介质材料在电子辐射环境中的放电特性

李伟康，秦晓刚*，柳 青

（1.兰州空间技术物理研究所 a.真空技术与物理重点实验室，b.空间环境材料行为及评价技术重点实验室，兰州 730000）

0 引言

在空间运行的航天器与周围等离子体、太阳辐射等环境因素的相互作用下，电荷积累在航天器表面，使航天器表面与空间等离子体间或者航天器不同部位间充以不同电位的现象，称为航天器表面带电[1-2]。引起航天器表面带电的等离子体粒子能量一般小于100 keV。这种粒子几乎不能穿透航天器表面材料（入射深度为微米量级）而在表面积累。当充电电位达到放电阈值时，就会产生放电现象。放电诱发的对“地”瞬态脉冲会干扰航天器上电子仪器的正常工作，严重时使航天器发生故障，无法完成在轨运行任务。

在空间等离子体环境中，航天器表面不同介质材料的充电电位，电荷沉积的数量以及电荷所持有的能量都存在较大的差异[3]，可能导致材料在放电时其放电电流的峰值、放电频率、电荷损失量以及放电损失的能量存在差异[4-5]。

美国加州大学的Coakley等[6]、Treadway等[7]分别对聚酰亚胺和聚四氟乙烯等航天器表面介质材料进行了放电实验研究，与Balmain等[8]的研究结果进行对比，对部分实验现象做出了理论分析[9-10]，研究表明不同的介质材料在相同等离子体环境中的放电电流峰值是不相同的，这取决于介质材料本身的介电特性；同种介质材料在不同电子能量的等离子体环境中放电电流的峰值是近似不变的；同时在实验中也发现了较厚的材料（在毫米及毫米量级以内）会使得材料的放电电流峰值增高，在材料表面打孔会使得材料的放电电流峰值降低。因此，针对聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料开展了地面模拟放电实验研究，总结实验数据得出各放电波形及其特征数据在不同能量电子环境中的关系，通过对相同面积不同厚度的聚酰亚胺材料和聚四氟乙烯材料的放电实验，探索其放电特性规律，从而根据其特性规律优化材料的应用方案。

1 实验样品及实验方法

针对航天器表面常用的聚酰亚胺（杜邦，商品名为Kapton）和聚四氟乙烯（上海颜琦，商品名为Teflon）介质材料，分别制作了直径为10 cm，厚度为500μm和2 mm厚的圆形材料，把聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料粘贴在铝板做的支架上作为实验样品。

将实验样品固定在真空室内一块金属基底上，正对电子枪，金属基底与结构地通过绝缘垫绝缘，金属基底通过电缆引出真空室外接地，在引出电缆上外接一个放电监测探头，放电探头连接示波器用于测量放电波形，实验中束流密度通过法拉第杯和微电流计测试，实验样品表面电位通过电位计测试，实验系统示意图如图1所示。实验中将真空室抽至6.0×10-4Pa模拟空间真空环境。使用电子枪在选用能量为10～60 keV，束流密度为3.0 nA/cm2的电子对样品进行辐照。

2 实验结果及分析

2.1 聚酰亚胺和聚四氟乙烯在不同电子环境中放电实验结果

实验中得出的放电电流峰值、放电持续时间、放电频率与两种介质材料在材料厚度之间关系的数据如表1所列。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system

表1 两种厚度材料的地面模拟放电实验数据Table1 Ground simulated discharge test data for two thickness of materials

实验中通过示波器得到的聚酰亚胺和聚四氟乙烯介质材料的典型放电波形如图2所示，其中（a）为厚度500μm聚酰亚胺材料的典型放电波形、（b）为厚度2 mm聚酰亚胺材料的典型放电波形、（c）为厚度500μm聚四氟乙烯材料的典型放电波形、（d）为厚度2 mm聚四氟乙烯材料的典型放电波形。

对比图2中（a）、（c）和（b）、（d）波形，可以看出在两种厚度下介质材料的放电波形包络大致相同，这是因为电子能量较低，无法击穿粘贴在支架上的聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料，所以大量的电子沉积在材料表面。沉积在材料表面的电子越来越多使得材料与金属支架之间形成的电场越来越强，当电场强度超过材料在该环境中的放电阈值时就会在材料与金属支架之间产生放电。从图中可以看出电流波形存在振荡是因为在电路连接中存在电阻和杂散电容构成了阻尼振荡。

图2 不同厚度聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料典型放电波形图Fig.2 Typical discharge waveform of different thickness PI&PTFE

2.2 聚酰亚胺和聚四氟乙烯在不同电子环境中放电特性分析

（1）电子能量对放电电流峰值的影响

随着电子能量的增大，同厚度聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料的放电电流峰值没有发生变化，500μm、2 mm聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料的放电电流峰值随电子能量之间的关系曲线如图3所示。因为在低能电子所形成的等离子体环境中，电子不能击穿介质材料从而累积在材料表面，与基底之间形成电场。当电场强度超过材料的放电阈值时，材料才能形成放电通道产生放电电流。实验中决定材料放电的是材料表面与基底之间形成的电场是否达到了材料的放电阈值，材料表面积累电荷量的多少决定了材料与基底之间所形成静电场强度的大小，其与积累在材料表面的电荷量有关而与电子能量的大小没有关系。所以材料放电电流峰值并不随着电子能量的增加而变化，稳定在一个固定的数值附近。

（2）材料厚度对放电电流峰值的影响

随着聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料厚度的增加放电电流峰值都有明显的增加，在图3中能反映出来。对于厚度500μm和2 mm的聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料而言，随材料厚度增加其电容减小，沉积同样的电荷将表现出更高的电位，且厚度不同的材料趋向的平衡电位也不再相同。电子辐照时间相同，对于较厚的材料，表面电位将会越高，当电荷累积超过材料的平衡电位时单位时间所泄放的电荷量更多，放电电流更大。

图3 两种厚度材料放电电流峰值曲线Fig.3 Discharge peak current curve for two thickness of materials

（3）电子能量对放电频率的影响

在低能电子环境中，随着电子能量的逐渐增大，单位时间内材料放电的次数会逐渐的增大，500μm、2 mm厚聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料的放电频率随电子能量之间的关系曲线如图4所示。

由Willis等[11]的研究结果可知，当聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料入射的电子能量大于0.5 keV时，介质材料的二次电子发射系数是小于1的单调递减曲线，即入射的电子能量越大，二次电子发射系数越小，材料表面净电荷的累积速率更快，达到介质材料放电阈值所需的时间越短，使得材料的放电频率随着电子能量的增加而增大且呈现出正相关的特性。

（4）材料厚度对放电频率的影响

两种厚度的材料，厚度较厚的材料其放电频率较小。综合图3和图4可知，对于不同厚度的的聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料，随着材料厚度增大，相同时间内样品表面的电位也随之增加，且趋向的平衡电位也会随之增加，只有当充电电位超过该平衡电位时，材料表面才能够发生放电。在相同能量的电子环境中，材料较厚，材料的表面电位相同时，介质材料与基底之间形成的电场较小，而要使材料表面电位达到放电阈值要求，则在相同能量的电子辐射下必须对厚度较大的介质材料进行更长时间的辐照，所以在相同的电子辐照时间内厚度越大的介质材料放电频率越小。

图4 两种厚度材料放电频率曲线Fig.4 Discharge frequency curve for two thickness of materials

3 结论

通过对不同厚度的航天器表面常用聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料进行地面模拟放电实验，得出航天器常用的介质材料聚酰亚胺和聚四氟乙烯在不同厚度下，不同能量的电子环境中的放电特性。

（1）随着电子能量从10～60 keV逐渐增大，不同厚度的材料放电电流的峰值不随着电子能量的增大而增大，其取决于材料本身放电阈值的大小，随着电子能量增大，材料在单位时间内的放电频率增大，放电频率随着电子能量的增加呈现出正相关的特性。

（2）随着材料厚度从500μm增加到2 mm，材料与基底之间形成的电容变小，电子辐照时间相同时，材料表面的充电电位更高，达到静电平衡时积累的电荷量更多，进而促使放电电流峰值随材料厚度的增厚而增大；同时厚度较厚的介质材料在其表面电位满足放电阈值所需电荷累积量越大则其所需电子辐照的时间越长，使得材料厚度较厚时，单位时间内放电频次更低。