等离子体鞘层加速模拟质子辐照连续谱数值仿真研究

《等离子体鞘层加速模拟质子辐照连续谱数值仿真研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航天器环境工程第27卷第5期590SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2010年10月等离子体鞘层加速模拟质子辐照连续谱数值仿真研究石经纬，汪志健，王蓬，巩春志，田修波，杨士勤(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室，哈尔滨150001)摘要：质子辐照是导致空间飞行器热控涂层性能衰退的重要原因。目前地面多采用单一能量的粒子替代空间能量连续分布的粒子来开展质子辐照模拟试验。文章提出了在一个脉冲宽度内获得连续能量质子谱的方法，即脉冲偏压等离子体鞘层加速方法。文章利用细胞粒子(particle．in．cell，PIC)模型对在3种脉冲偏压三角波作用下等离子体鞘

2、层加速质子以获得连续能量质子谱的动力学过程进行了数值仿真研究，分析了3种脉冲三角波形对鞘层扩展、离子加速及能量分布的影响。结果表明，电势空间分布和离子运动状态紧密联系，鞘层内离子密度变化受到脉冲波形和离子热扩散运动的综合影响，通过调整脉冲偏压三角波形，能够获得不同的能量．剂量分布，从而为下一步工作打下基础．‘关键词：质子辐照；热控涂层；等离子体鞘层加速；连续能量质子谱；细胞粒子模型中图分类号：V416．5；0539文献标识码：A文章编号：1673—1379(2010)05-0590-05DoI：10．3969，j．issn．1673—1379．2010．05．0090引言热控涂层是空间飞

3、行器热控系统的重要组成部分，在空间粒子辐照作用下其性能退化将影响到航天器的正常工作【l‘5】。目前，许多航天大国采用地面模拟的方法研究空间粒子辐照下热控涂层的性能退化规律【6】。美国波音公司的空间防御研究组采用吸收剂量等效的方法对A276白漆、TeflonFEP／A1、OSR等材料进行了在轨寿命预测【7‘8】。北京卫星环境工程研究所的冯伟泉等人【9】对F46二次表面镜、$781白漆等涂层在地球同步轨道环境下的性能演化规律进行了研究。哈尔滨工业大学的李春东等人[Io】采用效应等效的方法替代空间连续粒子谱，对TeflonFEP／Al涂层在地球同步轨道环境下的性能演化规律进行了研究和预测。由于

4、空间粒子谱是连续谱，地面模拟很难实现，因此，大多采用的是单一能量粒子替代空间连续谱”13】，这种替代方法的物理机制还需要进一步研究。我们提出了在一个脉冲宽度内获得连续能量质子谱的方法，即脉冲偏压氢等离子体鞘层加速技术的方法，开展了单一能量谱替代连续能量谱的物理机制研究。在此基础上，本文利用细胞粒子(particle．in．cell，PIC)模型对在3种脉冲偏压三角波作用下等离子体鞘层加速质子以获得连续能量质子谱的动力学过程进行了数值仿真研究，以期为电源优化设计提供理论基础。l模型本文采用一维PIC模型对氢等离子体(H+)鞘层加速下的离子运动进行数值计算。在模型中假设：1)离子与中性气体不

5、发生碰撞；2)等离子体中的带电粒子仅在电场力的作用下运动；3)理想情况下样品厚度为零，不考虑样品表面的充电效应；4)电子处于热平衡状态，电子密度服从玻耳兹曼分布为驴郴p㈡，其中：nO为等离子体密度；瓦为电子温度；痧为空间电位。根据泊松方程，空间电位为V2矽一．-一!-e(ni-ne)，％收稿日期：2010．06．01：修回日期：2010．08．18基金项目：国家自然科学基金资助项目(项目编号：50773015)作者简介：石经纬(1984一)，男，博士研究生，从事空间质子辐照效应研究．E-mail：jingweishi@163．com。第5期石经纬等：等离子体鞘层加速模拟质子辐照连续谱数值

6、仿真研究591空间电位矽与离子密度ni和电子密度，z。相联系；印为真空介电常数；e为电子／质子的电量。离子的运动符合牛顿运动方程：idv：qEm，(3)——=，Ijl出～其中：口为离子的电荷，m为离子的质量，1，为粒子的速度；E为空间电场。泊松方程采用有限差分法求解，离子运动采用蛙跳格式进行描述【141。图1为模拟区域及边界条件示意图。模拟区域左侧为施加了脉冲偏压的样品；右侧为真空室壁(接地)，其电势矽=OV。脉冲偏压波形为理想的三角波，即脉冲偏压在上升沿和下降沿均为线性变化，如图2所示。地面模拟试验中选取的质子能量一般在100keV左右【乳11】，为了计算方便，本文将脉冲偏压的幅值设为

7、．1000V(该电压下质子辐照结果与采用．100kV时具有相似的规律)，脉冲偏压脉宽为10岬。脉冲偏压的上升沿时间宽度分别设为0岬、5岬和10岬，对应标示为I型、Ⅱ型和ⅡI型。初始等离子体密度为l×1015m-3，初始离子温度等于中性气体温度0．026eV，离子均匀分布在模拟区域内。模拟区域被均匀划分为200个宽度为1姗的小网格，平均每个网格内粒子数目为1000个。图l模拟区域示意图Fig．1Schematicdiagramofth