强电磁场辐照环境诱发金属电极静电放电时延规律

张建平，胡小锋，刘尚合，魏明

(1.陆军工程大学石家庄校区 电磁环境效应国家级重点实验室，河北 石家庄 050003；2.32140部队，河北 石家庄 050061)

0 引言

航天器在电磁环境下静电放电是个非常复杂的过程，静电放电与空间环境、航天器结构、尺寸及材料性能等因素有关[1-3]。对于空间装备，强电磁场诱发的静电放电是指航天器表面材料、电缆以及某些特殊结构部件等低充电电位区域在外界强电磁场作用下被诱导发生的静电放电过程[4-6]。一般情况下，航天器表面低充电电位敏感区域的电场较弱，电子能量低于分子、原子电离能，碰撞电离概率较低[7-10]，当受到强电磁场作用时，激发低气压气体产生稠密等离子体，从而降低放电阈值并诱发产生静电电荷泄放[11-12]。由于空间辐射环境时刻存在，航天器在轨运行期间会受到静电放电和二次电子倍增导致的微放电等自然危害源的影响。静电放电产生的瞬间电流会使航天器表面材料氧化、碳化或击穿，从而造成通讯和导航等系统受到严重干扰，甚至故障[13-16]。

复杂电磁环境对航天器的影响越来越大，尤其是强电磁场对航天器的干扰效应更是当前面临的重大课题。掌握强电磁场诱发静电放电的作用机理和规律，对于研究空间装备强电磁场诱发静电放电规律具有重要意义[17-19]。但国内对于强电磁场诱发静电放电的相关研究仍处于初级阶段。文献[20-27]开展了静电放电电磁脉冲(ESD EMP)诱发真空电晕放电试验研究，获得了不同气压下电磁脉冲辐照诱发电晕放电的阈值电压、电流波形、放电区域辐射场等特征参数，但是对诱发放电的机理分析相对较少。

本文利用新研制的强电磁场辐照环境下诱发放电试验系统和金属测试样品，从研究诱发静电放电的通道形成过程出发，对强电磁场环境下的诱发金属电极结构放电机理、规律进行了初步探索，得出了在ESD EMP作用下诱发金属放电的基本规律，并对诱发放电机理进行研究分析。对于强电磁场环境下航天器在轨运行安全防护措施的研究具有参考意义。

1 试验设计

1.1 试验设置及方法

试验受试对象是针板电极，其中：针电极为不锈钢材质，长度300 mm，直径2 mm，针尖曲率半径5 μm；板电板为半径100 mm，厚度2 mm的铝制圆片结构。试验装置连接示意图如图1所示。

图1 试验装置连接示意图

试验在环境温度24 ℃，湿度48%的恒温恒湿条件下进行。试验前，将制作好的电极结构竖直放置于石英玻璃(透波材料)制成的真空罐内距离垂直耦合板35 cm处的固定位置，调整针电极的尖端与板电极间距为1 mm，给电极两端加上高压，测试其在无外场辐照条件下的击穿电压并记录。之后降低电压到无放电状态，利用放电枪与耦合板之间放电所辐射ESD EMP对电极结构进行照射，使用CT-1电流探头(带宽25 kHz～1 GHz，伏安输出特性5 mV/1 mA)对放电地线回路上的电流信号进行采集，并用示波器测量记录诱发放电的波形，以测试不同ESD EMP场强辐照条件下的诱发放电延迟时间。放电枪与耦合板在放电时使用接触式放电方式保证辐射时静电场稳定，有利于试验测量的重复性。通过大量反复测试诱发放电的延迟时间与放电枪电压、电极电压、气压的对应关系，从而获得相关诱发放电规律。

试验中发现在电极之间施加直流正高压时，在现有的辐射场强度照射下很难产生诱发放电现象，为达到诱发放电目的，以重点分析诱发放电延迟时间的变化规律，试验全部在电极之间施加直流负高压条件下进行试验。在常压下，电极间隙1 mm时测得针板电极的击穿电压Ud=-2.50 kV.

在测试放电延迟时间与电极电压关系时，在常压下将放电枪电压固定在-30 kV，电极电压取-1.00 kV、-1.20 kV、-1.40 kV、-1.60 kV、-1.80 kV、-2.00 kV、-2.20 kV、-2.40 kV，分别为Ud的40%、48%、64%、72%、80%、88%、96%；测试放电延迟时间与静电脉冲辐射场强度的关系时，在常压下将电极电压固定在-2.47 kV(98.8%Ud)，而放电枪分别选取-5 kV、-10 kV、-15 kV、-20 kV、-25 kV、-30 kV进行测量；测量气压与诱发放电延迟的关系时，将放电枪电压固定在-30 kV，电极电压固定在-1.6 kV，气压分别设定为10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa、60 kPa、70 kPa、80 kPa、90 kPa、100 kPa(常压)，进行测量。试验中发现，即便在同一条件下，诱发放电延迟时间也具有一定的随机性，为了进行有效分析，同一条件下，重复测量记录40次诱发放电的延迟时间，之后利用Origin软件对每组时延数据进行正态分布统计，即将每组时延数据从最小到最大分成7个区间，分析同一条件下测试的每组时延分布情况，进而研究电极电压、辐射场强、气压等因素对诱发放电时延的作用规律。试验过程中严格控制温度和湿度，以保证试验具有良好的重复性。

1.2 辐射场强标定

图2为ESD EMP辐射场强测试连接示意图。首先根据试验实际情况固定真空罐与垂直耦合板的相对位置，将宽带ESD 辐射场测试系统(3.5 Hz～1 GHz)放置于试验时电极所在位置，之后设置静电放电模拟器电压-5 kV、-10 kV、-15 kV、-20 kV、-25 kV、-30 kV，使用宽带ESD 辐射场测试系统和示波器测试放电枪放电时产生ESD EMP辐照强度。场强计与示波器之间通过光纤进行通信，防止电磁脉冲干扰示波器，影响测试精度。

图2 ESD EMP辐射场强测试连接示意图

2 试验结果及分析

在真空罐内距离垂直耦合板35 cm的固定位置处，放电枪设置不同电压所产生的ESD EMP峰值场强如表1所示，场强峰值随放电枪电压的变化趋势如图3所示。

表1 不同放电枪电压产生的场强峰值

从图3可以看出，随着放电枪电压的升高，ESD EMP辐射场强是在逐渐增大的，且辐照场强与放电枪电压接近正比关系。

图3 ESD EMP峰值随放电枪电压变化趋势

图4为静电放电电流波形，其中：图4(a)作为对比波形，为不加静电放电电磁脉冲照射时直接放电波形，此时击穿阈值电压2.4 kV；图4(b)为在同样条件下，施加场强峰值-6.6 kV/m的电磁脉冲辐射诱发的典型放电信号波形，此时击穿阈值电压为2.2 kV，相比于无外场时击穿阈值电压下降了8.3%。

图4 静电放电电流波形

从图4(a)中可以看出，静电电磁脉冲诱发放电波形包括两部分组成，前面的较小脉冲是电极由于天线效应接收的辐射场感应波形，后面较大的脉冲是电极放电波形，二者之间总是存在一定的放电时延[28]。与图4(b)对比可以看出，两种类型的静电放电电流具有相似的脉冲形式。和正常放电电流(脉冲峰值为-11.5 A)相比，诱发的放电电流脉冲幅值(脉冲峰值为-10.2 A)有所降低；此外，正常静电放电的放电电压达到击穿阈值，属于自持放电，可重复产生，而被诱发的静电放电的放电电压低于击穿阈值，属于非自持放电，需要依靠外界电离源产生，且放电不能重复发生。

2.1 电极电压对诱发放电延迟时间影响

常压下，放电枪电压固定为-30 kV，即ESD EMP峰值场强为-12.3 kV/m时，不同电极电压下测试所得诱发放电延迟时间分布情况如图5和表2所示。

从图5可以看出，同一电极电压作用下，诱发放电时延有一定的分散性[28]，但总是分布在一定的时间段区间内，且整体呈现出一定的正态分布的特性，电极电压越弱越趋向于正态分布。同时从表2 中还可以看出，随着电极间电压升高，电极之间的场强变大：一方面诱发放电的时延逐渐缩短；另一方面诱发放电的时延分布区间也逐渐缩短，即分散性减小。

表2 不同电极电压下放电时延分布统计

图5 不同电极电压下诱发时延分布情况

放电时延包括电子崩生长所需要的时间和流注传播时间[28]：从宏观上看，在进行静电电磁脉冲诱发放电试验时虽然设置了相同的环境条件；但是从微观上分析，放电通道存在许多诸如空气分子热运动等随机性因素。宏观上，虽然气压和气体成分是一定的，但是在电极之间放电通道上的局部空间内的空气成分，比如分子(等离子体)种类及浓度等都在一定范围具有随机性；分子的热运动速度也在一定的范围内时刻在随机变化，这些随机因素综合起来影响电子崩生长时间和流注传播时间，使诱发放电时延表现出一定的随机性，最终导致同一条件下诱发放电时延分布在一定的区间内，且一定程度上呈现正态分布。

按照气体放电理论，第一汤森电离系数及二次电子发射系数，均会受到电极之间的电场影响，即电场越强，第一汤森电离系数及二次电子发射系数越大[28-31]。此时，在电场作用下，电子与气体分子每次电离碰撞产生更多的电子这一过程为α过程(α为电子的电离碰撞系数，又称第一汤森电离系数)；且正离子每次撞击阴极生成更多的二次电子，这一过程为γ过程(γ为正离子的二次电子发射系数，又称第二汤森电离系数)。在上述两个过程中，生成的电子越多，会导致电子崩的生长时间和流注的传播时间越短，进而使火花放电的时延越短。试验中，当辐射场强一定时，极间电压越高，电极之间迭加之后的总电场越强，试验测得的放电时延整体上是在缩短，与上述理论分析一致。

电极电压越高，对应的放电时延越集中，分散性变小，主要是因为在强电磁场作用下，空气中带电粒子的定向漂移运动加强，而扩散运动相对减弱[28]，进而使形成火花放电时随机性降低，放电的时延变得更为集中。

2.2 辐照场强对诱发放电时延影响

常压下，电极之间电压固定为-2.47 kV时，设置不同放电枪电压，即不同辐照场强所对应的诱发放电时延分布情况如图6和表3所示。

表3 不同辐射场强下放电时延分布统计

从图6中可以看出，同一辐射场强条件下，诱发放电时延有一定的分散性，但是整体呈现出一定的正态分布的特性，诱发放电的时延总是分布在一定的时间段区间内。对比不同辐射场强下的诱发放电时延，可以发现：整体上随着放电枪电压升高，辐射场强的增大，诱发放电时延逐渐缩短；而且辐射场强越强，诱发放电时延分布的区间越短，即分散性越低；反之辐射场强越低，诱发放电时延越分散，即分散性越大，但是更符合正态分布的趋势。

图6 不同辐照场强下诱发时延分布情况

初步分析，当极间电压一定时，放电枪电压越高，辐射的场强越大，导致电极之间迭加之后的总电场越强，同样会导致在气体击穿过程中，电子的电离碰撞系数α与正离子的二次电子发射系数γ的增大，最终使形成放电火花时延缩短。本试验测得的放电时延整体上随着极间电压的升高逐渐缩短，与上述理论分析一致。

放电枪电压的升高，同样是能够增强电极之间放电通道周围空气的电场，加强了空气中带电粒子沿电场线定向漂移运动，减弱扩散运动，减小该局部空间内空气分子运动的随机性，从而使放电时延变得更加集中。

2.3 不同气压对诱发放电时延影响

固定电极电压为-1.6 kV，放电枪电压为-30 kV(即辐射场强为-12.3 kV/m)时，不同气压下测得的诱发放电时延情况如图7和表4所示。

图7 不同气压下诱发时延分布情况

从图7中可以发现：同一气压下，诱发放电时延有一定的分散性，但是诱发放电时延总是分布在一定的时间段区间内。同时从表4中可以发现：随着气压的升高，诱发放电时延整体上呈现缩短趋势；气压越高，诱发放电的时延分布区间也越短，分散性越小；气压越低，诱发放电的时延分布区间越长，分散性越大。

表4 不同气压下放电时延分布统计

气压的升高，使分子密度增加，根据气体放电理论，分子的平均自由程减小[30-31]，在形成火花放电过程中，单位时间内带电粒子与空气中的粒子碰撞次数增多，能够激发更多的二次电子和带电粒子参与放电，最终导致诱发放电时延变短。

气压越低，诱发放电时延越分散；气压越高，时延相对越集中，主要是因为气压升高，空气的密度变大。从微观上看，电极尖端局部空间内空气分子各方面物理性质相对来说更稳定，在形成放电通道时随机性相对小一些，进而导致放电时延更加集中。

3 结论

本文通过对强场诱发针板电极放电大量试验，分析统计发现，在相同条件下，ESD EMP诱发电极之间的放电时延总是分布在一定的区间之内，且在该区间内呈正态分布的趋势。该区间受到极间电压、辐射场强以及气压的影响如下：

1)随着电极电压的升高，极间的场强增加，一方面会使诱发放电的延迟时间变短，另一方面会使时延分布区间缩短，时延分散性降低。

2)增大ESD EMP辐射场强，同样能够使诱发放电的延迟时间变短，同时使时延分布区间变短，分散性降低。

3)气压升高，分子密度增加，会使诱发放电的延迟时间变短，同时也会使放电延迟分布区间变短，时延分散性降低。

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