星用介質(zhì)材料表面充放電效應(yīng)試驗研究

鄭漢生，蔡明輝，劉小旭，張振龍，韓建偉，左 易

(1. 四川航天系統(tǒng)工程研究所，成都 610100； 2. 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190；3. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

近地空間環(huán)境中，高能粒子輻射和等離子體是引起航天器材料和器件性能退化甚至失效的兩大主要環(huán)境因素[1-2]。來源于銀河宇宙線、太陽宇宙線和地球輻射帶的高能粒子構(gòu)成了近地空間的粒子輻射環(huán)境，而地球電離層和整個磁層則構(gòu)成了近地空間的等離子體環(huán)境。由于空間帶電粒子能量分布的連續(xù)性，通常將50keV以下的帶電粒子歸為等離子體環(huán)境[3]。

空間等離子體導(dǎo)致的航天器外表材料的電荷積累現(xiàn)象稱為表面充電[4-5]。若航天器表面由導(dǎo)電材料組成，則整個航天器將被充至相同的懸浮電位，稱為絕對充電。對于絕緣表面，不同特性、不同結(jié)構(gòu)以及處于不同環(huán)境條件的材料會各自達到局部充電平衡，從而可能導(dǎo)致不同表面間存在電勢差，這被稱為不等量充電。絕對充電會影響科學(xué)載荷對帶電粒子的探測，加劇材料的表面污染。而不等量充電則是誘發(fā)表面放電的主要原因，放電會對材料性能和電子系統(tǒng)產(chǎn)生影響甚至損傷。尤其是在溫度高達keV～幾十keV的熱等離子體環(huán)境中(如極光沉降粒子和亞暴注入粒子)，航天器容易發(fā)生高達負幾千伏以上的表面充電效應(yīng)，發(fā)生表面放電的風(fēng)險很高。

對于直接暴露于空間等離子體環(huán)境的航天器介質(zhì)材料，如熱控薄膜、艙外電纜、光學(xué)窗口等，在工程應(yīng)用中如何防護介質(zhì)的表面充放電效應(yīng)是不容忽視的重要問題。本文選取幾種典型的星用聚合物介質(zhì)材料進行了表面充放電地面模擬試驗，測量了介質(zhì)材料的表面充電電位以及放電脈沖，為工程應(yīng)用中介質(zhì)材料的表面充電防護設(shè)計提供了依據(jù)和參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗裝置

試驗在中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心的“航天器充放電模擬裝置”(Spacecraft Charging and Discharging Simulator, SCADS)[6-7]上進行。SCADS主要由真空室及真空泵組、電子輻照源、溫控樣品臺、屏蔽及傳動系統(tǒng)和參數(shù)測量系統(tǒng)組成，其用于模擬空間電子環(huán)境的電子輻照源包括一臺5keV～100keV的電子槍以及活度達350mCi的90Sr-90Y放射源，利用電子槍和β放射源可以較真實地模擬極區(qū)沉降粒子和亞暴注入粒子環(huán)境，以及外輻射帶具有連續(xù)能譜結(jié)構(gòu)的高能電子環(huán)境。利用該裝置可開展航天介質(zhì)材料充放電特性研究、介質(zhì)材料電導(dǎo)率測量以及航天器部件和單機設(shè)備充放電風(fēng)險評估。

1.2 試驗樣品

試驗樣品為4種不同的介質(zhì)材料，分別記為#1、#2、#3和#4，均為邊長8cm左右的方形樣品，實物如圖1所示。#1樣品為聚酰亞胺(PI)薄膜，厚度約為16μm，其背面與鋁基板絕緣，前表面的一角用銅膠帶與鋁板連接；#2樣品為表面鍍鋁(0.2μm)的PI薄膜(16μm)，PI薄膜背面以及表面的鍍鋁薄膜均與鋁板絕緣；#3樣品為聚四氟乙烯(PTFE)天線罩，天線罩底座通過金屬螺釘固定于鋁板上；#4樣品為擬應(yīng)用于天線罩表面的黑色PI滲碳復(fù)合薄膜。PI滲碳復(fù)合薄膜具有良好的導(dǎo)電性，其背面與鋁板絕緣，表面用銅膠帶與鋁板連通。試驗時，承載樣品的鋁基板均保持接地狀態(tài)。

圖1 樣品實物圖Fig.1 Experimental samples

1.3 試驗方法

利用SCADS的單能電子槍對上述4種樣品進行表面充放電試驗。圖2為試驗時真空室內(nèi)外布置圖。將試驗樣品水平放置，使樣品的輻照面朝上處于電子槍束流中心。法拉第杯和皮安表用于電子通量的實時測量，電位探頭和靜電電位計用于對樣品表面電位進行非接觸式感應(yīng)測量，電場脈沖儀用于樣品放電電場脈沖的監(jiān)測，羅氏線圈用于檢測放電時樣品背部鋁板的電流脈沖。為避免試驗期間其他無關(guān)部件受到散射電子的輻照而發(fā)生放電，對真空室內(nèi)的電纜及其他絕緣部件采取適當(dāng)屏蔽措施，并確保不存在任何與試驗無關(guān)的未接地金屬。

試驗期間真空室的真空度≤5.0×10-4Pa，溫度保持為室溫(～25℃)。為模擬磁層亞暴粒子導(dǎo)致的表面充電效應(yīng)，電子能量調(diào)節(jié)為30keV(在PI中的射程約為10μm)，電子通量從100pA/cm2開始，根據(jù)試驗情況逐步調(diào)節(jié)至1nA/cm2。試驗中，用圓形電位探頭對樣品的表面電位進行不定時抽樣測量。為有效檢測樣品的放電電流脈沖，樣品背部鋁板用導(dǎo)線穿過Pearson 6595型羅氏線圈后再接地。羅氏線圈信號以及電場脈沖儀信號均連接至示波器用于放電事件的自動監(jiān)測記錄。電場脈沖儀對放電脈沖具有很高的靈敏度，將其信號作為發(fā)生放電事件的判據(jù)。

圖2 試驗布局圖Fig.2 Experimental setup

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 試驗結(jié)果

#1樣品PI薄膜背面與鋁基板絕緣，即背面未接地，而上表面只有其中一角用金屬膠帶與鋁板進行了連接。試驗時電子槍電子能量調(diào)節(jié)為30keV，初始通量調(diào)節(jié)為100pA/cm2，輻照20min未見放電；接著將電子通量調(diào)節(jié)至500pA/cm2左右，輻照16min只記錄到一次放電；此后進一步將電子通量升高至約1nA/cm2，放電開始頻繁發(fā)生，在持續(xù)輻照76min期間，共記錄到39次放電事件。#1樣品試驗期間的表面電位抽樣測量結(jié)果以及放電時刻如圖3所示，表面負電位最高在兩三千伏左右。

圖3 #1樣品試驗結(jié)果Fig.3 Experimental results of sample #1

#2樣品PI薄膜表面進行了鍍鋁處理，雙面均未接地。試驗初始階段同樣以100pA/cm2的電子通量進行輻照，19min內(nèi)記錄到4次放電；電子通量提高到500pA/cm2后，持續(xù)輻照39min，發(fā)生放電23次；最后將通量升至1nA/cm2，10min內(nèi)樣品放電高達18次。#2樣品的表面電位及放電發(fā)生時刻如圖4所示，表面電位最高在kV量級。

圖4 #2樣品試驗結(jié)果Fig.4 Experimental results of sample #2

#3樣品PTFE天線罩表面未進行防靜電處理，在100pA/cm2的較低通量輻照下，由于天線罩較厚，樣品表面距離接地點(零電位點)較遠，5min后充電電位便達到-15kV，30min內(nèi)發(fā)生放電2次；電子通量升高到500 pA/cm2后，10min內(nèi)放電4次；最后階段在1nA/cm2的高通量輻照下，30min內(nèi)記錄到放電事件24次。圖5為#3樣品試驗期間的表面電位和放電發(fā)生時刻。

圖5 #3樣品試驗結(jié)果Fig.5 Experimental results of sample #3

#4樣品為通過滲碳處理的PI復(fù)合薄膜，具有良好的導(dǎo)電性，樣品前表面通過銅膠帶接地。用萬用表測量薄膜表面各點與鋁板間的電阻，均小于200kΩ。試驗期間，先后以100pA/cm2、500pA/cm2以及1nA/cm2的電子通量分別輻照20min，均未見放電。電位測量結(jié)果(見圖6)顯示，薄膜表面剛開始帶十幾伏的微弱負電位，隨著電子束流的增強，漸漸向正電位偏移，最高達百伏量級，這可能與滲碳PI薄膜的表面二次電子發(fā)射特性有關(guān)。

圖6 #4樣品試驗結(jié)果Fig.6 Experimental results of sample #4

2.2 分析與討論

試驗中進行表面電位測量時，須遮擋電子束流并移動電位探頭至測量位置，由于操作耗時難以準(zhǔn)確地在放電瞬間對電位進行快速測量，因而只進行了一系列抽樣測量。從幾種樣品的表面電位變化情況來看，#1和#3樣品在放電過程中表面電位變化不大，這是由于介質(zhì)表面放電釋放的電荷量只占很小一部分(通常為10%～20%)[8]；而#2樣品在放電過程中表面電位波動明顯，說明懸浮導(dǎo)體參與放電時，一次放電的電荷釋放量更大。

試驗前曾對未放置樣品的樣品臺進行了持續(xù)1h以上的電子輻照，電場脈沖儀未發(fā)生響應(yīng)，這說明試驗中的電場脈沖儀信號均來自樣品放電。而試驗期間記錄到的#1～#3樣品所有放電事件中，只有少部分事件電場脈沖儀和羅氏線圈同時記錄到了信號，羅氏線圈沒有記錄到電流脈沖信號與樣品表面放電產(chǎn)生的吹離電荷的流向有關(guān)。只有當(dāng)表面吹離電荷被樣品附近其他接地金屬部件收集后，樣品背部鋁板才會產(chǎn)生由鏡像電荷移動導(dǎo)致的脈沖電流。典型的表面放電電場脈沖和電流脈沖信號如圖7所示。試驗中電場脈沖儀與樣品距離約為20cm，探測到的電場脈沖主要表現(xiàn)為靜電場分量，在距離較遠的遠場區(qū)高頻輻射分量才會逐漸顯現(xiàn)出來。電流脈沖為高頻衰減振蕩信號，持續(xù)時間幾百ns～幾μs，其振蕩特性與放電回路的阻抗特性有關(guān)[9]。

圖7 典型的放電電場脈沖信號和電流脈沖信號Fig.7 Typical waveforms of ESD pulse

對幾種樣品在不同電子通量輻照下的放電頻率進行統(tǒng)計，如圖8所示。可以看出，電子輻照強度越大，發(fā)生放電的頻率明顯越高。#1樣品的PI薄膜只有前表面小范圍局部接地，雖然能在一定程度上抑制放電風(fēng)險和頻率，但在nA/cm2量級的強流輻照下，接地不充分導(dǎo)致放電依然很頻繁。#2樣品的PI薄膜由于雙面均未接地，其放電風(fēng)險明顯比#1樣品更高。#2樣品表面的鋁膜厚度約為200nm，且未接地，鋁膜成為懸浮導(dǎo)體，雖然試驗中30keV的電子幾乎都能穿透鋁膜不會沉積在懸浮導(dǎo)體中，但空間實際情況下電子能量是連續(xù)的，低能電子仍能沉積在暴露的懸浮導(dǎo)體表面，從而加劇放電風(fēng)險。需指出的是，試驗中采用單能電子輻照導(dǎo)致的表面充電一定程度上比空間寬能譜電子輻照下更為惡劣，一方面空間的低能電子會增加介質(zhì)材料的二次電子發(fā)射系數(shù)而降低表面負電位;另一方面空間中完全穿透表面材料的高能電子所造成的輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率也給介質(zhì)沉積電荷的泄放帶來積極影響。

圖8 放電頻率隨電子通量的變化Fig.8 Variations of ESD frequency with electron flux

#3樣品PTFE天線罩由于介質(zhì)較厚，其表面充電電位明顯比薄膜材料更高。表面電位越高時，與相鄰部件表面形成高電位差而發(fā)生間隙放電的風(fēng)險也更大。#4樣品良好的導(dǎo)電性使其具有較強的抵御表面充電危害的能力。NASA-HDBK-4002A指出，為防護表面充電，應(yīng)用于絕緣基底上的材料必須在邊緣接地，且面電阻率小于109ohm/sq[10]，為避免PTFE天線罩在空間熱等離子體環(huán)境中遭受表面充放電危害，應(yīng)考慮對其表面采取涂覆導(dǎo)電膜等措施來進行防靜電處理。

3 結(jié)論

本文利用電子槍對幾種不同的星用介質(zhì)材料進行了表面充放電模擬試驗，測量了表面充電電位，記錄了不同輻照強度下的放電脈沖信號，試驗結(jié)果及分析表明：

1)高電阻率的航天器表面介質(zhì)材料，尤其是聚合物材料，在未進行充分和恰當(dāng)?shù)谋砻娉潆姺雷o設(shè)計時容易發(fā)生高電位充電而誘發(fā)表面放電，開展地面模擬試驗?zāi)苡行гu估材料的充放電風(fēng)險；

2)聚酰亞胺薄膜在接地處理不當(dāng)時，幾十keV的單能電子輻照可使其表面電位充至千伏以上，電子通量在數(shù)百pA/cm2或更高時容易發(fā)生表面放電，且電子通量越高，放電越頻繁；3)表面鍍鋁的聚酰亞胺薄膜在鋁膜未接地情況下，電子通量高于100pA/cm2時就會發(fā)生表面放電。未接地的懸浮導(dǎo)體沒有電荷泄放通道，在電子持續(xù)輻照下放電是必然的，且放電時釋放的電荷量和能量相比介質(zhì)表面放電更大。航天工程應(yīng)用中應(yīng)盡量杜絕懸浮導(dǎo)體的存在；

4)聚四氟乙烯天線罩在表面未進行防靜電處理時易發(fā)生高電位表面充電，放電風(fēng)險非常大。而黑色聚酰亞胺滲碳膜由于導(dǎo)電性能良好，在電子通量高達1nA/cm2時仍能有效抑制表面充放電。將此種薄膜應(yīng)用在天線罩表面并接地，將大大降低天線罩的表面充放電風(fēng)險，有效保護天線罩內(nèi)部的電子學(xué)部件。