高能電子輻照下介質-導體相間結構深層充電特性研究

鄭漢生，楊濤，韓建偉，張振龍，劉繼奎

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高能電子輻照下介質-導體相間結構深層充電特性研究

鄭漢生1,2，楊濤1，韓建偉1,2，張振龍1,2，劉繼奎3

（1．中國科學院國家空間科學中心，北京100190；2. 中國科學院大學，北京100049；3. 北京控制工程研究所，北京100190）

為研究影響介質-導體相間結構深層充電特性的內在因素，設計了不同構型的試驗樣品，利用90Sr放射源模擬空間高能電子環境對樣品進行深層充電輻照試驗，測量了充電電位的差異。并借助深層充電三維仿真軟件計算介質-導體相間結構在不同幾何構型情況下的深層充電電位、電場分布。試驗和仿真結果表明，介質最高表面電位以及介質內部最大電場均與介質寬度和高度呈正相關。其他條件不變時，介質越寬，或越高于導體表面，發生放電的風險就越高。在介質與導體側面存在微小縫隙情況下，介質內最大電場顯著增強，易發生內部擊穿。而在介質與導體之間的真空間隙內，電場很容易超過擊穿閾值，放電風險很大。航天工程應用中為降低此種結構深層充放電的風險，在滿足絕緣性能及其他要求的前提下應盡量減小介質的寬度，降低介質與導體間的高度差，并確保介質與導體側面接觸良好。

高能電子；介質深層充電；試驗；三維仿真

0 引言

空間輻射環境中高能電子穿透性強，易沉積在航天器外圍的絕緣介質深處或穿透航天器屏蔽層沉積在內部的介質中以及孤立導體表面，導致電荷持續積累而形成深層充電（或稱為內部充電）效應，由此引發的空間靜電放電是主要的空間環境危害之一[1-3]。尤其是在電子環境惡劣的地球外輻射帶區域，常出現規律性或偶發性的高能電子暴，能量為幾百keV至幾MeV的電子其通量會在數天內增大2～3個數量級[4-5]，深層充電的危害性更加凸顯，從而嚴重威脅著GEO、MEO以及HEO衛星的在軌安全可靠運行[6-8]。

深層充電效應的研究對象主要是航天常用的高電阻率介質材料。衛星上的電纜護套、電路板以及各種絕緣支撐件、固定件等存在大塊介質的結構，是發生深層充電的高風險部位。目前，針對平板介質等簡單構型開展的深層充電模擬試驗和仿真計算的研究很多[9-11]，但針對衛星上具代表性的較復雜構型開展的深層充電規律研究相對較少[12-13]。實際上，在軌發生的充放電效應是一個復雜的物理過程，不僅與介質材料自身的性能參數相關，還與充電部位的具體結構、接地條件及其周圍布局有關，簡單地等效為一維平板模型在很多情況下并不恰當。因此，通過試驗和仿真的手段研究具有較高深層充電風險的典型衛星部件結構的充電特性和規律，對航天工程應用中深層充電防護設計具有重要意義。

介質-導體相間結構是指介質與導體側面相鄰緊貼的結構，導體為介質提供了側面接地條件。此結構常見于衛星太陽電池陣驅動機構（SADA）的導電環裝置。太陽電池陣與衛星主體間通過SADA導電環的金屬滑環和電刷完成功率及信號傳輸，不同的金屬滑環間用絕緣介質隔離[14]。由于SADA安裝于衛星主體的外側，高能電子很可能穿透SADA殼體而使滑環間的絕緣介質遭受嚴重的深層充電效應，一旦介質充電引發對滑環的放電，放電脈沖將可能影響到太陽電池陣的跟蹤控制以及衛星的可靠供電。本文利用90Sr放射源模擬外輻射帶的高能電子環境，設計了不同構型的介質-導體相間結構試驗樣品，對其進行深層充電輻照試驗，并借助自主開發的內部充電三維仿真軟件，計算不同介質寬度和高度以及介質與導體存在間隙情況下的充電電位、電場分布，分析影響介質-導體相間結構深層充電特性的各種內在因素。

1 試驗和仿真方案

1.1 試驗裝置

中國科學院國家空間科學中心的航天器充放電模擬裝置（SCADS）是用于航天介質材料充放電特性研究以及衛星部件和單機設備的充放電風險評估的專用試驗裝置[15]，如圖1所示。裝置主要由真空室及真空泵組、電子輻照源、溫控樣品臺、傳動系統和參數測量系統組成，其核心部分是2套不同的電子輻照源，包括1臺STAIBEK- 100-FL型電子槍以及由7枚出廠總活度達350mCi的90Sr-90Y放射源組成的面陣。電子槍能提供5～100keV能量范圍內束流密度連續可調的單能電子束，而90Sr-90Y放射源通過β衰變所發射的電子具有連續能譜（max=2.28MeV）且通量可控制在pA量級上下，與地球外輻射帶中的深層充電高能電子能譜和通量有著較好的匹配，是較理想的深層充電模擬源。通過調節放射源和試驗樣品之間的距離可控制電子通量的大小來模擬不同程度的高能電子環境。輻照試驗期間，參數測量系統可對試驗樣品的表面電位、接地電流、放電電流脈沖和電場脈沖以及放電圖像等充放電參數進行自動監測記錄。

圖1 航天器充放電模擬裝置

1.2 試驗樣品

為對比研究介質-導體相間結構中介質的寬度和高度（介質與導體表面高度差）對深層充電效應的影響，設計了#1、#2兩種試驗樣品，其結構（側視圖）如圖2所示。樣品尺寸均為98mm×60mm×8mm，介質材料為聚酰亞胺，導體材料為銅。2mm厚的銅條嵌入不同深度（6mm和4mm）的絕緣凹槽中，#1樣品銅條以及銅條間的介質寬度均為10mm，#2樣品的銅條以及銅條間的介質寬度均為5mm。

圖2 #1和#2試驗樣品結構示意圖

與介質側面緊貼的導體（非孤立導體）為介質內的沉積電荷提供了泄放通道。若因導體與介質接觸不良導致兩者間存在微小縫隙，將對電荷的泄放產生不利影響。為研究此情況下的深層充電效應，設計了#3樣品，樣品尺寸為40mm×40mm×8mm，介質材料為聚四氟乙烯，導體材料為銅，其結構如圖3所示。銅條厚2mm，介質與銅條表面高度差為4mm，其中一個銅條側面與介質間存在0.1mm的間隙。

圖3 #3試驗樣品結構示意圖

考慮到工程應用中SADA導電環的金屬滑環所加電壓與介質充電電壓相比可以忽略，試驗樣品的銅條均作接地處理。試驗時，樣品前表面（有凹槽的一面）接受電子輻照，將放射源置于樣品正前方，調節源距使樣品中心的電子通量為5pA/cm2。試驗期間，真空度維持在10-4～10-5Pa，溫度保持室溫。對樣品2處對稱位置的表面電位進行非接觸式感應測量，比較充電電位的差異。

1.3 仿真軟件及建模

通過模擬試驗可獲得充電表面電位、放電電流脈沖及電場脈沖等充放電關鍵參數，但對于試驗對象內部的劑量沉積以及電場和電位分布細節缺乏有效的測量手段。而借助計算機仿真軟件則可彌補模擬試驗的不足，能靈活地選擇輸入能譜參數，通過計算得出劑量沉積分布，給出充電電位、內部電場隨時間和空間的變化情況。

SIC3D軟件是由中國科學院國家空間科學中心自主研發的深層充電三維仿真軟件，可用于衛星復雜結構部件的幾何建模和仿真計算[16-17]，其基本框架如圖4所示。軟件的深層充電計算涉及2個基本物理過程，即空間輻射電子在介質材料內的輸運以及介質材料內建電場的演化。相應地，SIC3D有2個主要模塊：基于Geant4的電子輸運蒙特卡羅模擬模塊，用于計算高能電子在材料內的運動軌跡和能量沉積；基于有限元分析（FEA）的電場演化計算模塊，通過求解包含RIC模型的電荷連續性方程和泊松方程來計算介質材料內建電場的演化。

圖4 SIC3D基本框架圖

利用SIC3D對介質-導體相間結構進行幾何建模和充電仿真計算。如圖5所示，建立了4種不同的三維模型，包含了不同的介質寬度、高度以及介質與導體間存在微小間隙的情況。4種模型的介質材料均為聚酰亞胺（PI），導體為2mm厚的銅條。模型a中與銅條相鄰的介質寬10mm，高2mm；模型b的介質寬10mm，高4mm；模型c的介質寬5mm，高2mm；模型d與模型a的介質寬度及高度相同，但銅條與介質間存在0.1mm間隙。計算中采用的介質材料參數見表1，銅條被設定為零電位。為便于與模擬試驗取得的定性結果進行對照，仿真的電子源采用90Sr放射源的能譜，從模型上方入射，電子通量與試驗保持一致（5pA/cm2）。

(a)?????????(b)

(c)?????????(d)

圖5 4種不同結構的SIC3D仿真建模

Fig. 5 Four different structure models in SIC3D

表1 仿真采用的PI材料參數

2 試驗和仿真結果及分析

2.1 介質寬度和高度對深層充電特性的影響

在90Sr放射源輻照下，#1樣品、#2樣品各自2處測量位置的電位變化趨勢如圖6所示。約2000min后，樣品的表面電位均趨于平衡。#1樣品位置1的平衡電位約為-14000V，位置2的平衡電位約為-16500V；#2樣品位置1的平衡電位約為-13000V，位置2的平衡電位約為-15000V。

#1樣品2個測量位置的表面電位均高于#2樣品對應位置的表面電位，這說明介質與導體高度差相同時，寬介質比窄介質的充電電位更高。而2種樣品測量位置2的電位均高于位置1的電位，說明了介質與導體高度差增加時，充電電位升高。

圖6 #1樣品和#2樣品表面電位隨時間的變化

利用SIC3D對a、b、c這3種模型計算得到的介質充電電位及內部電場三維分布如圖7及圖8所示。從圖中可見，充電電位及電場在不同介質寬度和高度情況下的分布規律類似。介質表面最高負電位均出現在距離銅條（接地點）最遠端。若介質兩側均有接地導體相鄰，那么最大負電位點應位于介質中心位置。介質內部最大電場均出現在介質側面與接地銅條的交界處，這與正面、背面及雙面接地情況下平板介質的深層充電計算結果類似[10]。

(a)?????????(b)

(c)

圖7 3種模型（a、b、c）的電位分布

Fig. 7 Distribution of potential for model a, b and c

(a)

(b)

(c)

圖9為通過SIC3D仿真得到的介質最高表面電位及內部最大電場隨介質寬度和高度的變化。介質是否會發生內部擊穿放電取決于內部最大電場是否超過材料的介電強度。從最大電場隨介質寬度和高度的變化情況可見，介質寬度或高度增加時，深層充電導致的介質內建電場會增強。介質寬度增加導致最大電場增強與介質接受電子輻照的面積增大有關。假設電子入射通量為I，介質受照面積為I，接地面積為O，接地面附近介質內建電場為，電導率為，則介質達到充電平衡時，由電荷守恒定律及歐姆定律可得。在其他條件不變時，增加介質的寬度會增大介質暴露的受照面積I，從而導致介質接地面附近產生更強的局部電場，增加介質發生內部擊穿的風險。

(a)

(b)

圖9 介質最高電位及最大電場隨介質寬度和高度的變化

Fig. 9 Variation of maximum surface voltage and electric field of dielectric against its width and height

介質高度對最大電場的影響與介質不同深度的劑量率分布有關。圖10所示為通過蒙特卡羅計算得到的模型a中=0平面介質區域的劑量率分布，由圖可見，介質右半部分由于2mm厚銅條的屏蔽，電子未能穿透進入其中；而左半部分，從介質表面沿著垂直向下的方向，電子沉積導致的劑量率呈減小趨勢。受限于入射電子在介質材料中的最大射程，在距介質表面約4mm以下，劑量率幾乎為0。介質在輻射環境下的電導率為=dark+RIC=dark+P(d/d)，當劑量率為0.01rad/s時，取表1的材料參數計算可知，聚酰亞胺的輻射誘導電導率比暗電導率大1個數量級。因此，當介質與導體表面高度差大于電子最大射程時，由于接地面附近介質電導率大幅降低，由歐姆定律=可知，介質內部最大電場將顯著增強。

圖10 a模型中y=0平面的劑量率分布

從充電電位的仿真結果來看，與最大電場的變化規律類似，一定條件下介質表面電位同樣與介質寬度和高度呈正相關。電位是電場在空間的積分，介質表面電位取決于介質內部場強以及與接地點的距離。從仿真結果來看，模型b與模型a、c相比由于其介質內部電場更強，且介質上表面邊沿與接地點的距離更遠，因而其表面電位更高。介質表面電位的高低不僅是其內部電場大小的間接體現，而且介質表面與附近其他部件表面間的電位差影響著兩者間發生放電的風險。若相鄰表面的電位差超過擊穿閾值，則兩者間將發生放電。因此，在介質-導體相間結構中，為降低介質發生內部擊穿放電以及介質與附近部件表面間的放電風險，在滿足其他要求的前提下，應盡量減小介質的寬度，降低介質與導體表面的高度差。

2.2 介質與導體間隙對深層充電特性的影響

利用90Sr放射源對#3試驗樣品持續輻照24h以上達到充電平衡，輻照期間未監測到放電脈沖。圖11所示為樣品2處測量位置的電位變化情況，位置1和2的表面電位可見明顯差異。位置1的介質與銅條接觸良好，其表面平衡電位約為-6100V；而位置2的介質其側面與銅條間存在0.1mm的間隙，表面電位相對高出32.8%，達到-8100V。

圖11 #3樣品表面電位隨時間的變化

對模型d的三維充電仿真計算結果如圖12所示。由圖12(a)可見，有間隙時介質最高表面電位達-19000V，比模型a的介質最高電位-9146V高1倍多。而通過比較模型a和模型d的電場計算結果，發現二者介質最大電場及其分布細節所呈現的差異性更為顯著。無間隙時，最大電場為7.4×104V/cm，位于與銅條側面相接處的介質內；有間隙時，整個結構的最大電場位于介質與導體側面之間真空間隙區域的上部，達1.4×106V/cm，而介質內部的最大電場位于間隙底部的銅條邊沿附近，約為3.5×105V/cm，這都超過了NASA-HDBK-4002A中給出的可能發生真空間隙放電以及介質擊穿放電的閾值電場判據[18]，特別是間隙區域內的電場強度更是高出擊穿閾值電場1個數量級。

(a) 電位

(b) 電場

圖12 模型d的電位及電場分布

Fig. 12 Distribution of potential and electric field in model d

介質與導體的間隙導致充電電位與電場急劇增強是由于介質內部沉積電荷的泄放通道發生變化。介質與導體側面接觸良好時，介質內電荷主要通過導體側面泄放，泄放面積大且距離近。當兩者因接觸不良而產生微小間隙時，電荷只能繞到間隙底部導體與介質的接觸點（即導體底面邊沿）泄放，此位置被銅條屏蔽的介質沒有受到電子輻照，只有暗電導率參與電荷的泄放，因而導致局部電場顯著增強。而介質與導體之間的真空間隙區域內，由于間隙兩邊電位相差懸殊且間隙非常小，間隙中就可能形成超過擊穿閾值的強電場，在一定觸發條件下（例如介質材料真空出氣）發生放電的風險很高。因此，在工程應用中，介質與導體相鄰緊貼時，確保兩者側面間具有良好的電接觸十分重要。

3 結束語

本文利用航天器充放電模擬裝置的90Sr放射源，對不同構型的介質-導體相間結構試驗樣品進行了深層充電輻照試驗，并借助深層充電三維仿真軟件SIC3D計算了這些樣品充電至平衡時的電位及電場分布。試驗和仿真結果表明，在連續譜高能電子的輻照下，與導體相鄰的絕緣介質最大表面電位以及介質內部最大電場均與介質寬度和高度呈正相關。其他條件不變時，介質越寬，或者越高于導體表面，發生相鄰部件間放電以及介質內部擊穿放電的風險越高。尤其是當介質與導體側面之間因接觸不良而產生微小間隙時，由于電荷泄放通道改變，導致介質內部最大電場顯著增強。而間隙內的狹小真空區域，在間隙尺度很小時電場很可能超過擊穿閾值而使介質-導體間發生放電。對于航天器中的介質-導體相間結構（例如SADA導電環），在滿足導體間絕緣性能以及其他要求的前提下，應盡量減小介質的寬度以及介質與導體間的高度差，并確保介質與導體側面電接觸良好，杜絕縫隙的產生。

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（編輯：肖福根）

Charging characteristics of dielectric-conductor alternately layered structure under energetic electron irradiation

ZHENG Hansheng1,2, YANG Tao1, HAN Jianwei1,2, ZHANG Zhenlong1,2, LIU Jikui3

(1. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190, China)

To investigate the charging characteristics of the dielectric-conductor alternately layered structure, various samples are designed and irradiated by the90Sr β source to simulate the energetic-electron environment in space and the sample charging potentials are measured during the experiment. By using the 3-D simulation tool of deep dielectric charging, various structures are modeled and the charging potential and the electric field are calculated numerically. Experimental and simulation results show that the maximum dielectric surface potential and the built-in electric field of the structure are positively correlated with the width and the height (over the conductor surface) of the dielectric. The wider or higher the dielectric is, the greater the discharging risk will be. Especially when there is a narrow gap between the dielectric and the conductor, the electric field inside the dielectric will be enhanced dramatically and may result in an internal break-down. The electric field in the gap region might easily exceed the vacuum break-down threshold value. To mitigate the internal charging hazards of such structures in space engineering applications, the width and the height of the dielectric should be minimized as far as possible and the gap between the dielectric and the conductor must be avoided.

energetic electron; deep dielectric charging; experiment; three-dimensional simulation

V520.6; V416.5

A

1673-1379(2017)02-0183-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.013

2016-08-22；

2017-02-27

國防基礎科研計劃項目（編號：B1320133032）

鄭漢生（1989—），男，博士研究生，研究方向為空間環境效應；E-mail: zhenghansheng12@mails.ucas.ac.cn。指導教師：韓建偉（1970—），男，博士學位，研究員，主要從事空間環境效應研究；E-mail: hanjw@nssc.ac.cn。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544