謝喜寧，胡小鋒，原青云

陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 電磁環(huán)境效應(yīng)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050003

近年來，隨著國內(nèi)外在軌衛(wèi)星數(shù)量及種類的增加，充放電效應(yīng)引起的故障已經(jīng)開始凸顯[1]。美國NASA研究結(jié)果表明，處于地球同步軌道高度的航天器由于衛(wèi)星表面帶電產(chǎn)生的靜電放電峰值電流高達(dá)100 A，脈沖寬度達(dá)到ms級，相應(yīng)的射頻電場可達(dá)1 000 V/m或更高，離放電點(diǎn)30 cm處的峰值場強(qiáng)甚至可以達(dá)到1 200 V/m[2]。

2007年，NASA統(tǒng)計(jì)了4家權(quán)威機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，表明在全球共發(fā)生的326起空間環(huán)境引發(fā)的衛(wèi)星故障中，充放電效應(yīng)占54.2%[3]。近年來，隨著中國在軌衛(wèi)星數(shù)量及種類的增加，充放電效應(yīng)引起的問題也已經(jīng)開始凸顯，自2002年以來，中國已發(fā)生多起因充放電效應(yīng)引起的衛(wèi)星問題，破壞了衛(wèi)星的供電電路，使衛(wèi)星無法正常工作[4-8]。由此可以看出，靜電放電以及大電流、強(qiáng)電場效應(yīng)已成為導(dǎo)致國內(nèi)外衛(wèi)星在軌故障的重要原因之一。

另外，研究人員對空間航天器表面靜電放電情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 發(fā)現(xiàn)很多放電是在充電環(huán)境并不嚴(yán)重的情況下發(fā)生的[9-13]。美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)統(tǒng)計(jì)的1 000多起航天器充放電事件中, 有近百起充放電事件與空間等離子體環(huán)境擾動(dòng)無關(guān); 對中國在軌運(yùn)行航天器的173起靜電放電事件分析時(shí), 發(fā)現(xiàn)有29起事件不清楚放電的原因[14-20]。由于空間輻射環(huán)境時(shí)刻存在，航天器在軌運(yùn)行期間會(huì)受到靜電放電和二次電子倍增導(dǎo)致的微放電等自然危害源的影響。靜電放電產(chǎn)生的瞬間電流會(huì)使航天器表面材料氧化或擊穿，從而造成通訊和導(dǎo)航等系統(tǒng)受到嚴(yán)重干擾，甚至故障。因此復(fù)雜的空間電磁環(huán)境可能是誘發(fā)航天器表面靜電放電的誘因之一[21-25]。同時(shí)，在2004年7月電子暴事件中發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星介質(zhì)內(nèi)部充電進(jìn)而導(dǎo)致ESD(Electro Static Discharge)發(fā)生也是影響航天器在軌運(yùn)行的重要因素[25-29]。

當(dāng)前，復(fù)雜電磁環(huán)境對航天器的影響逐漸引起了人們的高度重視，尤其是強(qiáng)電磁場對航天器的干擾效應(yīng)更是當(dāng)前面臨的重大課題。但對于強(qiáng)電磁場誘發(fā)靜電放電的相關(guān)研究仍處于初級階段。文獻(xiàn)[30-34]開展了靜電放電電磁脈沖誘發(fā)真空電暈放電試驗(yàn)研究，獲得了不同氣壓下電磁脈沖輻照誘發(fā)電暈放電的閾值電壓、電流波形、放電區(qū)域輻射場等特證參數(shù)，但是對誘發(fā)放電的機(jī)理分析相對較少、研究對象單一。

本文利用新研制的試驗(yàn)系統(tǒng)和測試樣品，對強(qiáng)電磁場環(huán)境下的誘發(fā)放電機(jī)理、規(guī)律進(jìn)行了初步的探索，得出了大氣環(huán)境下材料表面的帶電特點(diǎn)及誘發(fā)放電的基本規(guī)律，對于強(qiáng)電磁場環(huán)境下航天器在軌運(yùn)行安全防護(hù)措施的研究具有重大意義。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 放電電極測試樣品制備

放電電極模擬結(jié)構(gòu)主要由新研制的測試樣品及直流高壓電源兩部分組成。試驗(yàn)測試樣品(如圖1所示)包括放電針、金屬球、絕緣可旋轉(zhuǎn)圓環(huán)、刻度盤(圖1中2、11、12、13)、支撐桿、支撐架(圖1中3、4、5、6、7)、底座等7部分14件。金屬球?yàn)橹睆? cm的不銹鋼空心球體，放電針為直徑3 mm、長度4 cm鋼材料針，放電針尖端距球面有0.1～1 cm的可調(diào)間距，除針-球結(jié)構(gòu)外，其余部件均為尼龍材料制成。放電模擬裝置整體高度可實(shí)現(xiàn)20～30 cm連續(xù)可調(diào)。此測試樣品的主要優(yōu)點(diǎn)為針對復(fù)雜電磁環(huán)境(耦合效應(yīng)、輻射頻率、極化方向未知)可模擬不同位置、不同方向上的針-球電極結(jié)構(gòu)，能夠滿足不同的試驗(yàn)測試需求。

圖1 測試樣品結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Test sample structure diagram

1.2 試驗(yàn)裝置及原理

新研制的誘發(fā)空氣式靜電放電試驗(yàn)系統(tǒng)(如圖2所示)主要由3部分12組件組成：靜電放電模擬器(ESD，圖2中1、2、3、4)、放電電極模擬結(jié)構(gòu)(測試樣品、直流高壓電源，圖2中6、12)、放電檢測裝置(電流探頭、示波器、場強(qiáng)測試探頭、光電轉(zhuǎn)換器、衰減器，圖2中11、9、7、8、10)。其中，高壓源采用GLOW 28720直流高壓電源；示波器采用美國泰克公司的Tektronix TDS7404B型數(shù)字存儲示波器，其采樣頻率為20 GHz，實(shí)時(shí)帶寬4 GHz；電流探頭采用美國泰克公司RMS CAT探頭，其采樣標(biāo)準(zhǔn)為1 mA/mV；靜電放電模擬器選用ESS-200AX型ESD模擬器。

試驗(yàn)過程對地線回路采取過流保護(hù)措施，防止因電流過大導(dǎo)致示波器等測試裝備損壞。如圖2所示，地線回路接有60 dB衰減器(如圖2中10所示)，接有采樣標(biāo)準(zhǔn)為1 mA/mV的電流探頭(如圖2中11所示)。

圖2 誘發(fā)放電試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Test system of induced discharge

該試驗(yàn)采用新研究的誘發(fā)空氣式靜電放電試驗(yàn)系統(tǒng)，將靜電電磁脈沖輻射場作為模擬空間輻射的基本場；將靜電放電模擬裝置(針-球電極)作為模擬空間裝備上可能存在的相似結(jié)構(gòu)，通過輻射場對電極放電的誘發(fā)效應(yīng)，測試誘發(fā)靜電放電的電流信號值，從而分析研究不同場誘發(fā)的規(guī)律及放電信號的大小，為靜電抗干擾防護(hù)及加固設(shè)計(jì)提供基本試驗(yàn)支撐。

1.3 試驗(yàn)方法

參照國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-2，放電槍分別對水平耦合板和垂直耦合板進(jìn)行放電產(chǎn)生靜電放電輻射場，將該輻射場作為強(qiáng)電磁場作用于電極結(jié)構(gòu)。電極模擬結(jié)構(gòu)放置于水平耦合板上(如圖3所示)。放電槍選取1～6共6個(gè)不同位置(如圖3所示)，并從1～6逐次接近電極結(jié)構(gòu)，根據(jù)放電槍距電極結(jié)構(gòu)的距離不同，來實(shí)現(xiàn)電磁脈沖輻射場在電極結(jié)構(gòu)上不同大小的場強(qiáng)。

圖3 放電裝置位置圖Fig.3 Location diagram of discharge device

在無任何外場作用的情況下，通過調(diào)整直流高壓源，使得電極結(jié)構(gòu)剛好發(fā)生放電，此時(shí)的高壓源電壓即為自持放電閾值。降低高壓源電壓到0 kV，連續(xù)發(fā)射靜電電磁脈沖場，持續(xù)60 s，在電磁脈沖場的持續(xù)作用下，調(diào)整直流高壓源電壓，直到電極發(fā)生放電，此時(shí)的高壓源電壓即為該條件下的誘發(fā)放電閾值。降低高壓源電壓至自持放電閾值以下1～2 kV，在不同大小的靜電電磁脈沖場的輻照情況下，研究誘發(fā)的頻率，通過大量重復(fù)試驗(yàn)，獲得相關(guān)誘發(fā)放電規(guī)律。

本試驗(yàn)在環(huán)境濕度41%±2%、溫度20.1±0.5℃的恒溫恒濕條件下進(jìn)行。選取放電間隙(針尖距球面距離)為2 mm，放電電極水平面高度為(放電結(jié)構(gòu)距水平耦合板垂直距離)38 cm，放電槍位置(指放電槍所在位置與位置1的實(shí)際距離)分別選取0、20、40、60、80、94 cm等6個(gè)位置(如圖3所示)，采用水平耦合板和垂直耦合板兩種耦合方式，在每種耦合方式和放電槍位置組合情況下，放電槍電壓(靜電放電模擬器電壓)分別取17、20、23、26、28、33 kV等6種電壓，高壓源電壓(連接針-球電極結(jié)構(gòu)的高壓源電壓)取4.7、4.8、5.0、5.2、5.5 kV等5個(gè)電壓進(jìn)行了試驗(yàn)，對每一種組合重復(fù)進(jìn)行5次試驗(yàn)，取試驗(yàn)結(jié)果的平均值，用以分析誘發(fā)放電電壓、高壓源電壓、放電頻率等幾個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。試驗(yàn)過程中嚴(yán)格控制溫度和濕度，以保證試驗(yàn)具有良好的重復(fù)性。

試驗(yàn)的測量手段主要是采取電流探頭對放電地線回路上的信號進(jìn)行采集，觀察放電電流信號的基本波形，從而研究不同條件下，不同場對電極放電的基本影響，總結(jié)其閾值特性和誘發(fā)特性規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 誘發(fā)放電的判定

圖4(a)為水平耦合板，高壓源電壓為0 kV、放電槍電壓為33 kV情況下位置4處的電流波形圖；圖4(b)為垂直耦合板，高壓源電壓為0 kV、放電槍電壓為33 kV情況下位置4處的電流波形。

由圖4可知，在高壓源電壓為0 kV的情況下，此時(shí)示波器顯示波形為放電槍放電產(chǎn)生電磁脈沖場在導(dǎo)線上產(chǎn)生的感應(yīng)電流波形，感應(yīng)電流和放電電流波形有明顯區(qū)別，因此，這是判定是否有放電現(xiàn)象發(fā)生的根本依據(jù)。

圖5為放電槍電壓為0 kV，高壓源電壓為5.7 kV時(shí)位置4的火花放電電流波形圖。試驗(yàn)過程中，放電槍電壓為0 kV的情況下，當(dāng)高壓源電壓調(diào)至5.7 kV時(shí)空氣擊穿產(chǎn)生火花放電，低于5.7 kV時(shí)能看出明顯的電暈放電，但空氣未擊穿，未產(chǎn)生火花放電，由此可知5.1 kV為該條件下的火花放電閾值電壓。

圖4 高壓源電壓為0 kV、放電槍電壓為33 kV、 位置4處的水平和垂直耦合電流波形Fig.4 Horizontal and vertical coupling current waveform with an high voltage source of 0 kV, discharge gun voltage of 33 kV and at position 4

圖5 高壓源電壓為5.7 kV、放電槍電壓為0 kV、位置4處電流波形Fig.5 High voltage source is 5.7 kV, discharge gun voltage is 0 kV, and position 4 current waveform

圖6為高壓源電壓為5.3 kV、放電槍電壓為33 kV、放電槍位置在位置4處時(shí)的誘發(fā)放電電流波形圖。試驗(yàn)中，當(dāng)高壓源電壓為5.3 kV、放電槍為0 kV時(shí)，無放電電流產(chǎn)生。高壓源電壓保持不變，逐漸加大放電槍電壓，當(dāng)放電槍電壓調(diào)至33 kV時(shí)，發(fā)生放電現(xiàn)象，波形如圖6所示。

圖6 高壓源電壓為5.3 kV、放電槍電壓為33 kV、位置4處電流波形Fig.6 Current waveform with an high voltage source of 5.3 kV, a discharge gun voltage of 33 kV, and at position 4

圖5是沒有外場感應(yīng)時(shí)高壓源直接加壓產(chǎn)生的放電信號，與圖6相比，圖6中后半部分信號與圖5中信號一致，而前半部分信號則與圖4信號相似，即為外界場的感應(yīng)信號。

根據(jù)圖5和圖6的波形對比可知，兩者波形有相同和不同之處，且對比明顯。從圖中即可看出，在外場的感應(yīng)信號作用下，隨即發(fā)生靜電放電，因此判定圖6波形為誘發(fā)放電電流信號。

圖7為高壓源電壓為5.5 kV、放電槍電壓33 kV、放電槍位置在位置2處時(shí)誘發(fā)放電電流波形圖。從圖6和圖7中可以看出，外場源與電極距離不同，所產(chǎn)生的誘發(fā)放電時(shí)域上延遲時(shí)間不同。

圖7 高壓源電壓為5.5 kV、放電槍電壓為33 kV、位置2處電流波形Fig.7 Current waveform with an high voltage source of 5.5 kV, a discharge gun voltage of 33 kV, and at position 2

2.2 誘發(fā)放電規(guī)律分析

本文主要給出了靜電放電模擬器作用100次正極性放電情況下的典型誘發(fā)特性相關(guān)參數(shù)關(guān)系(如圖8所示)。根據(jù)上述理論分析，輻射源與電極距離的不同表現(xiàn)為作用于電極的場強(qiáng)大小不同，不同的場強(qiáng)在放電極間產(chǎn)生的效應(yīng)也不盡相同，場疊加效應(yīng)引起的空氣電離程度也大不相同，因此，誘發(fā)閾值也會(huì)隨著強(qiáng)場的不斷增大而減小。對比前述理論分析，場的迭加效應(yīng)對誘發(fā)放電的基本特性影響很大，主要反應(yīng)在空氣介質(zhì)擊穿閾值的降低，從而提高了誘發(fā)的可能性。

圖8 水平和垂直耦合板誘發(fā)頻率與放電槍電壓之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between induction frequency and discharge gun voltage of horizontal and vertical plates

由圖8(a)可知，高壓源施加電壓為5.5 kV，在靜電電磁脈沖(電磁輻射發(fā)生裝置)對水平耦合板作用100次的情況下，隨著靜電電磁脈沖發(fā)射點(diǎn)位置在0～100 cm(如圖3的位置1～6)不斷變化，放電頻率大致呈不斷降低趨勢；在靜電電磁脈沖發(fā)射點(diǎn)位置不變的情況下，隨著發(fā)射電壓不斷增高，放電頻率呈增高趨勢。

由圖8(b)可知，高壓源施加電壓為5.2 kV，在靜電電磁脈沖(電磁輻射發(fā)生裝置)對垂直耦合板作用100次的情況下，隨著電磁脈沖發(fā)射點(diǎn)位置的變化，誘發(fā)放電頻率在40 cm(位置3)前變化不明顯。

圖8(b)中，電磁脈沖發(fā)射位置在40～60 cm之間改變時(shí)，誘發(fā)放電頻率明顯增高；在電磁脈沖發(fā)射位置不變的情況下，40 cm之前，放電頻率變化較小，40 cm以后，放電頻率呈明顯上升趨勢。

通過分析，造成上述趨勢的主要原因是：由于位置的接近或者電壓的增高，使得電磁脈沖在放電電極處所產(chǎn)生的場在極間進(jìn)行迭加，使空氣電離度增大，從而使空氣更加容易擊穿形成放電通道，導(dǎo)致放電頻率不斷增大。

由圖9(a)可知，高壓源電壓為5.0 kV時(shí)，水平耦合板，在放電槍電壓為26 kV之前，系統(tǒng)未發(fā)生放電現(xiàn)象，在26 kV以后，放電頻率隨著放電槍電壓增高呈線性遞增趨勢；垂直耦合板，在放電槍電壓為20～28 kV之間，放電頻率曲線呈大致線性遞增趨勢，斜率較大，在28 kV以后，放電頻率變化較慢，斜率變小。

圖9 外加5和4.8 kV時(shí)，位置4處誘發(fā)頻率與放電槍電壓之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between induction frequency at position 4 and discharge gun voltage when 5 and 4.8 kV applied voltage is added

由圖9(b)可知，在高壓源電壓為4.8 kV時(shí)，垂直耦合板，在放電槍電壓為23 kV之前，放電頻率曲線遞增緩慢，在23～29 kV之間，放電頻率變化明顯，29 kV之后放電頻率又出現(xiàn)變化較慢的現(xiàn)象；水平耦合板，隨著放電槍電壓變化，系統(tǒng)未出現(xiàn)放電現(xiàn)象。高壓源電壓在4.7 kV時(shí)，無論垂直耦合板還是水平偶合板，放電槍電壓不斷變化過程中，系統(tǒng)未出現(xiàn)放電現(xiàn)象，與圖9(a)中的現(xiàn)象相比較，可以確定4.7 kV為該系統(tǒng)的誘發(fā)閾值。

2.3 誘發(fā)機(jī)理分析

誘發(fā)放電的基本過程為：隨著高壓源電壓的不斷增高，使得帶電體尖端電荷不斷積累，首先形成電暈放電，繼續(xù)增加高壓源電壓就會(huì)擊穿空氣，形成火花放電。當(dāng)高壓源處于電暈放電電壓時(shí)，此時(shí)在外加場的作用下，使空氣電離度增加，擊穿空氣形成通道，從而產(chǎn)生火花放電。因此，誘發(fā)放電即為先電暈放電再到火花放電的過程。

由于試驗(yàn)所使用的是高壓直流電壓源，因此，在高壓電源不斷給放電尖端施加電壓的過程中(未達(dá)到擊穿場強(qiáng))，所產(chǎn)生的帶電粒子在場中到處飄蕩，最終積累起來，形成瞬態(tài)的或穩(wěn)定的空間電荷，在某種條件下，空間電荷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)外加場作用在放電間隙的時(shí)候，空間粒子產(chǎn)生電離，發(fā)生空氣擊穿，產(chǎn)生火花放電。

由前面分析可知，誘發(fā)放電的基本條件是E外+Ei+Ee≥Ec，其中，E外是指外界任意一個(gè)場強(qiáng)；Ei是指在外場作用下電極間隙處產(chǎn)生的感應(yīng)場強(qiáng)，該感應(yīng)場強(qiáng)的大小跟電極的間距、電極的整體結(jié)構(gòu)有關(guān)；Ee是指在高壓源持續(xù)作用下電極間隙產(chǎn)生的高壓靜電場；Ec是指誘發(fā)閾值場強(qiáng)，該閾值是與外界條件有關(guān)的一個(gè)定值。當(dāng)高壓電源電壓一定的情況下，增加外加電場的強(qiáng)度便可以誘發(fā)放電；當(dāng)外加電場強(qiáng)度一定的情況下，增加高壓源的電壓到一定的值便可以誘發(fā)放電；由于火花放電產(chǎn)生的等離子體也會(huì)影響誘發(fā)的條件，但由于在外場及高壓源所產(chǎn)生的場強(qiáng)一定的情況下，等離子體產(chǎn)生的影響相對較小，這里不作為主要的影響條件進(jìn)行分析。

3 結(jié) 論

1) 設(shè)計(jì)了靜電電磁脈沖誘發(fā)空氣式靜電放電試驗(yàn)系統(tǒng)，對針-球電極進(jìn)行了放電測試，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，一定條件下，隨著放電槍位置與電極之間距離的減小(電極處場強(qiáng)增大)，誘發(fā)放電次數(shù)逐漸增多。

2) 對于水平耦合板，當(dāng)放電槍電壓為20、23、26 kV時(shí)誘發(fā)放電次數(shù)與放電槍位置與電極之間距離關(guān)系不明顯, 當(dāng)放電槍電壓為28、33 kV時(shí)誘發(fā)放電次數(shù)隨放電點(diǎn)與間隙之間距離的減小而減小。

3) 相同的外部條件下，用垂直耦合板誘發(fā)放電的頻次明顯大于水平耦合板，其誘發(fā)能力強(qiáng)。當(dāng)外加電壓為4.7 kV時(shí),不能誘發(fā)放電，大于4.7 kV時(shí)發(fā)生誘發(fā)放電現(xiàn)象，說明4.7 kV為該裝置的誘發(fā)閾值。

4) 上述試驗(yàn)充分表明了誘發(fā)放電現(xiàn)象確實(shí)存在，周圍環(huán)境中不同的電磁脈沖對不同電極結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同的誘發(fā)特性。由此可見，誘發(fā)放電效應(yīng)已經(jīng)不可避免地成了當(dāng)前電路靜電安全防護(hù)及加固設(shè)計(jì)的重要課題。

本文研究能夠?yàn)楹教炱鞯姆漓o電安全技術(shù)提供基礎(chǔ)的理論及試驗(yàn)依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)防護(hù)技術(shù)的研究及探索奠定重要基礎(chǔ)。