材料表面放电试验方法
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材料表面放电实验方法的研究
指导老师：陈琪 介绍人：沈健博
一、综述
航天器在空间运行过程中, 受到周 围等离子体、高能带电粒子的轰击以及 太阳电磁辐射引起的光电子发射等影响 , 在航天器表面沉积一定数量的电荷, 从 而引起航天器表面充电。
• 美国 SCATHA 卫星在发射升空后得到的试验 数据表明, 经过在空间环境中数月的运行, 材 料介电性能发生了惊人的变化, 其中Kapton 试样的电阻率呈指数衰减。
二、 空间材料的充放电特性
2. 1 材料表面带电及相关参数
航天器在轨运行期间, 其表面介质材料 与空间粒子相互作用时, 就材料本身而言, 如 果出射电荷数与入射电荷数不同, 即材料表 面的电荷平衡被破坏时, 将有净电荷沉积于 材料表面而发生表面带电。
Biblioteka Baidu
• 卫星用材料的带电特性如表面电位、 带电 速率等取决于材料本身的一些特性, 主要有 介质电阻率、介质厚度、介电常数、表面 电阻率、二次电子发射系数、光电子发射 系数等。
(2) 嵌入电荷击穿。电荷有足够的能量可以 穿透介质表面并进入内部, 尽管介质表面可 能由于光电子或二次电子发射而维持近似 零电位, 材料内部仍存在很强的电场, 当该电 场足够大时将发生嵌入电荷击穿。 通常, 当内电场超过 时则可能 发生击穿, 嵌入电荷击穿将导致电子诱导电 磁脉冲(ECEMP) 。
• 地面模拟试验评价对于航天器防带电设计 的选材具有重要作用。 • 需要强调的是, 材料表面状况及其接地与否, 对通过试验得到的充放电特性数据有着很 大的差异, 而环境参数常参照国际上惯用的 航天器带电最恶劣环境参数。
卫星用材料充放电特性参数有: 1) 充电参数有表面电位、漏电流、充电速 率等; 2) 放电参数有击穿阈值、放电频数、 脉冲 幅度、 放电场强、 脉冲上升沿时间、 脉冲 宽度、 放电频谱、 放电能量等。。
•谢谢大家！
由此可看出, 研究长寿命卫星用表面材 料在空间环境下的充放电特性是很有必要 的。对于功能材料, 严重的表面放电会改变 其热控性能和其他物理性能。 另外, 表面带电也使污染加速, 导致表面 性能改变, 其中表面光学性能的改变可导致 温度升高。
• 通过材料选择可以减小表面带电或不等量 带电, 从而减少卫星带电造成的危害, 其中 对材料充放电特性进行测试与评估是材料 选择的重要依据。
三、空间材料充放电特性的评估方 法和表征参数
• 为了控制航天器带电, 要求对空间材料的充 放电特性进行评估, 其技术指标及采用的方 法可参考专门的航天器带电设计指南及相 关标准。目前用于空间材料充放电特性评 估的主要方法有: 1) 空间充放电效应的原位 监测; 2) 借助于地面模拟试验装置及专门的 测试系统进行评价; 3) 利用计算机软件进行 计算分析。
• 对于地面试验, 首先必须提供能够摸拟空间 带电环境的试验设备, 其次是具备测量材料 表面充放电特性参数的测试系统。在本试 验装置中, 通过设计散焦结构的电子枪, 可模 拟空间带电的电子环境, 利用介质容器实现 静电放电脉冲的定量测量。由于地面带电 模拟的是空间材料的最坏充放电情况, 因此 在该装置中未使用模拟太阳源和低能电子 枪。
4. 2 空间材料表面充电电位的测量方法
• 空间材料表面充电电 位的测量是表 征其充 电特 性的主要 手段。通常, 表面电位的测量 采用非接触测量法。为了能够进行真空条 件下试验样品表面电位的原位测量, 研制了 专门的振动电容型表面电位计。其工作原 理是: 当探测电极与待测表面距离一定时, 电极与样品表面组成一个电容系统。通过 机械传动的方法使该电容发生周期性变化, 从而在探测极上测量到一交变的电流信号, 将此信号放大、 检波后输出, 即可得到一与 样品表面电位有关的电流信号。
• 已有研究发现, 材料发生放电时, 释放的电荷 与样品面积成正比,放电峰值电流与辐射能 量成正比, 放电波形脉宽与辐射能量成反比。 从材料的二次电子发射特性考虑, 放电特性 还与入射电子的能谱有关。对空间材料的 放电特性进行全面分析研究, 从中可得到许 多有益于卫星防带电设计的数据和结论。 对放电讯号的分析不能用样品系统的储能 或静电场去估计, 而只能用放电瞬间的电场 和磁场传输的能量去衡量
图 4 为实际测量到的卫 星用材料 G D - 414 表面高充电情况下的静电放 电波形。
• 图 5 所示为美国SCHA T H 卫星在轨测量到的 材料静电放电波形, 可以看出, 二者有较好的 一致性。
六、结论
• 通过多年的试验研究, 已建造了较为完善的用于空 间材料表面充放电特性试验评价的设备, 并逐步形 成了一套有效试验方法, 目前正在制订相关的试验 规范。数年来, 已完成了我国多个卫星型号的表面 材料充放电特性试验评价工作。试验结果及数据应 用表明, 利用本文介绍的试验设备, 可以较好地评价 空间材料表面充放电特性。在本项试验过程中, 除 了符合试验要求的装置和测试手段外, 必须掌握正 确的试验评价方法, 特别是在地面的模拟试验中, 应 根据材料在空间的实际使用情况及其工作环境而选 择试验条件, 如表面充电试验中材料样品的电气状 态应重点考虑。同时在静电放电特性评价中, 放电 波形的接收和数据处理也是非常重要的。
• 经过分析和研究, 用ESD讯号的场强、频率 特性及一次放电能量来表征空间材料的表 面静电放电特性更为合理。静电放电脉冲 测量过程如图 3 所示。
五 、典型空间材料充放电特性试验 结果
• 利用上述空间材料表面充放电特性试验评 估装置, 对几种卫星常用表面材料的充放电 特性进行了试验研究, 并据此分析进行本项 试验工作的一般方法及其要求。试验结果 如表 1 所列。
• 空间材料的静电放电特性与其充电特性有很大关系。 材料表面所贮存的电荷常常经由接地回路或表面电 弧喷发并泄放。典型的静电放电脉冲讯号宽度在 0. 05 至几微秒间, 该讯号在脉冲接收回路中激起的瞬 态过程, 经常伴随着幅度衰减的振铃波, 其衰减振荡 特性与回路的阻抗特性有关。在放电过程中, 材料 表面泄放的能量仅占其储存能量的一小部分, 大量 的地面试验研究指出, 材料表面的电弧放电常常是 多 支的而且像闪电,通常先在一点击穿并形成放电 通道, 放电造成的电弧扩散即大量的电荷发生迁移。 而放电对于卫星的破坏机理及破坏程度是大不相同 的, 这与使用的材料、接地方式及电弧传导途径等 诸多因素有关。
2. 2 静电放电
当电荷积累使场强超过介质材料击穿阈值 时, 将发生材料击穿, 并产生静电放电电磁脉冲, 该脉冲耦合进入卫星系统时, 导致卫星异常或 故障。航天器由于材料带电发生静电放电的形 式主要有 2 种。
(1) 表面放电。满足下面任一条件时, 就有可 能发生表面静电放电 1) 介质表面相对于一相邻的外露导体电压 大于 500 V ; 2) 介质与一外露导体界面间电场强度大于
• 其中材料在带电环境中的表面平衡电位, 作 为表征其充放电特性的宏观参数, 是材料最 重要的参数, 也是地面模拟试验和空间原位 监测的主要参数。由于材料表面状况及材 料结构对其充放电特性数据有较大的影响。
四、空间材料表面充放电特性的试 验评估
4.1 实验装置
• 根据空间材料表面 充放电模拟试验评 估要求而建立的试 验装结构如图 1 所 示。
• 实际测量中, 电极与待测表面距离一定, 通过 测量已知电位的带电表面, 可得 i - U 曲线; 而在进行未知电位的表面测量中, 根据测量 到的 i 值, 通过上述 i - U 曲线查出对应的 U 值。图 2 所示为振动电容型表面电位计的 结构示意图。
4. 3 空间材料表面静电放电信号的测量
指导老师：陈琪 介绍人：沈健博
一、综述
航天器在空间运行过程中, 受到周 围等离子体、高能带电粒子的轰击以及 太阳电磁辐射引起的光电子发射等影响 , 在航天器表面沉积一定数量的电荷, 从 而引起航天器表面充电。
• 美国 SCATHA 卫星在发射升空后得到的试验 数据表明, 经过在空间环境中数月的运行, 材 料介电性能发生了惊人的变化, 其中Kapton 试样的电阻率呈指数衰减。
二、 空间材料的充放电特性
2. 1 材料表面带电及相关参数
航天器在轨运行期间, 其表面介质材料 与空间粒子相互作用时, 就材料本身而言, 如 果出射电荷数与入射电荷数不同, 即材料表 面的电荷平衡被破坏时, 将有净电荷沉积于 材料表面而发生表面带电。
Biblioteka Baidu
• 卫星用材料的带电特性如表面电位、 带电 速率等取决于材料本身的一些特性, 主要有 介质电阻率、介质厚度、介电常数、表面 电阻率、二次电子发射系数、光电子发射 系数等。
(2) 嵌入电荷击穿。电荷有足够的能量可以 穿透介质表面并进入内部, 尽管介质表面可 能由于光电子或二次电子发射而维持近似 零电位, 材料内部仍存在很强的电场, 当该电 场足够大时将发生嵌入电荷击穿。 通常, 当内电场超过 时则可能 发生击穿, 嵌入电荷击穿将导致电子诱导电 磁脉冲(ECEMP) 。
• 地面模拟试验评价对于航天器防带电设计 的选材具有重要作用。 • 需要强调的是, 材料表面状况及其接地与否, 对通过试验得到的充放电特性数据有着很 大的差异, 而环境参数常参照国际上惯用的 航天器带电最恶劣环境参数。
卫星用材料充放电特性参数有: 1) 充电参数有表面电位、漏电流、充电速 率等; 2) 放电参数有击穿阈值、放电频数、 脉冲 幅度、 放电场强、 脉冲上升沿时间、 脉冲 宽度、 放电频谱、 放电能量等。。
•谢谢大家！
由此可看出, 研究长寿命卫星用表面材 料在空间环境下的充放电特性是很有必要 的。对于功能材料, 严重的表面放电会改变 其热控性能和其他物理性能。 另外, 表面带电也使污染加速, 导致表面 性能改变, 其中表面光学性能的改变可导致 温度升高。
• 通过材料选择可以减小表面带电或不等量 带电, 从而减少卫星带电造成的危害, 其中 对材料充放电特性进行测试与评估是材料 选择的重要依据。
三、空间材料充放电特性的评估方 法和表征参数
• 为了控制航天器带电, 要求对空间材料的充 放电特性进行评估, 其技术指标及采用的方 法可参考专门的航天器带电设计指南及相 关标准。目前用于空间材料充放电特性评 估的主要方法有: 1) 空间充放电效应的原位 监测; 2) 借助于地面模拟试验装置及专门的 测试系统进行评价; 3) 利用计算机软件进行 计算分析。
• 对于地面试验, 首先必须提供能够摸拟空间 带电环境的试验设备, 其次是具备测量材料 表面充放电特性参数的测试系统。在本试 验装置中, 通过设计散焦结构的电子枪, 可模 拟空间带电的电子环境, 利用介质容器实现 静电放电脉冲的定量测量。由于地面带电 模拟的是空间材料的最坏充放电情况, 因此 在该装置中未使用模拟太阳源和低能电子 枪。
4. 2 空间材料表面充电电位的测量方法
• 空间材料表面充电电 位的测量是表 征其充 电特 性的主要 手段。通常, 表面电位的测量 采用非接触测量法。为了能够进行真空条 件下试验样品表面电位的原位测量, 研制了 专门的振动电容型表面电位计。其工作原 理是: 当探测电极与待测表面距离一定时, 电极与样品表面组成一个电容系统。通过 机械传动的方法使该电容发生周期性变化, 从而在探测极上测量到一交变的电流信号, 将此信号放大、 检波后输出, 即可得到一与 样品表面电位有关的电流信号。
• 已有研究发现, 材料发生放电时, 释放的电荷 与样品面积成正比,放电峰值电流与辐射能 量成正比, 放电波形脉宽与辐射能量成反比。 从材料的二次电子发射特性考虑, 放电特性 还与入射电子的能谱有关。对空间材料的 放电特性进行全面分析研究, 从中可得到许 多有益于卫星防带电设计的数据和结论。 对放电讯号的分析不能用样品系统的储能 或静电场去估计, 而只能用放电瞬间的电场 和磁场传输的能量去衡量
图 4 为实际测量到的卫 星用材料 G D - 414 表面高充电情况下的静电放 电波形。
• 图 5 所示为美国SCHA T H 卫星在轨测量到的 材料静电放电波形, 可以看出, 二者有较好的 一致性。
六、结论
• 通过多年的试验研究, 已建造了较为完善的用于空 间材料表面充放电特性试验评价的设备, 并逐步形 成了一套有效试验方法, 目前正在制订相关的试验 规范。数年来, 已完成了我国多个卫星型号的表面 材料充放电特性试验评价工作。试验结果及数据应 用表明, 利用本文介绍的试验设备, 可以较好地评价 空间材料表面充放电特性。在本项试验过程中, 除 了符合试验要求的装置和测试手段外, 必须掌握正 确的试验评价方法, 特别是在地面的模拟试验中, 应 根据材料在空间的实际使用情况及其工作环境而选 择试验条件, 如表面充电试验中材料样品的电气状 态应重点考虑。同时在静电放电特性评价中, 放电 波形的接收和数据处理也是非常重要的。
• 经过分析和研究, 用ESD讯号的场强、频率 特性及一次放电能量来表征空间材料的表 面静电放电特性更为合理。静电放电脉冲 测量过程如图 3 所示。
五 、典型空间材料充放电特性试验 结果
• 利用上述空间材料表面充放电特性试验评 估装置, 对几种卫星常用表面材料的充放电 特性进行了试验研究, 并据此分析进行本项 试验工作的一般方法及其要求。试验结果 如表 1 所列。
• 空间材料的静电放电特性与其充电特性有很大关系。 材料表面所贮存的电荷常常经由接地回路或表面电 弧喷发并泄放。典型的静电放电脉冲讯号宽度在 0. 05 至几微秒间, 该讯号在脉冲接收回路中激起的瞬 态过程, 经常伴随着幅度衰减的振铃波, 其衰减振荡 特性与回路的阻抗特性有关。在放电过程中, 材料 表面泄放的能量仅占其储存能量的一小部分, 大量 的地面试验研究指出, 材料表面的电弧放电常常是 多 支的而且像闪电,通常先在一点击穿并形成放电 通道, 放电造成的电弧扩散即大量的电荷发生迁移。 而放电对于卫星的破坏机理及破坏程度是大不相同 的, 这与使用的材料、接地方式及电弧传导途径等 诸多因素有关。
2. 2 静电放电
当电荷积累使场强超过介质材料击穿阈值 时, 将发生材料击穿, 并产生静电放电电磁脉冲, 该脉冲耦合进入卫星系统时, 导致卫星异常或 故障。航天器由于材料带电发生静电放电的形 式主要有 2 种。
(1) 表面放电。满足下面任一条件时, 就有可 能发生表面静电放电 1) 介质表面相对于一相邻的外露导体电压 大于 500 V ; 2) 介质与一外露导体界面间电场强度大于
• 其中材料在带电环境中的表面平衡电位, 作 为表征其充放电特性的宏观参数, 是材料最 重要的参数, 也是地面模拟试验和空间原位 监测的主要参数。由于材料表面状况及材 料结构对其充放电特性数据有较大的影响。
四、空间材料表面充放电特性的试 验评估
4.1 实验装置
• 根据空间材料表面 充放电模拟试验评 估要求而建立的试 验装结构如图 1 所 示。
• 实际测量中, 电极与待测表面距离一定, 通过 测量已知电位的带电表面, 可得 i - U 曲线; 而在进行未知电位的表面测量中, 根据测量 到的 i 值, 通过上述 i - U 曲线查出对应的 U 值。图 2 所示为振动电容型表面电位计的 结构示意图。
4. 3 空间材料表面静电放电信号的测量