X射线辐照下聚酰亚胺材料空间电荷分布特性的数值模拟

摘要

针对特种装备用聚酰亚胺材料在X射线辐射环境下，介电强度下降导致装备可靠性降低的问题，提出了改进的双极性载流子输运模型，分析聚酰亚胺在辐射环境下的载流子输运机制。通过在连续性方程的源项中添加载流子激发率，表征X射线辐照引起电子-空穴对的激发过程。基于偏微分方程组的高精度求解算法，在偏置电场强度为20～100 kV·mm^-1和X射线辐射剂量率为0～10 Gy·s^-1的条件下，开展聚酰亚胺空间电荷和总电流密度的数值模拟。研究结果表明：偏置电场与辐射剂量率越大，聚酰亚胺内部的空间电荷积累越多；在不同剂量率X射线的辐照作用下，积累电荷的极性由负极性转变为正极性，其电荷密度与剂量率成正相关，最高可达41.2 C·m^-3;材料总电流密度随时间呈幂指数方式增长，随后趋于稳定；辐照作用下的该幂指数与辐射剂量率呈负相关，但均高于无辐照时的情况；无辐照条件下，随着偏置电场的增加，电流密度稳态值从1.1×10^-9 A·m^-2增加至7.9×10^-8 A·m^-2,并且该电流密度的稳态值和偏置电场存在分段的幂指数关系；在同一偏置电场下，电流密度与辐射剂量率成正比，随着辐射剂量率的增加，电流密度稳态值可增加至1.2×10^-5 A·m^-2。该研究对介质材料X射线辐射效应的模拟提供了借鉴意义。

关键词

双极性载流子输运 / 载流子激发率 / 空间电荷 / 数值模拟 / 辐射效应

基金资助

国家重点研发计划资助项目（2022YFF0705600）; 强脉冲辐射环境模拟与效应全国重点实验室开放基金资助项目（NKLIPR2318）; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（xzy022024067）