介質(zhì)材料形狀對表面電位衰減特性的影響

代銀松， 張希軍， 原青云， 范亞杰

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)靜電與電磁防護(hù)研究所, 河北 石家莊 050003)

航天器的設(shè)計(jì)組裝會(huì)涉及到介質(zhì)材料的選取，在空間等離子體作用下不同形狀的介質(zhì)材料具有不同的帶電特性，而航天器介質(zhì)表面的電荷積累有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的靜電放電危害[1-4]。目前，研究者對航天器介質(zhì)材料的帶電行為進(jìn)行了大量的地面模擬研究[5-9]，如：蘇泉圣[6]系統(tǒng)地研究了介質(zhì)材料的形狀、面積和厚度對介質(zhì)材料充電速率和平衡電位的影響規(guī)律，得出平衡電位隨著材料厚度和面積的變大而上升，且受形狀的影響；李得天[7]研究了介質(zhì)材料面積對表面充放電的影響，得出形狀、厚度和接地結(jié)構(gòu)等因素對充電特性的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[10-14]的作者通過電暈充電向圓形介質(zhì)材料表面注入電子的方法，研究了材料表面電位衰減規(guī)律，得出介質(zhì)材料表面電荷的消散主要受表面電導(dǎo)率的影響，但未研究介質(zhì)材料表面電位衰減過程中形狀對泄漏電流的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[6]研究結(jié)果及介質(zhì)材料的表面電荷衰減機(jī)理可以推斷，介質(zhì)材料形狀很可能影響介質(zhì)表面電位衰減特性。

為了揭示介質(zhì)材料形狀對表面電位衰減的影響機(jī)理，深入研究介質(zhì)材料在充電過程中形狀對充電平衡電位的影響，筆者通過模擬空間環(huán)境下介質(zhì)材料的充電過程，使不同形狀的介質(zhì)材料帶有相同的電位，然后利用非接觸式電位計(jì)監(jiān)測介質(zhì)材料表面電位的衰減情況，分析材料形狀對介質(zhì)材料表面電位衰減的影響機(jī)制，以期為航天器介質(zhì)材料的帶電防護(hù)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置

依據(jù)航天器表面帶電機(jī)理，通過模擬主要的空間充電環(huán)境因素，實(shí)現(xiàn)對航天器表面材料的充電，從而進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，這樣可減輕外界環(huán)境對測量結(jié)果的干擾及大幅降低實(shí)驗(yàn)成本。

航天器介質(zhì)材料表面帶電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 航天器介質(zhì)材料表面帶電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由電子槍、電子槍控制系統(tǒng)、電位檢測系統(tǒng)、真空室、冷板溫度控制系統(tǒng)、真空控制系統(tǒng)及電腦控制系統(tǒng)組成，其利用單一電子槍發(fā)射電子束流，模擬地球同步軌道地磁亞暴等離子體環(huán)境的入射電子束流，從而使介質(zhì)材料表面帶電。

1)空間低能電子充電設(shè)備。電子槍在電子槍控制系統(tǒng)的作用下發(fā)射具有一定能量和密度的電子束流，給介質(zhì)材料充電，其中電子能量為0～30 keV(可調(diào))，電子束流密度為0～20 nA/cm2(可調(diào))，電子不均勻度小于30%。

2)真空控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含真空室、機(jī)械泵、分子泵和氣瓶等設(shè)備。其中，真空室為內(nèi)直徑50 cm、長度50 cm的圓柱罐體，側(cè)面上裝有4個(gè)法蘭(2個(gè)觀測法蘭、1個(gè)信號(hào)線法蘭及1個(gè)備用法蘭)，最低真空度可達(dá)10-5Pa，通過外接純凈氣體氣瓶和流量質(zhì)量控制器實(shí)現(xiàn)對真空罐內(nèi)真空度的調(diào)節(jié)。

3)冷板溫度控制系統(tǒng)。通過冷卻塔和溫度控制設(shè)備對油液溫度進(jìn)行控制，然后通過油液循環(huán)控制真空室內(nèi)的冷板溫度。其中：冷板的作用是為介質(zhì)材料背面提供接地，并通過溫度控制設(shè)備和油路實(shí)現(xiàn)對冷板溫度的控制；金屬支架的作用是排除冷板對入射電子束流均勻度的影響，同時(shí)使介質(zhì)材料背面接地，并在冷板和介質(zhì)材料之間進(jìn)行溫度傳導(dǎo)。

4)電腦控制系統(tǒng)。通過傳感器將信號(hào)傳遞給電腦，實(shí)現(xiàn)對溫度、真空度、機(jī)械泵和分子泵工作狀態(tài)的監(jiān)控，同時(shí)可通過電腦的指令傳輸完成對溫度和真空度等的調(diào)節(jié)。

5)非接觸式電位計(jì)。由非接觸式電位計(jì)探頭和電位檢測系統(tǒng)組成。其中，非接觸式電位計(jì)探頭安裝在介質(zhì)材料上方的操作桿上，距介質(zhì)材料6 cm，在不使用時(shí)可移動(dòng)到其他位置。該非接觸式電位計(jì)型號(hào)為EST102，用于實(shí)時(shí)檢測介質(zhì)材料表面電位。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品處理及實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)樣品處理：將介質(zhì)材料背部通過導(dǎo)電銀膠和相同尺寸的鐵板(厚度為1 mm)均勻黏合接地，并用重物按壓36 h，以保持其表面平整；實(shí)驗(yàn)前，用無水乙醇清洗介質(zhì)材料表面，風(fēng)干備用；黏合有聚酰亞胺材料的鐵板通過導(dǎo)電錫箔紙固定在金屬支架的小圓盤上，開啟電子槍使介質(zhì)材料帶相同的初始電位，再用非接觸式電位計(jì)檢測電位的變化情況。

實(shí)驗(yàn)條件為：電子束流密度為1 nA/cm2，電子能量為20 keV；介質(zhì)材料為聚酰亞胺薄膜，其厚度為100 μm；圓形、正方形和等邊三角形樣件的面積均為50.24 cm2；真空度為3×10-4Pa；冷板溫度為16.8 ℃。

2 測量方法

2.1 電子束流密度的測量

電子束流密度用皮安表6485配合法拉第杯進(jìn)行測量，其中法拉第杯圓孔直徑為0.7 cm(電子垂直入射的圓孔)，高度為6.8 cm。用紙杯和細(xì)銅線將法拉第杯固定在冷板上，法拉第杯的輸出信號(hào)線經(jīng)法蘭引出后接到皮安表上，法拉第杯外殼通過與冷板接觸而接地；為防止電子槍不穩(wěn)定產(chǎn)生的尖峰脈沖傷害皮安表，在皮安表信號(hào)線入口處串聯(lián)1個(gè)20 MΩ的電阻。皮安表讀數(shù)為I，則電子束流密度為

J=I/(0.352π)。

(1)

2.2 表面電位的測量

采用非接觸式電位計(jì)測量表面電位，其實(shí)質(zhì)是對材料表面電場的測量，基本方法為靜電感應(yīng)法。利用電容分壓原理，通過電位的校準(zhǔn)和標(biāo)定測量帶電樣件的電位，所得電壓是探頭相對有效面積的平均值，其基本過程為:首先，選好量程，將儀表開機(jī)預(yù)熱20 min；然后，利用與被測物件形狀、大小都相同的校準(zhǔn)件將電位計(jì)調(diào)零，并將校準(zhǔn)件和電位計(jì)的零電位端口相連；最后，將校準(zhǔn)件和1 kV或100 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓相連，以使其讀數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)電壓相同，完成對電位計(jì)的標(biāo)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 充電時(shí)長

3種形狀介質(zhì)材料的充電曲線如圖2所示。可以看出：3種形狀介質(zhì)材料充電到相同電位8 750 V所用的時(shí)間不一致，其中圓形介質(zhì)材料充電時(shí)間最短，正方形的次之，三角形的充電時(shí)間最長。

圖2 3種形狀介質(zhì)材料的充電曲線

在地面模擬航天器帶電的過程中，主要考慮入射電子束流、二次電子流和泄漏電流對帶電過程的影響，其中：電子能量相同，則介質(zhì)材料中電子束流的入射深度相同；電子束流密度一定，則單位面積上沉積的電荷量相同；介質(zhì)材料的總面積一定，則二次電子流基本不變。因此，唯一影響介質(zhì)材料充電速度的因素是泄漏電流，即介質(zhì)材料表面電位的衰減效率。

3.2 表面電位衰減效率

設(shè)U0為初始電位值，U(t)為t時(shí)刻的電位，則t時(shí)刻介質(zhì)材料的表面電位衰減效率η為

η=[U0-U(t)]/U0×100%。

(2)

利用式(2)可求得一定時(shí)間段內(nèi)3種形狀介質(zhì)材料表面電位的衰減效率。3種形狀介質(zhì)材料樣件充電到8 750 V后，其表面電位隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示。

圖3 3種形狀介質(zhì)材料表面電位隨時(shí)間的變化曲線

結(jié)合圖3和式(2)可得，介質(zhì)材料表面電位衰減效率呈指數(shù)變化，并與其形狀密切相關(guān)：3種形狀的介質(zhì)材料樣件初始電位均為8 750 V，經(jīng)過45 min的衰減后，圓形、正方形和三角形介質(zhì)材料的電位分別為7 125、5 875、5 162.5 V，衰減效率分別為18.5%，32.85%、41%，說明圓形介質(zhì)材料表面電位的衰減速度最慢，衰減效率最低，正方形次之，而三角形的介質(zhì)材料表面電位的衰減速度最快，衰減效率最大。這個(gè)規(guī)律和圖2所示的充電規(guī)律相吻合。

4 表面電位衰減機(jī)理

介質(zhì)材料的形狀決定介質(zhì)材料邊緣的長度，其決定介質(zhì)材料表面電荷的分布和切向電場的強(qiáng)度，以及影響電荷的表面?zhèn)鲗?dǎo)。上述實(shí)驗(yàn)中介質(zhì)材料的厚度相等，幾何中心點(diǎn)的初始電位值相同，則體傳導(dǎo)電流對電位衰減的影響程度也相等，因此主要分析形狀的改變對表面電荷消散的影響。

面積相同、形狀不同的介質(zhì)材料實(shí)驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，其中：r為圓形介質(zhì)材料的半徑；a、b分別為正方形介質(zhì)材料中心點(diǎn)到材料邊緣的最短、最長距離；c、d分別為等邊三角形介質(zhì)材料中心點(diǎn)到材料邊緣的最短、最長距離。

為便于分析，將介質(zhì)材料極限邊緣位置的電位都等效為零電位。介質(zhì)材料中心點(diǎn)電位過渡到零電位的過程中，等電勢線與介質(zhì)材料邊緣形狀相同，則中心點(diǎn)電荷移動(dòng)到邊緣的泄放通道主要取決于二者之間的最短距離，距離越短，則表面電阻值越小。圓形、正方形和三角形介質(zhì)材料從中心點(diǎn)到邊緣的距

圖4 3種形狀的介質(zhì)材料實(shí)驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)示意圖

離分別為r、a～b和c～d。假設(shè)3種介質(zhì)材料的面積均為S，則有

(3)

由式(3)可得：c2

介質(zhì)材料中心點(diǎn)的電勢最高，介質(zhì)材料邊緣的電勢最低。在切向電場的作用下，介質(zhì)材料表面電荷會(huì)沿四周向邊緣擴(kuò)散，由于介質(zhì)材料周長和邊緣等電勢線長度近似相等，因此周長會(huì)影響介質(zhì)材料表面電位的衰減速度。假設(shè)圓形、正方形和等邊三角形介質(zhì)材料的周長分別為l1、l2、l3，則有

(4)

綜上可知：當(dāng)介質(zhì)材料面積和厚度相等時(shí)，電荷主要泄放通道的等效電阻越小，介質(zhì)材料邊緣等勢線(零電勢)越長，則介質(zhì)材料表面衰減得越快，在一定時(shí)間段的表面電位衰減效率越大。

5 結(jié)論

利用航天器介質(zhì)材料表面帶電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究了空間環(huán)境下介質(zhì)材料表面電位衰減特性和形狀的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

1)在空間環(huán)境中，不同形狀的介質(zhì)材料表面電位的衰減效率均呈指數(shù)變化的趨勢，且主要受到泄漏電流的影響。

2)介質(zhì)材料的形狀影響航天器介質(zhì)材料的充電速度和表面電位衰減速度。航天器介質(zhì)材料在上述3種形狀中應(yīng)選擇三角形的介質(zhì)材料，這是因?yàn)檫x擇表面電位衰減速度快的介質(zhì)材料有利于降低介質(zhì)材料的放電幾率。

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