高能電子輻照下介質材料內沉積電荷分布試驗研究

王金曉，秦曉剛，梅 飛，馮 娜，楊生勝，韓焱暉，柳 青，陳益峰*

（1. 許昌學院 化工與材料學院，許昌 461000； 2. 蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000；3. 北京東方計量測試研究所，北京 100086）

0 引言

航天器在軌運行期間將遭遇嚴酷的空間輻射環(huán)境，引發(fā)威脅航天器正常運行和在軌安全的多種輻射效應。地球同步軌道（GEO）和中地球軌道（MEO）空間環(huán)境中的高能電子（0.1～10 MeV）具有很強的穿透力，可穿過航天器屏蔽層在介質材料內部沉積；當沉積電荷誘發(fā)的電場強度超過材料的擊穿閾值時將產生靜電放電：以上稱為深層帶電效應[1-3]。深層帶電效應通常發(fā)生在航天器內部，對航天器造成的損傷更為直接和嚴重，因此又被稱為“航天器殺手”[4-6]，長期以來一直是國內外航天機構的研究熱點[7-11]。

高能電子誘發(fā)的沉積電荷分布特性是深層帶電效應的重要考量因素，決定了介質材料內部的充電程度，是靜電放電是否發(fā)生的判斷依據(jù)之一。脈沖電聲（pulsed electro-acoustic, PEA）法由Takada等于20 世紀80 年代提出[12]；后來Laurent 團隊將經(jīng)典PEA 裝置改進為開放式PEA 裝置[13]，使其滿足電子輻射環(huán)境的測量要求，被廣泛應用于星用介質材料內部沉積電荷分布的測試。國內外多個科研團隊針對μm 級厚度的薄膜材料開展了電子輻照環(huán)境下沉積電荷分布特性的測試，驗證了開放式PEA 方法的可行性和有效性[14-16]。當前，PEA 已經(jīng)成為研究空間電子輻照下星用介質材料深層帶電效應機制的重要手段[17]。

目前，沉積電荷分布特性測試主要集中于數(shù)十至數(shù)百μm 厚度的薄膜類材料，而星用電路板等mm 級厚度的介質材料由于其體電阻更大，積累于其內部的電荷很難得到釋放，更容易產生靜電放電[18]?，F(xiàn)有針對mm 級厚度介質材料沉積電荷分布特性的研究多為仿真分析，試驗測試報道較少，使得仿真分析結果得不到有效驗證[6,19]。本文采用開放式PEA 方法測試0.3～1.0 MeV 電子輻照下mm 級厚度介質材料的沉積電荷分布特性，揭示高能電子以不同能量和粒子數(shù)入射下的介質材料內部電荷分布規(guī)律，以助進一步研究深層帶電效應的物理機制和驗證仿真分析方法，并指導航天器帶電防護設計。

1 PEA 測試原理與方法

PEA 測試的原理[12]為：在介質材料一端施加脈寬很窄的高壓脈沖，材料中的沉積電荷在脈沖作用下產生相應的壓力波脈沖，再由壓電傳感器接收和測量介質材料另一端的壓力波脈沖；依據(jù)材料內部電荷與壓力波脈沖的關系可反向推演得到材料內部電荷分布特性。PEA 測試裝置由上/下電極、高壓脈沖源、壓電傳感器和信號放大及測試系統(tǒng)組成，如圖1 所示。測試試驗中將介質材料樣品置于上/下電極之間，施加壓力使其與上/下電極緊密貼合，并在樣品兩端表面涂敷硅油，以增強聲耦合。上電極位于高能電子輻照方向，設計為圓環(huán)狀，使得高能電子直接輻照測試樣品。由高壓脈沖源產生寬度為30 ns、幅值約為1 kV 的脈沖。由壓電傳感器將穿過介質材料的聲信號轉化為電信號，再由信號放大及測試系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和處理。

圖1 介質材料沉積電荷分布特性測試裝置組成Fig. 1 Device for test of deposited charge distribution characteristics of dielectric materials

本研究中的高能電子由蘭州空間技術物理研究所的電子加速器產生。該加速器可產生能量范圍為0.1～2.0 MeV 的單能電子，束流密度范圍為nA/cm2至pA/cm2量級。在所關注的電子能量范圍（0.1～10 MeV），輻照電子能量較低時將主要沉積在靠近上電極端的材料內部，而根據(jù)薄膜類材料的測試結果[13-16]，在上電極與測試樣品交界面處將產生感應電荷，容易將電荷分布測試信號淹沒，因此本研究將輻照電子最低能量設置為0.3 MeV；當輻照電子能量較大時，將主要沉積在下電極與測試樣品交界面處或者直接穿透測試樣品，因此本研究將輻照電子最高能量設置為1.0 MeV；同時，在最低和最高能量之間再選取2 個能量點，最終確定試驗中的輻照電子能量分別設置為0.3、0.5、0.7 和1.0 MeV?？臻g高能電子的束流密度為pA/cm2量級，本研究中為確保被測樣品能被充電且不發(fā)生靜電放電現(xiàn)象，從而獲得較為準確的沉積電荷分布結果，將輻照電子的束流密度設置為200 pA/cm2。

試驗采用航天器典型介質材料聚酰亞胺（PI）為測試樣品，樣品尺寸為?60 mm×3 mm。PI 由于其優(yōu)異的耐高低溫及機械性能、良好的化學穩(wěn)定性和介電性能，以及高絕緣等性能，已應用于航天器的結構和熱控等材料中，并在星載印制電路板和電子元件等領域具有廣闊的應用前景。PEA 測試裝置中，上電極采用開口設計，電極和測試樣品接觸面積很小，而測試樣品為絕緣材料，高壓脈沖無法在整個表面上傳輸，因此在測試樣品面向電子輻照的表面濺射10 μm 厚的導電（鋁）涂層，使整個表面導電，以實現(xiàn)高壓脈沖信號在整個表面上的傳輸。為消除由于樣品表面殘存水分或揮發(fā)性雜質的污染對高壓脈沖信號傳輸?shù)挠绊?，試驗前對測試樣品進行烘烤和真空除氣處理，烘烤溫度85 ℃，烘烤時間48 h，真空度優(yōu)于1×10-3Pa[17]。

當電子加速器產生的高能電子輻照樣品時，由于上電極為開口設計且導電涂層厚度非常薄，高能電子能夠直接穿透涂層進入并在介質材料內部沉積電荷。此時，高壓脈沖通過上電極和導電涂層從整個表面?zhèn)鬏斎氩牧蟽炔?，當電脈沖作用于沉積電荷時會感應產生壓力波脈沖，壓力波脈沖被下電極接收并由壓電傳感器及后端信號處理電路采集測試。壓力波脈沖的壓力剖面和材料中沉積電荷的體密度分布相關，因此由測得的壓力波脈沖信號反演可得到相應的材料內部沉積電荷分布情況。

2 試驗數(shù)據(jù)與結果分析

2.1 不同入射電子數(shù)下介質材料內部沉積電荷分布特性

在高能電子輻照期間，PEA 裝置每間隔10 min記錄1 次沉積電荷分布特性測試結果。圖2 是輻照時間分別為10、20、30 和40 min 時，0.3 MeV 電子輻照下PI 材料內部沉積電荷分布狀況?？梢钥闯觯?.3 MeV 電子開始輻照后，在材料0.35 mm 深度的位置出現(xiàn)了負電荷的沉積峰，當輻照時間為10 min 時沉積電荷的最大峰值約為5 μC/cm3，20 min 時約為9 μC/cm3，30 min 時約為11 μC/cm3，40 min 時約為12.5 μC/cm3。由此可知，隨著高能電子入射粒子數(shù)的不斷增加，材料內部的負電荷沉積峰的峰值不斷增大。

圖2 0.3 MeV 電子輻照不同時間后PI 材料內部沉積電荷分布狀況Fig. 2 Deposited charge distributions in PI materials after 0.3MeV electron irradiation for different time durations

隨著輻照時間的延長，入射電子數(shù)不斷增加，而電荷沉積量的增長速率呈不斷減小的趨勢，材料內部電荷的分布逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。為有效分析這一結果，將輻照電子與材料作用分為3 個區(qū)域——輻照區(qū)、未輻照區(qū)和沉積區(qū)，如圖3 所示。輻照區(qū)指高能電子能與材料發(fā)生作用的區(qū)域；未輻照區(qū)指高能電子無法到達的區(qū)域；沉積區(qū)指高能電子在材料內的主要沉積區(qū)域。根據(jù)輻射效應理論[20]，電子能量損失沿介質材料深度方向呈先增加后減小的趨勢，能量損失的最大值一般出現(xiàn)在運動軌跡的末端，導致高能電子的主要沉積區(qū)域集中在輻照區(qū)的后端。

圖3 輻照電子與材料作用示意Fig. 3 Schematic of interactions between irradiating electrons and materials

電荷的沉積量是由高能電子的注入速率和材料內部電荷的泄漏速率共同決定的，當高能電子的注入速率（束流密度為200 pA/cm2）一定時，由于電子在與材料作用過程中通過電離、激發(fā)、散射和軔致輻射等形式將能量轉移給材料，使得材料產生輻射誘導電導率，會增大輻照區(qū)中沉積電荷的泄漏速率。同時，由于材料內部電荷積累，產生由材料表面指向沉積區(qū)的電場，導致材料產生場致電導率，并隨著材料內部電荷量的不斷增加而增強，使得電荷泄漏速率不斷上升。最終高能電子的注入速率和材料的電荷泄漏速率趨于平衡，材料內部沉積電荷量達到穩(wěn)定狀態(tài)。

另外，由圖2 發(fā)現(xiàn)，在材料的0 mm 和3 mm 深度位置均出現(xiàn)了正電荷的峰，其峰值隨著材料內部沉積負電荷量的增加而變大。這主要是由上、下電極與測試樣品交界面處的感應電荷造成的，隨著材料內部累積的電荷量增加，交界面處感應電荷量也越來越多，測得的正電荷峰值也就越大。該現(xiàn)象與薄膜類材料的測試結果是一致的。

2.2 不同輻照電子能量下介質材料內部沉積電荷分布特性

圖4 是能量為0.3、0.5、0.7 和1.0 MeV 電子分別輻照40 min 后，PI 材料內部沉積電荷分布特性測試結果?？梢钥吹?，不同能量電子輻照下在PI 材料內部不同位置出現(xiàn)了負電荷峰，峰值位置隨著輻照電子能量的增大而不斷深入材料內部——電子能量為0.3 MeV 時峰值位置為0.40 mm，0.5 MeV時為0.85 mm，0.7 MeV 時為1.51 mm，1.0 MeV 時為2.57 mm。這是由于能量越大電子的初始運動速度越大，可以在能量完全損失前在材料內部穿透更深的距離。

圖4 不同能量電子輻照下的PI 材料內部沉積電荷分布特性測試結果Fig. 4 Deposited charge distribution in PI materials irradiated by electrons with various energies

用Weber 公式

能夠有效計算電子在材料內部的最大穿透深度，且與蒙特卡羅模擬計算結果的一致性較好[21]。式(1)中：R為入射電子在介質中的最大穿透深度，m；α、β和γ均為擬合系數(shù)，取值分別為0.55 g/(cm2·MeV)、0.984 1、和3 MeV-1；E0為入射電子的能量，MeV；ρ為介質的密度，PI 的密度為1.42 g/cm3。

采用Weber 公式計算出不同能量電子的最大穿透深度，并與試驗結果進行對比，如表1 所示。表1 中的試驗結果從圖4 中獲得，當介質材料內部電荷密度由峰值變化為0 時，則認為電子無法穿透更遠距離，對應位置即最大穿透深度。為方便比較，表1 中試驗結果和計算結果均保留小數(shù)點后2位有效數(shù)值。

表1 不同能量電子的最大穿透深度試驗結果與計算結果比較Table 1 Comparison between experimental and calculated results of maximum penetration depth of electrons with different energies

從表1 可以看出：當能量為0.3、0.5 和0.7 MeV時，電子在材料內部的最大穿透深度試驗結果與Weber 公式計算結果符合較好；而能量為1.0 MeV時，試驗結果小于計算結果。這可能由于1.0 MeV電子主要沉積在3 mm 厚度PI 材料的后端，受材料表面/下電極交界面處感應的正電荷影響，電子沉積峰的形狀未能完整獲得，從而造成最大沉積深度的測試偏差。

為進一步分析輻照電子的能量對沉積電荷分布特性的影響，本文以負電荷沉積峰的峰值位置為零點，比較不同能量電子輻照下PI 材料內部沉積電荷峰形，如圖5 所示。由于0.3 MeV 和1.0 MeV電子輻照形成的負電荷沉積峰形分別受上、下電極與材料交界面處的感應正電荷的影響，未測試到完整的峰形，所以圖5 中僅比較了0.5 MeV 和0.7 MeV輻照電子在PI 材料內部形成的負電荷峰形。

圖5 0.5 MeV 和0.7 MeV 輻照電子在PI 材料內部形成的負電荷峰形比較Fig. 5 Comparison of negative charge peaks formed by 0.5 MeV and 0.7 MeV electrons irradiating in PI materials

由圖5 可以看到，0.5 MeV 電子在PI 材料內部沉積電荷的峰值約為11 μC/cm3，大于0.7 MeV 電子所形成的峰值（約為9 μC/cm3），但0.5 MeV 電子在材料內部沉積的電荷總量（即電荷峰形所包絡的圖形面積）小于0.7 MeV 電子在材料內部沉積的電荷總量。這主要是由于0.5 MeV 電子的沉積區(qū)域更靠近上電極/材料表面交界面，沉積電荷更容易通過上電極得到泄漏；而0.7 MeV 電子集中沉積在材料中心區(qū)域，電荷泄漏相對困難，故沉積的電荷總量更大?？梢?，為介質材料內部沉積電荷提供更為便捷的泄漏通道是抑制深層帶電效應的有效措施之一。

比較峰值前/后沉積電荷量可以發(fā)現(xiàn)，0.5 MeV電子在負電荷峰值前沉積的電荷量略多于峰值后的，但當電子能量增加至0.7 MeV 時，峰值前的沉積電荷量遠大于峰值后的。造成這一現(xiàn)象的原因是：電子在輻照過程中將能量轉移給輻照區(qū)材料，產生輻射誘導電導率，提升材料的導電性能；由于能量越大的電子在材料內部具有越寬的沉積范圍[22]，從而在材料內形成更寬的輻照區(qū)，而輻照區(qū)的導電性能遠優(yōu)于未輻照區(qū)，因此沉積電荷更容易向上電極與測試樣品交界面處移動，導致沉積峰值前的電荷量明顯多于峰值后的。

3 結束語

本文利用電子加速器分別產生0.3、0.5、0.7 和1.0 MeV 的高能電子，采用PEA 裝置完成了3 mm厚PI 材料的內部沉積電荷分布特性測試試驗，分析高能電子的入射粒子數(shù)以及能量對介質材料內部電荷分布的影響規(guī)律。研究表明：隨著高能電子入射粒子數(shù)的不斷增加，材料內部的負電荷沉積峰的峰值不斷增加，且峰值位置隨著輻照電子能量的增大而不斷深入材料內部，當輻照電子能量從0.3 MeV 增加到1.0 MeV 時，在PI 材料內部的電荷最大沉積深度由0.61 mm 增加到2.86 mm；由于能量越大的電子產生越寬的輻照區(qū)，而輻照區(qū)的導電性能遠優(yōu)于未輻照區(qū)的，所以電荷沉積峰值前的電荷量多于峰值后的，且能量越大的電子輻照該現(xiàn)象越顯著。

本文研究為進一步闡明內帶電效應的物理機制，驗證仿真分析方法提供了數(shù)據(jù)依據(jù)和技術支持。