張建平，胡小鋒，劉尚合，魏明

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050003；2.32140部隊(duì)，河北 石家莊 050061)

0 引言

航天器在電磁環(huán)境下靜電放電是個(gè)非常復(fù)雜的過程，靜電放電與空間環(huán)境、航天器結(jié)構(gòu)、尺寸及材料性能等因素有關(guān)[1-3]。對(duì)于空間裝備，強(qiáng)電磁場(chǎng)誘發(fā)的靜電放電是指航天器表面材料、電纜以及某些特殊結(jié)構(gòu)部件等低充電電位區(qū)域在外界強(qiáng)電磁場(chǎng)作用下被誘導(dǎo)發(fā)生的靜電放電過程[4-6]。一般情況下，航天器表面低充電電位敏感區(qū)域的電場(chǎng)較弱，電子能量低于分子、原子電離能，碰撞電離概率較低[7-10]，當(dāng)受到強(qiáng)電磁場(chǎng)作用時(shí)，激發(fā)低氣壓氣體產(chǎn)生稠密等離子體，從而降低放電閾值并誘發(fā)產(chǎn)生靜電電荷泄放[11-12]。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、碳化或擊穿，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[13-16]。

復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)航天器的影響越來越大，尤其是強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)航天器的干擾效應(yīng)更是當(dāng)前面臨的重大課題。掌握強(qiáng)電磁場(chǎng)誘發(fā)靜電放電的作用機(jī)理和規(guī)律，對(duì)于研究空間裝備強(qiáng)電磁場(chǎng)誘發(fā)靜電放電規(guī)律具有重要意義[17-19]。但國(guó)內(nèi)對(duì)于強(qiáng)電磁場(chǎng)誘發(fā)靜電放電的相關(guān)研究仍處于初級(jí)階段。文獻(xiàn)[20-27]開展了靜電放電電磁脈沖(ESD EMP)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(chǎng)等特征參數(shù)，但是對(duì)誘發(fā)放電的機(jī)理分析相對(duì)較少。

本文利用新研制的強(qiáng)電磁場(chǎng)輻照環(huán)境下誘發(fā)放電試驗(yàn)系統(tǒng)和金屬測(cè)試樣品，從研究誘發(fā)靜電放電的通道形成過程出發(fā)，對(duì)強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下的誘發(fā)金屬電極結(jié)構(gòu)放電機(jī)理、規(guī)律進(jìn)行了初步探索，得出了在ESD EMP作用下誘發(fā)金屬放電的基本規(guī)律，并對(duì)誘發(fā)放電機(jī)理進(jìn)行研究分析。對(duì)于強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下航天器在軌運(yùn)行安全防護(hù)措施的研究具有參考意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)置及方法

試驗(yàn)受試對(duì)象是針板電極，其中：針電極為不銹鋼材質(zhì)，長(zhǎng)度300 mm，直徑2 mm，針尖曲率半徑5 μm；板電板為半徑100 mm，厚度2 mm的鋁制圓片結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)裝置連接示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置連接示意圖

試驗(yàn)在環(huán)境溫度24 ℃，濕度48%的恒溫恒濕條件下進(jìn)行。試驗(yàn)前，將制作好的電極結(jié)構(gòu)豎直放置于石英玻璃(透波材料)制成的真空罐內(nèi)距離垂直耦合板35 cm處的固定位置，調(diào)整針電極的尖端與板電極間距為1 mm，給電極兩端加上高壓，測(cè)試其在無外場(chǎng)輻照條件下的擊穿電壓并記錄。之后降低電壓到無放電狀態(tài)，利用放電槍與耦合板之間放電所輻射ESD EMP對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行照射，使用CT-1電流探頭(帶寬25 kHz～1 GHz，伏安輸出特性5 mV/1 mA)對(duì)放電地線回路上的電流信號(hào)進(jìn)行采集，并用示波器測(cè)量記錄誘發(fā)放電的波形，以測(cè)試不同ESD EMP場(chǎng)強(qiáng)輻照條件下的誘發(fā)放電延遲時(shí)間。放電槍與耦合板在放電時(shí)使用接觸式放電方式保證輻射時(shí)靜電場(chǎng)穩(wěn)定，有利于試驗(yàn)測(cè)量的重復(fù)性。通過大量反復(fù)測(cè)試誘發(fā)放電的延遲時(shí)間與放電槍電壓、電極電壓、氣壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而獲得相關(guān)誘發(fā)放電規(guī)律。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在電極之間施加直流正高壓時(shí)，在現(xiàn)有的輻射場(chǎng)強(qiáng)度照射下很難產(chǎn)生誘發(fā)放電現(xiàn)象，為達(dá)到誘發(fā)放電目的，以重點(diǎn)分析誘發(fā)放電延遲時(shí)間的變化規(guī)律，試驗(yàn)全部在電極之間施加直流負(fù)高壓條件下進(jìn)行試驗(yàn)。在常壓下，電極間隙1 mm時(shí)測(cè)得針板電極的擊穿電壓Ud=-2.50 kV.

在測(cè)試放電延遲時(shí)間與電極電壓關(guān)系時(shí)，在常壓下將放電槍電壓固定在-30 kV，電極電壓取-1.00 kV、-1.20 kV、-1.40 kV、-1.60 kV、-1.80 kV、-2.00 kV、-2.20 kV、-2.40 kV，分別為Ud的40%、48%、64%、72%、80%、88%、96%；測(cè)試放電延遲時(shí)間與靜電脈沖輻射場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系時(shí)，在常壓下將電極電壓固定在-2.47 kV(98.8%Ud)，而放電槍分別選取-5 kV、-10 kV、-15 kV、-20 kV、-25 kV、-30 kV進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量氣壓與誘發(fā)放電延遲的關(guān)系時(shí)，將放電槍電壓固定在-30 kV，電極電壓固定在-1.6 kV，氣壓分別設(shè)定為10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa、60 kPa、70 kPa、80 kPa、90 kPa、100 kPa(常壓)，進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，即便在同一條件下，誘發(fā)放電延遲時(shí)間也具有一定的隨機(jī)性，為了進(jìn)行有效分析，同一條件下，重復(fù)測(cè)量記錄40次誘發(fā)放電的延遲時(shí)間，之后利用Origin軟件對(duì)每組時(shí)延數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)，即將每組時(shí)延數(shù)據(jù)從最小到最大分成7個(gè)區(qū)間，分析同一條件下測(cè)試的每組時(shí)延分布情況，進(jìn)而研究電極電壓、輻射場(chǎng)強(qiáng)、氣壓等因素對(duì)誘發(fā)放電時(shí)延的作用規(guī)律。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。

1.2 輻射場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定

圖2為ESD EMP輻射場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試連接示意圖。首先根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況固定真空罐與垂直耦合板的相對(duì)位置，將寬帶ESD 輻射場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)(3.5 Hz～1 GHz)放置于試驗(yàn)時(shí)電極所在位置，之后設(shè)置靜電放電模擬器電壓-5 kV、-10 kV、-15 kV、-20 kV、-25 kV、-30 kV，使用寬帶ESD 輻射場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)和示波器測(cè)試放電槍放電時(shí)產(chǎn)生ESD EMP輻照強(qiáng)度。場(chǎng)強(qiáng)計(jì)與示波器之間通過光纖進(jìn)行通信，防止電磁脈沖干擾示波器，影響測(cè)試精度。

圖2 ESD EMP輻射場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試連接示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在真空罐內(nèi)距離垂直耦合板35 cm的固定位置處，放電槍設(shè)置不同電壓所產(chǎn)生的ESD EMP峰值場(chǎng)強(qiáng)如表1所示，場(chǎng)強(qiáng)峰值隨放電槍電壓的變化趨勢(shì)如圖3所示。

表1 不同放電槍電壓產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)峰值

從圖3可以看出，隨著放電槍電壓的升高，ESD EMP輻射場(chǎng)強(qiáng)是在逐漸增大的，且輻照?qǐng)鰪?qiáng)與放電槍電壓接近正比關(guān)系。

圖3 ESD EMP峰值隨放電槍電壓變化趨勢(shì)

圖4為靜電放電電流波形，其中：圖4(a)作為對(duì)比波形，為不加靜電放電電磁脈沖照射時(shí)直接放電波形，此時(shí)擊穿閾值電壓2.4 kV；圖4(b)為在同樣條件下，施加場(chǎng)強(qiáng)峰值-6.6 kV/m的電磁脈沖輻射誘發(fā)的典型放電信號(hào)波形，此時(shí)擊穿閾值電壓為2.2 kV，相比于無外場(chǎng)時(shí)擊穿閾值電壓下降了8.3%。

圖4 靜電放電電流波形

從圖4(a)中可以看出，靜電電磁脈沖誘發(fā)放電波形包括兩部分組成，前面的較小脈沖是電極由于天線效應(yīng)接收的輻射場(chǎng)感應(yīng)波形，后面較大的脈沖是電極放電波形，二者之間總是存在一定的放電時(shí)延[28]。與圖4(b)對(duì)比可以看出，兩種類型的靜電放電電流具有相似的脈沖形式。和正常放電電流(脈沖峰值為-11.5 A)相比，誘發(fā)的放電電流脈沖幅值(脈沖峰值為-10.2 A)有所降低；此外，正常靜電放電的放電電壓達(dá)到擊穿閾值，屬于自持放電，可重復(fù)產(chǎn)生，而被誘發(fā)的靜電放電的放電電壓低于擊穿閾值，屬于非自持放電，需要依靠外界電離源產(chǎn)生，且放電不能重復(fù)發(fā)生。

2.1 電極電壓對(duì)誘發(fā)放電延遲時(shí)間影響

常壓下，放電槍電壓固定為-30 kV，即ESD EMP峰值場(chǎng)強(qiáng)為-12.3 kV/m時(shí)，不同電極電壓下測(cè)試所得誘發(fā)放電延遲時(shí)間分布情況如圖5和表2所示。

從圖5可以看出，同一電極電壓作用下，誘發(fā)放電時(shí)延有一定的分散性[28]，但總是分布在一定的時(shí)間段區(qū)間內(nèi)，且整體呈現(xiàn)出一定的正態(tài)分布的特性，電極電壓越弱越趨向于正態(tài)分布。同時(shí)從表2 中還可以看出，隨著電極間電壓升高，電極之間的場(chǎng)強(qiáng)變大：一方面誘發(fā)放電的時(shí)延逐漸縮短；另一方面誘發(fā)放電的時(shí)延分布區(qū)間也逐漸縮短，即分散性減小。

表2 不同電極電壓下放電時(shí)延分布統(tǒng)計(jì)

圖5 不同電極電壓下誘發(fā)時(shí)延分布情況

放電時(shí)延包括電子崩生長(zhǎng)所需要的時(shí)間和流注傳播時(shí)間[28]：從宏觀上看，在進(jìn)行靜電電磁脈沖誘發(fā)放電試驗(yàn)時(shí)雖然設(shè)置了相同的環(huán)境條件；但是從微觀上分析，放電通道存在許多諸如空氣分子熱運(yùn)動(dòng)等隨機(jī)性因素。宏觀上，雖然氣壓和氣體成分是一定的，但是在電極之間放電通道上的局部空間內(nèi)的空氣成分，比如分子(等離子體)種類及濃度等都在一定范圍具有隨機(jī)性；分子的熱運(yùn)動(dòng)速度也在一定的范圍內(nèi)時(shí)刻在隨機(jī)變化，這些隨機(jī)因素綜合起來影響電子崩生長(zhǎng)時(shí)間和流注傳播時(shí)間，使誘發(fā)放電時(shí)延表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性，最終導(dǎo)致同一條件下誘發(fā)放電時(shí)延分布在一定的區(qū)間內(nèi)，且一定程度上呈現(xiàn)正態(tài)分布。

按照氣體放電理論，第一湯森電離系數(shù)及二次電子發(fā)射系數(shù)，均會(huì)受到電極之間的電場(chǎng)影響，即電場(chǎng)越強(qiáng)，第一湯森電離系數(shù)及二次電子發(fā)射系數(shù)越大[28-31]。此時(shí)，在電場(chǎng)作用下，電子與氣體分子每次電離碰撞產(chǎn)生更多的電子這一過程為α過程(α為電子的電離碰撞系數(shù)，又稱第一湯森電離系數(shù))；且正離子每次撞擊陰極生成更多的二次電子，這一過程為γ過程(γ為正離子的二次電子發(fā)射系數(shù)，又稱第二湯森電離系數(shù))。在上述兩個(gè)過程中，生成的電子越多，會(huì)導(dǎo)致電子崩的生長(zhǎng)時(shí)間和流注的傳播時(shí)間越短，進(jìn)而使火花放電的時(shí)延越短。試驗(yàn)中，當(dāng)輻射場(chǎng)強(qiáng)一定時(shí)，極間電壓越高，電極之間迭加之后的總電場(chǎng)越強(qiáng)，試驗(yàn)測(cè)得的放電時(shí)延整體上是在縮短，與上述理論分析一致。

電極電壓越高，對(duì)應(yīng)的放電時(shí)延越集中，分散性變小，主要是因?yàn)樵趶?qiáng)電磁場(chǎng)作用下，空氣中帶電粒子的定向漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，而擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相對(duì)減弱[28]，進(jìn)而使形成火花放電時(shí)隨機(jī)性降低，放電的時(shí)延變得更為集中。

2.2 輻照?qǐng)鰪?qiáng)對(duì)誘發(fā)放電時(shí)延影響

常壓下，電極之間電壓固定為-2.47 kV時(shí)，設(shè)置不同放電槍電壓，即不同輻照?qǐng)鰪?qiáng)所對(duì)應(yīng)的誘發(fā)放電時(shí)延分布情況如圖6和表3所示。

表3 不同輻射場(chǎng)強(qiáng)下放電時(shí)延分布統(tǒng)計(jì)

從圖6中可以看出，同一輻射場(chǎng)強(qiáng)條件下，誘發(fā)放電時(shí)延有一定的分散性，但是整體呈現(xiàn)出一定的正態(tài)分布的特性，誘發(fā)放電的時(shí)延總是分布在一定的時(shí)間段區(qū)間內(nèi)。對(duì)比不同輻射場(chǎng)強(qiáng)下的誘發(fā)放電時(shí)延，可以發(fā)現(xiàn)：整體上隨著放電槍電壓升高，輻射場(chǎng)強(qiáng)的增大，誘發(fā)放電時(shí)延逐漸縮短；而且輻射場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)，誘發(fā)放電時(shí)延分布的區(qū)間越短，即分散性越低；反之輻射場(chǎng)強(qiáng)越低，誘發(fā)放電時(shí)延越分散，即分散性越大，但是更符合正態(tài)分布的趨勢(shì)。

圖6 不同輻照?qǐng)鰪?qiáng)下誘發(fā)時(shí)延分布情況

初步分析，當(dāng)極間電壓一定時(shí)，放電槍電壓越高，輻射的場(chǎng)強(qiáng)越大，導(dǎo)致電極之間迭加之后的總電場(chǎng)越強(qiáng)，同樣會(huì)導(dǎo)致在氣體擊穿過程中，電子的電離碰撞系數(shù)α與正離子的二次電子發(fā)射系數(shù)γ的增大，最終使形成放電火花時(shí)延縮短。本試驗(yàn)測(cè)得的放電時(shí)延整體上隨著極間電壓的升高逐漸縮短，與上述理論分析一致。

放電槍電壓的升高，同樣是能夠增強(qiáng)電極之間放電通道周圍空氣的電場(chǎng)，加強(qiáng)了空氣中帶電粒子沿電場(chǎng)線定向漂移運(yùn)動(dòng)，減弱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，減小該局部空間內(nèi)空氣分子運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，從而使放電時(shí)延變得更加集中。

2.3 不同氣壓對(duì)誘發(fā)放電時(shí)延影響

固定電極電壓為-1.6 kV，放電槍電壓為-30 kV(即輻射場(chǎng)強(qiáng)為-12.3 kV/m)時(shí)，不同氣壓下測(cè)得的誘發(fā)放電時(shí)延情況如圖7和表4所示。

圖7 不同氣壓下誘發(fā)時(shí)延分布情況

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)：同一氣壓下，誘發(fā)放電時(shí)延有一定的分散性，但是誘發(fā)放電時(shí)延總是分布在一定的時(shí)間段區(qū)間內(nèi)。同時(shí)從表4中可以發(fā)現(xiàn)：隨著氣壓的升高，誘發(fā)放電時(shí)延整體上呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)；氣壓越高，誘發(fā)放電的時(shí)延分布區(qū)間也越短，分散性越小；氣壓越低，誘發(fā)放電的時(shí)延分布區(qū)間越長(zhǎng)，分散性越大。

表4 不同氣壓下放電時(shí)延分布統(tǒng)計(jì)

氣壓的升高，使分子密度增加，根據(jù)氣體放電理論，分子的平均自由程減小[30-31]，在形成火花放電過程中，單位時(shí)間內(nèi)帶電粒子與空氣中的粒子碰撞次數(shù)增多，能夠激發(fā)更多的二次電子和帶電粒子參與放電，最終導(dǎo)致誘發(fā)放電時(shí)延變短。

氣壓越低，誘發(fā)放電時(shí)延越分散；氣壓越高，時(shí)延相對(duì)越集中，主要是因?yàn)闅鈮荷?，空氣的密度變大。從微觀上看，電極尖端局部空間內(nèi)空氣分子各方面物理性質(zhì)相對(duì)來說更穩(wěn)定，在形成放電通道時(shí)隨機(jī)性相對(duì)小一些，進(jìn)而導(dǎo)致放電時(shí)延更加集中。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)強(qiáng)場(chǎng)誘發(fā)針板電極放電大量試驗(yàn)，分析統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，ESD EMP誘發(fā)電極之間的放電時(shí)延總是分布在一定的區(qū)間之內(nèi)，且在該區(qū)間內(nèi)呈正態(tài)分布的趨勢(shì)。該區(qū)間受到極間電壓、輻射場(chǎng)強(qiáng)以及氣壓的影響如下：

1)隨著電極電壓的升高，極間的場(chǎng)強(qiáng)增加，一方面會(huì)使誘發(fā)放電的延遲時(shí)間變短，另一方面會(huì)使時(shí)延分布區(qū)間縮短，時(shí)延分散性降低。

2)增大ESD EMP輻射場(chǎng)強(qiáng)，同樣能夠使誘發(fā)放電的延遲時(shí)間變短，同時(shí)使時(shí)延分布區(qū)間變短，分散性降低。

3)氣壓升高，分子密度增加，會(huì)使誘發(fā)放電的延遲時(shí)間變短，同時(shí)也會(huì)使放電延遲分布區(qū)間變短，時(shí)延分散性降低。

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