內(nèi)部充放電監(jiān)測(cè)器仿真及地面實(shí)驗(yàn)研究

宋思宇 于向前 陳鴻飛 陳傲 施偉紅 鄒鴻

內(nèi)部充放電監(jiān)測(cè)器仿真及地面實(shí)驗(yàn)研究

宋思宇 于向前 陳鴻飛?陳傲 施偉紅 鄒鴻

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院空間物理與應(yīng)用技術(shù)研究所, 北京 100871; ?通信作者, E-mail: hfchen@pku.edu.cn

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器內(nèi)部充放電效應(yīng)的有效監(jiān)測(cè), 使用解析方法和有限元分析研究?jī)?nèi)部充放電監(jiān)測(cè)器(DDCEM)內(nèi)部電極層連接過(guò)孔的參數(shù)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明, 當(dāng)過(guò)孔絕緣區(qū)半徑與焊盤(pán)半徑之比大于 2 時(shí), 可以忽略過(guò)孔對(duì)電子的泄露; 最大電位和最大電場(chǎng)強(qiáng)度均位于電極層與過(guò)孔焊盤(pán)的絕緣區(qū); 當(dāng)頂層電極輸入電流達(dá)到最大量程時(shí), DDCEM 內(nèi)部最大電場(chǎng)超過(guò) 8×106V/m, 存在放電風(fēng)險(xiǎn)。對(duì) DDCEM 的電性能模擬測(cè)試和電子輻射測(cè)試結(jié)果表明, DDCEM 測(cè)量結(jié)果在量程范圍內(nèi)具有很好的線性度, 當(dāng) DDCEM 受到電子輻射時(shí), 能夠監(jiān)測(cè)到放電現(xiàn)象, 并通過(guò)計(jì)算可以得到放電電場(chǎng)為 4×106V/m, 超過(guò)介質(zhì)的閾值電場(chǎng)(2×106V/m), 說(shuō)明DDCEM可以對(duì)內(nèi)部充放電效應(yīng)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

內(nèi)部充放電監(jiān)測(cè)器; 內(nèi)部充電電位; 泄漏電流; 解析方法; 有限元分析; 電性能測(cè)試; 電子輻射測(cè)試

在空間環(huán)境中, 高能電子很容易穿透航天器的外殼, 沉積在航天器內(nèi)部的絕緣介質(zhì)或孤立導(dǎo)體中, 并在其中建立電場(chǎng)。當(dāng)電場(chǎng)超過(guò)介質(zhì)的閾值電場(chǎng)(一般為 2×106V/m)時(shí), 會(huì)發(fā)生放電, 稱為航天器內(nèi)部充放電效應(yīng)[1-4]。放電時(shí)產(chǎn)生的放電脈沖會(huì)影響航天器設(shè)備的正常工作, 使航天器設(shè)備發(fā)生故障[5], 甚至損壞。地球同步軌道和中軌道航天器內(nèi)部充放電效應(yīng)非常嚴(yán)重。內(nèi)部充放電是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程, 如何監(jiān)測(cè)內(nèi)部充放電效應(yīng)一直是充放電效應(yīng)研究中非常重要的問(wèn)題。

由北京大學(xué)空間物理與應(yīng)用技術(shù)研究所研制的內(nèi)部充放電監(jiān)測(cè)器(deep dielectric charging effects monitor, DDCEM)通過(guò)測(cè)量樣品介質(zhì)內(nèi)部充電電位、頂層充電泄漏電流和底層充電泄漏電流的變化, 監(jiān)測(cè)電子在介質(zhì)內(nèi)部的沉積與釋放過(guò)程, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器內(nèi)部充放電效應(yīng)的在軌監(jiān)測(cè)[6]。如圖1 所示, DDCEM 采用多層電路板作為傳感器[7], 樣品介質(zhì)為常用電路板材料(即玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂), 材料代號(hào)為 FR4。在 FR4 介質(zhì)表面和內(nèi)部不同位置嵌入銅層, 作為測(cè)量電極層, 測(cè)量信號(hào)通過(guò)過(guò)孔引出。前、后表面的測(cè)量電極層連接皮安電流計(jì)(pA), 分別測(cè)量介質(zhì)頂層充電泄漏電流和底層充電泄漏電流, 最大測(cè)量值為-50pA。中間兩個(gè)電極層接高阻抗電位計(jì)(V), 測(cè)量介質(zhì)內(nèi)部充電電位。

DDCEM 傳感器中的樣品介質(zhì) FR4 厚度為 3mm, 傳感器表面積為 82cm2, 前、后表面測(cè)量電極層厚度為 30μm。兩個(gè)內(nèi)部測(cè)量電極層分別位于前表面下 100μm 處和后表面上 100μm 處, 厚度也為 30μm。傳感器中間各層通過(guò)電路板過(guò)孔和引線, 將信號(hào)引至皮安電流計(jì)和高阻抗電位計(jì)。在 DDCEM傳感器上方為航天器蜂窩狀蒙皮, 等效為 1mm 鋁屏蔽, 與典型的航天器蒙皮等效厚度相近[8], 用于研究航天器機(jī)箱內(nèi)部的充放電效應(yīng)。其他側(cè)面采用5 mm 鋁屏蔽, 可以屏蔽絕大部分電子, 防止電子從其他方向進(jìn)入干擾測(cè)量。

1 電極層引線過(guò)孔計(jì)算分析

1.1 DDCEM電極層及過(guò)孔結(jié)構(gòu)

DDCEM 傳感器各電極層需要通過(guò)相應(yīng)的過(guò)孔, 連接到放大器電路。以第一電極層為例, 其平面結(jié)構(gòu)如圖 2 所示, 該電極層通過(guò)右上方過(guò)孔連接皮安電流計(jì), 保證與其他各電極層絕緣。各電極層之間也必須相互絕緣。高能電子充電過(guò)程是在樣品介質(zhì)中沉積電荷, 由于介質(zhì)的電導(dǎo)率很低, 如果過(guò)孔的絕緣性能不夠, 過(guò)孔有可能成為電荷泄漏的潛在通道, 就會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。雖然絕對(duì)的絕緣無(wú)法實(shí)現(xiàn), 但可以通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)孔參數(shù), 使得過(guò)孔泄漏電流遠(yuǎn)小于電路板間的泄漏電流, 從而可以忽略其引起的誤差。

圖2 傳感器第一電極層的平面結(jié)構(gòu)

電極層過(guò)孔剖面結(jié)構(gòu)如圖 3 所示, 通孔旁為焊盤(pán), 焊盤(pán)半徑為1,厚度為。焊盤(pán)外為圓環(huán)結(jié)構(gòu)的絕緣區(qū), 其最大半徑為2。絕緣區(qū)以外為電極層的鋪銅區(qū)。過(guò)孔與需要連接的電極層之間不存在絕緣區(qū), 即兩者之間是鋪銅連接。

1.2 解析方法

如果不考慮遠(yuǎn)處電極層的影響, 可將過(guò)孔簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱模型, 用解析方法進(jìn)行估算。假定非鋪銅區(qū)為介質(zhì) FR4 可以(電阻率為), 銅的電阻可忽略不計(jì), 則過(guò)孔絕緣區(qū)的電阻值0為

電極層間的電阻1可采用平板模型計(jì)算:

其中,為中間兩電極層之間的 FR4 層厚度,為傳感器的表面積。

DDCEM 傳感器要求過(guò)孔泄漏電流相比于電極層之間的電流足夠小, 即過(guò)孔絕緣區(qū)電阻0遠(yuǎn)大于電極層間的電阻1。由于不同電極層之間的 FR4 層厚度不一, 所以選取兩個(gè)內(nèi)部測(cè)量電極層之間的電阻作為1。

根據(jù)傳感器的相關(guān)參數(shù)可以得到: 如果要求0≥1041, 則需2≥21, 即絕緣區(qū)半徑與焊盤(pán)半徑之比達(dá)到2, 可使過(guò)孔泄漏電流足夠小。

1.3 有限元方法

如果考慮遠(yuǎn)處電極層的影響, 可使用有限元方法對(duì)傳感器進(jìn)行靜電仿真。有限元分析軟件采用Ansys Workbench, 傳感器的2/1=2, 采取自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法對(duì)傳感器劃分網(wǎng)格。在第一電極層施加50pA 的電流, 并將各個(gè)電極層連接的焊盤(pán)接地。通過(guò) AnsysWorkbench, 可以計(jì)算得到傳感器的電位分布(圖 4)、電場(chǎng)強(qiáng)度分布(圖 5)和流過(guò)各電極層焊盤(pán)的最大電流密度(表1)。

圖4 傳感器(a)及過(guò)孔附近(b)的電位分布

圖5 傳感器(a)及過(guò)孔附近(b)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布

由圖 4 和 5 可知, 傳感器的電位最大值約為1220V, 位于電極層鋪銅區(qū)與絕緣區(qū)的交界處, 傳感器電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為 8.11×104V/cm, 位于焊盤(pán)與絕緣區(qū)的交界處。傳感器最大電位和最大電場(chǎng)均位于過(guò)孔附近的絕緣區(qū), 當(dāng)輸入電流為 50pA 時(shí), 電場(chǎng)強(qiáng)度最大值超過(guò) 8×106V/m, 高于介質(zhì)的閾值電場(chǎng) 2×106V/m, 存在放電風(fēng)險(xiǎn)。

由表 1 可知, 由于前兩電極層之間的間距較小, 電阻值較小, 大部分電子能穿過(guò)兩電極層之間的FR4 介質(zhì), 故前兩電極層電流密度相差不大。中間兩電極層之間的電阻很大, 所以電子很難到達(dá)后面兩層, 導(dǎo)致后兩層的電流密度遠(yuǎn)小于前兩層。第三、第四電極層的電流密度僅為前兩層的 1%, 說(shuō)明通過(guò)過(guò)孔泄漏到底部?jī)呻姌O層的電子數(shù)目較少, 可以忽略。此時(shí), 可認(rèn)為過(guò)孔絕緣區(qū)有效地阻止了電子泄漏, 仿真計(jì)算的結(jié)果與理論分析結(jié)果相符合。

表1 各電極層最大電流密度仿真結(jié)果

2 電性能模擬測(cè)試

2.1 測(cè)試原理

為了驗(yàn)證 DDCEM 各電流放大器和電位放大器的有效性, 在前、后表面電極引線上施加微弱電流, 模擬傳感器上的頂層充電泄漏電流和底層充電泄漏電流, 測(cè)試和驗(yàn)證電流放大器的性能; 在中間兩電極層引線上施加高壓, 模擬傳感器內(nèi)部的電位, 測(cè)試和驗(yàn)證電位放大器的性能。電性能評(píng)價(jià)通過(guò)比較放大器電路輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系獲得。電性能測(cè)試的原理如圖 6 所示。

2.2 模擬測(cè)試結(jié)果

各電極層對(duì)應(yīng)的放大器電路輸出與輸入信號(hào)的關(guān)系如圖 7 所示。

DDCEM 頂層和底層充電泄漏電流的量程范圍均為 0~ -50pA, 第 2 電極層電壓的量程范圍為 0~2500V, 第 3 電極層電壓的量程范圍為 0~300V。由圖 7 可知, 各電極層及放大器通道在量程范圍內(nèi)均具有很好的線性度。因此, 可以根據(jù)電路的輸出信號(hào)來(lái)反推內(nèi)部電極層的充電電位和表面電極層的充電泄漏電流。

圖6 DDCEM電性能測(cè)試原理

3 電子輻射測(cè)試

3.1 測(cè)試原理

為了驗(yàn)證 DDCEM 的有效性, 需要對(duì)傳感器進(jìn)行真實(shí)電子輻射測(cè)試。如圖 8 所示, 將 DDCEM 固定在真空室中, 前方用中間開(kāi)孔的鋁屏蔽板控制電子束流和方向。電子槍產(chǎn)生的電子在 DDCEM 內(nèi)沉積, 并對(duì) DDCEM 充電。首先改變電子槍流量, 測(cè)量頂層充電泄漏電流隨入射電流的變化; 然后固定電子槍流量, 測(cè)量 FR4 內(nèi)部的充電電位隨時(shí)間的變化, 獲得介質(zhì)充電曲線。

測(cè)試使用的電子槍為德國(guó) STAIB 公司生產(chǎn), 型號(hào)為 EFG-HL50-1W, 可產(chǎn)生 3~50KeV 的電子, 束流強(qiáng)度可在 20pA~20μA 之間調(diào)節(jié)。鋁屏蔽板上開(kāi)孔直徑為2 mm。

圖7 DDCEM電性能測(cè)試結(jié)果

圖8 電子輻射測(cè)試原理

3.2 表面充電泄漏電流測(cè)試

進(jìn)行表面充電泄漏電流測(cè)試前, 首先將真空室抽真空。當(dāng)壓強(qiáng)低于 5×10-4Pa 后, 開(kāi)啟電子槍, 電子槍發(fā)射的電子能量為 30keV。逐漸增大電子槍流量, 測(cè)量得到 DDCEM 表面充電泄漏電流與電子束流的關(guān)系, 如圖 9 所示。由于入射電子能量較低, 不能穿透表層電極[9], 所以電子都停留在表層電極中成為泄漏電流, 可以被表層的皮安電流計(jì)測(cè)量到。由圖 9 可以看出, 頂層充電泄漏電流與入射電子束流成正比, 因此可通過(guò)頂層充電泄漏電流來(lái)反推空間環(huán)境中的電子通量。

3.3 內(nèi)部充電電位測(cè)試

進(jìn)行內(nèi)部充電電位測(cè)試時(shí), 將入射電子束流密度固定為 0.5nA/cm2, 斷開(kāi)表層電流計(jì), 電子將沿板間介質(zhì)向里擴(kuò)散, 測(cè)得第二電極層上的電位隨時(shí)間的變化, 如圖10所示?？梢钥闯? 開(kāi)始的時(shí)候第二電極層的電位隨著時(shí)間逐漸升高, 反映電子在介質(zhì)中充電逐漸積累的過(guò)程[10]。1.2 小時(shí)后, 銅層上電位發(fā)生幾次小幅度波動(dòng)。在 1.9 小時(shí)和 2.8 小時(shí), 電位發(fā)生兩次大幅度瞬間下降, 然后再逐漸上升。電位的小幅度波動(dòng)的原因目前尚不明確, 可能是在充電過(guò)程中, DDCEM 內(nèi)部不同位置電荷分布不均勻造成局部電位波動(dòng)[11], 電位的兩次瞬間大幅度下降, 則可能是 DDCEM 傳感器內(nèi)部或傳感器與其他金屬設(shè)備之間發(fā)生放電現(xiàn)象[12]。由于我們的電路響應(yīng)時(shí)間不夠, 未測(cè)量到放電脈沖[13], 但測(cè)量到充電電荷量的變化。根據(jù)測(cè)量到的電位, 可以計(jì)算得到放電時(shí)第一和第二電極層之間的電場(chǎng)為 4×106V/m。根據(jù) NASA-4002A 標(biāo)準(zhǔn), 此電場(chǎng)超過(guò)FR4介質(zhì)的放電電場(chǎng)閾值[14], 極有可能發(fā)生放電。測(cè)試中沒(méi)有測(cè)量到第三電極層的電位和底層充電泄漏電流, 這是由于電子槍產(chǎn)生的電子能量有限, 電子無(wú)法穿透介質(zhì)到達(dá) FR4 底部。

圖9 頂層充電泄漏電流與入射電子束流關(guān)系

圖10 充電過(guò)程中第二電極層電位變化

4 總結(jié)

本文采取解析方法和有限元仿真, 計(jì)算 DDCEM傳感器的過(guò)孔參數(shù), 通過(guò)電性能和電子輻射測(cè)試, 對(duì) DDCEM 的性能進(jìn)行研究。

解析方法和有限元仿真結(jié)果表明, 合理設(shè)計(jì)過(guò)孔絕緣區(qū)半徑和焊盤(pán)的半徑, 可以忽略過(guò)孔對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。電性能測(cè)試結(jié)果表明, 在量程范圍內(nèi), DDCEM 的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)呈線性關(guān)系, 因此可通過(guò)輸出信號(hào)來(lái)反推各電極層的充電電位和泄漏電流。電子輻射測(cè)試結(jié)果表明, DDCEM 在電子輻射后, 能夠測(cè)量到頂層充電泄漏電流和內(nèi)部充電電位, 并且可以計(jì)算得到 FR4 內(nèi)部電場(chǎng), 由此證明了DDCEM對(duì)航天器充放電效應(yīng)監(jiān)測(cè)的有效性。

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Simulation and Ground Experiment of Deep Dielectric Charging Effect Monitor

SONG Siyu, YU Xiangqian, CHEN Hongfei?, CHEN Ao, SHI Weihong, ZOU Hong

Institute of Space Physics and Applied Technology, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871;? Corresponding author, E-mail: hfchen@pku.edu.cn

In order to monitorthe internal charging effect on spacecraft,analytical method and finite element analysis are used to study the parameter of the through holes in deep dielectric charging effect monitor (DDCEM). The result shows that when the radius of insulation area is more than 2 times as large as the radius of pad area, the leakage current from the through holes can be neglected. The maximum total electric field intensity located in the insulation area of the through holes exceeds 8×106V/m, indicating the risk of internal discharging effect. Electric performance test and electron radiation test prove that DDCEM has a good linearity and can detect internal discharging effect. When a discharge occurs, the calculated electric field intensity is 4×106V/m, which exceeds the threshold electric field 2×106V/m. The result indicates that DDCEM is effective in monitoring the internal charging effect.

deep dielectric charging effect monitor; charging potential; leakage current; analytical method; finite element analysis; electric performance test; electron radiation test

10.13209/j.0479-8023.2020.099

北京市自然科學(xué)基金(3184048)資助

2020–03–10;

2020–09–14