1.5 MeV电子辐照下高压电缆内带电效应研究

王　俊，李得天，杨生胜，秦晓刚，陈益峰，柳　青，陈学康

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州　730000）

1.5 MeV电子辐照下高压电缆内带电效应研究

王俊，李得天，杨生胜，秦晓刚，陈益峰，柳青，陈学康

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

随着我国卫星长寿命高性能的需求，离子电推进器的使用也将成为一种必然趋势。针对中、高轨道卫星离子电推进器采用的高压电缆在高能电子辐照下引发的内带电效应，导致电推进系统工作故障的问题，测试了高压电缆在1.5 MeV高能电子辐照下产生电荷积累和不同高工作电压下共同作用产生的不同幅值静电放电脉冲信号，同时，采用蒙特卡洛方法分析高能电子沉积的位置，并采用有限元法分析高压电缆在高工作电压下的内部电场的分布和变化，为离子电推进器的高压电缆内带电防护技术奠定基础。

内带电效应；静电放电；蒙特卡洛方法；有限元法

0　引言

当出现较大的空间辐射环境扰动事件时，如太阳耀斑爆发、太阳日冕物质抛射、地磁暴或地磁亚暴等，大量的空间高能电子注入地球外辐射带（3～7Re，Re为地球半径），可使得地球辐射带中的高能电子通量的幅度大大增加，其中能量位于0.1～10 MeV范围内的高能电子具有很强的穿透能力，将直接穿透卫星的表层结构或仪器设备外壳，嵌入到内部的电路板（PCB板）、同轴电缆绝缘层等介质材料中，导致绝缘介质内部电荷沉积从而建立电场的过程，这一过程就称为介质内带电效应［1-4］。

近年来，随着卫星长寿命高性能的需求，卫星将采用高比冲、长寿命、高效率的离子电推进系统。离子电推进可大幅减少推进剂的携带量，显著提高有效载荷比，延长卫星寿命。离子电推进系统的功率为1 000 W，部分部件工作在1 100 V左右。当使用电推进器的卫星运行在中、高轨道，其辐射环境相当恶劣，高压大功率部件的使用会产生严重的内带电问题。文章分析了星用高压电缆在高能电子辐照下的内带电效应，测试在高能电子辐照下和高工作电压共同作用下静电放电脉冲信号［5-8］，采用蒙特卡洛法计算入射高能电子在高压电缆的沉积位置，确定高压电缆静电放电发生的位置；此外，采用有限元法分析高压电缆在高工作电压下的内部电场分布和变化，确定高压电缆在高能电子辐照和高工作电压叠加作用下是否更容易发生静电放电，为下一步高压电缆内带电防护技术奠定基础。

1　高压电缆静电放电试验

1.1试验设备及仪器

高压电缆静电击穿试验主要的设备及仪器包括：ILU-6电子加速器、真空靶室、真空抽气系统、法拉第筒、束流积分仪、脉冲电流探针、示波器、存储记录仪和高压电源，如图1所示。采用ILU-6型高能电子加速器产生高能电子，并通过散射板降低束流密度，使加速器产生的高能电子束流密度为2pA/cm2，从而能够模拟空间高能电子环境。同时，采用由法拉第筒、多层屏蔽结构和束流积分仪组成的弱电子束测试系统监测高能电子的束流密度。

图1　高压电缆静电放电试验设备及仪器图

1.2样品制备

试验中选用的高压电缆为电推力器使用的电缆，包括四层：芯线（铜）、内绝缘层（交联ETFE）、屏蔽层（镀银铜）和外绝缘层（交联ETFE），如图2所示，芯线直径为1.24 mm，其余各层厚度从内到外依次是0.41 mm、0.24 mm和0.23 mm。选取10根0.8 m的高压电缆组成试验样品，固定在样品夹具上。

图2　高压电缆结构示意图

1.3测试方法

为模拟高压电缆的实际工况，采用稳压高压电源给10根高压电缆芯线提供工作电压，同时将高压电缆屏蔽层接地。在稳压高压电源和高压电缆芯线之间放置反向二极管，防止静电放电产生的电流损坏高压电源。高压电缆的充放电过程是高能电子辐照和工作电压共同作用的结果，利用脉冲电流探针和示波器测试放电回路中的放电波形，同时利用存储记录仪监测静电放电的次数，从而实现放电波形和次数的同步监测，基本测试原理如图3所示。

图3　高压电缆静电放电测试原理图

2　测试结果及分析

利用上述高压电缆静电放电试验方法，开展在高能电子辐照下和不同工作电压共同作用下高压电缆的静电放电模拟试验研究，其中高能电子能量为1.5 MeV，束流密度为2 pA/cm2，高压电缆的工作电压分别为0 V、100 V和1 000 V，测得高压电缆典型的静电放电波形如图4所示。图中上波形为高压电缆屏蔽层测试信号，下波形为高压电缆芯线测试信号。从图4中可以看出，放电脉冲的波形为振荡型，这是由于介质充电超过放电阈值以后与周围低电位表面产生的放电，放电产生的电磁场在空间传播，因此，在导线上产生振荡信号，这就是表面闪络放电。由于辐照的高能电子束流密度很小，因此放电波形的幅值在200 mV～1.2 V之间，周期在4 μs。

由图4可以得出，屏蔽层测得放电脉冲幅值远大于电缆芯线测得的信号；随着工作电压的升高，高压电缆的静电放电电流幅值变大。

图4　高压电缆不同工作电压静电放电脉冲波形图

利用蒙特卡洛方法计算高能电子在高压电缆内绝缘层电荷分布特性，高能电子能量为1.5 MeV，计算结果如图5所示。

图5　高压电缆内绝缘层中电子电荷沉积分布图

从图5中可以得出，高能电子在高压电缆内绝缘层的沉积主要集中在靠近屏蔽层的0～0.2 mm范围内（内绝缘层厚度0.42 mm），导致静电击穿发生部位也在该位置。因此，屏蔽层测得放电信号为靠近屏蔽层的内绝缘层一侧的静电放电脉冲信号，而芯线测得信号为放电脉冲信号的耦合信号，所以屏蔽层测得放电脉冲幅值远大于电缆芯线测得的信号（如图4所示）。

高能电子辐照期间，介质中任意深度x、任意时刻t的电场强度为：

式中：εr是介质的相对介电常数；Φ0是介质表面的入射电子通量，Φ（x）是介质深度x处的电子通量；σ是电导率。σ可表示为：

式中：σdark是暗电导率（又叫本征电导率）；σric是辐射诱导电导率。

式中：Kp、Δ分别是与介质材料相关的系数和指数；D.是辐照剂量率。

将介质沿着深度的方向分为多个厚度为Δd薄层，利用蒙特卡洛方法可以模拟计算出每个Δd薄层内的电荷沉积量，再综合式（1）～（3），就可以得到一定辐照剂量率下，介质不同厚度位置的电场强度。图6是计算出高压电缆的沉积电荷形成的电场强度随介质厚度变化曲线，其中高能电子的能量1.5 MeV，束流密度为2 pA/cm2。

图6　沉积电荷形成电场强度随内绝缘层材料厚度的变化

由图6可知，在没有施加工作电压的情况下，内绝缘层厚度超过0.2 mm的位置，沉积电荷所形成的电场强度已经小于发生静电击穿的阈值（击穿阈值一般为1×107V/m），不可能发生静电击穿放电。

利用有限元方法分析了工作电压在电缆内部产生的电场，结构模型和高压电缆的参数一致，当工作电压从100 V增到1 000 V，不考虑沉积电荷的情况下的内绝缘层靠近屏蔽层电场强度计算结果如图7所示。从图7中可以看出随着工作电压从100 V增大到1 000 V，高压电缆内绝缘层处的电场强度从2×105V/m增至2×106V/m。

图7　不考虑沉积电荷时不同工作电压下高压电缆的内绝缘层电场强度曲线图

由于高能电子在电缆绝缘层内部沉积产生电场，同时工作电压在电缆内也产生电场，导致两个电场发生叠加作用，从而产生电场畸变增强，而电缆材料的静电击穿阈值未发生变化，由于随着工作电压的上升，其外加电场的影响范围越来越大。如图6所示，没有加工作电压时，0.2 mm以内的绝缘层沉积电荷形成的电场将超过静电击穿阈值，发生静电放电。如图8所示，随着工作电压不断增加，超过击穿阈值的位置也越来越深，当加1 000 V发生静电放电的深度从0.2 mm延伸到0.26 mm，由于更多沉积电荷所处位置的叠加电场超过静电击穿阈值，因此，静电放电产生的放电电流幅值随着工作电压的升高而增大。

图8　沉积电荷和不同工作电压叠加时的高压电缆的内绝缘层电场强度曲线图

3　结论

本试验利用高能电子加速器产生高能电子辐照模拟真实工作状况下的高压电缆样品，试验中高能电子能量为1.5 MeV，束流密度为2 pA/cm2，通过法拉第筒和束流积分仪监测加速器产生的高能电子束流强度，利用高压稳压源模拟高压电缆的实际工作状况，并利用脉冲电流探针和示波器测试放电回路中的放电脉冲波形，同时利用存储记录仪监测静电放电次数，实现了放电脉冲的波形和放电次数的同步监测。试验结果表明屏蔽层测得放电脉冲幅值远大于电缆芯线测得的信号；随着工作电压的升高，高压电缆的静电放电幅值变大。

高压电缆内带电效应是十分复杂的物理过程，除与辐照电子能量、束流密度密切相关外，还受到绝缘介质材料特性和工作状况等因素的影响。高压电缆由于内带电效应产生的放电脉冲将直接耦合入电路中，对卫星安全产生严重的危害。通过研究星用高压电缆在高能电子辐照下的内带电效应，为下一步高压电缆内带电防护技术奠定基础。

［1］Katz I，Davis V，Mandell M J，et al.Interactive spacecraft charginginteractivehandbookwithintegrated，updatedspace⁃craft charging models［C］//AIAA Space Technology Confer⁃ence&Exposition，Albuquerque，1999.

［2］Whittlesey A，Garrett H.Avoiding problems caused by space⁃craft on-orbit internal charging effects［J］.NASA，Washing⁃ton，DC，NASA-HDBK-4002，1999.

［3］Sørensen J.Engineering tools for internal charging［M］.ESA，1999.

［4］Sørensen J.Engineering tools for internal charging（Final Re⁃port）［M］.ESA，2000.

［5］秦晓刚，贺德衍，孔风连，等.高能电子辐照下的介质材料内放电特性［C］//第九届全国抗辐射电子学与电磁脉冲学术年会论文集，2007：300-302.

［6］马亚莉，秦晓刚，杨生胜.高能电子辐照下材料表面电位测试［C］//第二届空间材料及其应用技术学术交流会，2009.

［7］张振龙，韩建伟，全荣辉.空间材料深层充放电效应试验研究［J］.航天器环境工程，2009，26（3）：210-213.

［8］刘海波，李得天，杨生胜，等.不同面积Kapton材料的放电特性实验研究［J］.真空与低温，2014，20（3）：140-144.

STUDY OF THE HIGH-VOLTAGE CABLE INTERNAL CHARGING EFFECT UNDER IRRADIATION BY 1.5 MeV ELECTRON BEAM

WANG Jun，LI De-tian，YANG Sheng-sheng，QIN Xiao-gang，CHEN Yi-feng，LIU Qing，CHEN Xue-kang
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

With the long-life and high-performance of our satellites，using plasma electron propulsion will become inevitable.The high-voltage cable of the ion thruster is used on the satellite in MEO and GEO，which produces charge accumulation triggered electrostatic discharge by high-energy electron irradiation，thus will lead to problems of the ion thruster system.In this paper，the electrostatic discharge signal is tested under the integrated effects of the 1.5MeV monoenergetic electron beam irradiation and different high working voltage.At the same time，Monte Carlo method is used to analyze high-energy electronic deposit location，and finite element method is used to analyze internal electric field distribution and change by the high voltage，which will make the foundation for high voltage cable internal charging protection technology.

internal charging effect；electrostatic discharge；Monte-Carlo method；finite element method

V461.5

A

1006-7086（2015）05-0269-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.05.005

2015-06-08

国家自然科学基金资助项目（11305084）

王俊（1981-），男，甘肃省武威市人，博士，工程师，主要从事空环境效应及防护技术的研究方向。Email：wangjunch@aliyun.com。