用传输线和时域有限差分法计算电缆X射线响应.pdfVIP

第19卷 第12期 强 激 光 与 粒 子 束 Vo1．19，NO．12 2007年 l2月 HlGH POWER l ASER ANI)PARTlCl E BEAMS Dec．．2O07 文章编号： i00i-4322(2007)l2-2079—04 用传输线和时域有限差分法计算电缆X射线响应 李进玺， 程gl会， 周 辉， 吴 伟 (西北核技术研究所，西安 7】0024) 摘 要： 介绍了时域传输线和时域有限差分两种计算电缆x射线瞬态响应的方法，并利用电缆芯线总 电荷以及介质层的电荷分布，结合实验结果。分别给出了时域传输线模型中的电流源和时域有限差分模型中电 流密度的计算方法。作为例子，在 60 keV单能x射线垂直于电缆轴向辐照的条件下，采用两种方法计算了电 缆两端接匹配负载时负载上的电流响应；采用传输线方法计算了不同能量 x射线辐照电缆时的芯线负载电流 响应。计算结果表明，两种方法计算的电缆x射线瞬态响应是一致的；电缆介质层中存在静电场；x射线能量 不同时，电缆芯线负载电流存在最大值。计算中，电缆与x射线的作用采用蒙特卡罗方法计算。 关键词： 同轴电缆； 传输线方法； 时域有限差分方法； 瞬态响应 中图分类号： 0482．7 文献标识码： A 电子瞬时辐射效应(TREE)最主要的表现是脉冲X射线在电子系统中的半导体器件中引起的瞬态电流响 应，该瞬态电流可以分为器件内部产生的瞬态电流和器件外产生的瞬态电流两类。器件外瞬态电流一般是指 与电子设备相连的线缆上的瞬态电流。电子系统中常见的线缆主要有屏蔽电缆、导线和线路板布线等。脉冲 X射线辐照线缆时，线缆上由于电子发射或者电子沉积而存在的电子运动都会产生瞬态电流，该电流轻则干 扰、重则损伤与线缆相连的电子系统。因此，研究了解脉冲x射线效应及其辐照线缆时产生的响应电流规律， 并对此加以分析和预测，对优化抗脉冲x射线电缆，有效地进行脉冲x射线防护具有重要意义。 x射线垂直于电缆轴向辐照时，在电缆介质层内电荷分布沿轴向对称的假设条件下，文献[1]采用求解电 流连续性方程的方法计算了电缆介质层中的径向电流密度，并依此为Maxwell方程的电流源，计算了电缆的 X射线瞬态响应；在计算电流密度的过程中，忽略了电缆介质层被计算两次所带来的误差。 已知电位移矢量也可以得到电流密度，然后通过差分求解Maxwell方程可以计算得到电缆的x射线瞬态 响应。x射线垂直于电缆轴向辐照时，在电缆介质层内电荷分布沿轴向对称的假设条件下，本文采用时域有限 差分方法(FDTD)E 和传输线方法(TL) ]，建立了两种针对同轴电缆X射线响应的计算模型和相应的数值 模拟方法，不同方法的计算结果可以互相验证。 l 计算模型及方法 1．1 传输线(TL)模型 首先来分析如图l所示的同轴电缆受到脉冲x射线辐照时，护套、 屏蔽层、芯线以及介质层的电荷沉积情况。 一 同轴电缆受到脉冲x射线辐照时，因为发射电子，所以在电子射程 — — 范围内，护套、屏蔽层、芯线以及介质层产生了一部分的正电荷。同时，由 — — 于相互之间都有对方的电子沉积，因此，各层内都有一部分的负电荷，还 有另外一部分电子逃逸到电缆外部空间中。一般情况下，金属的光电产 … ，， … ． 额比介质的大，所以，总的来说，介质内的沉积电荷为负，导体内的沉积电 图1屏蔽电缆受辐照的几何模型 荷为正。由于介质层负电荷的作用，芯线正电荷中只有一部分用来产生 时变场，而另一部分用来产生静电场，至于逃逸到电缆外部空间中的电子则对时变场和静电场都没有影响，因 此，在电缆介质层内电荷分布沿轴向对称的假设条件下，如果已知芯线正电荷和介质层的负电荷的径向分布， 就可以利用高斯定理计算得到介质层内的电场分布，电场分布通过积分可以得到电缆芯线和屏蔽层之间的电 * 收稿日期：2007 05—14； 修订日期：2007—08—20 基金项目