一種導(dǎo)電塑料膜電位器輻照試驗(yàn)研究

張 強(qiáng)，崔赪旻，于國(guó)慶

（1.北京控制工程研究所；2.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室；3.精密轉(zhuǎn)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)壽命技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室：北京 100094）

一種導(dǎo)電塑料膜電位器輻照試驗(yàn)研究

張 強(qiáng)1-3，崔赪旻1-3，于國(guó)慶1-3

（1.北京控制工程研究所；2.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室；3.精密轉(zhuǎn)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)壽命技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室：北京 100094）

導(dǎo)電塑料膜電位器是一種空間應(yīng)用較為廣泛的測(cè)角裝置，但國(guó)內(nèi)空間應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少。尤其是針對(duì)其空間耐輻照特性還沒有開展過(guò)相關(guān)試驗(yàn)研究，這是該種電位器能否用于空間長(zhǎng)壽命機(jī)構(gòu)中的核心問題之一。文章給出了針對(duì)電位器進(jìn)行輻照試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和原理，并對(duì)電位器輻照前后的性能進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明該電位器的輻照性能滿足型號(hào)需求，為其后續(xù)應(yīng)用于空間長(zhǎng)壽命機(jī)構(gòu)提供了參考。

導(dǎo)電塑料膜；電位器；輻照試驗(yàn)

0 引言

電位器具有體積小、重量輕、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種空間應(yīng)用較為廣泛的角度測(cè)量裝置。自20世紀(jì)60年代在軌作為測(cè)角裝置應(yīng)用以來(lái)，至今一直在大量使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐美每顆高軌道通信衛(wèi)星上平均使用電位器數(shù)量在10個(gè)以上，主要用在天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[1]、展開機(jī)構(gòu)和太陽(yáng)電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[2]上。

電位器主要包括線繞電位器、導(dǎo)電塑料膜電位器和金屬陶瓷電位器等幾種類型，其中導(dǎo)電塑料膜電位器應(yīng)用較多[3-5]。電位器在空間應(yīng)用面臨空間輻射問題。衛(wèi)星的空間輻射環(huán)境包括地球輻射帶、太陽(yáng)宇宙射線、銀河宇宙射線等，地球輻射帶中的質(zhì)子和電子、太陽(yáng)耀斑質(zhì)子都會(huì)引發(fā)電離總劑量效應(yīng)。應(yīng)用在空間長(zhǎng)壽命機(jī)構(gòu)中的電位器容易受到總劑量輻射損傷，因此需要對(duì)電位器內(nèi)部的電阻基體進(jìn)行地面總劑量輻照試驗(yàn)，對(duì)其抗輻射性能進(jìn)行測(cè)定，驗(yàn)證其是否滿足星上應(yīng)用的抗輻射要求，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

針對(duì)導(dǎo)電塑料膜電位器的耐輻照特性在國(guó)內(nèi)開展的相關(guān)試驗(yàn)研究工作還很少。根據(jù)應(yīng)用衛(wèi)星型號(hào)低軌空間環(huán)境分析和3年的在軌需求，考慮星體遮擋，同時(shí)取輻射設(shè)計(jì)余量RDM值為2。電位器的耐輻射總劑量值要求大于1.27×105rad(Si)，塑料基片的耐輻照總劑量值要求大于4.16×105rad(Si)。輻照試驗(yàn)前后，電位器和導(dǎo)電塑料基材的各性能指標(biāo)變化不能超過(guò)5%。

本文給出某導(dǎo)電塑料膜電位器耐輻照試驗(yàn)的方法和原理，并對(duì)試驗(yàn)前后電位器的性能進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)根據(jù)效應(yīng)等效的原理，采用γ射線源來(lái)模擬近地空間的高能帶電粒子電離輻射環(huán)境效應(yīng)，對(duì)空間應(yīng)用的電子元器件和材料進(jìn)行電離輻射總劑量效應(yīng)的地面模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)原理是根據(jù)電離輻射效應(yīng)與材料吸收的電離總劑量有關(guān)，使試驗(yàn)中材料吸收的電離總劑量與空間輻射環(huán)境中輻射粒子在材料中沉積的電離總劑量相當(dāng)[6]。

試驗(yàn)中，將各試驗(yàn)樣品置于γ源輻射場(chǎng)中進(jìn)行輻照，在樣品接受到一定的輻射劑量值時(shí)，取出樣品，檢測(cè)并記錄樣品重要性能參數(shù)的漂移和退化情況，并判斷其是否受到輻射損傷，從而了解試驗(yàn)樣品的抗總劑量輻射能力和水平。

2 試驗(yàn)條件

2.1 放射源

試驗(yàn)在中國(guó)原子能科學(xué)研究院核技術(shù)應(yīng)用研究所輻照中心（下稱輻照中心）進(jìn)行。輻照試驗(yàn)采用的60Co γ射線放射源由若干根60Co源棒組成，所有源棒排列成圓柱狀如圖1所示，活度為 1.11× 1016Bq。

圖1 60Co放射源Fig.1 60Co radiation source

圖2 為60Co源輻照中心立體示意，放射源位于圓形屏蔽室的中心，測(cè)試工作在測(cè)試大廳進(jìn)行。

圖2 輻照裝置布局圖Fig.2 The irradiation device layout

60Co放射源不工作時(shí)，將其下降置于放射源室中心處地下的一個(gè)儲(chǔ)存井內(nèi)，井內(nèi)裝滿用于屏蔽輻射的水。需要進(jìn)行輻照時(shí)，在封閉放射源室并確保人員等安全后，利用機(jī)械裝置將60Co源從儲(chǔ)存井下提升到放射源室中心位置。

2.2 總劑量和劑量率

試驗(yàn)劑量加載方案見表1。按由小到大選取不同劑量率量值（以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)），相同的輻照時(shí)間，從而獲得不同的總劑量輻照。輻照后，在劑量點(diǎn)處取出相應(yīng)的測(cè)試樣品組，進(jìn)行性能測(cè)試。

表1 樣品劑量加載方案Table 1 Irradiation dose load plan for the samples

2.3 劑量率測(cè)量

樣品在輻射場(chǎng)中的位置，決定了其試驗(yàn)中所接收的劑量率。根據(jù)放射源管理單位（輻照中心）對(duì)60Co放射源的定標(biāo)結(jié)果，確定輻射場(chǎng)中不同劑量率的位置。由于定標(biāo)時(shí)，放射源室內(nèi)不存在其他物品，而本次試驗(yàn)時(shí)放射源室內(nèi)堆放有其他各種受輻照物品存在，使得輻射場(chǎng)的實(shí)際劑量率與先前定標(biāo)結(jié)果之間具有一定差異；同時(shí)考慮60Co放射源存在持續(xù)的輻射衰變，因此，在本次試驗(yàn)中對(duì)樣品放置處的劑量率采取實(shí)測(cè)手段，在試驗(yàn)板上的試驗(yàn)樣品周圍布置若干劑量計(jì)，測(cè)定樣品接收的劑量率。

3 試驗(yàn)樣品與測(cè)試要求

3.1 試驗(yàn)樣品規(guī)格及數(shù)量

試驗(yàn)樣品包括電位器、導(dǎo)電塑料基材。

由于對(duì)試驗(yàn)樣品無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)原位或移位的就近測(cè)試，只能送到專業(yè)部門檢測(cè)，為避免到達(dá)測(cè)試劑量點(diǎn)時(shí)中斷輻射、材料送檢、材料送回、恢復(fù)輻射過(guò)程太長(zhǎng)而導(dǎo)致退火使得樣品輻射損傷狀態(tài)發(fā)生改變，造成試驗(yàn)結(jié)果的偏差和無(wú)效，本次試驗(yàn)為每個(gè)測(cè)試劑量點(diǎn)單獨(dú)設(shè)置試驗(yàn)樣品，這些樣品分別輻照到所需的測(cè)試劑量點(diǎn)，然后進(jìn)行各樣品的性能檢測(cè)。

輻照試驗(yàn)前，各類試驗(yàn)樣品都需要進(jìn)行初始性能測(cè)試；輻照試驗(yàn)中，電位器樣品在每個(gè)測(cè)試劑量點(diǎn)的樣品數(shù)為3個(gè)；導(dǎo)電塑料基材樣品在每個(gè)測(cè)試劑量點(diǎn)的樣品數(shù)為2個(gè)。批次及數(shù)量如表2所示。所有樣品完成初始性能測(cè)試后，進(jìn)行輻照試驗(yàn)，之后再進(jìn)行性能測(cè)試。

表2 樣品批次及數(shù)量Table 2 The sample batch and quantities

3.2 樣品性能測(cè)試要求

本試驗(yàn)樣品性能測(cè)試是從應(yīng)用角度，針對(duì)可能影響器件應(yīng)用的、在輻射環(huán)境下敏感性能的參數(shù)變化進(jìn)行檢測(cè)。

試驗(yàn)前，對(duì)A、B組樣品進(jìn)行一次初始性能測(cè)試，所有電位器和塑料基材試驗(yàn)樣品的初始性能測(cè)試項(xiàng)目[7-9]如表3所示。測(cè)試設(shè)備主要包括力矩測(cè)試儀、萬(wàn)用表、兆歐表、安規(guī)儀、電位器精度專用測(cè)試設(shè)備等。

表3 樣品性能測(cè)試項(xiàng)目Table 3 The test items for sample performance

輻照后試驗(yàn)樣品性能采用離線測(cè)試的方式，達(dá)到輻照時(shí)間后，降輻射源，取出所有的樣品，然后在試驗(yàn)室對(duì)樣品進(jìn)行性能測(cè)試；輻照后樣品性能測(cè)試項(xiàng)目與輻照試驗(yàn)前相同。為減小樣品退火對(duì)輻射效應(yīng)的影響，樣品從輻射場(chǎng)取出后，必須盡快進(jìn)行性能測(cè)試。

4 輻照試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)輻照中心提供的輻照劑量測(cè)試報(bào)告中的劑量率實(shí)測(cè)結(jié)果，計(jì)算各試驗(yàn)樣品的輻照劑量。

輻照試驗(yàn)前后分別對(duì)樣品外觀進(jìn)行了檢查，并拍照記錄，見圖3、圖4。圖4中0#樣品為未輻照的樣品。從圖4中可以看出，輻照試驗(yàn)前后樣品外觀無(wú)明顯變化。

圖3 輻照前后電位器整機(jī)照片F(xiàn)ig.3 The potentiometer before and after the irradiation

圖4 輻照前后導(dǎo)電塑料基材照片F(xiàn)ig.4 The electric plastic film

在輻照試驗(yàn)前后，按照表3中規(guī)定的測(cè)試項(xiàng)目要求，對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試。測(cè)試方法依據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/RU 21865.1—2007進(jìn)行。表4是樣品在輻照前后性能測(cè)試的結(jié)果比對(duì)。從表中可以看出，輻照前后樣品功能均正常，測(cè)試數(shù)據(jù)變化最大為1.21%，且均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。另外樣品在試驗(yàn)前后外觀均正常，目視無(wú)形變。結(jié)果表明電位器和基片均滿足空間輻射下的性能要求。

表4 輻照試驗(yàn)前后樣品性能測(cè)試數(shù)據(jù)Table 4 Comparison of sample performance before and after the irradiation

5 試驗(yàn)方法流程

通過(guò)對(duì)導(dǎo)電塑料膜電位器進(jìn)行的輻照試驗(yàn)，可以總結(jié)出輻照試驗(yàn)方法流程，如圖5所示。

圖5 輻照試驗(yàn)方法流程圖Fig.5 Flow chart of the irradiation test method

6 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種導(dǎo)電塑料膜電位器的輻照試驗(yàn)方法和原理，對(duì)試驗(yàn)樣品規(guī)劃和測(cè)試過(guò)程進(jìn)行了介紹，并對(duì)輻照前后的樣品性能進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比。

試驗(yàn)結(jié)果表明：1）電位器耐輻照指標(biāo)達(dá)到1.64×106rad(Si)的輻照總劑量，導(dǎo)電塑料基材耐輻照指標(biāo)達(dá)到1.35×106rad(Si)的輻照總劑量，滿足衛(wèi)星型號(hào)應(yīng)用要求。2）輻照試驗(yàn)前后，樣品的性能測(cè)試指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，并且電位器總阻值最大變化量為1.21%，滿足小于5%的要求。

本次對(duì)導(dǎo)電塑料膜電位器進(jìn)行的輻照試驗(yàn)為后續(xù)該產(chǎn)品在空間的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)給出了輻照試驗(yàn)方法流程圖，也為后續(xù)類似產(chǎn)品的試驗(yàn)提供了參考。

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（編輯：王 洋）

Irradiation test study of the potentiometer with electric plastic film

ZHANG Qiang1-3, CUI Chengmin1-3, YU Guoqing1-3
(1.Beijing Institute of Control Engineering; 2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory; 3.Long Life Technology Key Laboratory of Precision Turning and Transmission Mechanism: Beijing 100094, China)

The potentiometer of electric plastic film is widely used to measure the absolute angle in space, but less so in China, where the irradiation testing and the related research of the potentiometer are very few.But this kind of studies is important if the potentiometer could be applied in a long-life space assembly.This paper presents the method and the principle of the potentiometer irradiation test.The performances of the potentiometer before and after the irradiation are compared.The experimental results show that the performance of the potentiometer can meet the requirements.The research provides a valuable reference for the further application of the potentiometer in spaceborne long-life mechanisms.

electric plastic film; potentiometer; irradiation test

V255

：B

：1673-1379(2016)06-0639-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.011

張 強(qiáng)（1978—），男，博士學(xué)位，研究員，目前從事空間指向跟蹤機(jī)構(gòu)、操控機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究工作。E-mail: zhang007qiang@163.com。

2016-04-05；

: 2016-11-22