引 言
航天器内部电介质的充电效应ＩＤＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ
ＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＣｈａｒｇｉｎｇ）主要由能量范围为０．１ 到１０
ＭｅＶ 的高能电子引起的，它们穿透航天器的屏蔽
层，沉积在电介质内，当电荷的积累率高于电荷的泄
漏率时，这些电荷产生的电场不断增加，有可能超过
介质的击穿阈值，引起放电（ＥＳＤ）．这种放电直接或
间接地耦合到航天器其它灵敏的或未加防护的电子
学电路，引起不同程度的损坏，特别易受损坏的是屏
蔽比较差的电缆、印刷电路板和热防护层，严重时甚
至导致航天器完全失效．近年来，高能电子环境引起
的卫星内部充电问题，越来越受到人们的重视，目前
已进行了大量的统计分析和数值模拟研究工作．
Ｗｒｅｎｎ通过对同步轨道通讯卫星ＤＲＡ 发生异常前
后高能电子环境的分析，得到了引起卫星异常的“结
论性证据”是高能电子流量［１］，类似这样的研究工作
还有许多，结论也很相近［２］．在最近十几年间，发生
过多次比较严重的空间高能电子引发的卫星内部充
电事件［１～４］．
从２００４年７月２５日开始的空间天气事件是近
年来较为剧烈的一次，在１５：１４ＵＴ 爆发了太阳Ｍ１
级耀斑和ＣＭＥ，并于１８：５５ＵＴ 引发质子事件，质子
事件在２６ 日的２２：５０ＵＴ 达到最大，最大通量为
２０８６ｐｆｕ［５］．行星际激波于２６ 日２２：２８ＵＴ 到达地
球，Ｋｐ指数达到６，磁暴开始．ＧＯＥＳ 卫星的数据显
示从７月２５日开始，空间高能电子和质子通量均有
大幅上涨（达到２～３个数量级）．质子通量在２９ 日
之后开始降低，至８ 月３ 日基本恢复平静状态的通
量水平．但能量＞０．６ＭｅＶ 的电子通量居高不下（高
于１０６ｃｍ－２·Ｓｒ－１·ｓ－１），直到８月７日才开始有所
回落．Ｈａｎ等［６］报告了在这次事件期间双星上发生
的仪器运行异常，认为由于ＴＣ１和ＴＣ２卫星轨道
不同，导致其经受的电子通量强度和仪器异常的发
生时间和频次也不同，这表明了这些异常与空间高
能电子导致的内部充电效应是相关的．
在地面进行辐射效应的模拟计算是保障卫星在
轨安全的重要手段之一，由于带电粒子与介质相互
作用过程的复杂性，以ＤＩＣＴＡＴ［７］为代表的现行模
拟软件一般以一些经验公式为基础进行近似的模
拟．而近年来，蒙特卡罗方法被引入到模拟计算中
来，ＧＥＡＮＴ［８］即是一个基于蒙特卡罗方法对粒子在
物质中传输过程进行模拟的程序包，被广泛应用于
高能物理、加速器，以及空间物理等领域．此前我们
已经使用该程序包计算过简单的平板介质在单一能
量的高能电子作用下的内部充电效应，并分析了不
同的电子能量、屏蔽厚度、介质厚度对充电效应的影
响［９］．对于这次发生于２００４年７月底到８月初的空
间电子暴事件，为了定量的计算这次事件期间卫星
内部充电效应的强度，并确认卫星异常的发生与空
间电子通量突增的关系，本文将模拟计算扩展应用
于一般化的星上分系统，它的位形和结构都比平板
介质要复杂的多，并将以真实的空间高能电子环境
监测数据作为入射电子的参数进行计算，并介绍了
从电子沉积的模拟结果计算充电效应造成的介质内
部最大电场强度的过程和方法．
１ 电场计算公式
对介质内部充电产生的电场的计算可以基于以
下理论：对于介质材料中累积的静电荷，可由高斯定
律得到内部电场；如果带电粒子是连续稳定的流进
和流出介质材料，则通过欧姆定律计算内部电场强
度是一个比较合适的办法．介质中的总电荷密度取
决于电子的沉积率和迁移率这两个过程的平衡，分
析一维平面介质板的简单情况，介质中的电流包括
传导电流和极化电流，总电流为［１０］
ε
犈（狓，狋）
狋
＋σ犈（狓，狋）＝犼（狓）， （１）
这里犈（狓，狋）是狓处的场强，σ是介质的电导率，ε是
介电常数，犼是狓处的电流密度，包括初级电子和次
级电子产生的电流．假设犼和σ 不随时间变化，狋＝０
时电场为零，解方程（１）就得到介质中的电场［１１］：
犈＝
犼
σ
１－ｅｘｐ －
［ （ σ狋）］ ε
＝
犼
σ
１－ｅｘｐ －
狋［ （ ）］ τ
， （２）
这里τ ＝ε／σ ，即大约经过时间τ 后，电场接近于饱
和值
１９３８
６期郝永强，等：用蒙特卡罗方法计算２００４年７月电子暴事件对星上分系统的内部充电效应(责任编辑：南粤论文中心)转贴于南粤论文中心: http://www.nylw.net(南粤论文中心__代写代发论文_毕业论文带写_广州职称论文代发_广州论文网）
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用蒙特卡罗方法计算2004年7月电子暴事件对星上分系统的内部充电
来源：地 球 物 理 学 进 展 作者：郝永强， 焦维新， 发表于：2010-01-13 21:02 点击：次
【关健词】蒙特卡罗方法，卫星内部充电，空间天气灾害
摘 要 在太阳的剧烈爆发事件期间，空间环境中的带电粒子能量和通量都得到显著增强，有时使卫星介质发生严
重的内部充电而导致星上系统发生故障．但由于粒子与介质相互作用的过程较为复杂，以往一般采用粒子射入介质
的经验公式对带电粒子在介质中的沉积进行模拟计算，而近年来蒙特卡洛方法逐渐成为能够进行更准确模拟的有效
办法．本文以２００４年７月底至８月初的空间天气事件为例，用基于蒙特卡罗方法的ＧＥＡＮＴ 工具包模拟空间高能电
子在卫星分系统的印刷电路板（ＰＣＢ）中的沉积，计算由于内部充电效应造成的ＰＣＢ 内部电
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