李偉康，秦曉剛*，柳 青

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 a.真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.空間環(huán)境材料行為及評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

在空間運(yùn)行的航天器與周圍等離子體、太陽(yáng)輻射等環(huán)境因素的相互作用下，電荷積累在航天器表面，使航天器表面與空間等離子體間或者航天器不同部位間充以不同電位的現(xiàn)象，稱為航天器表面帶電[1-2]。引起航天器表面帶電的等離子體粒子能量一般小于100 keV。這種粒子幾乎不能穿透航天器表面材料（入射深度為微米量級(jí)）而在表面積累。當(dāng)充電電位達(dá)到放電閾值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。放電誘發(fā)的對(duì)“地”瞬態(tài)脈沖會(huì)干擾航天器上電子儀器的正常工作，嚴(yán)重時(shí)使航天器發(fā)生故障，無(wú)法完成在軌運(yùn)行任務(wù)。

在空間等離子體環(huán)境中，航天器表面不同介質(zhì)材料的充電電位，電荷沉積的數(shù)量以及電荷所持有的能量都存在較大的差異[3]，可能導(dǎo)致材料在放電時(shí)其放電電流的峰值、放電頻率、電荷損失量以及放電損失的能量存在差異[4-5]。

美國(guó)加州大學(xué)的Coakley等[6]、Treadway等[7]分別對(duì)聚酰亞胺和聚四氟乙烯等航天器表面介質(zhì)材料進(jìn)行了放電實(shí)驗(yàn)研究，與Balmain等[8]的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出了理論分析[9-10]，研究表明不同的介質(zhì)材料在相同等離子體環(huán)境中的放電電流峰值是不相同的，這取決于介質(zhì)材料本身的介電特性；同種介質(zhì)材料在不同電子能量的等離子體環(huán)境中放電電流的峰值是近似不變的；同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了較厚的材料（在毫米及毫米量級(jí)以內(nèi)）會(huì)使得材料的放電電流峰值增高，在材料表面打孔會(huì)使得材料的放電電流峰值降低。因此，針對(duì)聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料開展了地面模擬放電實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出各放電波形及其特征數(shù)據(jù)在不同能量電子環(huán)境中的關(guān)系，通過對(duì)相同面積不同厚度的聚酰亞胺材料和聚四氟乙烯材料的放電實(shí)驗(yàn)，探索其放電特性規(guī)律，從而根據(jù)其特性規(guī)律優(yōu)化材料的應(yīng)用方案。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及實(shí)驗(yàn)方法

針對(duì)航天器表面常用的聚酰亞胺（杜邦，商品名為Kapton）和聚四氟乙烯（上海顏琦，商品名為Teflon）介質(zhì)材料，分別制作了直徑為10 cm，厚度為500μm和2 mm厚的圓形材料，把聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料粘貼在鋁板做的支架上作為實(shí)驗(yàn)樣品。

將實(shí)驗(yàn)樣品固定在真空室內(nèi)一塊金屬基底上，正對(duì)電子槍，金屬基底與結(jié)構(gòu)地通過絕緣墊絕緣，金屬基底通過電纜引出真空室外接地，在引出電纜上外接一個(gè)放電監(jiān)測(cè)探頭，放電探頭連接示波器用于測(cè)量放電波形，實(shí)驗(yàn)中束流密度通過法拉第杯和微電流計(jì)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)樣品表面電位通過電位計(jì)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中將真空室抽至6.0×10-4Pa模擬空間真空環(huán)境。使用電子槍在選用能量為10～60 keV，束流密度為3.0 nA/cm2的電子對(duì)樣品進(jìn)行輻照。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 聚酰亞胺和聚四氟乙烯在不同電子環(huán)境中放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中得出的放電電流峰值、放電持續(xù)時(shí)間、放電頻率與兩種介質(zhì)材料在材料厚度之間關(guān)系的數(shù)據(jù)如表1所列。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

表1 兩種厚度材料的地面模擬放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table1 Ground simulated discharge test data for two thickness of materials

實(shí)驗(yàn)中通過示波器得到的聚酰亞胺和聚四氟乙烯介質(zhì)材料的典型放電波形如圖2所示，其中（a）為厚度500μm聚酰亞胺材料的典型放電波形、（b）為厚度2 mm聚酰亞胺材料的典型放電波形、（c）為厚度500μm聚四氟乙烯材料的典型放電波形、（d）為厚度2 mm聚四氟乙烯材料的典型放電波形。

對(duì)比圖2中（a）、（c）和（b）、（d）波形，可以看出在兩種厚度下介質(zhì)材料的放電波形包絡(luò)大致相同，這是因?yàn)殡娮幽芰枯^低，無(wú)法擊穿粘貼在支架上的聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料，所以大量的電子沉積在材料表面。沉積在材料表面的電子越來越多使得材料與金屬支架之間形成的電場(chǎng)越來越強(qiáng)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過材料在該環(huán)境中的放電閾值時(shí)就會(huì)在材料與金屬支架之間產(chǎn)生放電。從圖中可以看出電流波形存在振蕩是因?yàn)樵陔娐愤B接中存在電阻和雜散電容構(gòu)成了阻尼振蕩。

圖2 不同厚度聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料典型放電波形圖Fig.2 Typical discharge waveform of different thickness PI&PTFE

2.2 聚酰亞胺和聚四氟乙烯在不同電子環(huán)境中放電特性分析

（1）電子能量對(duì)放電電流峰值的影響

隨著電子能量的增大，同厚度聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料的放電電流峰值沒有發(fā)生變化，500μm、2 mm聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料的放電電流峰值隨電子能量之間的關(guān)系曲線如圖3所示。因?yàn)樵诘湍茈娮铀纬傻牡入x子體環(huán)境中，電子不能擊穿介質(zhì)材料從而累積在材料表面，與基底之間形成電場(chǎng)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過材料的放電閾值時(shí)，材料才能形成放電通道產(chǎn)生放電電流。實(shí)驗(yàn)中決定材料放電的是材料表面與基底之間形成的電場(chǎng)是否達(dá)到了材料的放電閾值，材料表面積累電荷量的多少?zèng)Q定了材料與基底之間所形成靜電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，其與積累在材料表面的電荷量有關(guān)而與電子能量的大小沒有關(guān)系。所以材料放電電流峰值并不隨著電子能量的增加而變化，穩(wěn)定在一個(gè)固定的數(shù)值附近。

（2）材料厚度對(duì)放電電流峰值的影響

隨著聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料厚度的增加放電電流峰值都有明顯的增加，在圖3中能反映出來。對(duì)于厚度500μm和2 mm的聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料而言，隨材料厚度增加其電容減小，沉積同樣的電荷將表現(xiàn)出更高的電位，且厚度不同的材料趨向的平衡電位也不再相同。電子輻照時(shí)間相同，對(duì)于較厚的材料，表面電位將會(huì)越高，當(dāng)電荷累積超過材料的平衡電位時(shí)單位時(shí)間所泄放的電荷量更多，放電電流更大。

圖3 兩種厚度材料放電電流峰值曲線Fig.3 Discharge peak current curve for two thickness of materials

（3）電子能量對(duì)放電頻率的影響

在低能電子環(huán)境中，隨著電子能量的逐漸增大，單位時(shí)間內(nèi)材料放電的次數(shù)會(huì)逐漸的增大，500μm、2 mm厚聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料的放電頻率隨電子能量之間的關(guān)系曲線如圖4所示。

由Willis等[11]的研究結(jié)果可知，當(dāng)聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料入射的電子能量大于0.5 keV時(shí)，介質(zhì)材料的二次電子發(fā)射系數(shù)是小于1的單調(diào)遞減曲線，即入射的電子能量越大，二次電子發(fā)射系數(shù)越小，材料表面凈電荷的累積速率更快，達(dá)到介質(zhì)材料放電閾值所需的時(shí)間越短，使得材料的放電頻率隨著電子能量的增加而增大且呈現(xiàn)出正相關(guān)的特性。

（4）材料厚度對(duì)放電頻率的影響

兩種厚度的材料，厚度較厚的材料其放電頻率較小。綜合圖3和圖4可知，對(duì)于不同厚度的的聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料，隨著材料厚度增大，相同時(shí)間內(nèi)樣品表面的電位也隨之增加，且趨向的平衡電位也會(huì)隨之增加，只有當(dāng)充電電位超過該平衡電位時(shí)，材料表面才能夠發(fā)生放電。在相同能量的電子環(huán)境中，材料較厚，材料的表面電位相同時(shí)，介質(zhì)材料與基底之間形成的電場(chǎng)較小，而要使材料表面電位達(dá)到放電閾值要求，則在相同能量的電子輻射下必須對(duì)厚度較大的介質(zhì)材料進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的輻照，所以在相同的電子輻照時(shí)間內(nèi)厚度越大的介質(zhì)材料放電頻率越小。

圖4 兩種厚度材料放電頻率曲線Fig.4 Discharge frequency curve for two thickness of materials

3 結(jié)論

通過對(duì)不同厚度的航天器表面常用聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料進(jìn)行地面模擬放電實(shí)驗(yàn)，得出航天器常用的介質(zhì)材料聚酰亞胺和聚四氟乙烯在不同厚度下，不同能量的電子環(huán)境中的放電特性。

（1）隨著電子能量從10～60 keV逐漸增大，不同厚度的材料放電電流的峰值不隨著電子能量的增大而增大，其取決于材料本身放電閾值的大小，隨著電子能量增大，材料在單位時(shí)間內(nèi)的放電頻率增大，放電頻率隨著電子能量的增加呈現(xiàn)出正相關(guān)的特性。

（2）隨著材料厚度從500μm增加到2 mm，材料與基底之間形成的電容變小，電子輻照時(shí)間相同時(shí)，材料表面的充電電位更高，達(dá)到靜電平衡時(shí)積累的電荷量更多，進(jìn)而促使放電電流峰值隨材料厚度的增厚而增大；同時(shí)厚度較厚的介質(zhì)材料在其表面電位滿足放電閾值所需電荷累積量越大則其所需電子輻照的時(shí)間越長(zhǎng)，使得材料厚度較厚時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)放電頻次更低。