高能電子輻照下聚合物介質(zhì)深層放電實驗研究

鄭漢生，韓建偉，張振龍

（1. 中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190；2. 中國科學院大學，北京 100049）

高能電子輻照下聚合物介質(zhì)深層放電實驗研究

鄭漢生1,2，韓建偉1,2，張振龍1,2

（1. 中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190；2. 中國科學院大學，北京 100049）

為揭示聚合物介質(zhì)材料在連續(xù)能譜高能電子輻射下的深層放電規(guī)律特征，利用90Sr放射源對聚四氟乙烯（PTFE）材料進行了不同條件的輻照實驗。對采集的大量放電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，電子輻照累積時間、入射電子通量以及溫度都會影響介質(zhì)的放電風險以及放電脈沖特征。高能電子對樣品持續(xù)數(shù)天的累積輻照會降低介質(zhì)自發(fā)放電的閾值條件，輻照后期放電更加頻繁，但放電強度會減弱。入射電子通量越低時，放電風險越??；通量越高時，放電頻率越高，高強度放電事件的發(fā)生概率也越大。溫度主要通過影響介質(zhì)的電導率而影響其深層放電特性，溫度下降時介質(zhì)本征電導率降低，充電電位和放電風險增加；一旦發(fā)生放電，放電電流脈沖的平均幅度也更大。

高能電子；聚四氟乙烯；深層充放電；放電脈沖；電子通量；溫度效應；實驗研究

0 引言

空間高能電子誘發(fā)的深層充放電效應是中地球軌道（MEO）和地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星面臨的主要空間環(huán)境危害[1-2]。這些衛(wèi)星運行于大量高能電子被地磁場俘獲的外輻射帶區(qū)域，在發(fā)生高能電子暴時，能量大于100 keV的電子通量顯著增加并可能持續(xù)數(shù)天[3]。高能電子穿透衛(wèi)星蒙皮或單機機殼，將電荷沉積在內(nèi)部的各種介質(zhì)材料中，電荷持續(xù)積累使介質(zhì)內(nèi)建電場增強，一旦介質(zhì)擊穿發(fā)生靜電放電（ESD），不僅會對材料本身造成損傷而影響其性能，放電脈沖還會通過不同的耦合途徑進入敏感器件和電路，對電子系統(tǒng)造成干擾而導致衛(wèi)星異?；蚬收蟍4-6]。

聚合物介質(zhì)材料以其優(yōu)異的物理性能被廣泛應用于航天器。但從深層充電效應角度看，聚合物介質(zhì)材料的大量應用卻是一個棘手的問題。聚合物介質(zhì)普遍具有極低的電導率，這使得沉積在材料內(nèi)的電荷泄放非常緩慢，尤其在大塊聚合物介質(zhì)或介質(zhì)接地條件不利的應用場景，發(fā)生深層放電的風險很大。幾十年以來，國內(nèi)外研究人員通過空間飛行實驗、地面模擬實驗以及計算機仿真等手段，對深層充放電效應進行了廣泛而深入的研究[7-10]。但遺憾的是，受限于多方面因素，迄今仍不能在航天器發(fā)射入軌前對其深層充放電風險進行準確評估。其主要原因是，人們對材料確切的電導率、介電常數(shù)、擊穿閾值等參數(shù)在真實空間環(huán)境下的長期變化仍然了解有限，而這些參數(shù)對介質(zhì)的充電水平和放電特性起著至關(guān)重要的作用。對于運行在高能電子聚集區(qū)域的很多衛(wèi)星來說，發(fā)生介質(zhì)深層放電似乎難以避免。因此，從被動防護角度出發(fā)，研究介質(zhì)的放電特征規(guī)律以及放電對衛(wèi)星電子系統(tǒng)的作用和影響，對深層充放電防護設(shè)計具有重要的工程指導意義。

目前，航天器深層充放電研究仍然集中在充電物理過程、介質(zhì)電導率特性等方面，對介質(zhì)深層放電研究較少。高能電子輻照下聚合物介質(zhì)放電的物理機制復雜，隨機性強，仿真模擬較為困難，而空間飛行實驗成本高、周期長，少數(shù)衛(wèi)星搭載的相關(guān)探測器所獲取的放電數(shù)據(jù)有限，因此地面模擬實驗對于深層放電研究仍是一種不可或缺的重要手段。

本文利用90Sr放射源模擬外輻射帶具有連續(xù)能譜結(jié)構(gòu)的高能電子輻射環(huán)境，對聚四氟乙烯平板介質(zhì)進行輻照直至樣品產(chǎn)生自發(fā)放電，采集不同輻照電子通量及溫度條件下的放電脈沖數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計分析，研究輻照累積時間、電子通量和溫度對聚四氟乙烯深層放電的影響規(guī)律。

1 實驗裝置、樣品及實驗方案

本實驗在中國科學院國家空間科學中心的航天器充放電模擬裝置（SCADS）上進行。SCADS是用于航天介質(zhì)材料充放電特性研究以及衛(wèi)星部件和單機的充放電風險評估的專用實驗裝置[11]，其包含2套不同的電子輻照源：5～100 keV的電子槍以及活度達350 mCi的90Sr-90Y放射源。該裝置可對MEO和GEO衛(wèi)星表面及深層充電電子環(huán)境進行較真實模擬。90Sr-90Y放射源通過β衰變所發(fā)射的電子具有連續(xù)能譜（Emax=2.28 MeV），其輻照電子通量穩(wěn)定，抗干擾能力強，通過調(diào)節(jié)輻照距離可將電子通量控制在pA/cm2量級上下，與外輻射帶的高能電子能譜和通量有著較好的匹配，是較理想的深層充電模擬源。

實驗樣品采用40 mm×40 mm的聚四氟乙烯方形平板介質(zhì)，厚度為5 mm和8 mm兩種。實驗裝置如圖1所示。

銅制樣品架放置在真空室內(nèi)的溫控樣品臺上，樣品背面鍍金屬電極后連接導線穿過羅氏線圈接地，前表面用一開有φ40 mm圓孔的鋁蓋固定在樣品架上，實際受照面積即為中心圓孔區(qū)域。輻照實驗期間，真空室內(nèi)脈沖電場儀信號和羅氏線圈信號用同軸電纜穿過真空室法蘭連接至示波器，示波器對放電脈沖信號進行自動采集記錄；借助表面電位探頭和Trek 341B靜電電位計，不定時地對樣品表面電位進行非接觸式測量。

2 實驗條件、過程及結(jié)果

對 4塊聚四氟乙烯平板介質(zhì)樣品進行了不同實驗條件的輻照，其中3塊樣品厚度為8 mm，分別記為#1、#2、#3；另一塊厚度為5 mm，記為#4。所有樣品在輻照前先用無水乙醇清潔表面，再放入高真空（約10-4Pa）儲藏室在80 ℃下進行24 h烘烤處理。

為模擬外輻射帶的高能電子環(huán)境，對#1樣品以約 10 pA/cm2的電子通量進行了 1300 min的輻照，整個輻照期間通過溫控手段使樣品溫度維持在(-25±1) ℃。其間共記錄到樣品的自發(fā)ESD事件45次。由于電位測量時放射源收回和電位探頭移動需耗時約2 min，且探頭靠近樣品時可能觸發(fā)放電，為了不間斷地記錄樣品在持續(xù)輻照條件下的自發(fā)放電數(shù)據(jù)，實驗采取盡量減少中斷輻照的策略，在首次放電發(fā)生后只對表面電位進行不定時的抽樣測量。圖2所示為抽樣測量的樣品表面電位變化以及ESD事件的電流脈沖幅度。樣品首次放電時，表面電位接近-16 kV；經(jīng)過前5次放電，表面電位顯著降低。盡管電位測量點不夠密集，但通過部分ESD事件發(fā)生前的臨近時間點的電位數(shù)據(jù)，并結(jié)合首次放電前的初次充電曲線，可大概估算ESD發(fā)生時刻的電位值。例如，ESD1發(fā)生前15 min，表面電位為-15.8 kV，此時充電已趨于平衡，放電時刻電位約為-16 kV；ESD7發(fā)生前8 min，表面電位為-8.1 kV，放電時刻電位約為-10.2 kV；ESD32發(fā)生前14 min，表面電位為-6 kV，放電時刻電位約為-9.7 kV，可大致看出，介質(zhì)發(fā)生放電的閾值電壓整體上呈降低并逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢。

#2樣品被輻照期間溫度保持不變（(-25± 1) ℃），通過調(diào)整放射源與樣品的間距來控制電子通量。實驗結(jié)果如圖3所示，前43 h以約2 pA/cm2的電子通量進行輻照，此期間未記錄到ESD事件；此后通量升高至約10 pA/cm2，升高后的第15 min就開始有放電產(chǎn)生，24 h內(nèi)共記錄到16次ESD事件；隨后又將通量降低至約2 pA/cm2，24 h期間未發(fā)生ESD事件；最后通量再次升高至約5 pA/cm2，24 h內(nèi)發(fā)生了6次ESD事件。

#3樣品輻照實驗的電子通量始終保持為約10 pA/cm2，通過溫控樣品臺改變樣品的溫度來研究溫度對放電的影響。實驗結(jié)果如圖4所示，樣品初始溫度為室溫（約25 ℃），輻照約27 h后開始升溫，逐漸升至約64 ℃并保持17 h，此后再次降溫至15 ℃左右。樣品溫度保持為室溫期間，共記錄到ESD事件22次；升溫后的17 h期間，未記錄到ESD事件；最后降溫至15 ℃左右后，320 min內(nèi)發(fā)生ESD事件21次。

#4樣品厚度為5 mm，其輻照實驗條件見表1，初始電子通量為約10 pA/cm2，樣品溫度由-20 ℃逐步升至47 ℃，再降至4 ℃左右，最后將電子通量降低至約2 pA/cm2。每個不同條件的輻照階段羅氏線圈均記錄到了樣品的自發(fā)ESD事件，各階段放電的平均幅度和平均放電間隔見表1，放電脈沖隨時間的分布如圖5所示。

表1 #4樣品不同輻照期間的實驗條件Table 1 Experiment conditions of #4 sample in different irradiation period

3 分析與討論

3.1 高能電子持續(xù)輻照對聚合物介質(zhì)深層放電的影響

在#1樣品首次輻照停止后，將其電荷徹底泄放，以相同的實驗條件（約10 pA/cm2，-25 ℃）進行了第2次輻照，輻照期間共記錄到ESD事件82次。對ESD事件按發(fā)生的時間順序進行編號，圖6所示為上述2次輻照期間所有ESD事件的時間間隔分布，可以看出：輻照前期平均放電間隔較長，時間離散度較大，隨機性很強；在經(jīng)歷若干次放電后，聚四氟乙烯自發(fā)放電的閾值條件降低，ESD更加頻繁且逐漸趨于穩(wěn)定，平均十幾分鐘就會發(fā)生1次。這種現(xiàn)象與CRRES衛(wèi)星取得的在軌放電探測數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的介質(zhì)放電規(guī)律比較一致[7]。導致這種趨勢的可能原因為，前期ESD在材料內(nèi)部形成的微放電通道使得后期放電能在更低的閾值下發(fā)生，放電更加頻繁，但在輻照強度及溫度不變時放電強度更小。

聚合物的深層放電與強電場下的局部放電有關(guān)[12]。電子在介質(zhì)內(nèi)沉積電荷并建立電場，介質(zhì)內(nèi)的氣泡、雜質(zhì)等缺陷使局部電場增強，超過一定程度就會導致局部放電現(xiàn)象，進而引發(fā)聚合物的電樹枝化。前期放電造成的材料劣化區(qū)域使介質(zhì)內(nèi)更容易形成畸變的強局域電場，因此，電子輻照誘發(fā)一定數(shù)量的放電后，介質(zhì)自發(fā)放電變得更加容易，放電隨機性減弱，表現(xiàn)出更強的規(guī)律性。需說明的是，本實驗的持續(xù)輻照時間最長僅為幾天，對于長期服役的航天聚合物材料，在長達幾個月甚至幾年的時間跨度內(nèi)其放電規(guī)律可能較為復雜。

空間高能電子環(huán)境對聚合物深層充放電的長期影響來自于多方面。輻射引起的聚合物降解、材料老化和出氣等都會使材料的電導率、介電強度等性能發(fā)生變化[13-14]。諸多因素的綜合影響使準確評估介質(zhì)材料深層充放電的長期風險變得復雜和困難。因此，根據(jù)航天器的實際軌道環(huán)境及服役時間，對其所采用的具體介質(zhì)材料進行針對性的地面模擬實驗和分析顯得很有必要。

3.2 輻照電子通量對聚合物介質(zhì)深層放電的影響

輻照電子通量反映了空間電子環(huán)境的惡劣程度。電子通量不僅關(guān)系著介質(zhì)的放電風險，而且對放電的電流脈沖幅度和放電頻率產(chǎn)生影響。在介質(zhì)的充電階段，充電電位和內(nèi)建電場取決于入射電子通量和介質(zhì)電導率。入射電子通量越高，電荷沉積速率越快，介質(zhì)內(nèi)部越容易積累更多的空間電荷而產(chǎn)生更強的內(nèi)建電場，達到擊穿電場閾值并引發(fā)介質(zhì)放電的可能性也就越大。而放電一旦發(fā)生，更高的電子通量使釋放的電荷能更快地得到補充，再次引發(fā)放電的時間間隔也會更短。

圖7所示為#2樣品以及#4樣品（輻照區(qū)間V和VI）各自在溫度不變而輻照強度改變時的ESD電流脈沖平均幅度和平均時間間隔。由于ESD事件的隨機性，ESD電流脈沖幅度和時間間隔的離散度均較大，但通過統(tǒng)計平均分析仍可發(fā)現(xiàn)，在足以引發(fā)介質(zhì)深層放電的閾值通量以上，輻照電子通量增大時，ESD電流脈沖的平均幅度增大，平均放電頻率也隨之升高。高電子通量下，介質(zhì)內(nèi)部電荷沉積以及電場增強更快，因而相鄰兩次放電的平均時間間隔縮短。而電子通量對放電電流幅度的影響與放電事件發(fā)生的隨機性有關(guān)。介質(zhì)的放電臨界條件并不固定，在達到某一閾值電場之前或之后都可能引起放電。電子通量越高時，放電臨界條件的不確定性使介質(zhì)內(nèi)部可能形成更強的電場，最終導致高強度放電事件的發(fā)生概率就越大，且放電電流幅度的變化范圍（離散性）也越大。

3.3 溫度對聚合物介質(zhì)深層放電的影響

聚合物介質(zhì)深層充放電特性受溫度的影響主要來自于介質(zhì)電導率隨溫度的變化，電導率是影響介質(zhì)內(nèi)電荷泄放和電場演化的關(guān)鍵內(nèi)在因素。根據(jù)Arrhenius模型[15]，不同溫度下的介質(zhì)本征電導率近似滿足以下關(guān)系：

式中：T為溫度；σT為溫度等于T時的介質(zhì)電導率；EA為激活能；k為玻耳茲曼常數(shù)；常數(shù)C由室溫下的介質(zhì)電導率確定。通常情況下，介質(zhì)材料本征電導率與溫度呈正相關(guān)，溫度降低，本征電導率變小，深層充電導致的介質(zhì)內(nèi)建電場增強，發(fā)生放電的風險隨之升高。

圖8所示為#3樣品以及#4樣品（輻照區(qū)間I～IV）在輻照電子通量不變時ESD電流脈沖平均幅度隨溫度的變化?？梢?，溫度較低時，介質(zhì)深層放電的電流脈沖平均幅度較大，每次放電的強度離散性較大；溫度升高后，介質(zhì)更趨向于發(fā)生放電強度變化不大的小放電現(xiàn)象；當溫度上升至一定程度后，電導率將增加到足以遏制放電的發(fā)生。介質(zhì)深層放電強度與溫度呈現(xiàn)的反相關(guān)性，同樣與放電現(xiàn)象的偶發(fā)性以及高電場下發(fā)生大幅度放電的概率更大有關(guān)。溫度的變化使電導率降低時，介質(zhì)內(nèi)形成高電場并導致高強度放電的可能性更大。此外，聚合物材料介電強度隨溫度的變化也是可能影響其深層放電特性的因素。

4 結(jié)束語

本文利用90Sr放射源對聚四氟乙烯平板介質(zhì)樣品進行了不同實驗條件的持續(xù)電子輻照。通過對實驗中采集的大量放電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，電子輻照累積時間、入射電子通量以及溫度都對介質(zhì)的放電風險以及放電脈沖的幅度和頻率產(chǎn)生影響。高能電子對聚四氟乙烯材料持續(xù)幾天的累積輻照會降低其放電的閾值條件：隨著輻照時間的延長，介質(zhì)放電變得更加頻繁，而放電強度逐漸減弱。輻照電子通量的大小是影響介質(zhì)深層充放電風險最直接的外因：電子通量越低，放電風險越??；通量越高，發(fā)生高強度放電事件的概率越大，放電頻率也更高。溫度主要通過影響介質(zhì)的電導率而影響其深層放電特性：溫度降低使介質(zhì)本征電導率減小，充電電位和放電風險升高，放電電流的平均幅度也會隨之增大。

在空間實際環(huán)境中，更長時間的高能電子輻射是否會導致放電強度持續(xù)減弱，放電是否會終止，亦或是在相當長的時期內(nèi)放電頻率和強度會保持某種穩(wěn)定狀態(tài)，這些有待進一步試驗。此外，不同環(huán)境因素往往同時對介質(zhì)深層充放電產(chǎn)生相同或相反方向的協(xié)同效應，不同特性的材料在同樣的環(huán)境中放電特性也可能會有較大差異，除自發(fā)放電外還可能存在外界誘發(fā)介質(zhì)放電的因素，例如，材料的真空出氣效應、空間微小碎片撞擊造成的氣體拋射等均可能誘發(fā)放電，這些都是空間靜電放電現(xiàn)象的復雜之處。從工程實際需求出發(fā)，通過進一步開展航天介質(zhì)材料深層放電實驗研究，揭示深層放電的特征規(guī)律，對研究放電脈沖與航天器電子系統(tǒng)的耦合和作用規(guī)律進而發(fā)展針對性更強的防護措施具有重要意義，也將是未來需進行的工作。

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（編輯：張艷艷）

Experimental study of deep dielectric discharging of polymer under energetic electron irradiation

ZHENG Hansheng1,2, HAN Jianwei1,2, ZHANG Zhenlong1,2
(1. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

To acquire spontaneous discharging data of the polymers in spacecraft under energetic electrons with continuous spectrum and investigate the discharging characteristics of the polymers,90Sr β source is utilized to irradiate Polytetrafluoroethylene(PTFE) samples and the spontaneous discharging pulse data are recorded. By statistic analysis of the data, it is shown that the irradiation duration, the electron flux and the temperature all can affect the discharging risk and pulse characteristics. Continuous irradiation under energetic electrons may reduce the discharging threshold of the PTFE. After several days of irradiation, the discharging tends to be more frequent with a lower intensity. When the electron flux gets higher, the discharging interval gets shorter and“big” discharging events are more likely to happen. When the temperature goes down, the dielectrics become less conductive with higher charging potential and greater discharging risk. Once the discharging happens, the average magnitude of pulses gets larger than that under a higher temperature condition.

energetic electron; PTFE; deep dielectric charging; ESD pulse; electron flux; temperature effect; experimental study

V520.6; V416.5

：A

：1673-1379(2017)03-0295-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.03.012

鄭漢生（1989—），男，博士研究生，研究方向為空間環(huán)境效應；E-mail: zhenghansheng12@mails.ucas.ac.cn。指導教師：韓建偉（1970—），男，博士學位，研究員，主要從事空間環(huán)境效應研究；E-mail: hanjw@nssc.ac.cn。

2017-02-14；

2017-05-14

國家國防基礎(chǔ)科研計劃項目（編號：B1320133032）

鄭漢生, 韓建偉, 張振龍. 高能電子輻照下聚合物介質(zhì)深層放電實驗研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017, 34(3)：295-300

ZHENG H S, HAN J W, ZHANG Z L. Experimental study of deep dielectric discharging of polymer under energetic electron irradiation[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(3)： 295-300