星载微波环境下电子辐照介质带电效应及介电退化机理研究

Spaceborne dielectric microwave components perform to be lightweight, miniaturization and integrated, which are going to be a mainly form of spaceborne dielectric microwave components consequently. And spaceborne systems with better reliability in-orbit service are also required. However, in the harsh space radiation environment, charging effect and dielectric degradation mechanism due to E-beam irradiation comes to be a prominent threat on reliability of the spaceborne system. In this project, with the purpose of figuring out physical mechanism of charging effects and dielectric degradation mechanism under space microwave environment in space, we first investigate the interaction between electrons and material atoms in the complex environment of microwave field and self-built E-field to illuminate the characteristics of electron emission and internal charging states. By establishing a model of multiple physical process migration of scattered electron holes in the material and considering the superposition of the microwave composite electric field, the dynamic evolution characteristics of the charging state under composite field can be obtained. On this basis, the nonlinear polarization characteristics under the action of local strong electric field and the influence mechanism of excited free carriers on dielectric loss were established, and the self-consistent relationship between the charging effect and dielectric degradation characteristics was clarified. Meanwhile, the dielectric degradation mechanism was verified by ground simulation experiment and theoretical simulation. Methods and results in this project will help research and design high reliability spaceborne dielectric microwave components and can be used to improve satellite payload performances greatly.

星载介质微波部件具有重量轻、体积小、便于集成化等优点，是空间载荷的主要发展方向。而在复杂空间辐照环境下，微波介质受空间电子辐照产生的带电效应及其诱发的介电退化是制约星载介质部件在轨服役高可靠的关键因素。针对微波工况下电子辐照介质带电效应及介电退化机理不明的问题，本项目拟从微观角度，结合第一性原理和蒙特卡罗方法，探究在微波场和自建电场等复杂环境下电子与介质材料的相互作用；建立散射电子空穴在材料内多物理过程迁移模型，考虑微波复合电场的叠加作用，获得介质内带电状态的动态演变特性；研究介质内局部强场作用下的非线性极化特性，以及激发态自由载流子对介电损耗的影响机制，明确电子辐照带电效应与介电退化特性之间的自洽关系，通过地面模拟实验和理论仿真对介电退化机理进行验证。本项目的研究可对设计并实现高可靠、长寿命的星载介质微波部件在轨服役提供理论支撑，同时对载荷系统性能的提升有重要的战略意义。

本项目围绕空间电子辐照环境和微波环境下微波介质带电效应的动态演变特性和由此引起的介电性能退化特性展开理论研究。首先，采用基于蒙特卡洛数值模拟的第一原理方法研究了硅上石墨烯涂层的电子相互作用和二次电子发射。针对星载典型微波介质材料内入射电子与介质材料原子的碰撞过程，根据密度泛函理论（DFT）求解周期性晶格结构下材料的能量损失谱，结合非弹性散射的介电函数理论获得了内电子碰撞过程的非弹性散射截面和非弹性散射平均自由程，获得了材料内部散射和功函数对电子发射贡献理论；此其，采用基于流体模拟的时域有限差分(FDTD)方法，通过求解扩散方程、电流连续性方程、捕获方程和复合方程来获得了电子和空穴在持续电子辐照过程中的迁移、扩散、捕获和复合等动态演变过程；通过模拟和原位实验研究了电子束辐照聚四氟乙烯(PTFE)的放电特性和气体解吸机理，获得了介质材料在电子辐照下的表面化学状态退化机理和过程；最后，根据带电效应对介质材料的非线性极化特性，建立了在电子辐照所引起的局部带电作用下介质材料介电常数退化演变理论模型，并研究了多能电子辐照下的介质谐振器天线的动态充电特性及其影响，获得了电子辐照下介质材料介电退化和天线电性能退化规律。该研究有助于理解电子发射的微观机理以及介质受电子辐照后的动态微观机理，对面向空间电子辐照环境下的空间介质微带天线的研制具有参考意义。.该项目的研究成果共发表学术论文8篇（其中，第一标注6篇），著作2部（分别为第一标注和第二标注），授权发明专利2项，软件著作权1项，省级科学技术奖2项。本项目建立的二次发射理论模型已应用于国内唯一一个微放电仿真分析软件（MSAT 1.0 和 2.0）中；并牵引了中央军委基础加强重点项目的论证和立项工作（本项目负责人作为子课题负责人参研）；此外，本项目的研究成果为我国中星系列卫星的大功率三工器、转接头、天线阵列等多型号器件的研制和归零工作提供了重要的技术支撑。