一種測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數的裝置及方法

2023-09-22 08:00:45

一種測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數的裝置及方法
【專利摘要】本發明提出了一種測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數的裝置和方法，所述裝置包含：輻射源，真空單元，樣品靶臺，控制單元；靜電電位計，用於測量某一通量時的試樣介質的表面電位；靜電計，用於測量某一通量時試樣的洩露電流；總電導率獲得單元，用於基於測量得到的表面電位和洩露電流得到總電導率；電位衰減測量單元；第一處理單元，用於基於得到的電位隨時間衰減曲線和電荷貯存衰減法，得到各通量下的暗電導率值，再取平均得到最終的暗電導率σ0；第二處理單元，用於基於得到的暗電導率和總電導率，得到在兩種不同的束流強度在材料體積中產生劑量率對應的輻射誘發電導率，進而獲得試樣材料相關的參數數Kp和無量綱指數Δ值。
【專利說明】一種測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及太空飛行器介質材料電導率測量方面的內容，具體涉及一種測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]在太陽活動期間，地球中高軌道的高能電子通量將顯著增強，這些高能電子可穿透太空飛行器蒙皮，在其內部的絕緣介質或孤立導體上沉積並建立電場，如果充電導致介質內建電場強度達到擊穿閾值，或相鄰結構間出現較高的電位差，便會產生靜電放電，對太空飛行器的電子系統造成幹擾、偽指令，甚至燒毀。美國對298起太空飛行器在軌故障原因的統計數據表明，深層充電導致的故障佔總數的1/4以上。其中，不乏像太空飛行器失效這樣的嚴重事例，例如ANIK-El、ANIK-E2、Galaxy_4，以及較近發生的Galaxy-15等。包含同步軌道在內的地球中高軌道，是導航、通信、氣象等眾多衛星的必選軌道，深層充電效應時時威脅著這些衛星的安全運行，同時，為了實現應用目標，這些衛星通常對可靠性有著非常嚴格的要求，在這種形勢下，做好深層充電效應的評估和防護就至關重要。
[0003]在對太空飛行器深層充電風險進行評估的過程中，太空飛行器上所使用絕緣介質材料的電導率是非常關鍵的輸入參數。儘管被稱為「絕緣」材料，實際上這些材料仍然存在導電能力，只是其電導率的值非常小，在絕大多數應用情況下可以忽略，從而近似認為材料是絕緣的，但對於深層充電效應來說，介質材料的電導率是不能忽略的，並且是對充電過程起支配作用的物理量。深層充電現象可簡單理解成「電荷積累」和「電荷洩露」這兩個動態物理過程的競爭，即空間輻射電子在材料內逐漸沉積的同時，由於電導率的存在，這些電荷也在通過接地點向外緩慢洩露。起初，由於沉積在介質材料內的電荷較少，由這些電荷產生的電場E較小，因此，洩漏電流Jc也較小；隨著沉積電荷的積累，E逐漸增強，導致J。逐漸增大；若不發生放電，這一過程將最終達到平衡，此時，洩漏電流Jc與沉積電流Jt相等。電荷洩漏的過程滿足歐姆定律Je=o E，其中，E為電場強度，J。為傳導電流，σ為介質材料的電導率，它決定著充電平衡時間以及達到平衡時的狀態。
[0004]在空間應用情況下，介質材料的電導率並不是一個常數，而是受多種因素的影響而發生著顯著地變化。通常將介質材料的電導率描述為暗電導率和輻射誘發電導率兩項之
和，即σ =σ0+σric(D)其中，暗電導率Otl是溫度和場強的函數，輻射誘發電導率是劑
量率5的函數。國內外已開展的試驗證實，對於太空飛行器常用的介質材料，例如，聚醯亞胺、環氧樹脂等，在空間輻射環境下，其輻射誘發電導率有可能高出暗電導率幾個量級，成為總電導率大小的決定項。輻射誘發電導率可描述為σric=kpDΔ，其中，kp和Λ是材料相關的參數。
[0005]為了準確評估深層充電效應，需要在實驗室準確測量材料的σ0、kp和Λ等電導率相關參數。工業測量方法(ASTMD-257-9)的測量結果不能準確反映空間應用的情況；與美國航空航天局NASA-DHBK-4002A手冊中提出的電荷貯存衰減法相比，本文方法不僅測得暗電導率，而且還能得到輻射誘發電導率參數，為深層充電評估提供更準確的輸入條件。
[0006]在已有的專利申請中，沒有涉及太空飛行器介質材料深層充電特徵參數的裝置及方法的專利申請。
[0007]1.現有技術方案(主流的技術方案)
[0008](I)工業測量方法(ASTM D257-93)，如圖1所示。
[0009]如圖1所示，常用的工業測量電導率的方法是在地面大氣環境中給介質前後加偏壓V，用皮安表測量漏電流I，由歐姆定律計算得到介質電阻:
[0010]
【權利要求】
1.一種測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數的裝置，其特徵在於，所述裝置包含: 輻射源，用於對位於工位上的試樣進行輻照； 真空單元，用於將放置溫控靶臺的真空罐進行抽真空處理； 樣品靶臺，用於設置放置試樣的工位； 控制單元，用於: 對輻射源的閘門進行開啟或關閉，啟動真空單元對真空罐抽真空，監測真空罐中的真空度，測量試樣的表面電位和洩露電流後關閉輻射源；用於控制輻射源發射的電子能量值；用於控制輻射源輻射的電子通量值； 靜電電位計，用於與電位探頭相連，採用非接觸式方法測量某一通量時的試樣介質的表面電位； 靜電計，用於通過導線直接接於試樣背面背電極上測量某一通量時試樣的洩露電流； 總電導率獲得單元，用於基於測量得到的表面電位和洩露電流得到總電導率； 電位衰減測量單元，用於當輻射源停止輻照時，保持真空和溫度設置，將試樣調至電位探頭探測工位處，按一定的時間間隔升降電位探頭，測量並記錄試樣電位隨時間的衰減情況，得到某一通量時電位隨時間衰減曲線； 第一處理單元，用於基於得到的電位隨時間衰減曲線和電荷貯存衰減法，得到各通量下的暗電導率值，再取平均得到最終的暗電導率σ 0 ; 第二處理單元，用於基於得到的暗電導率和總電導率，得到在兩種不同的束流強度在材料體積中產生劑量率對應的輻射誘發電導率，再依據輻射誘發電導率公式和得到的兩個輻射誘發電導率確定與材料相關的參數數Kp和無量綱指數Λ值； 其中，當輻射源進行輻照過程中保持束流強度不變。
2.根據權利要求1所述的測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數的裝置，其特徵在於，所述樣品靶臺採用可旋轉式溫控多工位樣品靶臺，該可旋轉式溫控多工位樣品靶臺進一步包含: 正多面體單元，該單元的每一個面為用於放置試樣的工位； 溫控管，用於控制試驗溫度； 動密封裝置，用於轉動所述正多面體單元，使正多面體單元包含的工位按試驗需要進行電子槍輻射工位或電位探頭探測工位的選擇，並且在轉動的過程中保證真空罐不漏氣，維持其真空度； 其中，所述正多面體固定於動密封裝置之上，隨動密封裝置的轉動來選擇試驗所需的工位；溫控管從動密封裝置內部穿過與正多面體相連，以熱傳導的方式通過半導體溫控部件來調節銅製正多面體靶臺上試樣的試驗溫度。
3.根據權利要求1所述的測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數的裝置，其特徵在於，依據束流強度在一定厚度的介質中產生的軔致輻射劑量率與空間真實環境下受輻照介質中的電離劑量率相當的原則選擇束流強度。
4.根據權利要求1所述的測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數的裝置，其特徵在於，採用保護環消除試樣的邊緣效應。
5.一種測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數方法，所述方法為: 步驟101)利用一定能量和通量的電子束流輻照材料樣品，將電荷注入到樣品的表層，同時，輻照電子產生的軔致輻射會在整個樣品內部形成較均勻的劑量率分布； 步驟102)監測樣品的表面電位和洩漏電流，以及停止輻照後的電位衰減情況，對上述數據進行處理，求得電導率的各相關參數，所述相關參數包含暗電導率及與輻射誘發電導率相關的參數Kp和無量綱指數Λ。
6.根據權利要求5所述的測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數方法，其特徵在於，所述步驟101)之前還包含:選擇需要測量的太空飛行器介質材料樣品，加工為平板形狀，並對樣品背面鍍銅電極；將樣品裝入溫控靶臺，然後抽真空，打開溫控系統，設定溫度。
7.根據權利要求5所述的測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數方法，其特徵在於，所述步驟102)進一步包含: 步驟102-1)將一片背部接地的平板形狀材料樣品，置於電子槍的輻照之下，在輻照過程中保持束流強度不變，持續輻照一段時間後，測量樣品的表面電位和洩漏電流，進行處理得到樣品的總電導率； 步驟102-2)用上述方法求得材料的總電導率之後，停止輻照，觀測樣品的電位衰減曲線，利用電荷貯存衰減法求得材料的暗電導率，用總電導率減去暗電導率，即得到某個束流強度在材料體積中產生劑量率對應的輻射誘發電導率； 步驟102-3)改變輻照電子的束流強度，即改變劑量率，再重複上述各步驟得到另一個輻射誘發電導率，利用兩次不同劑量率情況下的輻射誘發電導率，即可求得參數1^和Λ ； 其中，所述劑量率5是由蒙特卡羅方法模擬計算求得。
8.根據權利要求5所述的測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數方法，其特徵在於，所述劑量率6採用如下方法獲得: 通過蒙特卡羅模擬，依據原則選擇輻照電子能量通量及試樣厚度，所述原則為使得軔致輻射劑量率在整個試樣內近似均勻分布； 利用蒙特卡羅方法，模擬計算劑量率在試樣內的沉積分布，去除試樣表層由電子直接電離產生的劑量率，將試樣體積內由軔致輻射產生的劑量率的均值作為計算用的劑量率0。`
9.根據權利要求5所述的測量太空飛行器介質材料深層充電特徵參數方法，其特徵在於，選擇束流強度的依據為:束流強度在一定厚度的介質中產生的軔致輻射劑量率與空間真實環境下受輻照介質中的電離劑量率相當。
【文檔編號】G01N27/02GK103454315SQ201310421386
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月16日 優先權日:2013年9月16日
【發明者】張振龍, 曹旭緯, 吳逢時, 韓建偉, 李書田 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心