航天器微波部件微放電誘導(dǎo)低氣壓來源分析

陳澤煜,王瑞,崔萬照,*

1.中國空間技術(shù)研究院西安分院 空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710000

2.西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,西安 710049

1 引言

低氣壓放電是星載微波部件在軌工作過程中極易發(fā)生的一種現(xiàn)象。當(dāng)部件內(nèi)部氣壓大小及微波電場強(qiáng)度滿足一定閾值關(guān)系,部件內(nèi)的氣體將會被電離,形成等離子體,并最終導(dǎo)致雪崩擊穿的發(fā)生[1]。當(dāng)放電所形成的等離子體達(dá)到一定密度,將會中斷微波傳輸[2]。更嚴(yán)重的時(shí)候,低氣壓放電所形成的等離子體會對微波部件表面造成燒蝕,導(dǎo)致部件的永久損壞。近年來,隨著通信衛(wèi)星朝著寬帶、大功率以及高集成度的方向發(fā)展,微波部件內(nèi)部的功率密度大幅提高,電場強(qiáng)度大幅增加。同時(shí)介質(zhì)部件的大量應(yīng)用,導(dǎo)致部件內(nèi)部氣體來源增加,更容易達(dá)到放電所需的功率-氣壓閾值。低氣壓放電已經(jīng)成為威脅航天器電子設(shè)備安全運(yùn)行的重要因素。因此,近年來得到了廣泛的研究[3-5]。美國Aerospace公司甚至于2015年公開了航天器部件電離擊穿預(yù)防標(biāo)準(zhǔn)手冊[6]。

目前認(rèn)為,星載微波部件的低氣壓環(huán)境主要有兩個(gè)來源:一是航天器工作于低氣壓環(huán)境中,如臨近空間的氣壓經(jīng)歷了從105Pa到0.1Pa的跨度,火星大氣壓為約500Pa;二是微波部件在工作過程中所釋放的氣體。對于大多數(shù)在軌航天器,其工作環(huán)境氣壓已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氣體放電所需氣壓閾值,且為了避免微波部件中殘余的空氣帶來的放電風(fēng)險(xiǎn),微波部件在設(shè)計(jì)加工時(shí)都留有排氣孔,但實(shí)際上不乏因低氣壓放電造成航天器損壞的相關(guān)報(bào)道。如2006年國際空間站S波段射頻系統(tǒng)發(fā)生的低氣壓放電事故。這說明,微波部件在工作過程中所產(chǎn)生的氣體,也可能在部件內(nèi)形成低氣壓環(huán)境并造成低氣壓放電風(fēng)險(xiǎn)。但這一過程尚未得到系統(tǒng)研究,嚴(yán)重阻礙了星載微波部件低氣壓放電抑制手段的開發(fā)。本文將對星載微波部件氣體脫附效應(yīng)進(jìn)行分析,并根據(jù)分析結(jié)果提出一種可行的低氣壓放電抑制措施。

2 微放電與低氣壓放電效應(yīng)

2.1 二次電子倍增與微放電

2.2 低氣壓放電及其等離子體

當(dāng)微波部件內(nèi)部具有一定氣壓,間隙中的氣體若在射頻電場的作用下發(fā)生擊穿放電,間隙中將會形成等離子體。由于氣體分子的電離,使得放電間隙中的電子數(shù)量大幅增多[18-19]。西北核技術(shù)研究所蔡利兵等人通過粒子模擬(particle in cell-monte carlo collision,PIC-MCC)方法對介質(zhì)表面微波擊穿過程進(jìn)行了模擬研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著介質(zhì)表面氣壓的升高(氣體脫附系數(shù)的上升),介質(zhì)表面放電區(qū)域中的電子數(shù)量大幅上升[20],如圖1所示。

圖1 介質(zhì)表面運(yùn)動電子數(shù)目隨介質(zhì)氣體脫附系數(shù)變化規(guī)律[20]

等離子體正負(fù)電荷之間相互分離但又通過庫侖力相互約束,當(dāng)其內(nèi)部受到擾動出現(xiàn)局部電荷不平衡時(shí),在庫侖力和慣性力的共同作用下,將出現(xiàn)等離子體內(nèi)部電子和離子的集體振蕩。這種振蕩是等離子體的固有特性,其振動頻率被稱為等離子體頻率,用ωp表示。ωp由等離子體自身特性決定,與外加電磁場無關(guān)。其可用如下公式表示[21]:

(1)

式中:e為電子電荷量;c0為電子密度;ε0為真空介電常數(shù);m為電子質(zhì)量。

可見,等離子體頻率與外部電磁場情況無關(guān),完全由其內(nèi)部特性參數(shù)所決定。而等離子體對于電磁場會呈現(xiàn)出介電特性。微波場中,等離子體的相對介電常數(shù)εr為:

(2)

式中:ω為微波角頻率。

從式(2)可以看出,當(dāng)?shù)入x子體頻率與微波頻率相同時(shí),等離子體的相對介電常數(shù)εr將為0,也就是說此時(shí)將會出現(xiàn)微波無法傳輸。這意味著微波部件所傳輸?shù)奈⒉▽蝗瓷?。對于通信衛(wèi)星,當(dāng)其微波部件中出現(xiàn)低氣壓放電,且隨著放電發(fā)展等離子體密度達(dá)到微波無法傳輸?shù)呐R界密度nc,將會造成衛(wèi)星通信的完全失效。

3 低氣壓放電所需的表面氣體來源

當(dāng)微波部件內(nèi)出現(xiàn)導(dǎo)致微波無法傳輸?shù)牡蜌鈮悍烹姇r(shí),放電等離子體的臨界密度nc可由式(1)(2)推得:

(3)

對于頻率為2GHz的微波,可以推算在擊穿時(shí)刻導(dǎo)致其微波截止的臨界等離子體密度為1.25×1016m-3。假設(shè)在擊穿的臨界時(shí)刻,等離子體還處于弱電離狀態(tài)(電離率γ為10-8～10-4)[21],當(dāng)電離率γ取10-4時(shí),可以推得此時(shí)氣隙內(nèi)氣體分子濃度為1.25×1020m-3。假設(shè)在擊穿前,間隙內(nèi)的氣體已經(jīng)通過熱運(yùn)動處于均勻分布的狀態(tài),那么根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,即:

PV=nRT

(4)

式中:P為氣壓;V為氣體體積;n為氣體分子的物質(zhì)的量;R為摩爾氣體常數(shù)且其值取8.314J/(mol·K);T為氣體溫度,取300K。

可以推得此時(shí)擊穿間隙的氣壓為約1Pa。事實(shí)上,此處在推算擊穿臨界時(shí)刻的氣體分子密度時(shí),所取的電離率為弱電離等離子體的上限,因此實(shí)際的氣壓應(yīng)遠(yuǎn)高于1Pa的大小。這個(gè)氣壓的來源需要進(jìn)行研究。

3.1 脫附氣體與低氣壓條件形成

事實(shí)上,材料表面會通過物理吸附的方式保留一定量的氣體分子。這些氣體絕大多數(shù)來自于加工和裝配過程中的大氣環(huán)境。根據(jù)殘余氣體成分分析,微波部件材料表面吸附氣體成分主要為H2、H2O、CO2、CO等[22]。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境下,材料表面通過物理吸附的方式保留有約100層的勻質(zhì)氣體分子[21],而其密度大約為1015cm-2。這些吸附氣體一旦解吸附,將會在材料表面形成局部高氣壓。且由于吸附氣體數(shù)目與間隙長度無關(guān),這意味著間隙越窄,氣體脫附后所形成的氣體間隙氣壓越高。假設(shè)平行平板結(jié)構(gòu)的氣體間隙寬度為d,單位為cm,且不考慮氣體逃逸的情況下,若上下平板材料表面所有吸附氣體發(fā)生脫附,那么根據(jù)式(4)可以推得,間隙中的氣壓為800Pa·cm/d。若僅考慮物理吸附氣體的解吸附,對于寬度為1cm的間隙,如果沒有留有排氣孔,間隙中的氣壓將高達(dá)800Pa。若部件內(nèi)部出現(xiàn)極小的間隙,例如當(dāng)間隙距離為100μm時(shí),物理吸附氣體的完全脫附將導(dǎo)致間隙中出現(xiàn)80000Pa的高氣壓!當(dāng)然,在實(shí)際情況下,氣體脫附的過程還伴隨著吸附復(fù)合過程,因此并不會輕易出現(xiàn)這種極端情況。對于常溫下真空抽氣過程,只考慮熱脫附和吸附復(fù)合時(shí),表面吸附氣體密度的變化率可用如下公式描述[23]:

(5)

式中:等號右側(cè)第一項(xiàng)描述熱脫附,第二項(xiàng)描述由于背景氣體碰撞材料表面造成的吸附復(fù)合;dn/dt為每平方厘米的材料表面吸附氣體數(shù)量的變化率(cm-2);n(t)為表面吸附氣體數(shù)目;υx為脫附速率常數(shù)(對于一階x=1,υx一般取υ≈1013±1s-1;對于二階x=2,υx一般取υ≈10-4～10-1cm2/s);Q為氣體與材料的吸附鍵能(kJ/mol);R為摩爾氣體常數(shù);T為氣體及材料表面溫度(K);s為粘附系數(shù);P為背景氣體氣壓(Pa);M為氣體分子質(zhì)量(amu);na為可吸附點(diǎn)位數(shù)量。粘附系數(shù)s由吸附氣體分子與材料表面的結(jié)合能、溫度等因素共同決定。而實(shí)際上由于材料表面形貌、元素等分布特性,導(dǎo)致結(jié)合能Q實(shí)際上是溫度、時(shí)間、空間等的函數(shù)。不同氣體分子與材料表面的結(jié)合方式也決定了式(5)中x的階數(shù)。如H2分子在金屬上的吸附與脫附一般為二階反應(yīng)。

式(5)描述了抽真空過程中微波部件材料表面吸附氣體數(shù)量的變化規(guī)律。通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn),對于常溫(293K),背景氣壓為10-3Pa,粘附系數(shù)s為1的條件下,真空系統(tǒng)可以有效清除結(jié)合能小于59kJ/mol的吸附氣體。而材料表面通過物理吸附的氣體分子以范德華力與材料表面相結(jié)合,其結(jié)合通常為8～38kJ/mol。這說明,微波部件材料表面通過物理吸附的殘余氣體會被真空抽氣清除,因此開孔成為一種有效去除物理吸附氣體的方式。這也是在實(shí)際工程中在設(shè)計(jì)微波部件時(shí)需要進(jìn)行開孔設(shè)計(jì)來預(yù)防低氣壓放電的原因。但對于一些介質(zhì)填充型的微波部件,若沒有進(jìn)行有效開孔,氣體無法及時(shí)排出,將會造成低氣壓放電。圖2所示為一個(gè)測試中的環(huán)形器內(nèi)部由于低氣壓放電造成的介質(zhì)部件燒蝕的照片。

圖2 某星載環(huán)行器測試后內(nèi)部發(fā)生低氣壓放電的損傷形貌

3.2 熱脫附與電子誘導(dǎo)脫附效應(yīng)

吸附氣體以范德華力或者形成化學(xué)鍵(即化學(xué)吸附)與材料表面的分子或原子相結(jié)合。當(dāng)從外界輸入的能量高出其結(jié)合能時(shí),就會引起吸附氣體的脫附。而對于星載微波部件在工作時(shí),這個(gè)能量可以來自熱,也可以來自倍增電子的誘導(dǎo)脫附。從式(5)中第一項(xiàng)可以看出,當(dāng)溫度升高時(shí),熱脫附項(xiàng)數(shù)值會以指數(shù)形式上升,因此溫度是引起微波部件產(chǎn)生釋氣的重要因素。除了熱脫附,當(dāng)微波部件在工作時(shí)發(fā)生電子倍增甚至微放電時(shí),電子轟擊材料表面,與吸附氣體發(fā)生碰撞,導(dǎo)致吸附氣體脫附。熱脫附與電子誘導(dǎo)脫附效應(yīng)導(dǎo)致的材料表面吸附氣體數(shù)量脫附率可用下式描述[17]:

(6)

式中:等號右側(cè)第一項(xiàng)描述熱脫附,第二項(xiàng)描述電子誘導(dǎo)脫附;Jp為瞬時(shí)電子流密度;σ為誘導(dǎo)脫附截面。

為了探究熱脫附及電子誘導(dǎo)脫附對微波部件內(nèi)低氣壓環(huán)境構(gòu)造的貢獻(xiàn),構(gòu)造了如下函數(shù):

(7)

式中:F為脫附氣體占材料表面吸附氣體的比重,n0為吸附氣體初始數(shù)量。當(dāng)F值為1時(shí),意味著材料表面的吸附氣體全部釋放了。

對于熱吸附項(xiàng),在僅考慮一階脫附(即x=1)時(shí),通過解析的方式聯(lián)立方程(6)(7)可以得到系數(shù)Fr的表達(dá)式如下:

(8)

在實(shí)際的星載微波部件工作過程中,部件溫升主要由導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗等引起,溫度值具有時(shí)間積累的特性。在于氣體脫附或電擊穿的物理過程所跨越的時(shí)間尺度內(nèi),可忽略溫升并認(rèn)為溫度保持恒定。圖3所示是根據(jù)式(8)計(jì)算出的不同吸附鍵能Q的吸附氣體在不同溫度下的熱脫附比重系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線,這一鍵能范圍涵蓋了航天器微波部件中幾種典型的吸附氣體與部件材料表面的吸附鍵能大小。而吸附鍵能的大小取決于氣體種類、材料種類、吸附層位及材料表面溫度等特性,因此即使對于同一種氣體分子,其與材料的吸附鍵能的大小也會發(fā)生變化。為了有一個(gè)定性的認(rèn)識,此處選取了吸附鍵能大小范圍中幾個(gè)特定的值來加以研究。其中,圖3(a)為20kJ/mol的熱脫附比重系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥吹?無論環(huán)境溫度為0℃(約270K)還是100℃(約370K),此吸附鍵能下的氣體均在幾納秒的時(shí)間內(nèi)完成脫附。當(dāng)吸附鍵能Q為40kJ/mol時(shí),氣體完全脫附所需的時(shí)間比Q為20kJ/mol時(shí)增加了三個(gè)數(shù)量級以上,尤其是在低溫時(shí),這一差異更為明顯。同樣的,對于Q為60kJ/mol時(shí),相同溫度下完全脫附時(shí)間比Q為40kJ/mol的吸附氣體上升了3個(gè)數(shù)量級以上,達(dá)到了秒級。但總體而言,當(dāng)Q小于60時(shí),即使在常溫條件下,吸附氣體也會在極短的時(shí)間內(nèi)完成脫附。這個(gè)吸附能范圍包括了物理吸附氣體以及低吸附能的化學(xué)吸附氣體。若微波部件開有透氣孔,在航天器到達(dá)運(yùn)行軌道之后,這些吸附氣體將會在短時(shí)間內(nèi)脫附并快速逸散。

圖3 不同溫度條件下不同吸附能氣體的熱脫附氣體比重系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

化學(xué)吸附氣體的吸附鍵能要遠(yuǎn)高于物理吸附氣體,其鍵能范圍為84～210kJ/mol。由于具有更高的鍵能,因此,需要更高的溫度才能實(shí)現(xiàn)有效的解脫附。圖3(d)所示為吸附鍵能Q為168kJ/mol的吸附氣體在不同溫度下的熱脫附比重系數(shù)變化曲線。這個(gè)鍵能也是H2在金屬材料上化學(xué)吸附的鍵能上限[24-25],從圖中結(jié)果可以看出,當(dāng)溫度為400K時(shí),在200h內(nèi)Fr都沒有明顯的上升,說明在這個(gè)溫度下吸附鍵能為168kJ/mol的吸附氣體無法因?yàn)闊嵝?yīng)而發(fā)生有效的脫附。當(dāng)溫度升高至450K時(shí),在200h內(nèi),材料表面只減少了約20%的吸附氣體。即使溫度升高至500K,鍵能為168kJ/mol的吸附氣體完全脫附也需要約50h的時(shí)間,而這個(gè)溫度已經(jīng)接近大多數(shù)介質(zhì)材料的軟化點(diǎn)甚至熔點(diǎn)了。因此加熱排氣已經(jīng)不適用于清除吸附鍵能較高的化學(xué)吸附氣體了。除了熱致脫附,電子的轟擊也可以使吸附氣體與材料表面的吸附鍵斷裂從而造成吸附氣體的脫附。以H2和金屬的化學(xué)吸附能為例,取其上限168kJ/mol。在上述分析中,將材料溫度升高至450K才能使此鍵能的H2有效脫附。將這個(gè)鍵能換算成單位為eV,則其值為1.75。也就是說,當(dāng)動能為1.75eV的電子與吸附鍵能為168kJ·mol-1的吸附H2分子發(fā)生有效碰撞后,將會使其發(fā)生脫附。根據(jù)Vaughan模型推算的微波部件內(nèi)部發(fā)生二次電子倍增時(shí)出射電子的能量分布,大多數(shù)二次電子的能量超過了這一吸附能。若考慮到射頻電場對電子的加速作用,電子能量的分布將進(jìn)一步向更高能量的區(qū)間移動[26]。即當(dāng)航天器在軌運(yùn)行的過程中,若微波部件內(nèi)發(fā)生二次電子倍增或者微放電,倍增電子將會導(dǎo)致釋氣的發(fā)生。與描述熱脫附氣體過程的脫附氣體比重系數(shù)Fr相同,這里根據(jù)方程(6)(7)構(gòu)造電子誘導(dǎo)脫附氣體比重系數(shù)Fj?？傻玫紽j的計(jì)算公式為:

(9)

圖4 電子誘導(dǎo)脫附與熱脫附效率比較

4 低氣壓放電的抑制措施

經(jīng)過上述分析,可以發(fā)現(xiàn)介質(zhì)表面釋氣過程是低氣壓放電的先導(dǎo)過程,只有微波部件內(nèi)部間隙達(dá)到低氣壓放電所需的氣壓—功率閾值,低氣壓放電才可產(chǎn)生。而電子誘導(dǎo)介質(zhì)表面釋氣是微波介質(zhì)部件表面釋氣的重要來源,因此抑制低氣壓放電,提高微波部件低氣壓放電閾值可通過以下兩種途徑實(shí)現(xiàn):首先是介質(zhì)表面改性,通過使用高鍵能材料,減少電子誘導(dǎo)的化學(xué)脫附?；蛘呤褂帽砻嫣幚砉に?在介質(zhì)材料表面鍍上具有低產(chǎn)氣特性的材料;其次是通過抑制介質(zhì)表面電子倍增過程,減小微波部件工作過程中介質(zhì)表面的電子數(shù)目或電子平均動能。如采用周期性陷阱結(jié)構(gòu)的表面,可有效抑制介質(zhì)表面的電子倍增過程,提高微放電閾值[28]。但采用這一方法存在的風(fēng)險(xiǎn)在于,周期性表面會極大增加介質(zhì)表面的有效面積,從而增加了介質(zhì)材料所攜帶的吸附氣體余量。若電子倍增出現(xiàn),即使沒有達(dá)到微放電閾值,倍增電子會使介質(zhì)表面大量釋氣,從而加快介質(zhì)表面氣體環(huán)境的建立,使低氣壓放電閾值下降。

5 結(jié)論

低氣壓放電是威脅星載微波部件在軌安全運(yùn)行的重要因素,也是制約星載微波部件大功率、小型化方向發(fā)展的主要因素。本文首先分析了星載微波部件在軌工作期間內(nèi)部低氣壓條件的形成原因,即放電所需的低氣壓環(huán)境主要來自于微波部件材料吸附氣體的解吸附過程。接著,通過計(jì)算對比了熱效應(yīng)和電子轟擊效應(yīng)對于吸附氣體的脫附效率,發(fā)現(xiàn)高真空條件可以有效清除結(jié)合能小于59kJ/mol的吸附氣體,同時(shí)熱效應(yīng)可使物理吸附氣體高效脫附。而對于鍵能高于84kJ/mol的化學(xué)吸附氣體,熱效應(yīng)所造成的脫附效率遠(yuǎn)低于電子碰撞效應(yīng)。由此說明,在星載微波部件正常工況下,電子碰撞誘導(dǎo)吸附氣體脫附的效率遠(yuǎn)高于熱效應(yīng),當(dāng)微波部件內(nèi)部發(fā)生微放電時(shí),電子誘導(dǎo)脫附氣體將是微波部件內(nèi)部低氣壓環(huán)境的主要成因。最后根據(jù)分析結(jié)果討論了低氣壓放電的抑制措施。