高能电子辐照下聚合物介质深层放电实验研究

郑汉生，韩建伟，张振龙

（1. 中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100049）

高能电子辐照下聚合物介质深层放电实验研究

郑汉生1,2，韩建伟1,2，张振龙1,2

（1. 中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100049）

为揭示聚合物介质材料在连续能谱高能电子辐射下的深层放电规律特征，利用90Sr放射源对聚四氟乙烯（PTFE）材料进行了不同条件的辐照实验。对采集的大量放电数据进行统计分析发现，电子辐照累积时间、入射电子通量以及温度都会影响介质的放电风险以及放电脉冲特征。高能电子对样品持续数天的累积辐照会降低介质自发放电的阈值条件，辐照后期放电更加频繁，但放电强度会减弱。入射电子通量越低时，放电风险越小；通量越高时，放电频率越高，高强度放电事件的发生概率也越大。温度主要通过影响介质的电导率而影响其深层放电特性，温度下降时介质本征电导率降低，充电电位和放电风险增加；一旦发生放电，放电电流脉冲的平均幅度也更大。

高能电子；聚四氟乙烯；深层充放电；放电脉冲；电子通量；温度效应；实验研究

0 引言

空间高能电子诱发的深层充放电效应是中地球轨道（MEO）和地球同步轨道（GEO）卫星面临的主要空间环境危害[1-2]。这些卫星运行于大量高能电子被地磁场俘获的外辐射带区域，在发生高能电子暴时，能量大于100 keV的电子通量显著增加并可能持续数天[3]。高能电子穿透卫星蒙皮或单机机壳，将电荷沉积在内部的各种介质材料中，电荷持续积累使介质内建电场增强，一旦介质击穿发生静电放电（ESD），不仅会对材料本身造成损伤而影响其性能，放电脉冲还会通过不同的耦合途径进入敏感器件和电路，对电子系统造成干扰而导致卫星异常或故障[4-6]。

聚合物介质材料以其优异的物理性能被广泛应用于航天器。但从深层充电效应角度看，聚合物介质材料的大量应用却是一个棘手的问题。聚合物介质普遍具有极低的电导率，这使得沉积在材料内的电荷泄放非常缓慢，尤其在大块聚合物介质或介质接地条件不利的应用场景，发生深层放电的风险很大。几十年以来，国内外研究人员通过空间飞行实验、地面模拟实验以及计算机仿真等手段，对深层充放电效应进行了广泛而深入的研究[7-10]。但遗憾的是，受限于多方面因素，迄今仍不能在航天器发射入轨前对其深层充放电风险进行准确评估。其主要原因是，人们对材料确切的电导率、介电常数、击穿阈值等参数在真实空间环境下的长期变化仍然了解有限，而这些参数对介质的充电水平和放电特性起着至关重要的作用。对于运行在高能电子聚集区域的很多卫星来说，发生介质深层放电似乎难以避免。因此，从被动防护角度出发，研究介质的放电特征规律以及放电对卫星电子系统的作用和影响，对深层充放电防护设计具有重要的工程指导意义。

目前，航天器深层充放电研究仍然集中在充电物理过程、介质电导率特性等方面，对介质深层放电研究较少。高能电子辐照下聚合物介质放电的物理机制复杂，随机性强，仿真模拟较为困难，而空间飞行实验成本高、周期长，少数卫星搭载的相关探测器所获取的放电数据有限，因此地面模拟实验对于深层放电研究仍是一种不可或缺的重要手段。

本文利用90Sr放射源模拟外辐射带具有连续能谱结构的高能电子辐射环境，对聚四氟乙烯平板介质进行辐照直至样品产生自发放电，采集不同辐照电子通量及温度条件下的放电脉冲数据并进行统计分析，研究辐照累积时间、电子通量和温度对聚四氟乙烯深层放电的影响规律。

1 实验装置、样品及实验方案

本实验在中国科学院国家空间科学中心的航天器充放电模拟装置（SCADS）上进行。SCADS是用于航天介质材料充放电特性研究以及卫星部件和单机的充放电风险评估的专用实验装置[11]，其包含2套不同的电子辐照源：5～100 keV的电子枪以及活度达350 mCi的90Sr-90Y放射源。该装置可对MEO和GEO卫星表面及深层充电电子环境进行较真实模拟。90Sr-90Y放射源通过β衰变所发射的电子具有连续能谱（Emax=2.28 MeV），其辐照电子通量稳定，抗干扰能力强，通过调节辐照距离可将电子通量控制在pA/cm2量级上下，与外辐射带的高能电子能谱和通量有着较好的匹配，是较理想的深层充电模拟源。

实验样品采用40 mm×40 mm的聚四氟乙烯方形平板介质，厚度为5 mm和8 mm两种。实验装置如图1所示。

铜制样品架放置在真空室内的温控样品台上，样品背面镀金属电极后连接导线穿过罗氏线圈接地，前表面用一开有φ40 mm圆孔的铝盖固定在样品架上，实际受照面积即为中心圆孔区域。辐照实验期间，真空室内脉冲电场仪信号和罗氏线圈信号用同轴电缆穿过真空室法兰连接至示波器，示波器对放电脉冲信号进行自动采集记录；借助表面电位探头和Trek 341B静电电位计，不定时地对样品表面电位进行非接触式测量。

2 实验条件、过程及结果

对 4块聚四氟乙烯平板介质样品进行了不同实验条件的辐照，其中3块样品厚度为8 mm，分别记为#1、#2、#3；另一块厚度为5 mm，记为#4。所有样品在辐照前先用无水乙醇清洁表面，再放入高真空（约10-4Pa）储藏室在80 ℃下进行24 h烘烤处理。

为模拟外辐射带的高能电子环境，对#1样品以约 10 pA/cm2的电子通量进行了 1300 min的辐照，整个辐照期间通过温控手段使样品温度维持在(-25±1) ℃。其间共记录到样品的自发ESD事件45次。由于电位测量时放射源收回和电位探头移动需耗时约2 min，且探头靠近样品时可能触发放电，为了不间断地记录样品在持续辐照条件下的自发放电数据，实验采取尽量减少中断辐照的策略，在首次放电发生后只对表面电位进行不定时的抽样测量。图2所示为抽样测量的样品表面电位变化以及ESD事件的电流脉冲幅度。样品首次放电时，表面电位接近-16 kV；经过前5次放电，表面电位显著降低。尽管电位测量点不够密集，但通过部分ESD事件发生前的临近时间点的电位数据，并结合首次放电前的初次充电曲线，可大概估算ESD发生时刻的电位值。例如，ESD1发生前15 min，表面电位为-15.8 kV，此时充电已趋于平衡，放电时刻电位约为-16 kV；ESD7发生前8 min，表面电位为-8.1 kV，放电时刻电位约为-10.2 kV；ESD32发生前14 min，表面电位为-6 kV，放电时刻电位约为-9.7 kV，可大致看出，介质发生放电的阈值电压整体上呈降低并逐渐趋于稳定的趋势。

#2样品被辐照期间温度保持不变（(-25± 1) ℃），通过调整放射源与样品的间距来控制电子通量。实验结果如图3所示，前43 h以约2 pA/cm2的电子通量进行辐照，此期间未记录到ESD事件；此后通量升高至约10 pA/cm2，升高后的第15 min就开始有放电产生，24 h内共记录到16次ESD事件；随后又将通量降低至约2 pA/cm2，24 h期间未发生ESD事件；最后通量再次升高至约5 pA/cm2，24 h内发生了6次ESD事件。

#3样品辐照实验的电子通量始终保持为约10 pA/cm2，通过温控样品台改变样品的温度来研究温度对放电的影响。实验结果如图4所示，样品初始温度为室温（约25 ℃），辐照约27 h后开始升温，逐渐升至约64 ℃并保持17 h，此后再次降温至15 ℃左右。样品温度保持为室温期间，共记录到ESD事件22次；升温后的17 h期间，未记录到ESD事件；最后降温至15 ℃左右后，320 min内发生ESD事件21次。

#4样品厚度为5 mm，其辐照实验条件见表1，初始电子通量为约10 pA/cm2，样品温度由-20 ℃逐步升至47 ℃，再降至4 ℃左右，最后将电子通量降低至约2 pA/cm2。每个不同条件的辐照阶段罗氏线圈均记录到了样品的自发ESD事件，各阶段放电的平均幅度和平均放电间隔见表1，放电脉冲随时间的分布如图5所示。

表1 #4样品不同辐照期间的实验条件Table 1 Experiment conditions of #4 sample in different irradiation period

3 分析与讨论

3.1 高能电子持续辐照对聚合物介质深层放电的影响

在#1样品首次辐照停止后，将其电荷彻底泄放，以相同的实验条件（约10 pA/cm2，-25 ℃）进行了第2次辐照，辐照期间共记录到ESD事件82次。对ESD事件按发生的时间顺序进行编号，图6所示为上述2次辐照期间所有ESD事件的时间间隔分布，可以看出：辐照前期平均放电间隔较长，时间离散度较大，随机性很强；在经历若干次放电后，聚四氟乙烯自发放电的阈值条件降低，ESD更加频繁且逐渐趋于稳定，平均十几分钟就会发生1次。这种现象与CRRES卫星取得的在轨放电探测数据所表现出的介质放电规律比较一致[7]。导致这种趋势的可能原因为，前期ESD在材料内部形成的微放电通道使得后期放电能在更低的阈值下发生，放电更加频繁，但在辐照强度及温度不变时放电强度更小。

聚合物的深层放电与强电场下的局部放电有关[12]。电子在介质内沉积电荷并建立电场，介质内的气泡、杂质等缺陷使局部电场增强，超过一定程度就会导致局部放电现象，进而引发聚合物的电树枝化。前期放电造成的材料劣化区域使介质内更容易形成畸变的强局域电场，因此，电子辐照诱发一定数量的放电后，介质自发放电变得更加容易，放电随机性减弱，表现出更强的规律性。需说明的是，本实验的持续辐照时间最长仅为几天，对于长期服役的航天聚合物材料，在长达几个月甚至几年的时间跨度内其放电规律可能较为复杂。

空间高能电子环境对聚合物深层充放电的长期影响来自于多方面。辐射引起的聚合物降解、材料老化和出气等都会使材料的电导率、介电强度等性能发生变化[13-14]。诸多因素的综合影响使准确评估介质材料深层充放电的长期风险变得复杂和困难。因此，根据航天器的实际轨道环境及服役时间，对其所采用的具体介质材料进行针对性的地面模拟实验和分析显得很有必要。

3.2 辐照电子通量对聚合物介质深层放电的影响

辐照电子通量反映了空间电子环境的恶劣程度。电子通量不仅关系着介质的放电风险，而且对放电的电流脉冲幅度和放电频率产生影响。在介质的充电阶段，充电电位和内建电场取决于入射电子通量和介质电导率。入射电子通量越高，电荷沉积速率越快，介质内部越容易积累更多的空间电荷而产生更强的内建电场，达到击穿电场阈值并引发介质放电的可能性也就越大。而放电一旦发生，更高的电子通量使释放的电荷能更快地得到补充，再次引发放电的时间间隔也会更短。

图7所示为#2样品以及#4样品（辐照区间V和VI）各自在温度不变而辐照强度改变时的ESD电流脉冲平均幅度和平均时间间隔。由于ESD事件的随机性，ESD电流脉冲幅度和时间间隔的离散度均较大，但通过统计平均分析仍可发现，在足以引发介质深层放电的阈值通量以上，辐照电子通量增大时，ESD电流脉冲的平均幅度增大，平均放电频率也随之升高。高电子通量下，介质内部电荷沉积以及电场增强更快，因而相邻两次放电的平均时间间隔缩短。而电子通量对放电电流幅度的影响与放电事件发生的随机性有关。介质的放电临界条件并不固定，在达到某一阈值电场之前或之后都可能引起放电。电子通量越高时，放电临界条件的不确定性使介质内部可能形成更强的电场，最终导致高强度放电事件的发生概率就越大，且放电电流幅度的变化范围（离散性）也越大。

3.3 温度对聚合物介质深层放电的影响

聚合物介质深层充放电特性受温度的影响主要来自于介质电导率随温度的变化，电导率是影响介质内电荷泄放和电场演化的关键内在因素。根据Arrhenius模型[15]，不同温度下的介质本征电导率近似满足以下关系：

式中：T为温度；σT为温度等于T时的介质电导率；EA为激活能；k为玻耳兹曼常数；常数C由室温下的介质电导率确定。通常情况下，介质材料本征电导率与温度呈正相关，温度降低，本征电导率变小，深层充电导致的介质内建电场增强，发生放电的风险随之升高。

图8所示为#3样品以及#4样品（辐照区间I～IV）在辐照电子通量不变时ESD电流脉冲平均幅度随温度的变化。可见，温度较低时，介质深层放电的电流脉冲平均幅度较大，每次放电的强度离散性较大；温度升高后，介质更趋向于发生放电强度变化不大的小放电现象；当温度上升至一定程度后，电导率将增加到足以遏制放电的发生。介质深层放电强度与温度呈现的反相关性，同样与放电现象的偶发性以及高电场下发生大幅度放电的概率更大有关。温度的变化使电导率降低时，介质内形成高电场并导致高强度放电的可能性更大。此外，聚合物材料介电强度随温度的变化也是可能影响其深层放电特性的因素。

4 结束语

本文利用90Sr放射源对聚四氟乙烯平板介质样品进行了不同实验条件的持续电子辐照。通过对实验中采集的大量放电数据进行统计分析发现，电子辐照累积时间、入射电子通量以及温度都对介质的放电风险以及放电脉冲的幅度和频率产生影响。高能电子对聚四氟乙烯材料持续几天的累积辐照会降低其放电的阈值条件：随着辐照时间的延长，介质放电变得更加频繁，而放电强度逐渐减弱。辐照电子通量的大小是影响介质深层充放电风险最直接的外因：电子通量越低，放电风险越小；通量越高，发生高强度放电事件的概率越大，放电频率也更高。温度主要通过影响介质的电导率而影响其深层放电特性：温度降低使介质本征电导率减小，充电电位和放电风险升高，放电电流的平均幅度也会随之增大。

在空间实际环境中，更长时间的高能电子辐射是否会导致放电强度持续减弱，放电是否会终止，亦或是在相当长的时期内放电频率和强度会保持某种稳定状态，这些有待进一步试验。此外，不同环境因素往往同时对介质深层充放电产生相同或相反方向的协同效应，不同特性的材料在同样的环境中放电特性也可能会有较大差异，除自发放电外还可能存在外界诱发介质放电的因素，例如，材料的真空出气效应、空间微小碎片撞击造成的气体抛射等均可能诱发放电，这些都是空间静电放电现象的复杂之处。从工程实际需求出发，通过进一步开展航天介质材料深层放电实验研究，揭示深层放电的特征规律，对研究放电脉冲与航天器电子系统的耦合和作用规律进而发展针对性更强的防护措施具有重要意义，也将是未来需进行的工作。

（References）

[1] FREDERICKSON A R. Upsets related to spacecraft charging[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science,1996, 43(2): 426-441

[2] GRISERI V. Behavior of dielectrics in a charging space environment and related anomalies in flight[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2009, 16(3): 689-695

[3] 闫小娟, 陈东, 黄建国, 等. 诱发卫星深层充电的高能电子环境模式研究[J]. 航天器环境工程, 2008,25(2): 120-124 YAN X J, CHEN D, HUANG J G, et al. A space energetic electron environment model for spacecraft deep dielectric charging evaluation[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(2): 120-124

[4] ECOFFET R. Overview of in-orbit radiation induced spacecraft anomalies[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2013, 60(3): 1791-1815

[5] HAN J W, HUANG J G, LIU Z X, et al. Correlation of double star anomalies with space environment[J].Journal of Spacecraft and Rockets, 2005, 42(6):1061-1065

[6] 黄建国, 韩建伟. 航天器内部充电效应及典型事例分析[J]. 物理学报, 2010, 59(4): 2907-2913 HUANG J G, HAN J W. Analysis of a typical internal charging induced spacecraft anomaly[J]. Acta Physica Sinica, 2010, 59(4): 2907-2913

[7] FREDERICKSON A R, HOLEMAN E G, MULLEN E G. Characteristics of spontaneous electrical discharging of various insulators in space radiations[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1992, 39(6): 1773-1782

[8] JUN I, GARRETT H B, KIN W, et al. Review of an internal charging code, NUMIT[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2008, 36(5): 2467-2472

[9] 黄建国, 陈东. 卫星介质深层充电的计算机模拟研究[J]. 地球物理学报, 2004, 47(3): 392-397 HUANG J G, CHEN D. A study of deep dielectric charging on satellites by computer simulation[J].Chinese Journal of Geophysics, 2004, 47(3): 392-397

[10] 张振龙, 韩建伟, 全荣辉, 等. 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 ZHANG Z L, HAN J W, QUAN R H, et al. Experiment on deep dielectric charging and discharging of space materials[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009,26(3): 210-213

[11] ZHANG Z L, QUAN R H, WANG Y, et al. Ground testing and computer modeling of internal charging for complex structures[C]//The 12thSpacecraft Charging Technology Conference. Kitakyushu, Japan, 2012

[12] 全荣辉, 韩建伟, 张振龙. 电子辐照下聚合物介质内部放电模型研究[J]. 物理学报, 2013, 62(24): 245205 QUAN R H, HAN J W, ZHANG Z L. Macroscopic model of internal discharging in polymer under electron beam irradiation[J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(24):245205

[13] PAULMIER T, DIRASSEN B, ARNAOUT M, et al.Electric properties of space used polymers under high energy electron irradiation[C]//IEEE International Conference on Solid Dielectrics (ICSD), 2013: 788-791

[14] 曹旭纬, 张振龙, 汪金龙, 等. 真空出气对星用聚酰亚胺材料电导率的影响[J]. 航天器环境工程, 2014,31(2): 158-161 CAO X W, ZHANG Z L, WANG J L, et al. Influence of vacuum outgassing on dielectric conductivity of polyimide[J]. Spacecraft Environment Engineering,2014, 31(2): 158-161

[15] RYDEN K, MORRIS P A, CLUCAS S N. The effect of temperature on internal charging and its potential role in hazard mitigation[C]//7thSpacecraft Charging Technology Conference. Noordwijk, The Netherlands,2001

（编辑：张艳艳）

Experimental study of deep dielectric discharging of polymer under energetic electron irradiation

ZHENG Hansheng1,2, HAN Jianwei1,2, ZHANG Zhenlong1,2
(1. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

To acquire spontaneous discharging data of the polymers in spacecraft under energetic electrons with continuous spectrum and investigate the discharging characteristics of the polymers,90Sr β source is utilized to irradiate Polytetrafluoroethylene(PTFE) samples and the spontaneous discharging pulse data are recorded. By statistic analysis of the data, it is shown that the irradiation duration, the electron flux and the temperature all can affect the discharging risk and pulse characteristics. Continuous irradiation under energetic electrons may reduce the discharging threshold of the PTFE. After several days of irradiation, the discharging tends to be more frequent with a lower intensity. When the electron flux gets higher, the discharging interval gets shorter and“big” discharging events are more likely to happen. When the temperature goes down, the dielectrics become less conductive with higher charging potential and greater discharging risk. Once the discharging happens, the average magnitude of pulses gets larger than that under a higher temperature condition.

energetic electron; PTFE; deep dielectric charging; ESD pulse; electron flux; temperature effect; experimental study

V520.6; V416.5

：A

：1673-1379(2017)03-0295-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.03.012

郑汉生（1989—），男，博士研究生，研究方向为空间环境效应；E-mail: zhenghansheng12@mails.ucas.ac.cn。指导教师：韩建伟（1970—），男，博士学位，研究员，主要从事空间环境效应研究；E-mail: hanjw@nssc.ac.cn。

2017-02-14；

2017-05-14

国家国防基础科研计划项目（编号：B1320133032）

郑汉生, 韩建伟, 张振龙. 高能电子辐照下聚合物介质深层放电实验研究[J]. 航天器环境工程, 2017, 34(3)：295-300

ZHENG H S, HAN J W, ZHANG Z L. Experimental study of deep dielectric discharging of polymer under energetic electron irradiation[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(3)： 295-300