靜電電磁脈沖場(chǎng)誘發(fā)聚四氟乙烯材料表面閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)

張巖，張路，劉尚合，胡小鋒，錢(qián)禹行，張建平

1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050003 2.河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，石家莊 050018

航天器在軌運(yùn)行期間面臨著復(fù)雜的空間電磁環(huán)境，航天器表面材料和內(nèi)部電子器件在復(fù)雜電磁環(huán)境中易發(fā)生充放電效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)航天器故障甚至失效。美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)統(tǒng)計(jì)的1 000多件航天器充放電事件中，有近百件充放電事件與空間電磁環(huán)境擾動(dòng)有關(guān)。靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)是航天器空間充放電效應(yīng)的主要組成部分，2007年美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)統(tǒng)計(jì)了4家權(quán)威機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，在國(guó)外共發(fā)生的326起空間環(huán)境引發(fā)的衛(wèi)星故障中，靜電效應(yīng)占54.2%，ESD不僅會(huì)對(duì)航天器上各類(lèi)設(shè)備及系統(tǒng)的正常工作造成干擾，其產(chǎn)生的電磁脈沖也可能引起航天器表面材料發(fā)生閃絡(luò)或太陽(yáng)能電池陣工作性能下降。聚四氟乙烯(PTFE)因其出色的高絕緣性、熱穩(wěn)定性和耐空間輻照性能，被廣泛用作航天器表面的絕緣隔熱材料，但因高絕緣性會(huì)使PTFE表面極易因載流子注入而積累電荷，從而可能導(dǎo)致其表面容易被外界因素誘導(dǎo)發(fā)生閃絡(luò)，威脅航天器在軌期間安全運(yùn)行。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研究，主要集中在聚四氟乙烯材料表面閃絡(luò)特性及場(chǎng)誘發(fā)電暈放電等方面。周立棟等研究了聚四氟乙烯材料沿面閃絡(luò)特性，在正常大氣壓下得到了閃絡(luò)電壓值及電壓、電流波形，根據(jù)閃絡(luò)次數(shù)對(duì)閃絡(luò)電壓的影響提出了能較為準(zhǔn)確地描述聚四氟乙烯閃絡(luò)電壓的方法。范亞杰等研究了聚四氟乙烯材料在空間粒子環(huán)境中閃絡(luò)規(guī)律及其影響因素，獲得了高真空低能電子輻照下PTFE高壓直流沿面閃絡(luò)電壓及PTFE在輻照前后的陷阱密度，同時(shí)分析了影響PTFE沿面閃絡(luò)電壓的因素。Du等研究了不同溫度下的表面充電和閃絡(luò)電壓行為，發(fā)現(xiàn)表面分子結(jié)構(gòu)的改變抑制了表面電荷的積累，從而抑制電場(chǎng)的畸變，可有效提高不同溫度下的閃絡(luò)電壓。文獻(xiàn)[26-28]開(kāi)展了靜電電磁脈沖誘發(fā)電暈放電實(shí)驗(yàn)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(chǎng)等參數(shù)。謝喜寧和胡小鋒設(shè)計(jì)了一種靜電放電模擬裝置并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中，得出了靜電電磁脈沖輻射場(chǎng)誘發(fā)針-球電極結(jié)構(gòu)放電的規(guī)律，考慮到了靜電電磁脈沖誘發(fā)空氣式結(jié)構(gòu)放電的特性。由此可知，關(guān)于靜電電磁脈沖場(chǎng)誘發(fā)聚四氟乙烯材料表面閃絡(luò)的相關(guān)研究仍缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文根據(jù)二次電子發(fā)射雪崩(SEEA)模型推導(dǎo)并分析了影響閃絡(luò)發(fā)生的因素，利用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)試樣品對(duì)靜電電磁脈沖環(huán)境下誘發(fā)聚四氟乙烯材料表面閃絡(luò)的機(jī)制、規(guī)律進(jìn)行初步的探索，以期得到大氣環(huán)境下聚四氟乙烯表面的帶電特點(diǎn)及誘發(fā)閃絡(luò)的基本規(guī)律，為強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下航天器在軌運(yùn)行安全防護(hù)措施的研究提供借鑒。

1 基本理論

1.1 無(wú)外加靜電電磁脈沖場(chǎng)時(shí)閃絡(luò)電壓分析

針對(duì)聚四氟乙烯表面閃絡(luò)問(wèn)題，對(duì)閃絡(luò)電壓進(jìn)行分析推導(dǎo)，在SEEA模型中，針-板電極施加電極電壓后，在電極-PTFE-空氣三節(jié)點(diǎn)處會(huì)形成畸變電場(chǎng)，畸變電場(chǎng)處場(chǎng)致發(fā)射出初始電子(如圖1所示)，初始電子經(jīng)場(chǎng)加速撞擊材料表面向表面上方發(fā)射出二次電子，而正電荷留在材料表面，由此產(chǎn)生垂直于材料表面的電場(chǎng)：

=(2)

(1)

式中：為表面電子密度；為自由介電常數(shù)，=8.85×10F/cm。

圖1 針-板電極間場(chǎng)分布Fig.1 Field distribution between needle-plate electrodes

合成電場(chǎng)與材料表面夾角為

(2)

式中：為恰好發(fā)生閃絡(luò)時(shí)電極電壓形成的水平電場(chǎng)；為材料表面的垂直電場(chǎng)；為電子碰撞能量；為發(fā)射電子能量，=4.7 eV。

材料表面的閃絡(luò)電流密度可表示為

=

(3)

式中：為電荷密度;為電子平均速度。則單位面積內(nèi)閃絡(luò)的解吸附氣體分子臨界值為

=[()]

(4)

式中：為脫附系數(shù)；為電子電荷量；為絕緣材料表面解吸附氣體分子脫附的平均速度；為電極間距。

根據(jù)材料表面的解吸附氣體理論及式(2)、式(4) 可得出恰好發(fā)生閃絡(luò)時(shí)電極電壓形成的水平電場(chǎng)和閃絡(luò)電壓閾值的理論表達(dá)式：

(5)

(6)

由式(6)可得在無(wú)外加場(chǎng)時(shí)的閃絡(luò)電壓閾值。當(dāng)電極間所加電壓大于無(wú)外加場(chǎng)時(shí)的閃絡(luò)電壓閾值時(shí)，就會(huì)發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象，此時(shí)的閃絡(luò)是由電極間電壓引起的，稱(chēng)之為自發(fā)閃絡(luò)；當(dāng)電極間所加電壓小于無(wú)外加場(chǎng)時(shí)的閃絡(luò)電壓閾值時(shí)，則不會(huì)發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象。

1.2 有外加靜電電磁脈沖場(chǎng)時(shí)閃絡(luò)電壓分析

當(dāng)有外加場(chǎng)作用時(shí)，如圖1所示，針-板電極間外加電場(chǎng)可以分解為水平分量和垂直分量，與的夾角為，根據(jù)電磁場(chǎng)理論，聚四氟乙烯表面電子密度及正離子密度為

==2tan

(7)

假設(shè)電子質(zhì)量為，電子初始發(fā)射方向與聚四氟乙烯材料表面夾角為，得電子初始運(yùn)動(dòng)速度的水平分量和垂直分量分別為

(8)

已知電子電荷量為，得電子的水平加速度和垂直加速度分別為

(9)

電子運(yùn)行到絕緣體表面法向距離最遠(yuǎn)點(diǎn)(與聚四氟乙烯表面垂直距離最遠(yuǎn))時(shí)法向速度衰減為0，于是得電子運(yùn)動(dòng)至距離絕緣體表面法向最遠(yuǎn)距離時(shí)所需時(shí)間Δ、電子從距離絕緣體表面法向最遠(yuǎn)距離回落后切向運(yùn)行距離Δ分別為

(10)

(sincos+sin)

(11)

當(dāng)電子回到絕緣體表面時(shí)，其法向速度與初始法向速度大小相等、方向相反，其切向速度為

(12)

整個(gè)過(guò)程中電子在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極作定向運(yùn)動(dòng)，形成電流，切向閃絡(luò)電流密度大小取決于電荷密度及切向漂移的速度，于是有

(13)

根據(jù)式(11)推導(dǎo)得出的電子切向運(yùn)動(dòng)距離Δ可知單位長(zhǎng)度電子碰撞絕緣材料表面的次數(shù)為1/Δ，進(jìn)而可以得到絕緣體表面法向閃絡(luò)電流密度為

(14)

絕緣體表面吸附氣體的脫附速率直接依賴(lài)于撞擊絕緣體表面的電子密度，電子碰撞脫附速率=/，其中為電子碰撞截面面積，根據(jù)文獻(xiàn)[30]可知，平均脫附碰撞截面面積=10cm。

通過(guò)預(yù)測(cè)閃絡(luò)過(guò)程中的放氣率可得電子激勵(lì)絕緣體表面吸附氣體的脫附系數(shù)，令絕緣體表面吸附氣體的電子誘導(dǎo)脫附系數(shù)為，得絕緣表面閃絡(luò)電流密度為

(15)

令脫附氣體離開(kāi)絕緣體表面的速率為，得脫附氣體分子密度為

(16)

進(jìn)一步得到針-板電極間距為的絕緣體表面脫附氣體分子密度為

(17)

將式(13)代入式(17)再轉(zhuǎn)化，可得

(18)

(19)

由式(19)可得外加場(chǎng)在電極間感應(yīng)的電壓分量。

由此可知，有外加場(chǎng)作用在測(cè)試單元時(shí)，引發(fā)閃絡(luò)的電壓中不僅包含針-板電極所接高壓源電壓，還包括外加場(chǎng)在電極間感應(yīng)生成的電壓分量，此時(shí)閃絡(luò)電壓條件為

=+≥

(20)

此時(shí)只需滿(mǎn)足≥-就能發(fā)生閃絡(luò)，如果靜電電磁脈沖場(chǎng)感應(yīng)電勢(shì)與電極電壓之和恰好等于閃絡(luò)電壓閾值，則稱(chēng)此時(shí)的靜電電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)為誘發(fā)臨界場(chǎng)強(qiáng)。而根據(jù)文獻(xiàn)[31]可知，參照國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-2進(jìn)行接觸式靜電放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，在ESD模擬器與垂直金屬耦合板產(chǎn)生的靜電電磁脈沖場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)具有場(chǎng)強(qiáng)隨機(jī)性，可能導(dǎo)致相同ESD模擬器輸出電壓下發(fā)射的靜電電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)大小和方向不一致，每次的重復(fù)性較低(在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)重復(fù)性較高，但是場(chǎng)強(qiáng)很小，不利于誘發(fā)閃絡(luò)的判斷，為更準(zhǔn)確地判斷靜電電磁脈沖是否能夠誘發(fā)閃絡(luò)，應(yīng)選擇場(chǎng)強(qiáng)較大的近場(chǎng)區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn))，因此感應(yīng)電壓與電極電壓之和為不確定的隨機(jī)值，所以即使在外加靜電電磁脈沖場(chǎng)的作用下使+=時(shí)，誘發(fā)閃絡(luò)也存在概率問(wèn)題，稱(chēng)此時(shí)的靜電電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)為誘發(fā)臨界場(chǎng)強(qiáng)。

當(dāng)靜電電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)大于誘發(fā)臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，能保證產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)遠(yuǎn)大于閃絡(luò)電壓與電極電壓之差(?-)，則可以實(shí)現(xiàn)誘發(fā)閃絡(luò)；當(dāng)靜電電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)在誘發(fā)臨界場(chǎng)強(qiáng)附近時(shí)，由于靜電電磁脈沖場(chǎng)的發(fā)射隨機(jī)性，此時(shí)的誘發(fā)閃絡(luò)存在概率問(wèn)題；當(dāng)靜電電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)小于誘發(fā)臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)<-，則不能誘發(fā)閃絡(luò)。為驗(yàn)證上述理論(即靜電電磁脈沖場(chǎng)能夠誘發(fā)閃絡(luò)且存在概率)搭建了靜電電磁脈沖場(chǎng)誘發(fā)閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證外加場(chǎng)對(duì)于聚四氟乙烯表面閃絡(luò)的誘發(fā)閃絡(luò)特性。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

參照國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-2，靜電電磁脈沖誘發(fā)聚四氟乙烯表面針-板電極結(jié)構(gòu)閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在大氣環(huán)境下進(jìn)行，該系統(tǒng)主要由ESD模擬器、誘發(fā)放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和溫度和濕度控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3部分組成，如圖2所示。

利用ESD模擬器中的放電槍對(duì)耦合板進(jìn)行非接觸式放電產(chǎn)生靜電電磁脈沖輻射場(chǎng)，以此為背景電磁場(chǎng)作用于測(cè)試單元，使其產(chǎn)生誘發(fā)閃絡(luò)效應(yīng)。通過(guò)調(diào)節(jié)聚四氟乙烯材料表面針-板電極間電壓()和ESD模擬器輸出電壓()，研究靜電電磁脈沖場(chǎng)誘發(fā)絕緣材料表面高壓電極間發(fā)生閃絡(luò)的情況，測(cè)量誘發(fā)閃絡(luò)的電流信號(hào)波形，并結(jié)合不同條件下誘發(fā)閃絡(luò)的次數(shù)和概率，得出靜電電磁脈沖場(chǎng)誘發(fā)聚四氟乙烯材料閃絡(luò)特性的規(guī)律。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中誘發(fā)聚四氟乙烯表面針-板電極結(jié)構(gòu)閃絡(luò)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由4部分組成：第1部分為測(cè)試單元，由貼附于聚四氟乙烯材料表面的鋁箔電極組成，電極結(jié)構(gòu)采用針-板型(圖3和圖4(a)中5)；第2部分為靜電電磁脈沖場(chǎng)發(fā)生器，由ESD模擬器(圖4(a)中1)、放電槍(圖4(a)中2)和垂直金屬耦合板(圖4(a)中3)構(gòu)成，ESD模擬器為ESS-200AX型；第3部分為電極間所加高壓源(圖4(a)中4)，采用GLOW 28720直流高壓電源；第4部分為閃絡(luò)檢測(cè)裝置，包括泰克公司Tektronix TDS7404B型示波器、Tektronix CT-1電流探頭(伏安輸出特性5 mV/1 mA)、為保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備配備的30 dB衰減器，此模塊對(duì)誘發(fā)絕緣材料閃絡(luò)時(shí)的電流信號(hào)波形進(jìn)行檢測(cè)。

測(cè)試單元(如圖4(b)所示)放置在環(huán)境控制裝置中，保持環(huán)境溫度為20 ℃、濕度為40% RH；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)閃絡(luò)電流采集裝置進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，為避免電流過(guò)大損壞示波器，串接30 dB衰減器；電流探頭對(duì)誘發(fā)閃絡(luò)電流波形進(jìn)行采集，整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4(a)所示。

該實(shí)驗(yàn)以靜電電磁脈沖輻射場(chǎng)模擬空間輻射場(chǎng)，采用航天器表面常用的絕緣隔熱材料聚四氟乙烯作為實(shí)驗(yàn)中的絕緣材料，針-板電極模擬絕緣材料表面上可能存在的放電電極結(jié)構(gòu)。利用靜電電磁脈沖輻射場(chǎng)誘發(fā)針-板電極結(jié)構(gòu)下絕緣材料表面發(fā)生閃絡(luò)，測(cè)量誘發(fā)閃絡(luò)時(shí)的放電電流信號(hào)，根據(jù)IEC 61000-4-2規(guī)定的不同實(shí)驗(yàn)電壓等級(jí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析不同場(chǎng)強(qiáng)誘發(fā)閃絡(luò)的規(guī)律及放電電流，為空間裝備靜電防護(hù)及加固設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)支撐。

圖3 PTFE表面電極結(jié)構(gòu)Fig.3 Electrode structure on PTFE surface

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試單元Fig.4 Experimental system and test unit

3 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

實(shí)驗(yàn)在大氣環(huán)境條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中ESD模擬器的放電槍對(duì)垂直金屬耦合板進(jìn)行非接觸式放電產(chǎn)生靜電電磁脈沖輻射場(chǎng)，以此輻射場(chǎng)為實(shí)驗(yàn)背景場(chǎng)作用于測(cè)試單元。通過(guò)改變ESD模擬器輸出電壓實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)強(qiáng)靜電電磁脈沖輻射場(chǎng)的模擬。為減少實(shí)驗(yàn)誤差，避免ESD模擬器充電時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)中靜電電磁脈沖場(chǎng)作用60次，每次時(shí)間間隔為2 s，去掉前20次和后20次，僅保留中間20次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后整理成功誘發(fā)閃絡(luò)的次數(shù)，計(jì)算誘發(fā)閃絡(luò)的概率(“靜電電磁脈沖場(chǎng)成功誘發(fā)閃絡(luò)的次數(shù)”與“靜電電磁脈沖場(chǎng)作用次數(shù)”的比值)。另外，為避免因閃絡(luò)導(dǎo)致材料表面絕緣特性的改變，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中每次誘發(fā)閃絡(luò)都要更換聚四氟乙烯樣件，并且每個(gè)樣件都取自同一批次聚四氟乙烯材料，樣件上電極位置保持不變。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

通過(guò)調(diào)節(jié)四氟乙烯材料表面針-板電極所連接的直流高壓源，改變針-板電極間電壓，使電極結(jié)構(gòu)下的聚四氟乙烯材料表面剛好發(fā)生閃絡(luò)，此時(shí)的針-板電極所加電壓即為閃絡(luò)的初始閾值，進(jìn)行誘發(fā)閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)時(shí)，為驗(yàn)證靜電電磁脈沖場(chǎng)是否誘發(fā)閃絡(luò)，針-板電極間所加電壓將不超過(guò)此閾值。

將降為0，連續(xù)使用靜電電磁脈沖場(chǎng)輻照測(cè)試單元，緩慢提升至恰好發(fā)生閃絡(luò)為止，即可測(cè)出此時(shí)電磁脈沖輻照下的閃絡(luò)電壓閾值。在此基礎(chǔ)上，保持ESD模擬器輸出電壓不變，改變，觀察誘發(fā)閃絡(luò)次數(shù)，得到不同電極電壓下的誘發(fā)規(guī)律。

將電極電壓降至自然閃絡(luò)電壓閾值以下。然后保持不變，改變，再次觀察誘發(fā)閃絡(luò)次數(shù)，得到不同ESD模擬器輸出電壓下的誘發(fā)規(guī)律。

在步驟1～步驟3過(guò)程中，通過(guò)電流探頭測(cè)量板電極接地線(xiàn)上的誘發(fā)放電電流信號(hào)波形，判斷測(cè)試單元是否發(fā)生閃絡(luò)，據(jù)此研究在不同電極電壓和ESD模擬器輸出電壓下靜電電磁脈沖誘發(fā)閃絡(luò)的概率，分析歸納出誘發(fā)聚四氟乙烯閃絡(luò)的特性規(guī)律。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 誘發(fā)閃絡(luò)的判定

當(dāng)聚四氟乙烯材料表面針-板電極發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，電流互感器和電壓探頭將會(huì)測(cè)量到閃絡(luò)電流信號(hào)，通過(guò)示波器顯示波形如圖5所示，圖5(a)～圖5(f)給出了不同ESD模擬器輸出電壓和電極電壓條件下發(fā)生閃絡(luò)時(shí)的電流波形。其中，圖5(a)為=-2.9 kV、=0時(shí)無(wú)外加靜電電磁脈沖場(chǎng)且電極電壓達(dá)到閃絡(luò)電壓閾值時(shí)的自發(fā)閃絡(luò)電流波形，圖5(b)為=0、=-30 kV時(shí)不加電極電壓時(shí)靜電電磁脈沖場(chǎng)在放電單元及接地線(xiàn)路上因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流波形。

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圖5 不同U1和U2下電磁感應(yīng)電流及閃絡(luò)電流波形Fig.5 Waveforms of electromagnetic induction current and flashover current for different U1 and U2

圖5(c)～圖5(f)為誘發(fā)閃絡(luò)電流波形，這些波形的特點(diǎn)是由兩個(gè)連續(xù)的衰減震蕩波組成，第1個(gè)衰減震蕩波為靜電電磁脈沖輻射場(chǎng)在放電回路中感應(yīng)的電流波，第2個(gè)衰減震蕩波為靜電電磁脈沖輻射場(chǎng)誘發(fā)閃絡(luò)電流波。為方便區(qū)分這兩個(gè)波，分別在圖5(c)～圖5(f)中標(biāo)記B～E點(diǎn)，B～E點(diǎn)之前的震蕩波分別代表靜電脈沖在放電單元及接地線(xiàn)路上由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流波，B～E點(diǎn)之后的震蕩波代表閃絡(luò)電流波。B～E點(diǎn)表示感應(yīng)電流衰減至0時(shí)刻的點(diǎn)。通過(guò)觀察示波器是否出現(xiàn)B～E點(diǎn)之間的兩個(gè)連續(xù)的衰減震蕩波判斷靜電電磁脈沖輻射場(chǎng)是否成功誘發(fā)閃絡(luò)。

4.2 誘發(fā)閃絡(luò)規(guī)律分析

圖6給出了ESD模擬器輸出電壓為-30 kV 時(shí)誘發(fā)閃絡(luò)概率和電極電壓之間的關(guān)系，其中分別取-1.6、-1.7、-1.8、-2.0、-2.2，-2.4 kV，固定為-30 kV。整體來(lái)看，誘發(fā)閃絡(luò)概率與電極電壓正相關(guān)，尤其從-1.7 kV至-1.8 kV時(shí)誘發(fā)閃絡(luò)概率呈跳躍式增長(zhǎng)，在為-2.0、-2.2、-2.4 kV時(shí)誘發(fā)閃絡(luò)概率均為100%，說(shuō)明電極電壓在-2.0 kV 以上時(shí)均可成功實(shí)現(xiàn)誘發(fā)。

圖7給出了電極電壓為-2.0、-2.4、-2.6、-2.8 kV時(shí)誘發(fā)閃絡(luò)概率與ESD模擬器輸出電壓之間的關(guān)系，可看出在相同電極電壓下隨ESD模擬器輸出電壓的增大，誘發(fā)閃絡(luò)的概率增大。ESD模擬器輸出電壓在-25～-10 kV時(shí)被誘發(fā)閃絡(luò)概率由高至低的電極電壓等級(jí)依次為-2.8、-2.6、-2.4、-2.0 kV，值得注意的是ESD模擬器輸出電壓在-30～-25 kV時(shí)全部誘發(fā)閃絡(luò)。因此，ESD模擬器輸出電壓與電極電壓的變化都會(huì)影響誘發(fā)閃絡(luò)的概率，ESD模擬器輸出電壓升高及電極電壓的升高會(huì)直接導(dǎo)致發(fā)生閃絡(luò)的概率增大。

圖6 誘發(fā)閃絡(luò)概率與電極電壓的關(guān)系Fig.6 Relationship between probability of induced flashover and electrode voltage

圖7 誘發(fā)閃絡(luò)概率與ESD模擬器輸出電壓的關(guān)系Fig.7 Relationship between probability of induced flashover and export voltage of ESD simulator

在電極電壓為-2.8 kV的條件下，ESD模擬器輸出電壓為-10、-5、-2 kV時(shí)的誘發(fā)閃絡(luò)情況見(jiàn)表1，此時(shí)由于等級(jí)比-30、-25 kV 低，靜電電磁脈沖輻射場(chǎng)能量較小，以至于不易誘發(fā)閃絡(luò)。為-10 kV時(shí)，當(dāng)靜電脈沖輻照第13次時(shí)發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象；為-5 kV 時(shí)，當(dāng)靜電脈沖輻照第18次時(shí)發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象；為-2 kV時(shí)，當(dāng)靜電脈沖輻照第26次時(shí)發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象。以上3種情況說(shuō)明ESD模擬器輸出電壓越高，首次誘發(fā)閃絡(luò)所需要的靜電電磁脈沖輻射場(chǎng)輻照次數(shù)越少。這是由于靜電電磁脈沖輻射場(chǎng)輻照測(cè)試單元時(shí)會(huì)在針-板電極及聚四氟乙烯材料表面產(chǎn)生充電電荷累積效應(yīng)，ESD模擬器輸出電壓越高，每次靜電電磁脈沖輻照充電累積電荷量越多，越早達(dá)到閃絡(luò)閾值，進(jìn)而發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象。

表2給出了電極電壓為-2.8、-2.4、-2.0、-1.6 kV條件下，ESD模擬器輸出電壓固定為-20 kV時(shí)的誘發(fā)情況，可看出為-2.8 kV時(shí)，當(dāng)靜電電磁脈沖輻照第2次時(shí)發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象；為-2.4 kV時(shí)，當(dāng)靜電電磁脈沖輻照第3次時(shí)發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象；為-2.0 kV 時(shí)，當(dāng)靜電電磁脈沖輻照第9次時(shí)發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象；為-1.6 kV時(shí)，當(dāng)靜電電磁脈沖輻照第37次時(shí)發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象。結(jié)果說(shuō)明電極電壓等級(jí)越高，靜電電磁脈沖場(chǎng)首次誘發(fā)閃絡(luò)所需的輻照次數(shù)越少。這是因?yàn)殡姌O兩端的電壓越高，在電極-PTFE-空氣三節(jié)點(diǎn)處形成的畸變電場(chǎng)強(qiáng)度越大，進(jìn)而導(dǎo)致畸變電場(chǎng)處場(chǎng)致發(fā)射出的初始電子數(shù)目增多且速度加快，置于場(chǎng)內(nèi)的電子加速度同樣增大，電子被加速撞擊材料表面后產(chǎn)生的二次電子增多，因此需要較少的輻照次數(shù)就能積累較多的電子。

表1 不同ESD模擬器輸出電壓下誘發(fā)閃絡(luò)情況

表2 不同電極電壓下誘發(fā)情況Table 2 Flashover induction for different electrode voltages

4.3 誘發(fā)閃絡(luò)機(jī)制分析

根據(jù)1.2節(jié)中式(20)所示誘發(fā)閃絡(luò)電壓條件=+≥以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

1) 無(wú)外加靜電電磁脈沖場(chǎng)時(shí)，施加的電極電壓會(huì)在電極-聚四氟乙烯-空氣三結(jié)點(diǎn)處形成畸變電場(chǎng)，致使三結(jié)點(diǎn)處場(chǎng)致發(fā)射出初始電子，初始電子被電場(chǎng)加速撞擊聚四氟乙烯表面，使聚四氟乙烯表面氣體分子解吸附(脫附)產(chǎn)生二次電子，提升聚四氟乙烯表面電離度，引發(fā)閃絡(luò)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)得到了閃絡(luò)電壓閾值=-2.9 kV，當(dāng)電極電壓遠(yuǎn)大于閃絡(luò)電壓(?)時(shí)，電極電壓在電極-PTFE-空氣三節(jié)點(diǎn)處形成的畸變電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，導(dǎo)致畸變電場(chǎng)處場(chǎng)致發(fā)射出的初始電子數(shù)目多且速度快，置于場(chǎng)內(nèi)的電子加速度足夠大，電子被加速撞擊材料表面后產(chǎn)生的二次電子增多，電子增多后材料表面導(dǎo)電性增強(qiáng)，極易發(fā)生閃絡(luò)。如圖5(a)所示為實(shí)驗(yàn)中=-2.9 kV時(shí)發(fā)生閃絡(luò)的波形；當(dāng)電極電壓小于閃絡(luò)電壓(<)時(shí)，電極電壓在電極-PTFE-空氣三節(jié)點(diǎn)處形成的畸變電場(chǎng)強(qiáng)度小，即電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)閾值，電子加速積累動(dòng)能不足，撞擊中性氣體分子或聚四氟乙烯表面時(shí)導(dǎo)致發(fā)生電離的概率大幅降低，生成的二次電子數(shù)目極少，不會(huì)形成閃絡(luò)。

在實(shí)驗(yàn)中，雖然靜電電磁脈沖場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)具有場(chǎng)強(qiáng)隨機(jī)性，導(dǎo)致誘發(fā)放電現(xiàn)象不穩(wěn)定，但增大ESD模擬器輸出電壓(即增強(qiáng)靜電電磁脈沖場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng))從根本上還是會(huì)提高誘發(fā)閃絡(luò)的概率。整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示，將電極電壓調(diào)至-2.0 kV，當(dāng)ESD模擬器輸出電壓=-30 kV時(shí)，施加靜電電磁脈沖誘發(fā)閃絡(luò)的概率為100%，此時(shí)+?；當(dāng)ESD模擬器輸出電壓=-20 kV時(shí)，誘發(fā)閃絡(luò)概率下降到了18%左右，此時(shí)+≥；當(dāng)ESD模擬器輸出電壓=-10 kV時(shí)，誘發(fā)閃絡(luò)概率為0，此時(shí)+<。

因此，通過(guò)1.2節(jié)的理論分析，結(jié)合4.2節(jié)圖6和圖7中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定閃絡(luò)電壓條件為=+≥；明確了外加靜電電磁脈沖場(chǎng)可誘發(fā)閃絡(luò)，同時(shí)由靜電電磁脈沖場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)具有場(chǎng)強(qiáng)隨機(jī)性可知，每次發(fā)射的場(chǎng)強(qiáng)大小不能保證完全一致，這就會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電壓的大小具有隨機(jī)性，所以即使外加靜電電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)足夠大，誘發(fā)閃絡(luò)也存在概率問(wèn)題。具體情況可分為以下3種：

① 當(dāng)靜電電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于誘發(fā)臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，能保證產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)?-，則誘發(fā)閃絡(luò)的概率為100%。

② 當(dāng)靜電電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)在誘發(fā)臨界場(chǎng)強(qiáng)附近時(shí)，由于靜電電磁脈沖場(chǎng)的發(fā)射隨機(jī)性，不能保證每次發(fā)射脈沖的感應(yīng)電勢(shì)>-，此時(shí)的誘發(fā)閃絡(luò)就存在概率問(wèn)題。

③ 當(dāng)靜電電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)小于誘發(fā)臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)<-，誘發(fā)概率為0。

5 結(jié) 論

首先依據(jù)SEEA模型進(jìn)一步分析了誘發(fā)閃絡(luò)的電極電壓閾值，然后基于典型的表面針-板電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了靜電電磁脈沖場(chǎng)輻照誘發(fā)閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)聚四氟乙烯材料表面進(jìn)行了誘發(fā)閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和機(jī)制。通過(guò)理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1) 充分證明了靜電電磁脈沖場(chǎng)輻照誘發(fā)聚四氟乙烯表面閃絡(luò)現(xiàn)象的存在。

2) 通過(guò)理論分析可得影響閃絡(luò)電壓閾值的因素。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知在一定的靜電電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)下，能確定該場(chǎng)強(qiáng)下誘發(fā)閃絡(luò)的電極電壓閾值。

3) 在電極電壓一定時(shí)，隨著靜電電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)的增加，電極間感應(yīng)電壓會(huì)增大，增大的感應(yīng)電壓疊加到電極電壓上后可提高發(fā)生閃絡(luò)的概率。

4) 當(dāng)靜電電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)一定時(shí)，隨著電極電壓的升高，電極間電壓更接近閃絡(luò)電壓閾值，誘發(fā)閃絡(luò)的概率逐漸增大。

實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論可為航天器表面的防靜電安全技術(shù)提供理論支撐，為航天裝備靜電防護(hù)的進(jìn)一步研究奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)于強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下航天器在軌運(yùn)行安全防護(hù)措施的研究具有借鑒意義。