王金曉，秦曉剛，梅 飛，馮 娜，楊生勝，韓焱暉，柳 青，陳益峰*

（1. 許昌學(xué)院 化工與材料學(xué)院，許昌 461000； 2. 蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000；3. 北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100086）

0 引言

航天器在軌運(yùn)行期間將遭遇嚴(yán)酷的空間輻射環(huán)境，引發(fā)威脅航天器正常運(yùn)行和在軌安全的多種輻射效應(yīng)。地球同步軌道（GEO）和中地球軌道（MEO）空間環(huán)境中的高能電子（0.1～10 MeV）具有很強(qiáng)的穿透力，可穿過(guò)航天器屏蔽層在介質(zhì)材料內(nèi)部沉積；當(dāng)沉積電荷誘發(fā)的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)材料的擊穿閾值時(shí)將產(chǎn)生靜電放電：以上稱為深層帶電效應(yīng)[1-3]。深層帶電效應(yīng)通常發(fā)生在航天器內(nèi)部，對(duì)航天器造成的損傷更為直接和嚴(yán)重，因此又被稱為“航天器殺手”[4-6]，長(zhǎng)期以來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外航天機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)[7-11]。

高能電子誘發(fā)的沉積電荷分布特性是深層帶電效應(yīng)的重要考量因素，決定了介質(zhì)材料內(nèi)部的充電程度，是靜電放電是否發(fā)生的判斷依據(jù)之一。脈沖電聲（pulsed electro-acoustic, PEA）法由Takada等于20 世紀(jì)80 年代提出[12]；后來(lái)Laurent 團(tuán)隊(duì)將經(jīng)典PEA 裝置改進(jìn)為開(kāi)放式PEA 裝置[13]，使其滿足電子輻射環(huán)境的測(cè)量要求，被廣泛應(yīng)用于星用介質(zhì)材料內(nèi)部沉積電荷分布的測(cè)試。國(guó)內(nèi)外多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)μm 級(jí)厚度的薄膜材料開(kāi)展了電子輻照環(huán)境下沉積電荷分布特性的測(cè)試，驗(yàn)證了開(kāi)放式PEA 方法的可行性和有效性[14-16]。當(dāng)前，PEA 已經(jīng)成為研究空間電子輻照下星用介質(zhì)材料深層帶電效應(yīng)機(jī)制的重要手段[17]。

目前，沉積電荷分布特性測(cè)試主要集中于數(shù)十至數(shù)百μm 厚度的薄膜類材料，而星用電路板等mm 級(jí)厚度的介質(zhì)材料由于其體電阻更大，積累于其內(nèi)部的電荷很難得到釋放，更容易產(chǎn)生靜電放電[18]?，F(xiàn)有針對(duì)mm 級(jí)厚度介質(zhì)材料沉積電荷分布特性的研究多為仿真分析，試驗(yàn)測(cè)試報(bào)道較少，使得仿真分析結(jié)果得不到有效驗(yàn)證[6,19]。本文采用開(kāi)放式PEA 方法測(cè)試0.3～1.0 MeV 電子輻照下mm 級(jí)厚度介質(zhì)材料的沉積電荷分布特性，揭示高能電子以不同能量和粒子數(shù)入射下的介質(zhì)材料內(nèi)部電荷分布規(guī)律，以助進(jìn)一步研究深層帶電效應(yīng)的物理機(jī)制和驗(yàn)證仿真分析方法，并指導(dǎo)航天器帶電防護(hù)設(shè)計(jì)。

1 PEA 測(cè)試原理與方法

PEA 測(cè)試的原理[12]為：在介質(zhì)材料一端施加脈寬很窄的高壓脈沖，材料中的沉積電荷在脈沖作用下產(chǎn)生相應(yīng)的壓力波脈沖，再由壓電傳感器接收和測(cè)量介質(zhì)材料另一端的壓力波脈沖；依據(jù)材料內(nèi)部電荷與壓力波脈沖的關(guān)系可反向推演得到材料內(nèi)部電荷分布特性。PEA 測(cè)試裝置由上/下電極、高壓脈沖源、壓電傳感器和信號(hào)放大及測(cè)試系統(tǒng)組成，如圖1 所示。測(cè)試試驗(yàn)中將介質(zhì)材料樣品置于上/下電極之間，施加壓力使其與上/下電極緊密貼合，并在樣品兩端表面涂敷硅油，以增強(qiáng)聲耦合。上電極位于高能電子輻照方向，設(shè)計(jì)為圓環(huán)狀，使得高能電子直接輻照測(cè)試樣品。由高壓脈沖源產(chǎn)生寬度為30 ns、幅值約為1 kV 的脈沖。由壓電傳感器將穿過(guò)介質(zhì)材料的聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由信號(hào)放大及測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。

圖1 介質(zhì)材料沉積電荷分布特性測(cè)試裝置組成Fig. 1 Device for test of deposited charge distribution characteristics of dielectric materials

本研究中的高能電子由蘭州空間技術(shù)物理研究所的電子加速器產(chǎn)生。該加速器可產(chǎn)生能量范圍為0.1～2.0 MeV 的單能電子，束流密度范圍為nA/cm2至pA/cm2量級(jí)。在所關(guān)注的電子能量范圍（0.1～10 MeV），輻照電子能量較低時(shí)將主要沉積在靠近上電極端的材料內(nèi)部，而根據(jù)薄膜類材料的測(cè)試結(jié)果[13-16]，在上電極與測(cè)試樣品交界面處將產(chǎn)生感應(yīng)電荷，容易將電荷分布測(cè)試信號(hào)淹沒(méi)，因此本研究將輻照電子最低能量設(shè)置為0.3 MeV；當(dāng)輻照電子能量較大時(shí)，將主要沉積在下電極與測(cè)試樣品交界面處或者直接穿透測(cè)試樣品，因此本研究將輻照電子最高能量設(shè)置為1.0 MeV；同時(shí)，在最低和最高能量之間再選取2 個(gè)能量點(diǎn)，最終確定試驗(yàn)中的輻照電子能量分別設(shè)置為0.3、0.5、0.7 和1.0 MeV。空間高能電子的束流密度為pA/cm2量級(jí)，本研究中為確保被測(cè)樣品能被充電且不發(fā)生靜電放電現(xiàn)象，從而獲得較為準(zhǔn)確的沉積電荷分布結(jié)果，將輻照電子的束流密度設(shè)置為200 pA/cm2。

試驗(yàn)采用航天器典型介質(zhì)材料聚酰亞胺（PI）為測(cè)試樣品，樣品尺寸為?60 mm×3 mm。PI 由于其優(yōu)異的耐高低溫及機(jī)械性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和介電性能，以及高絕緣等性能，已應(yīng)用于航天器的結(jié)構(gòu)和熱控等材料中，并在星載印制電路板和電子元件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。PEA 測(cè)試裝置中，上電極采用開(kāi)口設(shè)計(jì)，電極和測(cè)試樣品接觸面積很小，而測(cè)試樣品為絕緣材料，高壓脈沖無(wú)法在整個(gè)表面上傳輸，因此在測(cè)試樣品面向電子輻照的表面濺射10 μm 厚的導(dǎo)電（鋁）涂層，使整個(gè)表面導(dǎo)電，以實(shí)現(xiàn)高壓脈沖信號(hào)在整個(gè)表面上的傳輸。為消除由于樣品表面殘存水分或揮發(fā)性雜質(zhì)的污染對(duì)高壓脈沖信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，試?yàn)前對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行烘烤和真空除氣處理，烘烤溫度85 ℃，烘烤時(shí)間48 h，真空度優(yōu)于1×10-3Pa[17]。

當(dāng)電子加速器產(chǎn)生的高能電子輻照樣品時(shí)，由于上電極為開(kāi)口設(shè)計(jì)且導(dǎo)電涂層厚度非常薄，高能電子能夠直接穿透涂層進(jìn)入并在介質(zhì)材料內(nèi)部沉積電荷。此時(shí)，高壓脈沖通過(guò)上電極和導(dǎo)電涂層從整個(gè)表面?zhèn)鬏斎氩牧蟽?nèi)部，當(dāng)電脈沖作用于沉積電荷時(shí)會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生壓力波脈沖，壓力波脈沖被下電極接收并由壓電傳感器及后端信號(hào)處理電路采集測(cè)試。壓力波脈沖的壓力剖面和材料中沉積電荷的體密度分布相關(guān)，因此由測(cè)得的壓力波脈沖信號(hào)反演可得到相應(yīng)的材料內(nèi)部沉積電荷分布情況。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

2.1 不同入射電子數(shù)下介質(zhì)材料內(nèi)部沉積電荷分布特性

在高能電子輻照期間，PEA 裝置每間隔10 min記錄1 次沉積電荷分布特性測(cè)試結(jié)果。圖2 是輻照時(shí)間分別為10、20、30 和40 min 時(shí)，0.3 MeV 電子輻照下PI 材料內(nèi)部沉積電荷分布狀況?？梢钥闯觯?dāng)0.3 MeV 電子開(kāi)始輻照后，在材料0.35 mm 深度的位置出現(xiàn)了負(fù)電荷的沉積峰，當(dāng)輻照時(shí)間為10 min 時(shí)沉積電荷的最大峰值約為5 μC/cm3，20 min 時(shí)約為9 μC/cm3，30 min 時(shí)約為11 μC/cm3，40 min 時(shí)約為12.5 μC/cm3。由此可知，隨著高能電子入射粒子數(shù)的不斷增加，材料內(nèi)部的負(fù)電荷沉積峰的峰值不斷增大。

圖2 0.3 MeV 電子輻照不同時(shí)間后PI 材料內(nèi)部沉積電荷分布狀況Fig. 2 Deposited charge distributions in PI materials after 0.3MeV electron irradiation for different time durations

隨著輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，入射電子數(shù)不斷增加，而電荷沉積量的增長(zhǎng)速率呈不斷減小的趨勢(shì)，材料內(nèi)部電荷的分布逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。為有效分析這一結(jié)果，將輻照電子與材料作用分為3 個(gè)區(qū)域——輻照區(qū)、未輻照區(qū)和沉積區(qū)，如圖3 所示。輻照區(qū)指高能電子能與材料發(fā)生作用的區(qū)域；未輻照區(qū)指高能電子無(wú)法到達(dá)的區(qū)域；沉積區(qū)指高能電子在材料內(nèi)的主要沉積區(qū)域。根據(jù)輻射效應(yīng)理論[20]，電子能量損失沿介質(zhì)材料深度方向呈先增加后減小的趨勢(shì)，能量損失的最大值一般出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)軌跡的末端，導(dǎo)致高能電子的主要沉積區(qū)域集中在輻照區(qū)的后端。

圖3 輻照電子與材料作用示意Fig. 3 Schematic of interactions between irradiating electrons and materials

電荷的沉積量是由高能電子的注入速率和材料內(nèi)部電荷的泄漏速率共同決定的，當(dāng)高能電子的注入速率（束流密度為200 pA/cm2）一定時(shí)，由于電子在與材料作用過(guò)程中通過(guò)電離、激發(fā)、散射和軔致輻射等形式將能量轉(zhuǎn)移給材料，使得材料產(chǎn)生輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率，會(huì)增大輻照區(qū)中沉積電荷的泄漏速率。同時(shí)，由于材料內(nèi)部電荷積累，產(chǎn)生由材料表面指向沉積區(qū)的電場(chǎng)，導(dǎo)致材料產(chǎn)生場(chǎng)致電導(dǎo)率，并隨著材料內(nèi)部電荷量的不斷增加而增強(qiáng)，使得電荷泄漏速率不斷上升。最終高能電子的注入速率和材料的電荷泄漏速率趨于平衡，材料內(nèi)部沉積電荷量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

另外，由圖2 發(fā)現(xiàn)，在材料的0 mm 和3 mm 深度位置均出現(xiàn)了正電荷的峰，其峰值隨著材料內(nèi)部沉積負(fù)電荷量的增加而變大。這主要是由上、下電極與測(cè)試樣品交界面處的感應(yīng)電荷造成的，隨著材料內(nèi)部累積的電荷量增加，交界面處感應(yīng)電荷量也越來(lái)越多，測(cè)得的正電荷峰值也就越大。該現(xiàn)象與薄膜類材料的測(cè)試結(jié)果是一致的。

2.2 不同輻照電子能量下介質(zhì)材料內(nèi)部沉積電荷分布特性

圖4 是能量為0.3、0.5、0.7 和1.0 MeV 電子分別輻照40 min 后，PI 材料內(nèi)部沉積電荷分布特性測(cè)試結(jié)果。可以看到，不同能量電子輻照下在PI 材料內(nèi)部不同位置出現(xiàn)了負(fù)電荷峰，峰值位置隨著輻照電子能量的增大而不斷深入材料內(nèi)部——電子能量為0.3 MeV 時(shí)峰值位置為0.40 mm，0.5 MeV時(shí)為0.85 mm，0.7 MeV 時(shí)為1.51 mm，1.0 MeV 時(shí)為2.57 mm。這是由于能量越大電子的初始運(yùn)動(dòng)速度越大，可以在能量完全損失前在材料內(nèi)部穿透更深的距離。

圖4 不同能量電子輻照下的PI 材料內(nèi)部沉積電荷分布特性測(cè)試結(jié)果Fig. 4 Deposited charge distribution in PI materials irradiated by electrons with various energies

用Weber 公式

能夠有效計(jì)算電子在材料內(nèi)部的最大穿透深度，且與蒙特卡羅模擬計(jì)算結(jié)果的一致性較好[21]。式(1)中：R為入射電子在介質(zhì)中的最大穿透深度，m；α、β和γ均為擬合系數(shù)，取值分別為0.55 g/(cm2·MeV)、0.984 1、和3 MeV-1；E0為入射電子的能量，MeV；ρ為介質(zhì)的密度，PI 的密度為1.42 g/cm3。

采用Weber 公式計(jì)算出不同能量電子的最大穿透深度，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1 所示。表1 中的試驗(yàn)結(jié)果從圖4 中獲得，當(dāng)介質(zhì)材料內(nèi)部電荷密度由峰值變化為0 時(shí)，則認(rèn)為電子無(wú)法穿透更遠(yuǎn)距離，對(duì)應(yīng)位置即最大穿透深度。為方便比較，表1 中試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果均保留小數(shù)點(diǎn)后2位有效數(shù)值。

表1 不同能量電子的最大穿透深度試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較Table 1 Comparison between experimental and calculated results of maximum penetration depth of electrons with different energies

從表1 可以看出：當(dāng)能量為0.3、0.5 和0.7 MeV時(shí)，電子在材料內(nèi)部的最大穿透深度試驗(yàn)結(jié)果與Weber 公式計(jì)算結(jié)果符合較好；而能量為1.0 MeV時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果小于計(jì)算結(jié)果。這可能由于1.0 MeV電子主要沉積在3 mm 厚度PI 材料的后端，受材料表面/下電極交界面處感應(yīng)的正電荷影響，電子沉積峰的形狀未能完整獲得，從而造成最大沉積深度的測(cè)試偏差。

為進(jìn)一步分析輻照電子的能量對(duì)沉積電荷分布特性的影響，本文以負(fù)電荷沉積峰的峰值位置為零點(diǎn)，比較不同能量電子輻照下PI 材料內(nèi)部沉積電荷峰形，如圖5 所示。由于0.3 MeV 和1.0 MeV電子輻照形成的負(fù)電荷沉積峰形分別受上、下電極與材料交界面處的感應(yīng)正電荷的影響，未測(cè)試到完整的峰形，所以圖5 中僅比較了0.5 MeV 和0.7 MeV輻照電子在PI 材料內(nèi)部形成的負(fù)電荷峰形。

圖5 0.5 MeV 和0.7 MeV 輻照電子在PI 材料內(nèi)部形成的負(fù)電荷峰形比較Fig. 5 Comparison of negative charge peaks formed by 0.5 MeV and 0.7 MeV electrons irradiating in PI materials

由圖5 可以看到，0.5 MeV 電子在PI 材料內(nèi)部沉積電荷的峰值約為11 μC/cm3，大于0.7 MeV 電子所形成的峰值（約為9 μC/cm3），但0.5 MeV 電子在材料內(nèi)部沉積的電荷總量（即電荷峰形所包絡(luò)的圖形面積）小于0.7 MeV 電子在材料內(nèi)部沉積的電荷總量。這主要是由于0.5 MeV 電子的沉積區(qū)域更靠近上電極/材料表面交界面，沉積電荷更容易通過(guò)上電極得到泄漏；而0.7 MeV 電子集中沉積在材料中心區(qū)域，電荷泄漏相對(duì)困難，故沉積的電荷總量更大?？梢?jiàn)，為介質(zhì)材料內(nèi)部沉積電荷提供更為便捷的泄漏通道是抑制深層帶電效應(yīng)的有效措施之一。

比較峰值前/后沉積電荷量可以發(fā)現(xiàn)，0.5 MeV電子在負(fù)電荷峰值前沉積的電荷量略多于峰值后的，但當(dāng)電子能量增加至0.7 MeV 時(shí)，峰值前的沉積電荷量遠(yuǎn)大于峰值后的。造成這一現(xiàn)象的原因是：電子在輻照過(guò)程中將能量轉(zhuǎn)移給輻照區(qū)材料，產(chǎn)生輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率，提升材料的導(dǎo)電性能；由于能量越大的電子在材料內(nèi)部具有越寬的沉積范圍[22]，從而在材料內(nèi)形成更寬的輻照區(qū)，而輻照區(qū)的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)優(yōu)于未輻照區(qū)，因此沉積電荷更容易向上電極與測(cè)試樣品交界面處移動(dòng)，導(dǎo)致沉積峰值前的電荷量明顯多于峰值后的。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用電子加速器分別產(chǎn)生0.3、0.5、0.7 和1.0 MeV 的高能電子，采用PEA 裝置完成了3 mm厚PI 材料的內(nèi)部沉積電荷分布特性測(cè)試試驗(yàn)，分析高能電子的入射粒子數(shù)以及能量對(duì)介質(zhì)材料內(nèi)部電荷分布的影響規(guī)律。研究表明：隨著高能電子入射粒子數(shù)的不斷增加，材料內(nèi)部的負(fù)電荷沉積峰的峰值不斷增加，且峰值位置隨著輻照電子能量的增大而不斷深入材料內(nèi)部，當(dāng)輻照電子能量從0.3 MeV 增加到1.0 MeV 時(shí)，在PI 材料內(nèi)部的電荷最大沉積深度由0.61 mm 增加到2.86 mm；由于能量越大的電子產(chǎn)生越寬的輻照區(qū)，而輻照區(qū)的導(dǎo)電性能遠(yuǎn)優(yōu)于未輻照區(qū)的，所以電荷沉積峰值前的電荷量多于峰值后的，且能量越大的電子輻照該現(xiàn)象越顯著。

本文研究為進(jìn)一步闡明內(nèi)帶電效應(yīng)的物理機(jī)制，驗(yàn)證仿真分析方法提供了數(shù)據(jù)依據(jù)和技術(shù)支持。