宋思宇 于向前 陳鴻飛 陳傲 施偉紅 鄒鴻

內部充放電監(jiān)測器仿真及地面實驗研究

宋思宇 于向前 陳鴻飛?陳傲 施偉紅 鄒鴻

北京大學地球與空間科學學院空間物理與應用技術研究所, 北京 100871; ?通信作者, E-mail: hfchen@pku.edu.cn

為了實現(xiàn)對航天器內部充放電效應的有效監(jiān)測, 使用解析方法和有限元分析研究內部充放電監(jiān)測器(DDCEM)內部電極層連接過孔的參數(shù)設計。結果表明, 當過孔絕緣區(qū)半徑與焊盤半徑之比大于 2 時, 可以忽略過孔對電子的泄露; 最大電位和最大電場強度均位于電極層與過孔焊盤的絕緣區(qū); 當頂層電極輸入電流達到最大量程時, DDCEM 內部最大電場超過 8×106V/m, 存在放電風險。對 DDCEM 的電性能模擬測試和電子輻射測試結果表明, DDCEM 測量結果在量程范圍內具有很好的線性度, 當 DDCEM 受到電子輻射時, 能夠監(jiān)測到放電現(xiàn)象, 并通過計算可以得到放電電場為 4×106V/m, 超過介質的閾值電場(2×106V/m), 說明DDCEM可以對內部充放電效應進行有效監(jiān)測。

內部充放電監(jiān)測器; 內部充電電位; 泄漏電流; 解析方法; 有限元分析; 電性能測試; 電子輻射測試

在空間環(huán)境中, 高能電子很容易穿透航天器的外殼, 沉積在航天器內部的絕緣介質或孤立導體中, 并在其中建立電場。當電場超過介質的閾值電場(一般為 2×106V/m)時, 會發(fā)生放電, 稱為航天器內部充放電效應[1-4]。放電時產生的放電脈沖會影響航天器設備的正常工作, 使航天器設備發(fā)生故障[5], 甚至損壞。地球同步軌道和中軌道航天器內部充放電效應非常嚴重。內部充放電是一個動態(tài)的過程, 如何監(jiān)測內部充放電效應一直是充放電效應研究中非常重要的問題。

由北京大學空間物理與應用技術研究所研制的內部充放電監(jiān)測器(deep dielectric charging effects monitor, DDCEM)通過測量樣品介質內部充電電位、頂層充電泄漏電流和底層充電泄漏電流的變化, 監(jiān)測電子在介質內部的沉積與釋放過程, 從而實現(xiàn)對航天器內部充放電效應的在軌監(jiān)測[6]。如圖1 所示, DDCEM 采用多層電路板作為傳感器[7], 樣品介質為常用電路板材料(即玻璃纖維環(huán)氧樹脂), 材料代號為 FR4。在 FR4 介質表面和內部不同位置嵌入銅層, 作為測量電極層, 測量信號通過過孔引出。前、后表面的測量電極層連接皮安電流計(pA), 分別測量介質頂層充電泄漏電流和底層充電泄漏電流, 最大測量值為-50pA。中間兩個電極層接高阻抗電位計(V), 測量介質內部充電電位。

DDCEM 傳感器中的樣品介質 FR4 厚度為 3mm, 傳感器表面積為 82cm2, 前、后表面測量電極層厚度為 30μm。兩個內部測量電極層分別位于前表面下 100μm 處和后表面上 100μm 處, 厚度也為 30μm。傳感器中間各層通過電路板過孔和引線, 將信號引至皮安電流計和高阻抗電位計。在 DDCEM傳感器上方為航天器蜂窩狀蒙皮, 等效為 1mm 鋁屏蔽, 與典型的航天器蒙皮等效厚度相近[8], 用于研究航天器機箱內部的充放電效應。其他側面采用5 mm 鋁屏蔽, 可以屏蔽絕大部分電子, 防止電子從其他方向進入干擾測量。

1 電極層引線過孔計算分析

1.1 DDCEM電極層及過孔結構

DDCEM 傳感器各電極層需要通過相應的過孔, 連接到放大器電路。以第一電極層為例, 其平面結構如圖 2 所示, 該電極層通過右上方過孔連接皮安電流計, 保證與其他各電極層絕緣。各電極層之間也必須相互絕緣。高能電子充電過程是在樣品介質中沉積電荷, 由于介質的電導率很低, 如果過孔的絕緣性能不夠, 過孔有可能成為電荷泄漏的潛在通道, 就會帶來測量誤差。雖然絕對的絕緣無法實現(xiàn), 但可以通過設計過孔參數(shù), 使得過孔泄漏電流遠小于電路板間的泄漏電流, 從而可以忽略其引起的誤差。

圖2 傳感器第一電極層的平面結構

電極層過孔剖面結構如圖 3 所示, 通孔旁為焊盤, 焊盤半徑為1,厚度為。焊盤外為圓環(huán)結構的絕緣區(qū), 其最大半徑為2。絕緣區(qū)以外為電極層的鋪銅區(qū)。過孔與需要連接的電極層之間不存在絕緣區(qū), 即兩者之間是鋪銅連接。

1.2 解析方法

如果不考慮遠處電極層的影響, 可將過孔簡化為軸對稱模型, 用解析方法進行估算。假定非鋪銅區(qū)為介質 FR4 可以(電阻率為), 銅的電阻可忽略不計, 則過孔絕緣區(qū)的電阻值0為

電極層間的電阻1可采用平板模型計算:

其中,為中間兩電極層之間的 FR4 層厚度,為傳感器的表面積。

DDCEM 傳感器要求過孔泄漏電流相比于電極層之間的電流足夠小, 即過孔絕緣區(qū)電阻0遠大于電極層間的電阻1。由于不同電極層之間的 FR4 層厚度不一, 所以選取兩個內部測量電極層之間的電阻作為1。

根據(jù)傳感器的相關參數(shù)可以得到: 如果要求0≥1041, 則需2≥21, 即絕緣區(qū)半徑與焊盤半徑之比達到2, 可使過孔泄漏電流足夠小。

1.3 有限元方法

如果考慮遠處電極層的影響, 可使用有限元方法對傳感器進行靜電仿真。有限元分析軟件采用Ansys Workbench, 傳感器的2/1=2, 采取自動劃分網格的方法對傳感器劃分網格。在第一電極層施加50pA 的電流, 并將各個電極層連接的焊盤接地。通過 AnsysWorkbench, 可以計算得到傳感器的電位分布(圖 4)、電場強度分布(圖 5)和流過各電極層焊盤的最大電流密度(表1)。

圖4 傳感器(a)及過孔附近(b)的電位分布

圖5 傳感器(a)及過孔附近(b)的電場強度分布

由圖 4 和 5 可知, 傳感器的電位最大值約為1220V, 位于電極層鋪銅區(qū)與絕緣區(qū)的交界處, 傳感器電場強度最大值為 8.11×104V/cm, 位于焊盤與絕緣區(qū)的交界處。傳感器最大電位和最大電場均位于過孔附近的絕緣區(qū), 當輸入電流為 50pA 時, 電場強度最大值超過 8×106V/m, 高于介質的閾值電場 2×106V/m, 存在放電風險。

由表 1 可知, 由于前兩電極層之間的間距較小, 電阻值較小, 大部分電子能穿過兩電極層之間的FR4 介質, 故前兩電極層電流密度相差不大。中間兩電極層之間的電阻很大, 所以電子很難到達后面兩層, 導致后兩層的電流密度遠小于前兩層。第三、第四電極層的電流密度僅為前兩層的 1%, 說明通過過孔泄漏到底部兩電極層的電子數(shù)目較少, 可以忽略。此時, 可認為過孔絕緣區(qū)有效地阻止了電子泄漏, 仿真計算的結果與理論分析結果相符合。

表1 各電極層最大電流密度仿真結果

2 電性能模擬測試

2.1 測試原理

為了驗證 DDCEM 各電流放大器和電位放大器的有效性, 在前、后表面電極引線上施加微弱電流, 模擬傳感器上的頂層充電泄漏電流和底層充電泄漏電流, 測試和驗證電流放大器的性能; 在中間兩電極層引線上施加高壓, 模擬傳感器內部的電位, 測試和驗證電位放大器的性能。電性能評價通過比較放大器電路輸出信號與輸入信號的關系獲得。電性能測試的原理如圖 6 所示。

2.2 模擬測試結果

各電極層對應的放大器電路輸出與輸入信號的關系如圖 7 所示。

DDCEM 頂層和底層充電泄漏電流的量程范圍均為 0~ -50pA, 第 2 電極層電壓的量程范圍為 0~2500V, 第 3 電極層電壓的量程范圍為 0~300V。由圖 7 可知, 各電極層及放大器通道在量程范圍內均具有很好的線性度。因此, 可以根據(jù)電路的輸出信號來反推內部電極層的充電電位和表面電極層的充電泄漏電流。

圖6 DDCEM電性能測試原理

3 電子輻射測試

3.1 測試原理

為了驗證 DDCEM 的有效性, 需要對傳感器進行真實電子輻射測試。如圖 8 所示, 將 DDCEM 固定在真空室中, 前方用中間開孔的鋁屏蔽板控制電子束流和方向。電子槍產生的電子在 DDCEM 內沉積, 并對 DDCEM 充電。首先改變電子槍流量, 測量頂層充電泄漏電流隨入射電流的變化; 然后固定電子槍流量, 測量 FR4 內部的充電電位隨時間的變化, 獲得介質充電曲線。

測試使用的電子槍為德國 STAIB 公司生產, 型號為 EFG-HL50-1W, 可產生 3~50KeV 的電子, 束流強度可在 20pA~20μA 之間調節(jié)。鋁屏蔽板上開孔直徑為2 mm。

圖7 DDCEM電性能測試結果

圖8 電子輻射測試原理

3.2 表面充電泄漏電流測試

進行表面充電泄漏電流測試前, 首先將真空室抽真空。當壓強低于 5×10-4Pa 后, 開啟電子槍, 電子槍發(fā)射的電子能量為 30keV。逐漸增大電子槍流量, 測量得到 DDCEM 表面充電泄漏電流與電子束流的關系, 如圖 9 所示。由于入射電子能量較低, 不能穿透表層電極[9], 所以電子都停留在表層電極中成為泄漏電流, 可以被表層的皮安電流計測量到。由圖 9 可以看出, 頂層充電泄漏電流與入射電子束流成正比, 因此可通過頂層充電泄漏電流來反推空間環(huán)境中的電子通量。

3.3 內部充電電位測試

進行內部充電電位測試時, 將入射電子束流密度固定為 0.5nA/cm2, 斷開表層電流計, 電子將沿板間介質向里擴散, 測得第二電極層上的電位隨時間的變化, 如圖10所示?？梢钥闯? 開始的時候第二電極層的電位隨著時間逐漸升高, 反映電子在介質中充電逐漸積累的過程[10]。1.2 小時后, 銅層上電位發(fā)生幾次小幅度波動。在 1.9 小時和 2.8 小時, 電位發(fā)生兩次大幅度瞬間下降, 然后再逐漸上升。電位的小幅度波動的原因目前尚不明確, 可能是在充電過程中, DDCEM 內部不同位置電荷分布不均勻造成局部電位波動[11], 電位的兩次瞬間大幅度下降, 則可能是 DDCEM 傳感器內部或傳感器與其他金屬設備之間發(fā)生放電現(xiàn)象[12]。由于我們的電路響應時間不夠, 未測量到放電脈沖[13], 但測量到充電電荷量的變化。根據(jù)測量到的電位, 可以計算得到放電時第一和第二電極層之間的電場為 4×106V/m。根據(jù) NASA-4002A 標準, 此電場超過FR4介質的放電電場閾值[14], 極有可能發(fā)生放電。測試中沒有測量到第三電極層的電位和底層充電泄漏電流, 這是由于電子槍產生的電子能量有限, 電子無法穿透介質到達 FR4 底部。

圖9 頂層充電泄漏電流與入射電子束流關系

圖10 充電過程中第二電極層電位變化

4 總結

本文采取解析方法和有限元仿真, 計算 DDCEM傳感器的過孔參數(shù), 通過電性能和電子輻射測試, 對 DDCEM 的性能進行研究。

解析方法和有限元仿真結果表明, 合理設計過孔絕緣區(qū)半徑和焊盤的半徑, 可以忽略過孔對測量結果的影響。電性能測試結果表明, 在量程范圍內, DDCEM 的輸出信號與輸入信號呈線性關系, 因此可通過輸出信號來反推各電極層的充電電位和泄漏電流。電子輻射測試結果表明, DDCEM 在電子輻射后, 能夠測量到頂層充電泄漏電流和內部充電電位, 并且可以計算得到 FR4 內部電場, 由此證明了DDCEM對航天器充放電效應監(jiān)測的有效性。

[1] NASA-HDBK-4002A, Mitigating in-space charging effects –– a guideline, national aeronautics and space administration [S]. Washington, DC, 2011

[2] Balmain K G. Space experiment design for electros-tatic charging and discharging towards the next cen-tury in space // 9th CAST Conference on Astronau-tics. Ottawa, 1996: 115–122

[3] Williams E R, Cooke C M, Wright K A. Electrical discharge propagation in and around space charge clouds. J Geophysics Res, 1985, 90(D4): 6059–6070

[4] Tang X J, Yi Z, Meng L F, et al. 3-D internal charging simulation on typical printed circuit board. IEEE Trans Plasma Sci, 2013, 41(12): 3448–3452

[5] Purvis C K, Garrett H B, Whittlesey A C, et al. Design guidelines for assessing and controlling spa-cecraft charging effects // Spacecraft Environmental Interactions Technology, Washington DC, 1984: no. 2361

[6] Rodgers D J, Ryden K A. Internal charging in space // Proc 7th Spacecraft Charging Technology Conf. Norr-dwijk, 2001: 1–7

[7] 王建昭, 陳鴻飛, 于向前, 等. 多層電路板的深層充電研究. 中國科學: 技術科學, 2015, 45(3): 330–337

[8] Yu Xiangqian, Chen Hongfei, Zong Qiugang, et al. Mitigating deep dielectric charging effects in space. IEEE Trans Nucl Sci, 2016, 64(17): 2822–2828

[9] Yu Xiangqian, Chen Hongfei, Zong Qiugang, et al. Leakage current of grounded dielectrics in electron radiation as a diagnostic method to evaluate the deep charging hazards in space. IEEE Trans Nucl Sci, 2016, 63(2): 1–8

[10] Ryden K A, Morris P A, Ford K A, et al. Observation of internal charging currents in medium earth orbit. IEEE Transactions on Plasma Science. 2008, 36(5): 2473–2481

[11] Yu Xiangqian, Song Siyu, Chen Hongfei, et al. Moni-toring deep dielectric charging effects in space. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2019, 67(4): 716–721

[12] Frederickson A R. Quantitative ESD guidelines for charged spacecraft derived from the physics of disch-arge // 1999 Heart Conference. Monterey CA, 1999: 20000053497

[13] Frederickson A R, Mullen E G, Kerns K J, et al. The CRRES IDM spacecraft experiment for insulator dis-charge pulses. IEEE Trans Nucl Sci, 1993, 40(2): 233–241

[14] Kim W, Jun I, Kokorowski M, et al. Internal elec-trostatic dischargemonitor (IESDM). IEEE Transac-tions on Nuclear Science, 2010, 57(6): 3143–3147

Simulation and Ground Experiment of Deep Dielectric Charging Effect Monitor

SONG Siyu, YU Xiangqian, CHEN Hongfei?, CHEN Ao, SHI Weihong, ZOU Hong

Institute of Space Physics and Applied Technology, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871;? Corresponding author, E-mail: hfchen@pku.edu.cn

In order to monitorthe internal charging effect on spacecraft,analytical method and finite element analysis are used to study the parameter of the through holes in deep dielectric charging effect monitor (DDCEM). The result shows that when the radius of insulation area is more than 2 times as large as the radius of pad area, the leakage current from the through holes can be neglected. The maximum total electric field intensity located in the insulation area of the through holes exceeds 8×106V/m, indicating the risk of internal discharging effect. Electric performance test and electron radiation test prove that DDCEM has a good linearity and can detect internal discharging effect. When a discharge occurs, the calculated electric field intensity is 4×106V/m, which exceeds the threshold electric field 2×106V/m. The result indicates that DDCEM is effective in monitoring the internal charging effect.

deep dielectric charging effect monitor; charging potential; leakage current; analytical method; finite element analysis; electric performance test; electron radiation test

10.13209/j.0479-8023.2020.099

北京市自然科學基金(3184048)資助

2020–03–10;

2020–09–14