航天器微波部件微放电诱导低气压来源分析

陈泽煜,王瑞,崔万照,*

1.中国空间技术研究院西安分院 空间微波技术重点实验室,西安 710000

2.西安交通大学 电子与信息工程学院,西安 710049

1 引言

低气压放电是星载微波部件在轨工作过程中极易发生的一种现象。当部件内部气压大小及微波电场强度满足一定阈值关系,部件内的气体将会被电离,形成等离子体,并最终导致雪崩击穿的发生[1]。当放电所形成的等离子体达到一定密度,将会中断微波传输[2]。更严重的时候,低气压放电所形成的等离子体会对微波部件表面造成烧蚀,导致部件的永久损坏。近年来,随着通信卫星朝着宽带、大功率以及高集成度的方向发展,微波部件内部的功率密度大幅提高,电场强度大幅增加。同时介质部件的大量应用,导致部件内部气体来源增加,更容易达到放电所需的功率-气压阈值。低气压放电已经成为威胁航天器电子设备安全运行的重要因素。因此,近年来得到了广泛的研究[3-5]。美国Aerospace公司甚至于2015年公开了航天器部件电离击穿预防标准手册[6]。

目前认为,星载微波部件的低气压环境主要有两个来源:一是航天器工作于低气压环境中,如临近空间的气压经历了从105Pa到0.1Pa的跨度,火星大气压为约500Pa;二是微波部件在工作过程中所释放的气体。对于大多数在轨航天器,其工作环境气压已远远低于气体放电所需气压阈值,且为了避免微波部件中残余的空气带来的放电风险,微波部件在设计加工时都留有排气孔,但实际上不乏因低气压放电造成航天器损坏的相关报道。如2006年国际空间站S波段射频系统发生的低气压放电事故。这说明,微波部件在工作过程中所产生的气体,也可能在部件内形成低气压环境并造成低气压放电风险。但这一过程尚未得到系统研究,严重阻碍了星载微波部件低气压放电抑制手段的开发。本文将对星载微波部件气体脱附效应进行分析,并根据分析结果提出一种可行的低气压放电抑制措施。

2 微放电与低气压放电效应

2.1 二次电子倍增与微放电

2.2 低气压放电及其等离子体

当微波部件内部具有一定气压,间隙中的气体若在射频电场的作用下发生击穿放电,间隙中将会形成等离子体。由于气体分子的电离,使得放电间隙中的电子数量大幅增多[18-19]。西北核技术研究所蔡利兵等人通过粒子模拟(particle in cell-monte carlo collision,PIC-MCC)方法对介质表面微波击穿过程进行了模拟研究,结果发现随着介质表面气压的升高(气体脱附系数的上升),介质表面放电区域中的电子数量大幅上升[20],如图1所示。

图1 介质表面运动电子数目随介质气体脱附系数变化规律[20]

等离子体正负电荷之间相互分离但又通过库仑力相互约束,当其内部受到扰动出现局部电荷不平衡时,在库仑力和惯性力的共同作用下,将出现等离子体内部电子和离子的集体振荡。这种振荡是等离子体的固有特性,其振动频率被称为等离子体频率,用ωp表示。ωp由等离子体自身特性决定,与外加电磁场无关。其可用如下公式表示[21]:

(1)

式中:e为电子电荷量;c0为电子密度;ε0为真空介电常数;m为电子质量。

可见,等离子体频率与外部电磁场情况无关,完全由其内部特性参数所决定。而等离子体对于电磁场会呈现出介电特性。微波场中,等离子体的相对介电常数εr为:

(2)

式中:ω为微波角频率。

从式(2)可以看出,当等离子体频率与微波频率相同时,等离子体的相对介电常数εr将为0,也就是说此时将会出现微波无法传输。这意味着微波部件所传输的微波将会被全反射。对于通信卫星,当其微波部件中出现低气压放电,且随着放电发展等离子体密度达到微波无法传输的临界密度nc,将会造成卫星通信的完全失效。

3 低气压放电所需的表面气体来源

当微波部件内出现导致微波无法传输的低气压放电时,放电等离子体的临界密度nc可由式(1)(2)推得:

(3)

对于频率为2GHz的微波,可以推算在击穿时刻导致其微波截止的临界等离子体密度为1.25×1016m-3。假设在击穿的临界时刻,等离子体还处于弱电离状态(电离率γ为10-8～10-4)[21],当电离率γ取10-4时,可以推得此时气隙内气体分子浓度为1.25×1020m-3。假设在击穿前,间隙内的气体已经通过热运动处于均匀分布的状态,那么根据理想气体状态方程,即:

PV=nRT

(4)

式中:P为气压;V为气体体积;n为气体分子的物质的量;R为摩尔气体常数且其值取8.314J/(mol·K);T为气体温度,取300K。

可以推得此时击穿间隙的气压为约1Pa。事实上,此处在推算击穿临界时刻的气体分子密度时,所取的电离率为弱电离等离子体的上限,因此实际的气压应远高于1Pa的大小。这个气压的来源需要进行研究。

3.1 脱附气体与低气压条件形成

事实上,材料表面会通过物理吸附的方式保留一定量的气体分子。这些气体绝大多数来自于加工和装配过程中的大气环境。根据残余气体成分分析,微波部件材料表面吸附气体成分主要为H2、H2O、CO2、CO等[22]。标准大气压环境下,材料表面通过物理吸附的方式保留有约100层的匀质气体分子[21],而其密度大约为1015cm-2。这些吸附气体一旦解吸附,将会在材料表面形成局部高气压。且由于吸附气体数目与间隙长度无关,这意味着间隙越窄,气体脱附后所形成的气体间隙气压越高。假设平行平板结构的气体间隙宽度为d,单位为cm,且不考虑气体逃逸的情况下,若上下平板材料表面所有吸附气体发生脱附,那么根据式(4)可以推得,间隙中的气压为800Pa·cm/d。若仅考虑物理吸附气体的解吸附,对于宽度为1cm的间隙,如果没有留有排气孔,间隙中的气压将高达800Pa。若部件内部出现极小的间隙,例如当间隙距离为100μm时,物理吸附气体的完全脱附将导致间隙中出现80000Pa的高气压!当然,在实际情况下,气体脱附的过程还伴随着吸附复合过程,因此并不会轻易出现这种极端情况。对于常温下真空抽气过程,只考虑热脱附和吸附复合时,表面吸附气体密度的变化率可用如下公式描述[23]:

(5)

式中:等号右侧第一项描述热脱附,第二项描述由于背景气体碰撞材料表面造成的吸附复合;dn/dt为每平方厘米的材料表面吸附气体数量的变化率(cm-2);n(t)为表面吸附气体数目;υx为脱附速率常数(对于一阶x=1,υx一般取υ≈1013±1s-1;对于二阶x=2,υx一般取υ≈10-4～10-1cm2/s);Q为气体与材料的吸附键能(kJ/mol);R为摩尔气体常数;T为气体及材料表面温度(K);s为粘附系数;P为背景气体气压(Pa);M为气体分子质量(amu);na为可吸附点位数量。粘附系数s由吸附气体分子与材料表面的结合能、温度等因素共同决定。而实际上由于材料表面形貌、元素等分布特性,导致结合能Q实际上是温度、时间、空间等的函数。不同气体分子与材料表面的结合方式也决定了式(5)中x的阶数。如H2分子在金属上的吸附与脱附一般为二阶反应。

式(5)描述了抽真空过程中微波部件材料表面吸附气体数量的变化规律。通过计算可以发现,对于常温(293K),背景气压为10-3Pa,粘附系数s为1的条件下,真空系统可以有效清除结合能小于59kJ/mol的吸附气体。而材料表面通过物理吸附的气体分子以范德华力与材料表面相结合,其结合通常为8～38kJ/mol。这说明,微波部件材料表面通过物理吸附的残余气体会被真空抽气清除,因此开孔成为一种有效去除物理吸附气体的方式。这也是在实际工程中在设计微波部件时需要进行开孔设计来预防低气压放电的原因。但对于一些介质填充型的微波部件,若没有进行有效开孔,气体无法及时排出,将会造成低气压放电。图2所示为一个测试中的环形器内部由于低气压放电造成的介质部件烧蚀的照片。

图2 某星载环行器测试后内部发生低气压放电的损伤形貌

3.2 热脱附与电子诱导脱附效应

吸附气体以范德华力或者形成化学键(即化学吸附)与材料表面的分子或原子相结合。当从外界输入的能量高出其结合能时,就会引起吸附气体的脱附。而对于星载微波部件在工作时,这个能量可以来自热,也可以来自倍增电子的诱导脱附。从式(5)中第一项可以看出,当温度升高时,热脱附项数值会以指数形式上升,因此温度是引起微波部件产生释气的重要因素。除了热脱附,当微波部件在工作时发生电子倍增甚至微放电时,电子轰击材料表面,与吸附气体发生碰撞,导致吸附气体脱附。热脱附与电子诱导脱附效应导致的材料表面吸附气体数量脱附率可用下式描述[17]:

(6)

式中:等号右侧第一项描述热脱附,第二项描述电子诱导脱附;Jp为瞬时电子流密度;σ为诱导脱附截面。

为了探究热脱附及电子诱导脱附对微波部件内低气压环境构造的贡献,构造了如下函数:

(7)

式中:F为脱附气体占材料表面吸附气体的比重,n0为吸附气体初始数量。当F值为1时,意味着材料表面的吸附气体全部释放了。

对于热吸附项,在仅考虑一阶脱附(即x=1)时,通过解析的方式联立方程(6)(7)可以得到系数Fr的表达式如下:

(8)

在实际的星载微波部件工作过程中,部件温升主要由导体损耗、介质损耗等引起,温度值具有时间积累的特性。在于气体脱附或电击穿的物理过程所跨越的时间尺度内,可忽略温升并认为温度保持恒定。图3所示是根据式(8)计算出的不同吸附键能Q的吸附气体在不同温度下的热脱附比重系数随时间的变化曲线,这一键能范围涵盖了航天器微波部件中几种典型的吸附气体与部件材料表面的吸附键能大小。而吸附键能的大小取决于气体种类、材料种类、吸附层位及材料表面温度等特性,因此即使对于同一种气体分子,其与材料的吸附键能的大小也会发生变化。为了有一个定性的认识,此处选取了吸附键能大小范围中几个特定的值来加以研究。其中,图3(a)为20kJ/mol的热脱附比重系数随时间的变化曲线。可以看到,无论环境温度为0℃(约270K)还是100℃(约370K),此吸附键能下的气体均在几纳秒的时间内完成脱附。当吸附键能Q为40kJ/mol时,气体完全脱附所需的时间比Q为20kJ/mol时增加了三个数量级以上,尤其是在低温时,这一差异更为明显。同样的,对于Q为60kJ/mol时,相同温度下完全脱附时间比Q为40kJ/mol的吸附气体上升了3个数量级以上,达到了秒级。但总体而言,当Q小于60时,即使在常温条件下,吸附气体也会在极短的时间内完成脱附。这个吸附能范围包括了物理吸附气体以及低吸附能的化学吸附气体。若微波部件开有透气孔,在航天器到达运行轨道之后,这些吸附气体将会在短时间内脱附并快速逸散。

图3 不同温度条件下不同吸附能气体的热脱附气体比重系数随时间变化曲线

化学吸附气体的吸附键能要远高于物理吸附气体,其键能范围为84～210kJ/mol。由于具有更高的键能,因此,需要更高的温度才能实现有效的解脱附。图3(d)所示为吸附键能Q为168kJ/mol的吸附气体在不同温度下的热脱附比重系数变化曲线。这个键能也是H2在金属材料上化学吸附的键能上限[24-25],从图中结果可以看出,当温度为400K时,在200h内Fr都没有明显的上升,说明在这个温度下吸附键能为168kJ/mol的吸附气体无法因为热效应而发生有效的脱附。当温度升高至450K时,在200h内,材料表面只减少了约20%的吸附气体。即使温度升高至500K,键能为168kJ/mol的吸附气体完全脱附也需要约50h的时间,而这个温度已经接近大多数介质材料的软化点甚至熔点了。因此加热排气已经不适用于清除吸附键能较高的化学吸附气体了。除了热致脱附,电子的轰击也可以使吸附气体与材料表面的吸附键断裂从而造成吸附气体的脱附。以H2和金属的化学吸附能为例,取其上限168kJ/mol。在上述分析中,将材料温度升高至450K才能使此键能的H2有效脱附。将这个键能换算成单位为eV,则其值为1.75。也就是说,当动能为1.75eV的电子与吸附键能为168kJ·mol-1的吸附H2分子发生有效碰撞后,将会使其发生脱附。根据Vaughan模型推算的微波部件内部发生二次电子倍增时出射电子的能量分布,大多数二次电子的能量超过了这一吸附能。若考虑到射频电场对电子的加速作用,电子能量的分布将进一步向更高能量的区间移动[26]。即当航天器在轨运行的过程中,若微波部件内发生二次电子倍增或者微放电,倍增电子将会导致释气的发生。与描述热脱附气体过程的脱附气体比重系数Fr相同,这里根据方程(6)(7)构造电子诱导脱附气体比重系数Fj。可得到Fj的计算公式为:

(9)

图4 电子诱导脱附与热脱附效率比较

4 低气压放电的抑制措施

经过上述分析,可以发现介质表面释气过程是低气压放电的先导过程,只有微波部件内部间隙达到低气压放电所需的气压—功率阈值,低气压放电才可产生。而电子诱导介质表面释气是微波介质部件表面释气的重要来源,因此抑制低气压放电,提高微波部件低气压放电阈值可通过以下两种途径实现:首先是介质表面改性,通过使用高键能材料,减少电子诱导的化学脱附。或者使用表面处理工艺,在介质材料表面镀上具有低产气特性的材料;其次是通过抑制介质表面电子倍增过程,减小微波部件工作过程中介质表面的电子数目或电子平均动能。如采用周期性陷阱结构的表面,可有效抑制介质表面的电子倍增过程,提高微放电阈值[28]。但采用这一方法存在的风险在于,周期性表面会极大增加介质表面的有效面积,从而增加了介质材料所携带的吸附气体余量。若电子倍增出现,即使没有达到微放电阈值,倍增电子会使介质表面大量释气,从而加快介质表面气体环境的建立,使低气压放电阈值下降。

5 结论

低气压放电是威胁星载微波部件在轨安全运行的重要因素,也是制约星载微波部件大功率、小型化方向发展的主要因素。本文首先分析了星载微波部件在轨工作期间内部低气压条件的形成原因,即放电所需的低气压环境主要来自于微波部件材料吸附气体的解吸附过程。接着,通过计算对比了热效应和电子轰击效应对于吸附气体的脱附效率,发现高真空条件可以有效清除结合能小于59kJ/mol的吸附气体,同时热效应可使物理吸附气体高效脱附。而对于键能高于84kJ/mol的化学吸附气体,热效应所造成的脱附效率远低于电子碰撞效应。由此说明,在星载微波部件正常工况下,电子碰撞诱导吸附气体脱附的效率远高于热效应,当微波部件内部发生微放电时,电子诱导脱附气体将是微波部件内部低气压环境的主要成因。最后根据分析结果讨论了低气压放电的抑制措施。