靜電電磁脈沖輻射場誘發(fā)針-球電極結構放電試驗

謝喜寧，胡小鋒，原青云

陸軍工程大學石家莊校區(qū) 電磁環(huán)境效應國家級重點實驗室，石家莊 050003

近年來，隨著國內外在軌衛(wèi)星數(shù)量及種類的增加，充放電效應引起的故障已經開始凸顯[1]。美國NASA研究結果表明，處于地球同步軌道高度的航天器由于衛(wèi)星表面帶電產生的靜電放電峰值電流高達100 A，脈沖寬度達到ms級，相應的射頻電場可達1 000 V/m或更高，離放電點30 cm處的峰值場強甚至可以達到1 200 V/m[2]。

2007年，NASA統(tǒng)計了4家權威機構數(shù)據(jù)庫，表明在全球共發(fā)生的326起空間環(huán)境引發(fā)的衛(wèi)星故障中，充放電效應占54.2%[3]。近年來，隨著中國在軌衛(wèi)星數(shù)量及種類的增加，充放電效應引起的問題也已經開始凸顯，自2002年以來，中國已發(fā)生多起因充放電效應引起的衛(wèi)星問題，破壞了衛(wèi)星的供電電路，使衛(wèi)星無法正常工作[4-8]。由此可以看出，靜電放電以及大電流、強電場效應已成為導致國內外衛(wèi)星在軌故障的重要原因之一。

另外，研究人員對空間航天器表面靜電放電情況進行統(tǒng)計, 發(fā)現(xiàn)很多放電是在充電環(huán)境并不嚴重的情況下發(fā)生的[9-13]。美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)統(tǒng)計的1 000多起航天器充放電事件中, 有近百起充放電事件與空間等離子體環(huán)境擾動無關; 對中國在軌運行航天器的173起靜電放電事件分析時, 發(fā)現(xiàn)有29起事件不清楚放電的原因[14-20]。由于空間輻射環(huán)境時刻存在，航天器在軌運行期間會受到靜電放電和二次電子倍增導致的微放電等自然危害源的影響。靜電放電產生的瞬間電流會使航天器表面材料氧化或擊穿，從而造成通訊和導航等系統(tǒng)受到嚴重干擾，甚至故障。因此復雜的空間電磁環(huán)境可能是誘發(fā)航天器表面靜電放電的誘因之一[21-25]。同時，在2004年7月電子暴事件中發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星介質內部充電進而導致ESD(Electro Static Discharge)發(fā)生也是影響航天器在軌運行的重要因素[25-29]。

當前，復雜電磁環(huán)境對航天器的影響逐漸引起了人們的高度重視，尤其是強電磁場對航天器的干擾效應更是當前面臨的重大課題。但對于強電磁場誘發(fā)靜電放電的相關研究仍處于初級階段。文獻[30-34]開展了靜電放電電磁脈沖誘發(fā)真空電暈放電試驗研究，獲得了不同氣壓下電磁脈沖輻照誘發(fā)電暈放電的閾值電壓、電流波形、放電區(qū)域輻射場等特證參數(shù)，但是對誘發(fā)放電的機理分析相對較少、研究對象單一。

本文利用新研制的試驗系統(tǒng)和測試樣品，對強電磁場環(huán)境下的誘發(fā)放電機理、規(guī)律進行了初步的探索，得出了大氣環(huán)境下材料表面的帶電特點及誘發(fā)放電的基本規(guī)律，對于強電磁場環(huán)境下航天器在軌運行安全防護措施的研究具有重大意義。

1 試驗裝置

1.1 放電電極測試樣品制備

放電電極模擬結構主要由新研制的測試樣品及直流高壓電源兩部分組成。試驗測試樣品(如圖1所示)包括放電針、金屬球、絕緣可旋轉圓環(huán)、刻度盤(圖1中2、11、12、13)、支撐桿、支撐架(圖1中3、4、5、6、7)、底座等7部分14件。金屬球為直徑5 cm的不銹鋼空心球體，放電針為直徑3 mm、長度4 cm鋼材料針，放電針尖端距球面有0.1～1 cm的可調間距，除針-球結構外，其余部件均為尼龍材料制成。放電模擬裝置整體高度可實現(xiàn)20～30 cm連續(xù)可調。此測試樣品的主要優(yōu)點為針對復雜電磁環(huán)境(耦合效應、輻射頻率、極化方向未知)可模擬不同位置、不同方向上的針-球電極結構，能夠滿足不同的試驗測試需求。

圖1 測試樣品結構圖Fig.1 Test sample structure diagram

1.2 試驗裝置及原理

新研制的誘發(fā)空氣式靜電放電試驗系統(tǒng)(如圖2所示)主要由3部分12組件組成：靜電放電模擬器(ESD，圖2中1、2、3、4)、放電電極模擬結構(測試樣品、直流高壓電源，圖2中6、12)、放電檢測裝置(電流探頭、示波器、場強測試探頭、光電轉換器、衰減器，圖2中11、9、7、8、10)。其中，高壓源采用GLOW 28720直流高壓電源；示波器采用美國泰克公司的Tektronix TDS7404B型數(shù)字存儲示波器，其采樣頻率為20 GHz，實時帶寬4 GHz；電流探頭采用美國泰克公司RMS CAT探頭，其采樣標準為1 mA/mV；靜電放電模擬器選用ESS-200AX型ESD模擬器。

試驗過程對地線回路采取過流保護措施，防止因電流過大導致示波器等測試裝備損壞。如圖2所示，地線回路接有60 dB衰減器(如圖2中10所示)，接有采樣標準為1 mA/mV的電流探頭(如圖2中11所示)。

圖2 誘發(fā)放電試驗系統(tǒng)Fig.2 Test system of induced discharge

該試驗采用新研究的誘發(fā)空氣式靜電放電試驗系統(tǒng)，將靜電電磁脈沖輻射場作為模擬空間輻射的基本場；將靜電放電模擬裝置(針-球電極)作為模擬空間裝備上可能存在的相似結構，通過輻射場對電極放電的誘發(fā)效應，測試誘發(fā)靜電放電的電流信號值，從而分析研究不同場誘發(fā)的規(guī)律及放電信號的大小，為靜電抗干擾防護及加固設計提供基本試驗支撐。

1.3 試驗方法

參照國際電工委員會標準IEC 61000-4-2，放電槍分別對水平耦合板和垂直耦合板進行放電產生靜電放電輻射場，將該輻射場作為強電磁場作用于電極結構。電極模擬結構放置于水平耦合板上(如圖3所示)。放電槍選取1～6共6個不同位置(如圖3所示)，并從1～6逐次接近電極結構，根據(jù)放電槍距電極結構的距離不同，來實現(xiàn)電磁脈沖輻射場在電極結構上不同大小的場強。

圖3 放電裝置位置圖Fig.3 Location diagram of discharge device

在無任何外場作用的情況下，通過調整直流高壓源，使得電極結構剛好發(fā)生放電，此時的高壓源電壓即為自持放電閾值。降低高壓源電壓到0 kV，連續(xù)發(fā)射靜電電磁脈沖場，持續(xù)60 s，在電磁脈沖場的持續(xù)作用下，調整直流高壓源電壓，直到電極發(fā)生放電，此時的高壓源電壓即為該條件下的誘發(fā)放電閾值。降低高壓源電壓至自持放電閾值以下1～2 kV，在不同大小的靜電電磁脈沖場的輻照情況下，研究誘發(fā)的頻率，通過大量重復試驗，獲得相關誘發(fā)放電規(guī)律。

本試驗在環(huán)境濕度41%±2%、溫度20.1±0.5℃的恒溫恒濕條件下進行。選取放電間隙(針尖距球面距離)為2 mm，放電電極水平面高度為(放電結構距水平耦合板垂直距離)38 cm，放電槍位置(指放電槍所在位置與位置1的實際距離)分別選取0、20、40、60、80、94 cm等6個位置(如圖3所示)，采用水平耦合板和垂直耦合板兩種耦合方式，在每種耦合方式和放電槍位置組合情況下，放電槍電壓(靜電放電模擬器電壓)分別取17、20、23、26、28、33 kV等6種電壓，高壓源電壓(連接針-球電極結構的高壓源電壓)取4.7、4.8、5.0、5.2、5.5 kV等5個電壓進行了試驗，對每一種組合重復進行5次試驗，取試驗結果的平均值，用以分析誘發(fā)放電電壓、高壓源電壓、放電頻率等幾個參數(shù)之間的關系。試驗過程中嚴格控制溫度和濕度，以保證試驗具有良好的重復性。

試驗的測量手段主要是采取電流探頭對放電地線回路上的信號進行采集，觀察放電電流信號的基本波形，從而研究不同條件下，不同場對電極放電的基本影響，總結其閾值特性和誘發(fā)特性規(guī)律。

2 試驗結果及分析

2.1 誘發(fā)放電的判定

圖4(a)為水平耦合板，高壓源電壓為0 kV、放電槍電壓為33 kV情況下位置4處的電流波形圖；圖4(b)為垂直耦合板，高壓源電壓為0 kV、放電槍電壓為33 kV情況下位置4處的電流波形。

由圖4可知，在高壓源電壓為0 kV的情況下，此時示波器顯示波形為放電槍放電產生電磁脈沖場在導線上產生的感應電流波形，感應電流和放電電流波形有明顯區(qū)別，因此，這是判定是否有放電現(xiàn)象發(fā)生的根本依據(jù)。

圖5為放電槍電壓為0 kV，高壓源電壓為5.7 kV時位置4的火花放電電流波形圖。試驗過程中，放電槍電壓為0 kV的情況下，當高壓源電壓調至5.7 kV時空氣擊穿產生火花放電，低于5.7 kV時能看出明顯的電暈放電，但空氣未擊穿，未產生火花放電，由此可知5.1 kV為該條件下的火花放電閾值電壓。

圖4 高壓源電壓為0 kV、放電槍電壓為33 kV、 位置4處的水平和垂直耦合電流波形Fig.4 Horizontal and vertical coupling current waveform with an high voltage source of 0 kV, discharge gun voltage of 33 kV and at position 4

圖5 高壓源電壓為5.7 kV、放電槍電壓為0 kV、位置4處電流波形Fig.5 High voltage source is 5.7 kV, discharge gun voltage is 0 kV, and position 4 current waveform

圖6為高壓源電壓為5.3 kV、放電槍電壓為33 kV、放電槍位置在位置4處時的誘發(fā)放電電流波形圖。試驗中，當高壓源電壓為5.3 kV、放電槍為0 kV時，無放電電流產生。高壓源電壓保持不變，逐漸加大放電槍電壓，當放電槍電壓調至33 kV時，發(fā)生放電現(xiàn)象，波形如圖6所示。

圖6 高壓源電壓為5.3 kV、放電槍電壓為33 kV、位置4處電流波形Fig.6 Current waveform with an high voltage source of 5.3 kV, a discharge gun voltage of 33 kV, and at position 4

圖5是沒有外場感應時高壓源直接加壓產生的放電信號，與圖6相比，圖6中后半部分信號與圖5中信號一致，而前半部分信號則與圖4信號相似，即為外界場的感應信號。

根據(jù)圖5和圖6的波形對比可知，兩者波形有相同和不同之處，且對比明顯。從圖中即可看出，在外場的感應信號作用下，隨即發(fā)生靜電放電，因此判定圖6波形為誘發(fā)放電電流信號。

圖7為高壓源電壓為5.5 kV、放電槍電壓33 kV、放電槍位置在位置2處時誘發(fā)放電電流波形圖。從圖6和圖7中可以看出，外場源與電極距離不同，所產生的誘發(fā)放電時域上延遲時間不同。

圖7 高壓源電壓為5.5 kV、放電槍電壓為33 kV、位置2處電流波形Fig.7 Current waveform with an high voltage source of 5.5 kV, a discharge gun voltage of 33 kV, and at position 2

2.2 誘發(fā)放電規(guī)律分析

本文主要給出了靜電放電模擬器作用100次正極性放電情況下的典型誘發(fā)特性相關參數(shù)關系(如圖8所示)。根據(jù)上述理論分析，輻射源與電極距離的不同表現(xiàn)為作用于電極的場強大小不同，不同的場強在放電極間產生的效應也不盡相同，場疊加效應引起的空氣電離程度也大不相同，因此，誘發(fā)閾值也會隨著強場的不斷增大而減小。對比前述理論分析，場的迭加效應對誘發(fā)放電的基本特性影響很大，主要反應在空氣介質擊穿閾值的降低，從而提高了誘發(fā)的可能性。

圖8 水平和垂直耦合板誘發(fā)頻率與放電槍電壓之間的關系Fig.8 Relationship between induction frequency and discharge gun voltage of horizontal and vertical plates

由圖8(a)可知，高壓源施加電壓為5.5 kV，在靜電電磁脈沖(電磁輻射發(fā)生裝置)對水平耦合板作用100次的情況下，隨著靜電電磁脈沖發(fā)射點位置在0～100 cm(如圖3的位置1～6)不斷變化，放電頻率大致呈不斷降低趨勢；在靜電電磁脈沖發(fā)射點位置不變的情況下，隨著發(fā)射電壓不斷增高，放電頻率呈增高趨勢。

由圖8(b)可知，高壓源施加電壓為5.2 kV，在靜電電磁脈沖(電磁輻射發(fā)生裝置)對垂直耦合板作用100次的情況下，隨著電磁脈沖發(fā)射點位置的變化，誘發(fā)放電頻率在40 cm(位置3)前變化不明顯。

圖8(b)中，電磁脈沖發(fā)射位置在40～60 cm之間改變時，誘發(fā)放電頻率明顯增高；在電磁脈沖發(fā)射位置不變的情況下，40 cm之前，放電頻率變化較小，40 cm以后，放電頻率呈明顯上升趨勢。

通過分析，造成上述趨勢的主要原因是：由于位置的接近或者電壓的增高，使得電磁脈沖在放電電極處所產生的場在極間進行迭加，使空氣電離度增大，從而使空氣更加容易擊穿形成放電通道，導致放電頻率不斷增大。

由圖9(a)可知，高壓源電壓為5.0 kV時，水平耦合板，在放電槍電壓為26 kV之前，系統(tǒng)未發(fā)生放電現(xiàn)象，在26 kV以后，放電頻率隨著放電槍電壓增高呈線性遞增趨勢；垂直耦合板，在放電槍電壓為20～28 kV之間，放電頻率曲線呈大致線性遞增趨勢，斜率較大，在28 kV以后，放電頻率變化較慢，斜率變小。

圖9 外加5和4.8 kV時，位置4處誘發(fā)頻率與放電槍電壓之間的關系Fig.9 Relationship between induction frequency at position 4 and discharge gun voltage when 5 and 4.8 kV applied voltage is added

由圖9(b)可知，在高壓源電壓為4.8 kV時，垂直耦合板，在放電槍電壓為23 kV之前，放電頻率曲線遞增緩慢，在23～29 kV之間，放電頻率變化明顯，29 kV之后放電頻率又出現(xiàn)變化較慢的現(xiàn)象；水平耦合板，隨著放電槍電壓變化，系統(tǒng)未出現(xiàn)放電現(xiàn)象。高壓源電壓在4.7 kV時，無論垂直耦合板還是水平偶合板，放電槍電壓不斷變化過程中，系統(tǒng)未出現(xiàn)放電現(xiàn)象，與圖9(a)中的現(xiàn)象相比較，可以確定4.7 kV為該系統(tǒng)的誘發(fā)閾值。

2.3 誘發(fā)機理分析

誘發(fā)放電的基本過程為：隨著高壓源電壓的不斷增高，使得帶電體尖端電荷不斷積累，首先形成電暈放電，繼續(xù)增加高壓源電壓就會擊穿空氣，形成火花放電。當高壓源處于電暈放電電壓時，此時在外加場的作用下，使空氣電離度增加，擊穿空氣形成通道，從而產生火花放電。因此，誘發(fā)放電即為先電暈放電再到火花放電的過程。

由于試驗所使用的是高壓直流電壓源，因此，在高壓電源不斷給放電尖端施加電壓的過程中(未達到擊穿場強)，所產生的帶電粒子在場中到處飄蕩，最終積累起來，形成瞬態(tài)的或穩(wěn)定的空間電荷，在某種條件下，空間電荷達到穩(wěn)定狀態(tài)。當外加場作用在放電間隙的時候，空間粒子產生電離，發(fā)生空氣擊穿，產生火花放電。

由前面分析可知，誘發(fā)放電的基本條件是E外+Ei+Ee≥Ec，其中，E外是指外界任意一個場強；Ei是指在外場作用下電極間隙處產生的感應場強，該感應場強的大小跟電極的間距、電極的整體結構有關；Ee是指在高壓源持續(xù)作用下電極間隙產生的高壓靜電場；Ec是指誘發(fā)閾值場強，該閾值是與外界條件有關的一個定值。當高壓電源電壓一定的情況下，增加外加電場的強度便可以誘發(fā)放電；當外加電場強度一定的情況下，增加高壓源的電壓到一定的值便可以誘發(fā)放電；由于火花放電產生的等離子體也會影響誘發(fā)的條件，但由于在外場及高壓源所產生的場強一定的情況下，等離子體產生的影響相對較小，這里不作為主要的影響條件進行分析。

3 結 論

1) 設計了靜電電磁脈沖誘發(fā)空氣式靜電放電試驗系統(tǒng)，對針-球電極進行了放電測試，并對相關數(shù)據(jù)進行了分析，一定條件下，隨著放電槍位置與電極之間距離的減小(電極處場強增大)，誘發(fā)放電次數(shù)逐漸增多。

2) 對于水平耦合板，當放電槍電壓為20、23、26 kV時誘發(fā)放電次數(shù)與放電槍位置與電極之間距離關系不明顯, 當放電槍電壓為28、33 kV時誘發(fā)放電次數(shù)隨放電點與間隙之間距離的減小而減小。

3) 相同的外部條件下，用垂直耦合板誘發(fā)放電的頻次明顯大于水平耦合板，其誘發(fā)能力強。當外加電壓為4.7 kV時,不能誘發(fā)放電，大于4.7 kV時發(fā)生誘發(fā)放電現(xiàn)象，說明4.7 kV為該裝置的誘發(fā)閾值。

4) 上述試驗充分表明了誘發(fā)放電現(xiàn)象確實存在，周圍環(huán)境中不同的電磁脈沖對不同電極結構呈現(xiàn)不同的誘發(fā)特性。由此可見，誘發(fā)放電效應已經不可避免地成了當前電路靜電安全防護及加固設計的重要課題。

本文研究能夠為航天器的防靜電安全技術提供基礎的理論及試驗依據(jù)，為實現(xiàn)防護技術的研究及探索奠定重要基礎。