移、扩散、捕获与去捕获、复合等动态过程。适度开展电子辐照聚合物电介质样品导致二次电子发射、泄漏电流的实验研究，以验证相关的数值模拟结果。通过研究将阐明电介质二次电子发射、空间电荷和空间电场的动态特性,及其与空间电子辐照、电介质表面形貌等参数之间的关系。本项目对于全面了解复杂条件下空间电子与电介质相互作用导致的带电现象及其微观机理、提高我国航天器故障机理的研究水平，具有重要的科学意义和应用价值。

本项目通过考虑空间电子辐照环境的特点和材料参数的影响，发展了复杂条件下电子散射、二次电子发射、电荷输运的理论模型和快速计算方法。采用蒙特卡罗模拟与流体模拟相结合的方法研究了电子辐照空间介质材料的带电特性，获得了二次电子发射、空间电荷、空间电场分布的动态特性。分析了空间介质带电动态特性与电子辐照条件、介质表面形貌参数和材料之间的关系。自主开发并改进了介质材料二次电子发射动态特性的测量装置。将数值仿真结果与实验研究相结合，深入分析了复杂条件下空间电子与电介质相互作用导致的带电现象及其微观机理。具体主要完成了以下的工作。. 为不同机制的电子散射过程建立了相应的散射模型，在此基础上采用蒙特卡洛方法模拟研究了电子在材料中的散射过程。采用卢瑟福散射模型和Bethe公式模拟了高能电子的散射过程。采用Mott散射截面和Penn介电模型模拟了中低能量电子的散射过程。同时分析了电子与材料中的声子，极化子的相互作用及其能量转移过程。在散射模型的基础上，研究了介质材料的二次电子发射过程。研究了材料表面形貌等因素对材料二次电子发射特性的影响因素。. 研究了电荷在材料中的迁移、扩散捕获等过程。以电子在材料中的散射过程作为电荷的注入源，分析了局部等离子体区域电荷变化的动态性质。结合电荷在材料中的输运性质，分析了电荷分布情况、表面电场分布情况、泄露电流情况等性质的动态变化规律。考虑自洽场对电子辐照、二次电子分布的影响规律的影响，综合研究了电子辐照电介质带电过程的动态特性。. 系统分析了各种因素对电子辐照电介质带电性质的影响规律。分析了材料迁移率、扩散系数、复合几率、捕获截面、样品厚度以及金属掩埋层结构等样品参数以及电子入射能量、入射电流等辐照条件对带电平衡机制的影响规律。. 系统分析了电介质材料二次电子发射的特性动态。分析了表面带电的动态变化规律及其对辐照电子和二次电子的影响规律，分别给出了负带电和正带电情况下二次电子发射动态特性的理论模型。分析了二次电子发射系数动态变化的规律。. 开发了电介质二次电子发射系数测量的装置，通过脉冲法测量了介质材料二次电子发射特性动态性质。