王　俊，李得天，楊生勝，秦曉剛，陳益峰，柳　青，陳學(xué)康

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州　730000）

1.5 MeV電子輻照下高壓電纜內(nèi)帶電效應(yīng)研究

王俊，李得天，楊生勝，秦曉剛，陳益峰，柳青，陳學(xué)康

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

隨著我國衛(wèi)星長(zhǎng)壽命高性能的需求，離子電推進(jìn)器的使用也將成為一種必然趨勢(shì)。針對(duì)中、高軌道衛(wèi)星離子電推進(jìn)器采用的高壓電纜在高能電子輻照下引發(fā)的內(nèi)帶電效應(yīng)，導(dǎo)致電推進(jìn)系統(tǒng)工作故障的問題，測(cè)試了高壓電纜在1.5 MeV高能電子輻照下產(chǎn)生電荷積累和不同高工作電壓下共同作用產(chǎn)生的不同幅值靜電放電脈沖信號(hào)，同時(shí)，采用蒙特卡洛方法分析高能電子沉積的位置，并采用有限元法分析高壓電纜在高工作電壓下的內(nèi)部電場(chǎng)的分布和變化，為離子電推進(jìn)器的高壓電纜內(nèi)帶電防護(hù)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

內(nèi)帶電效應(yīng)；靜電放電；蒙特卡洛方法；有限元法

0　引言

當(dāng)出現(xiàn)較大的空間輻射環(huán)境擾動(dòng)事件時(shí)，如太陽耀斑爆發(fā)、太陽日冕物質(zhì)拋射、地磁暴或地磁亞暴等，大量的空間高能電子注入地球外輻射帶（3～7Re，Re為地球半徑），可使得地球輻射帶中的高能電子通量的幅度大大增加，其中能量位于0.1～10 MeV范圍內(nèi)的高能電子具有很強(qiáng)的穿透能力，將直接穿透衛(wèi)星的表層結(jié)構(gòu)或儀器設(shè)備外殼，嵌入到內(nèi)部的電路板（PCB板）、同軸電纜絕緣層等介質(zhì)材料中，導(dǎo)致絕緣介質(zhì)內(nèi)部電荷沉積從而建立電場(chǎng)的過程，這一過程就稱為介質(zhì)內(nèi)帶電效應(yīng)［1-4］。

近年來，隨著衛(wèi)星長(zhǎng)壽命高性能的需求，衛(wèi)星將采用高比沖、長(zhǎng)壽命、高效率的離子電推進(jìn)系統(tǒng)。離子電推進(jìn)可大幅減少推進(jìn)劑的攜帶量，顯著提高有效載荷比，延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命。離子電推進(jìn)系統(tǒng)的功率為1 000 W，部分部件工作在1 100 V左右。當(dāng)使用電推進(jìn)器的衛(wèi)星運(yùn)行在中、高軌道，其輻射環(huán)境相當(dāng)惡劣，高壓大功率部件的使用會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)帶電問題。文章分析了星用高壓電纜在高能電子輻照下的內(nèi)帶電效應(yīng)，測(cè)試在高能電子輻照下和高工作電壓共同作用下靜電放電脈沖信號(hào)［5-8］，采用蒙特卡洛法計(jì)算入射高能電子在高壓電纜的沉積位置，確定高壓電纜靜電放電發(fā)生的位置；此外，采用有限元法分析高壓電纜在高工作電壓下的內(nèi)部電場(chǎng)分布和變化，確定高壓電纜在高能電子輻照和高工作電壓疊加作用下是否更容易發(fā)生靜電放電，為下一步高壓電纜內(nèi)帶電防護(hù)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1　高壓電纜靜電放電試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)備及儀器

高壓電纜靜電擊穿試驗(yàn)主要的設(shè)備及儀器包括：ILU-6電子加速器、真空靶室、真空抽氣系統(tǒng)、法拉第筒、束流積分儀、脈沖電流探針、示波器、存儲(chǔ)記錄儀和高壓電源，如圖1所示。采用ILU-6型高能電子加速器產(chǎn)生高能電子，并通過散射板降低束流密度，使加速器產(chǎn)生的高能電子束流密度為2pA/cm2，從而能夠模擬空間高能電子環(huán)境。同時(shí)，采用由法拉第筒、多層屏蔽結(jié)構(gòu)和束流積分儀組成的弱電子束測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)高能電子的束流密度。

圖1　高壓電纜靜電放電試驗(yàn)設(shè)備及儀器圖

1.2樣品制備

試驗(yàn)中選用的高壓電纜為電推力器使用的電纜，包括四層：芯線（銅）、內(nèi)絕緣層（交聯(lián)ETFE）、屏蔽層（鍍銀銅）和外絕緣層（交聯(lián)ETFE），如圖2所示，芯線直徑為1.24 mm，其余各層厚度從內(nèi)到外依次是0.41 mm、0.24 mm和0.23 mm。選取10根0.8 m的高壓電纜組成試驗(yàn)樣品，固定在樣品夾具上。

圖2　高壓電纜結(jié)構(gòu)示意圖

1.3測(cè)試方法

為模擬高壓電纜的實(shí)際工況，采用穩(wěn)壓高壓電源給10根高壓電纜芯線提供工作電壓，同時(shí)將高壓電纜屏蔽層接地。在穩(wěn)壓高壓電源和高壓電纜芯線之間放置反向二極管，防止靜電放電產(chǎn)生的電流損壞高壓電源。高壓電纜的充放電過程是高能電子輻照和工作電壓共同作用的結(jié)果，利用脈沖電流探針和示波器測(cè)試放電回路中的放電波形，同時(shí)利用存儲(chǔ)記錄儀監(jiān)測(cè)靜電放電的次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)放電波形和次數(shù)的同步監(jiān)測(cè)，基本測(cè)試原理如圖3所示。

圖3　高壓電纜靜電放電測(cè)試原理圖

2　測(cè)試結(jié)果及分析

利用上述高壓電纜靜電放電試驗(yàn)方法，開展在高能電子輻照下和不同工作電壓共同作用下高壓電纜的靜電放電模擬試驗(yàn)研究，其中高能電子能量為1.5 MeV，束流密度為2 pA/cm2，高壓電纜的工作電壓分別為0 V、100 V和1 000 V，測(cè)得高壓電纜典型的靜電放電波形如圖4所示。圖中上波形為高壓電纜屏蔽層測(cè)試信號(hào)，下波形為高壓電纜芯線測(cè)試信號(hào)。從圖4中可以看出，放電脈沖的波形為振蕩型，這是由于介質(zhì)充電超過放電閾值以后與周圍低電位表面產(chǎn)生的放電，放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在空間傳播，因此，在導(dǎo)線上產(chǎn)生振蕩信號(hào)，這就是表面閃絡(luò)放電。由于輻照的高能電子束流密度很小，因此放電波形的幅值在200 mV～1.2 V之間，周期在4 μs。

由圖4可以得出，屏蔽層測(cè)得放電脈沖幅值遠(yuǎn)大于電纜芯線測(cè)得的信號(hào)；隨著工作電壓的升高，高壓電纜的靜電放電電流幅值變大。

圖4　高壓電纜不同工作電壓靜電放電脈沖波形圖

利用蒙特卡洛方法計(jì)算高能電子在高壓電纜內(nèi)絕緣層電荷分布特性，高能電子能量為1.5 MeV，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5　高壓電纜內(nèi)絕緣層中電子電荷沉積分布圖

從圖5中可以得出，高能電子在高壓電纜內(nèi)絕緣層的沉積主要集中在靠近屏蔽層的0～0.2 mm范圍內(nèi)（內(nèi)絕緣層厚度0.42 mm），導(dǎo)致靜電擊穿發(fā)生部位也在該位置。因此，屏蔽層測(cè)得放電信號(hào)為靠近屏蔽層的內(nèi)絕緣層一側(cè)的靜電放電脈沖信號(hào)，而芯線測(cè)得信號(hào)為放電脈沖信號(hào)的耦合信號(hào)，所以屏蔽層測(cè)得放電脈沖幅值遠(yuǎn)大于電纜芯線測(cè)得的信號(hào)（如圖4所示）。

高能電子輻照期間，介質(zhì)中任意深度x、任意時(shí)刻t的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

式中：εr是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；Φ0是介質(zhì)表面的入射電子通量，Φ（x）是介質(zhì)深度x處的電子通量；σ是電導(dǎo)率。σ可表示為：

式中：σdark是暗電導(dǎo)率（又叫本征電導(dǎo)率）；σric是輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率。

式中：Kp、Δ分別是與介質(zhì)材料相關(guān)的系數(shù)和指數(shù)；D.是輻照劑量率。

將介質(zhì)沿著深度的方向分為多個(gè)厚度為Δd薄層，利用蒙特卡洛方法可以模擬計(jì)算出每個(gè)Δd薄層內(nèi)的電荷沉積量，再綜合式（1）～（3），就可以得到一定輻照劑量率下，介質(zhì)不同厚度位置的電場(chǎng)強(qiáng)度。圖6是計(jì)算出高壓電纜的沉積電荷形成的電場(chǎng)強(qiáng)度隨介質(zhì)厚度變化曲線，其中高能電子的能量1.5 MeV，束流密度為2 pA/cm2。

圖6　沉積電荷形成電場(chǎng)強(qiáng)度隨內(nèi)絕緣層材料厚度的變化

由圖6可知，在沒有施加工作電壓的情況下，內(nèi)絕緣層厚度超過0.2 mm的位置，沉積電荷所形成的電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)小于發(fā)生靜電擊穿的閾值（擊穿閾值一般為1×107V/m），不可能發(fā)生靜電擊穿放電。

利用有限元方法分析了工作電壓在電纜內(nèi)部產(chǎn)生的電場(chǎng)，結(jié)構(gòu)模型和高壓電纜的參數(shù)一致，當(dāng)工作電壓從100 V增到1 000 V，不考慮沉積電荷的情況下的內(nèi)絕緣層靠近屏蔽層電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出隨著工作電壓從100 V增大到1 000 V，高壓電纜內(nèi)絕緣層處的電場(chǎng)強(qiáng)度從2×105V/m增至2×106V/m。

圖7　不考慮沉積電荷時(shí)不同工作電壓下高壓電纜的內(nèi)絕緣層電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖

由于高能電子在電纜絕緣層內(nèi)部沉積產(chǎn)生電場(chǎng)，同時(shí)工作電壓在電纜內(nèi)也產(chǎn)生電場(chǎng)，導(dǎo)致兩個(gè)電場(chǎng)發(fā)生疊加作用，從而產(chǎn)生電場(chǎng)畸變?cè)鰪?qiáng)，而電纜材料的靜電擊穿閾值未發(fā)生變化，由于隨著工作電壓的上升，其外加電場(chǎng)的影響范圍越來越大。如圖6所示，沒有加工作電壓時(shí)，0.2 mm以內(nèi)的絕緣層沉積電荷形成的電場(chǎng)將超過靜電擊穿閾值，發(fā)生靜電放電。如圖8所示，隨著工作電壓不斷增加，超過擊穿閾值的位置也越來越深，當(dāng)加1 000 V發(fā)生靜電放電的深度從0.2 mm延伸到0.26 mm，由于更多沉積電荷所處位置的疊加電場(chǎng)超過靜電擊穿閾值，因此，靜電放電產(chǎn)生的放電電流幅值隨著工作電壓的升高而增大。

圖8　沉積電荷和不同工作電壓疊加時(shí)的高壓電纜的內(nèi)絕緣層電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖

3　結(jié)論

本試驗(yàn)利用高能電子加速器產(chǎn)生高能電子輻照模擬真實(shí)工作狀況下的高壓電纜樣品，試驗(yàn)中高能電子能量為1.5 MeV，束流密度為2 pA/cm2，通過法拉第筒和束流積分儀監(jiān)測(cè)加速器產(chǎn)生的高能電子束流強(qiáng)度，利用高壓穩(wěn)壓源模擬高壓電纜的實(shí)際工作狀況，并利用脈沖電流探針和示波器測(cè)試放電回路中的放電脈沖波形，同時(shí)利用存儲(chǔ)記錄儀監(jiān)測(cè)靜電放電次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了放電脈沖的波形和放電次數(shù)的同步監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明屏蔽層測(cè)得放電脈沖幅值遠(yuǎn)大于電纜芯線測(cè)得的信號(hào)；隨著工作電壓的升高，高壓電纜的靜電放電幅值變大。

高壓電纜內(nèi)帶電效應(yīng)是十分復(fù)雜的物理過程，除與輻照電子能量、束流密度密切相關(guān)外，還受到絕緣介質(zhì)材料特性和工作狀況等因素的影響。高壓電纜由于內(nèi)帶電效應(yīng)產(chǎn)生的放電脈沖將直接耦合入電路中，對(duì)衛(wèi)星安全產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。通過研究星用高壓電纜在高能電子輻照下的內(nèi)帶電效應(yīng)，為下一步高壓電纜內(nèi)帶電防護(hù)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

［1］Katz I，Davis V，Mandell M J，et al.Interactive spacecraft charginginteractivehandbookwithintegrated，updatedspace?craft charging models［C］//AIAA Space Technology Confer?ence&Exposition，Albuquerque，1999.

［2］Whittlesey A，Garrett H.Avoiding problems caused by space?craft on-orbit internal charging effects［J］.NASA，Washing?ton，DC，NASA-HDBK-4002，1999.

［3］S?rensen J.Engineering tools for internal charging［M］.ESA，1999.

［4］S?rensen J.Engineering tools for internal charging（Final Re?port）［M］.ESA，2000.

［5］秦曉剛，賀德衍，孔風(fēng)連，等.高能電子輻照下的介質(zhì)材料內(nèi)放電特性［C］//第九屆全國抗輻射電子學(xué)與電磁脈沖學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2007：300-302.

［6］馬亞莉，秦曉剛，楊生勝.高能電子輻照下材料表面電位測(cè)試［C］//第二屆空間材料及其應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)，2009.

［7］張振龍，韓建偉，全榮輝.空間材料深層充放電效應(yīng)試驗(yàn)研究［J］.航天器環(huán)境工程，2009，26（3）：210-213.

［8］劉海波，李得天，楊生勝，等.不同面積Kapton材料的放電特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.真空與低溫，2014，20（3）：140-144.

STUDY OF THE HIGH-VOLTAGE CABLE INTERNAL CHARGING EFFECT UNDER IRRADIATION BY 1.5 MeV ELECTRON BEAM

WANG Jun，LI De-tian，YANG Sheng-sheng，QIN Xiao-gang，CHEN Yi-feng，LIU Qing，CHEN Xue-kang
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

With the long-life and high-performance of our satellites，using plasma electron propulsion will become inevitable.The high-voltage cable of the ion thruster is used on the satellite in MEO and GEO，which produces charge accumulation triggered electrostatic discharge by high-energy electron irradiation，thus will lead to problems of the ion thruster system.In this paper，the electrostatic discharge signal is tested under the integrated effects of the 1.5MeV monoenergetic electron beam irradiation and different high working voltage.At the same time，Monte Carlo method is used to analyze high-energy electronic deposit location，and finite element method is used to analyze internal electric field distribution and change by the high voltage，which will make the foundation for high voltage cable internal charging protection technology.

internal charging effect；electrostatic discharge；Monte-Carlo method；finite element method

V461.5

A

1006-7086（2015）05-0269-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.05.005

2015-06-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11305084）

王?。?981-），男，甘肅省武威市人，博士，工程師，主要從事空環(huán)境效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)的研究方向。Email：wangjunch@aliyun.com。