介質材料形狀對表面電位衰減特性的影響

代銀松， 張希軍， 原青云， 范亞杰

(陸軍工程大學石家莊校區靜電與電磁防護研究所, 河北 石家莊 050003)

航天器的設計組裝會涉及到介質材料的選取，在空間等離子體作用下不同形狀的介質材料具有不同的帶電特性，而航天器介質表面的電荷積累有可能產生嚴重的靜電放電危害[1-4]。目前，研究者對航天器介質材料的帶電行為進行了大量的地面模擬研究[5-9]，如：蘇泉圣[6]系統地研究了介質材料的形狀、面積和厚度對介質材料充電速率和平衡電位的影響規律，得出平衡電位隨著材料厚度和面積的變大而上升，且受形狀的影響；李得天[7]研究了介質材料面積對表面充放電的影響，得出形狀、厚度和接地結構等因素對充電特性的影響規律。文獻[10-14]的作者通過電暈充電向圓形介質材料表面注入電子的方法，研究了材料表面電位衰減規律，得出介質材料表面電荷的消散主要受表面電導率的影響，但未研究介質材料表面電位衰減過程中形狀對泄漏電流的影響。根據文獻[6]研究結果及介質材料的表面電荷衰減機理可以推斷，介質材料形狀很可能影響介質表面電位衰減特性。

為了揭示介質材料形狀對表面電位衰減的影響機理，深入研究介質材料在充電過程中形狀對充電平衡電位的影響，筆者通過模擬空間環境下介質材料的充電過程，使不同形狀的介質材料帶有相同的電位，然后利用非接觸式電位計監測介質材料表面電位的衰減情況，分析材料形狀對介質材料表面電位衰減的影響機制，以期為航天器介質材料的帶電防護提供參考。

1 實驗方案

1.1 實驗系統配置

依據航天器表面帶電機理，通過模擬主要的空間充電環境因素，實現對航天器表面材料的充電，從而進行相關的實驗研究，這樣可減輕外界環境對測量結果的干擾及大幅降低實驗成本。

航天器介質材料表面帶電實驗系統配置結構如圖1所示。

圖1 航天器介質材料表面帶電實驗系統配置結構

該系統主要由電子槍、電子槍控制系統、電位檢測系統、真空室、冷板溫度控制系統、真空控制系統及電腦控制系統組成，其利用單一電子槍發射電子束流，模擬地球同步軌道地磁亞暴等離子體環境的入射電子束流，從而使介質材料表面帶電。

1)空間低能電子充電設備。電子槍在電子槍控制系統的作用下發射具有一定能量和密度的電子束流，給介質材料充電，其中電子能量為0～30 keV(可調)，電子束流密度為0～20 nA/cm2(可調)，電子不均勻度小于30%。

2)真空控制系統。該系統包含真空室、機械泵、分子泵和氣瓶等設備。其中，真空室為內直徑50 cm、長度50 cm的圓柱罐體，側面上裝有4個法蘭(2個觀測法蘭、1個信號線法蘭及1個備用法蘭)，最低真空度可達10-5Pa，通過外接純凈氣體氣瓶和流量質量控制器實現對真空罐內真空度的調節。

3)冷板溫度控制系統。通過冷卻塔和溫度控制設備對油液溫度進行控制，然后通過油液循環控制真空室內的冷板溫度。其中：冷板的作用是為介質材料背面提供接地，并通過溫度控制設備和油路實現對冷板溫度的控制；金屬支架的作用是排除冷板對入射電子束流均勻度的影響，同時使介質材料背面接地，并在冷板和介質材料之間進行溫度傳導。

4)電腦控制系統。通過傳感器將信號傳遞給電腦，實現對溫度、真空度、機械泵和分子泵工作狀態的監控，同時可通過電腦的指令傳輸完成對溫度和真空度等的調節。

5)非接觸式電位計。由非接觸式電位計探頭和電位檢測系統組成。其中，非接觸式電位計探頭安裝在介質材料上方的操作桿上，距介質材料6 cm，在不使用時可移動到其他位置。該非接觸式電位計型號為EST102，用于實時檢測介質材料表面電位。

1.2 實驗樣品處理及實驗條件

實驗樣品處理：將介質材料背部通過導電銀膠和相同尺寸的鐵板(厚度為1 mm)均勻黏合接地，并用重物按壓36 h，以保持其表面平整；實驗前，用無水乙醇清洗介質材料表面，風干備用；黏合有聚酰亞胺材料的鐵板通過導電錫箔紙固定在金屬支架的小圓盤上，開啟電子槍使介質材料帶相同的初始電位，再用非接觸式電位計檢測電位的變化情況。

實驗條件為：電子束流密度為1 nA/cm2，電子能量為20 keV；介質材料為聚酰亞胺薄膜，其厚度為100 μm；圓形、正方形和等邊三角形樣件的面積均為50.24 cm2；真空度為3×10-4Pa；冷板溫度為16.8 ℃。

2 測量方法

2.1 電子束流密度的測量

電子束流密度用皮安表6485配合法拉第杯進行測量，其中法拉第杯圓孔直徑為0.7 cm(電子垂直入射的圓孔)，高度為6.8 cm。用紙杯和細銅線將法拉第杯固定在冷板上，法拉第杯的輸出信號線經法蘭引出后接到皮安表上，法拉第杯外殼通過與冷板接觸而接地；為防止電子槍不穩定產生的尖峰脈沖傷害皮安表，在皮安表信號線入口處串聯1個20 MΩ的電阻。皮安表讀數為I，則電子束流密度為

J=I/(0.352π)。

(1)

2.2 表面電位的測量

采用非接觸式電位計測量表面電位，其實質是對材料表面電場的測量，基本方法為靜電感應法。利用電容分壓原理，通過電位的校準和標定測量帶電樣件的電位，所得電壓是探頭相對有效面積的平均值，其基本過程為:首先，選好量程，將儀表開機預熱20 min；然后，利用與被測物件形狀、大小都相同的校準件將電位計調零，并將校準件和電位計的零電位端口相連；最后，將校準件和1 kV或100 V的標準電壓相連，以使其讀數和標準電壓相同，完成對電位計的標定。

3 結果與分析

3.1 充電時長

3種形狀介質材料的充電曲線如圖2所示?？梢钥闯觯?種形狀介質材料充電到相同電位8 750 V所用的時間不一致，其中圓形介質材料充電時間最短，正方形的次之，三角形的充電時間最長。

圖2 3種形狀介質材料的充電曲線

在地面模擬航天器帶電的過程中，主要考慮入射電子束流、二次電子流和泄漏電流對帶電過程的影響，其中：電子能量相同，則介質材料中電子束流的入射深度相同；電子束流密度一定，則單位面積上沉積的電荷量相同；介質材料的總面積一定，則二次電子流基本不變。因此，唯一影響介質材料充電速度的因素是泄漏電流，即介質材料表面電位的衰減效率。

3.2 表面電位衰減效率

設U0為初始電位值，U(t)為t時刻的電位，則t時刻介質材料的表面電位衰減效率η為

η=[U0-U(t)]/U0×100%。

(2)

利用式(2)可求得一定時間段內3種形狀介質材料表面電位的衰減效率。3種形狀介質材料樣件充電到8 750 V后，其表面電位隨時間變化的曲線如圖3所示。

圖3 3種形狀介質材料表面電位隨時間的變化曲線

結合圖3和式(2)可得，介質材料表面電位衰減效率呈指數變化，并與其形狀密切相關：3種形狀的介質材料樣件初始電位均為8 750 V，經過45 min的衰減后，圓形、正方形和三角形介質材料的電位分別為7 125、5 875、5 162.5 V，衰減效率分別為18.5%，32.85%、41%，說明圓形介質材料表面電位的衰減速度最慢，衰減效率最低，正方形次之，而三角形的介質材料表面電位的衰減速度最快，衰減效率最大。這個規律和圖2所示的充電規律相吻合。

4 表面電位衰減機理

介質材料的形狀決定介質材料邊緣的長度，其決定介質材料表面電荷的分布和切向電場的強度，以及影響電荷的表面傳導。上述實驗中介質材料的厚度相等，幾何中心點的初始電位值相同，則體傳導電流對電位衰減的影響程度也相等，因此主要分析形狀的改變對表面電荷消散的影響。

面積相同、形狀不同的介質材料實驗樣件結構示意圖如圖4所示，其中：r為圓形介質材料的半徑；a、b分別為正方形介質材料中心點到材料邊緣的最短、最長距離；c、d分別為等邊三角形介質材料中心點到材料邊緣的最短、最長距離。

為便于分析，將介質材料極限邊緣位置的電位都等效為零電位。介質材料中心點電位過渡到零電位的過程中，等電勢線與介質材料邊緣形狀相同，則中心點電荷移動到邊緣的泄放通道主要取決于二者之間的最短距離，距離越短，則表面電阻值越小。圓形、正方形和三角形介質材料從中心點到邊緣的距

圖4 3種形狀的介質材料實驗樣件結構示意圖

離分別為r、a～b和c～d。假設3種介質材料的面積均為S，則有

(3)

由式(3)可得：c2

介質材料中心點的電勢最高，介質材料邊緣的電勢最低。在切向電場的作用下，介質材料表面電荷會沿四周向邊緣擴散，由于介質材料周長和邊緣等電勢線長度近似相等，因此周長會影響介質材料表面電位的衰減速度。假設圓形、正方形和等邊三角形介質材料的周長分別為l1、l2、l3，則有

(4)

綜上可知：當介質材料面積和厚度相等時，電荷主要泄放通道的等效電阻越小，介質材料邊緣等勢線(零電勢)越長，則介質材料表面衰減得越快，在一定時間段的表面電位衰減效率越大。

5 結論

利用航天器介質材料表面帶電實驗系統，研究了空間環境下介質材料表面電位衰減特性和形狀的關系，得出以下結論：

1)在空間環境中，不同形狀的介質材料表面電位的衰減效率均呈指數變化的趨勢，且主要受到泄漏電流的影響。

2)介質材料的形狀影響航天器介質材料的充電速度和表面電位衰減速度。航天器介質材料在上述3種形狀中應選擇三角形的介質材料，這是因為選擇表面電位衰減速度快的介質材料有利于降低介質材料的放電幾率。

[1] 賈瑞金.地面實驗室模擬空間等離子體環境的初步測試[J].航天器環境工程,2005,22(3):163-167.

[2] 李盛濤,李國倡,閔道敏,等.入射電子能量對低密度聚乙烯深層充電特性的影響[J].物理學報,2013,62(5):59401-59402.

[3] 曹鶴飛,孫永衛,原青云,等.航天器背面接地介質材料等離子體充電研究[J].強激光與粒子束,2015,27(10):15-18.

[4] 王驥,邱家穩,秦曉剛,等.航天器介質深層充電模擬研究[J].空間科學學報,2008,28(3):242-247.

[5] 許濱.航天器表面帶電規律及防護方法研究[D].石家莊:軍械工程學院,2013.

[6] 蘇泉圣.典型航天器介質材料表面充放電特性研究[D].石家莊:軍械工程學院,2016.

[7] 李得天.介質材料表面充放電面積影響及模擬實驗[D].蘭州:蘭州空間技術物理研究所,2014:24-46.

[8] 師立勤.低軌道航天器輻射環境和表面充電效應研究[D].北京:中國科學技術大學,2011.

[9] 薛梅.高壓砷化鎵太陽陣ESD效應及防護技術研究[D].天津:天津大學,2007.

[10] 王立.航天器的表面帶電及其防帶電設計[J].航天器工程,1994,3(5):42-48.

[11] 雷偉群,烏江,彭平,等.改性聚酰亞胺復合材料的電導機理分析[J].北京航空航天大學學報,2015,41(6):1049-1054.

[12] 張重遠,黃彬,王娟,等.懸式瓷制絕緣子泄漏電流與表面污穢的關系[J].高電壓技術,2008,34(4):655-659.

[13] 李國倡,李盛濤,閔道敏,等.陷阱密度對低密度聚乙烯空間電荷形成與積累特性的影響[J].中國科學(技術科學),2013(4):375-381.

[14] 王蓓,張貴新,王強,等.SF6及空氣中絕緣子表面電荷的消散過程分析[J].高電壓技術， 2011,37(1):99-100.