在空间带电介质中，电介质击穿过程中瞬时电树形成的仿真与建模

《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》：Simulation and Modeling of Prompt Electrical Tree Formation During Dielectric Breakdown in Space-Charged Dielectrics

电气树是空间辐射环境下聚合物介质受带电粒子轰击时的主要劣化机制，其形成涉及纳秒级电荷快速逸出过程。本文开发并验证了一种新型仿真模型，通过几何模型与RLC电路模型结合，可准确预测Lichtenberg图的形成速度与侵蚀前沿发展规律，实验验证显示模型R2值达0.93，为空间设备绝缘防护提供了理论工具。

　　

摘要：

电树效应是聚合物电介质材料在受到带电粒子轰击时主要的劣化机制。当材料暴露在太空辐射环境中时，就会发生这种轰击。电树效应是由于嵌入材料中的电荷快速释放所导致的，通常最终会导致设备灾难性故障。本文概述了一种新型仿真模型的开发与验证过程，该模型用于描述聚甲基丙烯酸甲酯（DMMA）电介质内部的电树放电现象，但该模型同样适用于其他类似的电介质材料。电介质材料具有优异的绝缘性能，在航空航天应用中至关重要；然而，由于电树效应导致的放电故障对在轨设备构成了重大风险，可能损坏昂贵的设备、影响任务目标，并危及机组人员的安全。本文利用了新型成像技术的成果，揭示了电树效应的特征，例如侵蚀波前的传播速度以及被释放电荷的释放速度。文中提出了几何模型和RLC模型来模拟这种现象，并提出了一个包含这些信息的Lichtenberg图（LF）发展随机模型，将其与实验结果进行比较，验证了模型的有效性（R2值为0.93），同时指出了未来需要进一步研究的领域。

引言

在太空飞行器中，使用电介质材料的电气系统（无论是电缆、电容器还是集成电路）都可能随时间发生故障。当这些电介质材料暴露在太空辐射环境中时，会捕获并储存带电粒子。这些额外的电荷会产生电场，其强度会逐渐增加，直到超过材料的介电强度。当电荷被释放时，材料会发生击穿并形成Lichtenberg图（LF），留下特征性的损伤痕迹。由于电荷积累导致的这种电介质击穿现象在航天器电气系统中可能造成严重损害，据信是卫星故障的主要原因之一[1]、[2]。尽管电树效应对航天器的性能和寿命有显著影响，但目前对太空环境中带电材料快速（纳秒级）击穿及电树形成的机制了解甚少。本文提出的模型是一种新的工具，有助于更好地表征这些放电事件。