不同面積Kapton材料的放電特性實驗研究

劉海波,李得天,楊生勝,湯道坦,柳 青,王婷婷

(蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空低溫技術(shù)與物理重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

暴露在空間等離子環(huán)境中的航天器表面材料在入射的電子、離子、表面光電發(fā)射、背散射電子及漏電流作用下積累電荷，可使材料充至數(shù)十千伏的電位[1]。當(dāng)充電電位達(dá)到放電閾值時，就會產(chǎn)生放電現(xiàn)象。放電誘發(fā)的對“地”瞬態(tài)脈沖會干擾航天器上電子儀器的正常工作，嚴(yán)重時使航天器發(fā)生故障，無法完成在軌運行任務(wù)。

在空間等離子環(huán)境下，不同面積航天器表面絕緣材料的充電電位、電荷貯存量和能量差異較大，可能引起其放電電流峰值、放電電荷損失量和放電能量損失有所不同。通過對不同面積的Kapton材料進(jìn)行放電實驗，探索其放電特性規(guī)律，可以根據(jù)這些放電特性規(guī)律制定材料的應(yīng)用方案、設(shè)計濾波器、選擇元器件和優(yōu)化電路等方式減小其放電對航天器正常工作的影響。

加拿大的Balmain、Kremer等和路易斯研究中心的Paul等分別對小于100 cm2和232～5 085 cm2的航天器表面絕緣材料進(jìn)行了放電實驗研究，其得出的研究結(jié)果存在較大差異。研究表明材料面積小于100 cm2時，放電電流峰值同面積呈線性關(guān)系；而當(dāng)材料面積在232～5 085 cm2時，放電電流峰值同材料面積的關(guān)系為Im-s0.4[2-5]。針對Kapton材料開展了地面模擬放電實驗研究，文章得出各放電特性和放電波形同材料面積的關(guān)系，并綜合本次實驗數(shù)據(jù)和國外研究結(jié)果，提出能夠適應(yīng)以上差異的結(jié)論。

1 實驗裝置及方法

針對航天器表面常用的Kapton溫控材料，分別制作了20 mm×20 mm、40 mm×40 mm、50 mm×50 mm、60 mm×60 mm、80 mm×80 mm、100 mm×100 mm、140 mm×40 mm、150 mm×150 mm的正方形鋁板，在鋁板上用導(dǎo)電銀膠黏貼125μm厚的Kapton材料作為實驗樣品。樣品實物圖如圖1所示。

圖1 樣品實物圖

實驗中將真空系統(tǒng)抽至6×10-4Pa的真空度來模擬空間真空環(huán)境。使用德國STAIB電子槍模擬空間電子輻照環(huán)境。由于地球同步軌道航天器進(jìn)入地磁亞暴引起的增強(qiáng)等離子區(qū)域時容易發(fā)生充放電現(xiàn)象，這里根據(jù)地磁亞暴期間的環(huán)境參數(shù)，選用能量為25 keV，束流密度為2.5 nA/cm2的電子對樣品進(jìn)行輻照。實驗中采用取樣電阻的方式來測量放電波形，測量電路如圖2所示。

圖2 地面模擬放電實驗系統(tǒng)示意圖1.導(dǎo)電銀膠；2.電子槍；3.kapton材料；4.鋁板；5.示波器；6.真空室；7.抽真空系統(tǒng)

通過前期摸底實驗發(fā)現(xiàn)，采用在放電回路中串聯(lián)1 Ω和0.3 Ω的電阻，將0.3 Ω電阻作為取樣電阻來測量放電脈沖波形的方式能夠很好的測量放電信號。

根據(jù)以上設(shè)計的樣品和測量方法，構(gòu)建如圖2所示的實驗系統(tǒng)。由于電子束對同軸電纜的絕緣外表皮充電可能引起放電干擾，影響對樣品放電波形的測量。因此對同軸電纜進(jìn)行了外層屏蔽，即給同軸電纜外部包覆了一層0.3 mm的銅箔，并對其進(jìn)行接地處理，避免在銅箔上產(chǎn)生懸浮電位。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 放電脈沖波形分析

由實驗中的波形數(shù)據(jù)得出20 mm×20 mm、40 mm×40 mm、50 mm×50 mm、60 mm×60 mm的正方形Kapton樣品的典型放電波形如圖3所示。

圖3 不同面積Kapton材料典型放電波形

由實驗中的波形數(shù)據(jù)得出80 mm×80 mm、100 mm×100 mm、140 mm×140 mm 、150 mm×150 mm正方形Kapton樣品有如圖4(a)、(b)、(c)所示的三種典型放電波形。

圖4 不同面積Kapton材料典型放電波形

將圖3波形和圖4(a)、(b)、(c)波形對比，可知小面積Kapton材料的放電脈沖更窄，且有一個明顯的負(fù)向峰值。由圖4(b)看出大面積材料放電誘發(fā)的瞬態(tài)脈沖波形會出現(xiàn)兩個波峰，而且由更多的實驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，材料的面積越大，會呈現(xiàn)出更明顯的雙峰波形，在150 mm×150 mm的Kapton樣品中甚至出現(xiàn)三個波峰的波形。結(jié)果表明面積大的材料，初次放電只能將材料表面部分區(qū)域的電荷泄放出去，初次放電后造成的局部電荷損失在放電點附近產(chǎn)生了超過放電閾值的電勢差，從而誘發(fā)了第二次放電，兩次放電的波形疊加在一起就形成了圖4(b)所示的雙峰波形。面積越大的材料，上述效應(yīng)就更明顯，所以更容易出現(xiàn)雙峰，甚至三個波峰的波形。由圖4(c)可看出，在波形到達(dá)波峰后開始緩慢下降，這可能是由于在金屬板和地之間加了電阻，在放電結(jié)束后電阻引起的阻尼振蕩的結(jié)果。而且圖4(c)所示的放電波形的放出電荷量和能量都很大，由圖4(c)中的細(xì)線所示數(shù)值計算得出其放出電荷量為233.3μm，如果該波形出現(xiàn)在在軌運行的航天器中，則可能引起嚴(yán)重的電子線路故障。

2.2 放電特性與Kapton材料面積關(guān)系分析

實驗中得出的放電電流峰值、放電持續(xù)時間、放電電荷損失量、放電頻率同材料面積關(guān)系的數(shù)據(jù)如表1所列。

通過對表1所列實驗數(shù)據(jù)總結(jié)，得出放電電流峰值、放電持續(xù)時間、放電電荷損失量、放電頻率f和材料面積關(guān)系曲線分別如圖5、6、7、8所示。

表1 125厚Kapton材料地面模擬放電實驗數(shù)據(jù)

圖5 Kapton材料面積同放電電流峰值的關(guān)系曲線

圖6 Kapton材料面積同放電持續(xù)時間的關(guān)系曲線

圖7 Kapton材料面積同放電電荷損失量的關(guān)系曲線

圖8 Kapton材料面積同放電頻率的關(guān)系曲線

由圖5可知，隨著Kapton材料的面積增大，其放電電流峰值也隨之升高。而且其斜率隨著面積的增大而降低。圖5中的曲線為擬合曲線，擬合關(guān)系如下面式(1)所示。

(1)

式中：Im為放電脈沖電流峰值，A；S為Kapton材料面積，cm2。

在Balmain的研究中，雖然根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出聚酯薄膜材料的面積同放電電流峰值之間的線性擬合關(guān)系，但是從文章中的數(shù)據(jù)曲線可知，其小面積材料放電電流峰值數(shù)據(jù)點和材料面積明顯不呈線性關(guān)系，而是如圖5所示曲線相似的非線性關(guān)系[4]。而且在Kapton材料的研究中，小面積Kapton材料的面積同電流峰值關(guān)系數(shù)據(jù)點的離散狀況比較嚴(yán)重[3]。可見對于小面積的航天器表面絕緣材料，其放電電流峰值同材料面積并不呈線性關(guān)系，圖5所示的曲線能夠真實的反映小面積材料的面積同放電電流峰值的關(guān)系。

結(jié)合Paul R. Aron和John V. Scaskus對大于232 cm2的Teflon材料的研究，電流峰值同材料面積呈Im～s0.4關(guān)系[5]，關(guān)系曲線隨著面積的增大斜率應(yīng)不斷的減小，而從式(1)可看出，曲線斜率也隨著材料面積的增大而減小。綜合以上考慮，式(1)中提出的關(guān)系能夠?qū)嶋H的反映材料放電電流峰值同材料面積的關(guān)系。Paul R.Aron和John V.Scaskus之所以提出大多數(shù)放電電流峰值和面積幾乎沒有關(guān)系[5]，是由于大面積材料對應(yīng)的曲線斜率很小，在實驗誤差作用下，觀察不到相應(yīng)的面積同放電電流峰值的比例關(guān)系。

由圖6(a)、(b)可知，隨著材料面積增大，對應(yīng)的放電持續(xù)時間越長。根據(jù)加拿大在提出的放電傳播理論[3]，這可能是由于面積大的材料，放電時可形成的放電隧道更長，在放電傳播速度一定的情況下，材料內(nèi)部的電荷需要經(jīng)過更長路徑的電荷遷移才能到達(dá)放電點，所以放電持續(xù)時間也更長。由于大面積材料的放電誘發(fā)的瞬態(tài)脈沖波形中，存在如圖4(c)所示的持續(xù)時間長的波形，在這里將小面積材料和大面積材料放電時間隨材料面積的變化曲線分別進(jìn)行處理。由圖6(a)所示擬合曲線得出4 cm2、16 cm2、25 cm2、36 cm2Kapton材料同放電持續(xù)時間的關(guān)系式如下面式(2)所示。

Tm=198.684+2.411S

(2)

由圖所示擬合曲線得出64 cm2、196 cm2、225 cm2Kapton材料同放電持續(xù)時間的關(guān)系式如下面式(3)所示。

Tm=1034.133+21.818×S

(3)

式(2)、(3)中，Tm為放電持續(xù)時間，ns；S為材料面積，cm2。

Qm=2.172+0.241S

(4)

由圖7(b)所示擬合曲線得出64 cm2、100 cm2、196 cm2、225 cm2Kapton材料放電電荷損失量和材料面積的關(guān)系式如式(5)所示。

Qm=11.643+0.976S

(5)

式(4)、(5)中，Qm為放電電荷損失量，μC；S為材料面積，cm2。

Keith G. Balmain等得出的材料面積同放電電荷損失量的曲線斜率為1，從所做曲線的數(shù)據(jù)點可知，在曲線的小面積部分的數(shù)據(jù)偏差比較大[3]，其曲線只能反映大面積Kapton材料放電電荷損失量同面積的關(guān)系。由(5)式可知大面積材料放電電荷損失量同材料面積的關(guān)系曲線的斜率為0.976，同Keith G. Balmain等的研究中得出的斜率基本一致。

由于表面材料的放電頻率對航天器正常工作產(chǎn)生很大的影響，這里也對Kapton材料的放電頻率同材料面積的關(guān)系進(jìn)行研究。由實驗數(shù)據(jù)得出材料面積同放電頻率的關(guān)系曲線如圖8所示。由圖8可知，隨著Kapton材料面積增大，放電頻率也相應(yīng)的升高，材料面積和放電頻率之間呈線性關(guān)系。關(guān)于這方面的解釋，面積越大的材料，能夠滿足放電條件的內(nèi)部奇異點更多，造成其更容易發(fā)生放電。由圖8所示擬合曲線得出放電頻率同材料面積的關(guān)系如式(6)所示。

f=0.984+0.019S

(6)

式中：f為放電頻率，次/h；S為Kapton材料面積，cm2。

對圖5、6、7、8所示的曲線進(jìn)行總結(jié)，得出隨著材料面積增大，放電電流峰值、放電持續(xù)時間、放電時材料表面電荷損失量和放電頻率都相應(yīng)升高?；诤教炱鲙щ姺雷o(hù)方面的考慮，在航天器上應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)盡量選取小面積的Kapton材料。

3 結(jié)論

通過對不同面積的航天器表面常用Kapton材料進(jìn)行地面模擬放電實驗，得出不同面積材料的放電脈沖波形規(guī)律和各放電特性同材料面積的關(guān)系,為材料在航天器表面上的應(yīng)用、航天器表面帶電防護(hù)和放電危害評估提供數(shù)據(jù)支持。在放電波形方面，通過對實驗數(shù)據(jù)總結(jié)，得出低于36 cm2的Kapton材料，其放電脈沖波形的脈寬較窄，且出現(xiàn)明顯的負(fù)向峰值，而當(dāng)材料面積大于64 cm2時，出現(xiàn)雙峰波形放出電荷量和能量都比較大的波形。在放電特性同材料面積的關(guān)系方面，實驗數(shù)據(jù)表明隨著材料面積的增加，其放電電流峰值、放電持續(xù)時間、放電電荷損失量和放電頻率都相應(yīng)增加。并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出各放電特性同材料面積的關(guān)系曲線，擬合出與其對應(yīng)的關(guān)系式。在放電電流峰值和材料面積關(guān)系的研究中，針對國外在大面積材料(232～5085 cm2)和小面積材料(<100 cm2)研究中的矛盾，文章提出了一個解決方案，即Kapton材料的放電電流峰值和面積之間并不呈線性關(guān)系，而是隨著材料面積增加，曲線斜率逐漸減小。在材料放電持續(xù)時間和電荷損失量同Kapton材料面積關(guān)系的研究中，得出和國外研究一致的線性關(guān)系，但是大面積材料和小面積材料呈現(xiàn)的線性關(guān)系有所不同。

參考文獻(xiàn)：

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