星用介质材料表面充放电效应试验研究

郑汉生，蔡明辉，刘小旭，张振龙，韩建伟，左 易

(1. 四川航天系统工程研究所，成都 610100； 2. 中国科学院国家空间科学中心，北京 100190；3. 北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

近地空间环境中，高能粒子辐射和等离子体是引起航天器材料和器件性能退化甚至失效的两大主要环境因素[1-2]。来源于银河宇宙线、太阳宇宙线和地球辐射带的高能粒子构成了近地空间的粒子辐射环境，而地球电离层和整个磁层则构成了近地空间的等离子体环境。由于空间带电粒子能量分布的连续性，通常将50keV以下的带电粒子归为等离子体环境[3]。

空间等离子体导致的航天器外表材料的电荷积累现象称为表面充电[4-5]。若航天器表面由导电材料组成，则整个航天器将被充至相同的悬浮电位，称为绝对充电。对于绝缘表面，不同特性、不同结构以及处于不同环境条件的材料会各自达到局部充电平衡，从而可能导致不同表面间存在电势差，这被称为不等量充电。绝对充电会影响科学载荷对带电粒子的探测，加剧材料的表面污染。而不等量充电则是诱发表面放电的主要原因，放电会对材料性能和电子系统产生影响甚至损伤。尤其是在温度高达keV～几十keV的热等离子体环境中(如极光沉降粒子和亚暴注入粒子)，航天器容易发生高达负几千伏以上的表面充电效应，发生表面放电的风险很高。

对于直接暴露于空间等离子体环境的航天器介质材料，如热控薄膜、舱外电缆、光学窗口等，在工程应用中如何防护介质的表面充放电效应是不容忽视的重要问题。本文选取几种典型的星用聚合物介质材料进行了表面充放电地面模拟试验，测量了介质材料的表面充电电位以及放电脉冲，为工程应用中介质材料的表面充电防护设计提供了依据和参考。

1 试验设计

1.1 试验装置

试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”(Spacecraft Charging and Discharging Simulator, SCADS)[6-7]上进行。SCADS主要由真空室及真空泵组、电子辐照源、温控样品台、屏蔽及传动系统和参数测量系统组成，其用于模拟空间电子环境的电子辐照源包括一台5keV～100keV的电子枪以及活度达350mCi的90Sr-90Y放射源，利用电子枪和β放射源可以较真实地模拟极区沉降粒子和亚暴注入粒子环境，以及外辐射带具有连续能谱结构的高能电子环境。利用该装置可开展航天介质材料充放电特性研究、介质材料电导率测量以及航天器部件和单机设备充放电风险评估。

1.2 试验样品

试验样品为4种不同的介质材料，分别记为#1、#2、#3和#4，均为边长8cm左右的方形样品，实物如图1所示。#1样品为聚酰亚胺(PI)薄膜，厚度约为16μm，其背面与铝基板绝缘，前表面的一角用铜胶带与铝板连接；#2样品为表面镀铝(0.2μm)的PI薄膜(16μm)，PI薄膜背面以及表面的镀铝薄膜均与铝板绝缘；#3样品为聚四氟乙烯(PTFE)天线罩，天线罩底座通过金属螺钉固定于铝板上；#4样品为拟应用于天线罩表面的黑色PI渗碳复合薄膜。PI渗碳复合薄膜具有良好的导电性，其背面与铝板绝缘，表面用铜胶带与铝板连通。试验时，承载样品的铝基板均保持接地状态。

图1 样品实物图Fig.1 Experimental samples

1.3 试验方法

利用SCADS的单能电子枪对上述4种样品进行表面充放电试验。图2为试验时真空室内外布置图。将试验样品水平放置，使样品的辐照面朝上处于电子枪束流中心。法拉第杯和皮安表用于电子通量的实时测量，电位探头和静电电位计用于对样品表面电位进行非接触式感应测量，电场脉冲仪用于样品放电电场脉冲的监测，罗氏线圈用于检测放电时样品背部铝板的电流脉冲。为避免试验期间其他无关部件受到散射电子的辐照而发生放电，对真空室内的电缆及其他绝缘部件采取适当屏蔽措施，并确保不存在任何与试验无关的未接地金属。

试验期间真空室的真空度≤5.0×10-4Pa，温度保持为室温(～25℃)。为模拟磁层亚暴粒子导致的表面充电效应，电子能量调节为30keV(在PI中的射程约为10μm)，电子通量从100pA/cm2开始，根据试验情况逐步调节至1nA/cm2。试验中，用圆形电位探头对样品的表面电位进行不定时抽样测量。为有效检测样品的放电电流脉冲，样品背部铝板用导线穿过Pearson 6595型罗氏线圈后再接地。罗氏线圈信号以及电场脉冲仪信号均连接至示波器用于放电事件的自动监测记录。电场脉冲仪对放电脉冲具有很高的灵敏度，将其信号作为发生放电事件的判据。

图2 试验布局图Fig.2 Experimental setup

2 试验结果及讨论

2.1 试验结果

#1样品PI薄膜背面与铝基板绝缘，即背面未接地，而上表面只有其中一角用金属胶带与铝板进行了连接。试验时电子枪电子能量调节为30keV，初始通量调节为100pA/cm2，辐照20min未见放电；接着将电子通量调节至500pA/cm2左右，辐照16min只记录到一次放电；此后进一步将电子通量升高至约1nA/cm2，放电开始频繁发生，在持续辐照76min期间，共记录到39次放电事件。#1样品试验期间的表面电位抽样测量结果以及放电时刻如图3所示，表面负电位最高在两三千伏左右。

图3 #1样品试验结果Fig.3 Experimental results of sample #1

#2样品PI薄膜表面进行了镀铝处理，双面均未接地。试验初始阶段同样以100pA/cm2的电子通量进行辐照，19min内记录到4次放电；电子通量提高到500pA/cm2后，持续辐照39min，发生放电23次；最后将通量升至1nA/cm2，10min内样品放电高达18次。#2样品的表面电位及放电发生时刻如图4所示，表面电位最高在kV量级。

图4 #2样品试验结果Fig.4 Experimental results of sample #2

#3样品PTFE天线罩表面未进行防静电处理，在100pA/cm2的较低通量辐照下，由于天线罩较厚，样品表面距离接地点(零电位点)较远，5min后充电电位便达到-15kV，30min内发生放电2次；电子通量升高到500 pA/cm2后，10min内放电4次；最后阶段在1nA/cm2的高通量辐照下，30min内记录到放电事件24次。图5为#3样品试验期间的表面电位和放电发生时刻。

图5 #3样品试验结果Fig.5 Experimental results of sample #3

#4样品为通过渗碳处理的PI复合薄膜，具有良好的导电性，样品前表面通过铜胶带接地。用万用表测量薄膜表面各点与铝板间的电阻，均小于200kΩ。试验期间，先后以100pA/cm2、500pA/cm2以及1nA/cm2的电子通量分别辐照20min，均未见放电。电位测量结果(见图6)显示，薄膜表面刚开始带十几伏的微弱负电位，随着电子束流的增强，渐渐向正电位偏移，最高达百伏量级，这可能与渗碳PI薄膜的表面二次电子发射特性有关。

图6 #4样品试验结果Fig.6 Experimental results of sample #4

2.2 分析与讨论

试验中进行表面电位测量时，须遮挡电子束流并移动电位探头至测量位置，由于操作耗时难以准确地在放电瞬间对电位进行快速测量，因而只进行了一系列抽样测量。从几种样品的表面电位变化情况来看，#1和#3样品在放电过程中表面电位变化不大，这是由于介质表面放电释放的电荷量只占很小一部分(通常为10%～20%)[8]；而#2样品在放电过程中表面电位波动明显，说明悬浮导体参与放电时，一次放电的电荷释放量更大。

试验前曾对未放置样品的样品台进行了持续1h以上的电子辐照，电场脉冲仪未发生响应，这说明试验中的电场脉冲仪信号均来自样品放电。而试验期间记录到的#1～#3样品所有放电事件中，只有少部分事件电场脉冲仪和罗氏线圈同时记录到了信号，罗氏线圈没有记录到电流脉冲信号与样品表面放电产生的吹离电荷的流向有关。只有当表面吹离电荷被样品附近其他接地金属部件收集后，样品背部铝板才会产生由镜像电荷移动导致的脉冲电流。典型的表面放电电场脉冲和电流脉冲信号如图7所示。试验中电场脉冲仪与样品距离约为20cm，探测到的电场脉冲主要表现为静电场分量，在距离较远的远场区高频辐射分量才会逐渐显现出来。电流脉冲为高频衰减振荡信号，持续时间几百ns～几μs，其振荡特性与放电回路的阻抗特性有关[9]。

图7 典型的放电电场脉冲信号和电流脉冲信号Fig.7 Typical waveforms of ESD pulse

对几种样品在不同电子通量辐照下的放电频率进行统计，如图8所示。可以看出，电子辐照强度越大，发生放电的频率明显越高。#1样品的PI薄膜只有前表面小范围局部接地，虽然能在一定程度上抑制放电风险和频率，但在nA/cm2量级的强流辐照下，接地不充分导致放电依然很频繁。#2样品的PI薄膜由于双面均未接地，其放电风险明显比#1样品更高。#2样品表面的铝膜厚度约为200nm，且未接地，铝膜成为悬浮导体，虽然试验中30keV的电子几乎都能穿透铝膜不会沉积在悬浮导体中，但空间实际情况下电子能量是连续的，低能电子仍能沉积在暴露的悬浮导体表面，从而加剧放电风险。需指出的是，试验中采用单能电子辐照导致的表面充电一定程度上比空间宽能谱电子辐照下更为恶劣，一方面空间的低能电子会增加介质材料的二次电子发射系数而降低表面负电位;另一方面空间中完全穿透表面材料的高能电子所造成的辐射诱导电导率也给介质沉积电荷的泄放带来积极影响。

图8 放电频率随电子通量的变化Fig.8 Variations of ESD frequency with electron flux

#3样品PTFE天线罩由于介质较厚，其表面充电电位明显比薄膜材料更高。表面电位越高时，与相邻部件表面形成高电位差而发生间隙放电的风险也更大。#4样品良好的导电性使其具有较强的抵御表面充电危害的能力。NASA-HDBK-4002A指出，为防护表面充电，应用于绝缘基底上的材料必须在边缘接地，且面电阻率小于109ohm/sq[10]，为避免PTFE天线罩在空间热等离子体环境中遭受表面充放电危害，应考虑对其表面采取涂覆导电膜等措施来进行防静电处理。

3 结论

本文利用电子枪对几种不同的星用介质材料进行了表面充放电模拟试验，测量了表面充电电位，记录了不同辐照强度下的放电脉冲信号，试验结果及分析表明：

1)高电阻率的航天器表面介质材料，尤其是聚合物材料，在未进行充分和恰当的表面充电防护设计时容易发生高电位充电而诱发表面放电，开展地面模拟试验能有效评估材料的充放电风险；

2)聚酰亚胺薄膜在接地处理不当时，几十keV的单能电子辐照可使其表面电位充至千伏以上，电子通量在数百pA/cm2或更高时容易发生表面放电，且电子通量越高，放电越频繁；3)表面镀铝的聚酰亚胺薄膜在铝膜未接地情况下，电子通量高于100pA/cm2时就会发生表面放电。未接地的悬浮导体没有电荷泄放通道，在电子持续辐照下放电是必然的，且放电时释放的电荷量和能量相比介质表面放电更大。航天工程应用中应尽量杜绝悬浮导体的存在；

4)聚四氟乙烯天线罩在表面未进行防静电处理时易发生高电位表面充电，放电风险非常大。而黑色聚酰亚胺渗碳膜由于导电性能良好，在电子通量高达1nA/cm2时仍能有效抑制表面充放电。将此种薄膜应用在天线罩表面并接地，将大大降低天线罩的表面充放电风险，有效保护天线罩内部的电子学部件。