卫星柔性热控薄膜材料充放电效应试验

陈益峰,王金晓,冯 娜,秦晓刚,杨生胜,季启政,韩炎晖,柳 青

(1. 许昌学院 表面微纳米材料研究所, 河南 许昌 461000; 2. 北京东方计量测试研究所, 北京 100086;3. 兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室, 甘肃 兰州 730000)

地磁亚暴期间,运行于地球同步轨道(geosynchronous earth orbit, GEO)的卫星将遭遇大通量的高能等离子体,导致卫星表面产生数千甚至上万伏的充电电位[1-4],诱发的静电放电不仅造成卫星表面功能材料的损伤,同时放电脉冲还将耦合干扰器件与电路的正常工作,造成卫星电子系统的异常与故障[5-8]。

柔性热控薄膜材料常用于卫星的外表面,可有效将卫星内部温度环境与空间差异巨大的热环境相隔离,保障卫星系统的正常运行,因此其空间环境的适应性和性能的稳定性对于卫星在轨安全至关重要[9-12]。由于柔性热控薄膜材料功能的特殊性,一般由多层的不同材料复合而成。kapton(聚酰亚胺)基二次表面镜薄膜是应用较为广泛的柔性热控薄膜材料,其包含三层结构:最外层的氧化铟锡(indium tin oxides, ITO)具有较好导电型,其厚度为数百纳米,可将空间电子在其表面沉积的电荷均匀化;kapton材料由于较好的稳定性而作为中间基底层,厚度约为数十微米;最内层为铝或金材料,主要作为太阳辐射的反射层,其厚度为数百纳米[13]。

目前,国内外航天机构建立的GEO表面带电效应模拟试验方法中通常采用能量为12 KeV的电子模拟空间辐射环境[14-16],但由于kapton基二次表面镜薄膜材料最外层的ITO材料具有数百纳米的厚度,导致12 KeV电子很难穿透ITO并到达易发生充放电效应的kapton层[17-18],可能造成试验中柔性热控薄膜材料的充放电效应不明显。

然而,地磁亚暴发生时GEO的等离子体具有较高能量,美国宇航局(national aeronautics and space administration, NASA)建议的GEO双麦等离子体环境模型中将电子的峰值能量设置为27.5 KeV[1-2, 19]。由此可知:仅采用能量较低电子辐照的试验方法是无法全面复现柔性热控薄膜材料充放电效应的在轨真实状态[20]。因此,亟须研究辐照电子能量对柔性热控薄膜材料充放电效应的影响规律,为建立适用于多层薄膜类材料的充放电效应模拟试验方法奠定基础。

本文针对kapton基二次表面镜薄膜材料的结构特点,采用不同能量电子辐照的方法开展二次表面镜薄膜材料充放电效应的测试试验,并完成其充放电特性研究,分析辐照电子能量对充放电效应的影响规律。

1 试验方法

本项试验的测试装置示意图如图1所示,采用电子枪产生的辐照电子模拟空间高能电子环境,为研究电子能量对柔性热控薄膜材料充放电效应的影响规律,试验中辐照电子的能量分别设置为10 KeV、25 KeV、40 KeV、55 KeV和70 KeV,不同能量电子的辐照时间均为120 min;并利用法拉第筒与静电计6517A监测辐照电子的束流密度,试验中辐照电子的束流密度均设置为1 nA/cm2。

图1 测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

试验中的测试样品采用兰州空间技术物理研究所研制的kapton基防静电镀铝柔性二次表面镜薄膜,主要包括ITO、kapton、铝三层结构。ITO层主要用于表面电荷均匀化,但凭ITO材料密度(7.2 g/cm3)远大于kapton材料密度(1.4 g/cm3),增加ITO层厚度将直接增大薄膜材料的质量,降低卫星效能,同时考虑到薄膜材料采用的大面积磁控溅射加工工艺以及ITO材料的光学性能(可见光透过率为85%),增加ITO厚度将增大薄膜制备难度并降低热控效果,因此工程应用中仅镀敷一层极薄的ITO材料,厚度约为200 nm[21]。

kapton材料凭借优异的耐高低温性能和柔韧性成为广泛使用的基底材料,目前GEO卫星通常采用kapton 层厚度为50 μm的热控薄膜。反射层材料一般选取金属,由于铝具有较好的机械强度和附着性能,因此成为常用的反射材料,层厚一般为200 nm[13]。

试验中测试参数主要有表面充电电位和静电放电脉冲频次。样品表面电位采用非接触式表面电位测量仪(Terk341A)测试,将表面电位探头放置于三维驱动机构上,测试时通过三维驱动机构将探头移至样品表面,测试完成后将探头移出电子辐照区域。在电子辐照前40 min内每间隔5 min测试一次,之后每间隔20 min测试一次。

静电放电脉冲则用电流探头(Tektronix CT-2)和数字示波器(Terk DPO4104)测试,试验过程中始终保持监测状态。

静电放电脉冲频次F用式(1)计算:

F=N/T

(1)

式中:T为统计时间,本试验中每30 min统计一次;N为在统计时间T内共观测到的静电放电次数。

2 试验结果与分析

本项研究针对柔性热控薄膜材料样品,采用不同能量电子辐照的方法,测试kapton基二次表面镜薄膜的表面充电电位和静电放电频次等充放电特性参数,从而研究其充放电效应规律。图2是不同能量电子辐照下,kapton基二次表面镜薄膜样品的表面充电电位随辐照时间的变化规律,并在图中标出了25 KeV和40 KeV电子辐照时薄膜样品发生静电放电的时间位置。

图2 不同能量电子辐照下kapton基二次表面镜薄膜 材料的表面充电电位随辐照时间的变化规律,以及 25 KeV和40 KeV电子辐照时薄膜发生静电放电的时间Fig.2 Variation of surface charging potential of kapton- based secondary surface mirror film material with irradiation time under different energy electron irradiation, and time of electrostatic discharge of the film under 25 KeV and 40 KeV electron irradiation

从图2可以看出:在10～70 KeV的电子辐照下,kapton基二次表面镜薄膜材料表面充电电位的幅值均随辐照时间增加而升高;当辐照时间为20 min左右时,不同能量电子辐照下的薄膜材料的表面充电电位都达到了平衡状态。

同时,随着辐照电子能量的升高,材料平衡电位的幅值呈先增加后下降的趋势。当辐照电子能量为10 KeV时,其平衡电位仅为-1 100 V左右;而当辐照电子能量增加至25 KeV时,平衡电位约为-1 250 V。这主要是由于辐照电子将在材料表面产生负电荷积累,从而对后续辐照的电子产生阻挡效应,使得能量较低的电子无法到达材料表面,而能量高的电子能够突破阻挡作用,并在材料表面进一步积累,导致表面充电电位的幅值更高。

随着辐照电子能量的进一步增加,kapton基二次表面镜薄膜材料表面平衡电位呈下降趋势。当辐照电子能量增加至40 KeV时,平衡电位约为-1 000 V;当电子能量为55 KeV时,平衡电位约为-800 V;当电子能量为70 KeV时,平衡电位约为-500 V。

为分析这一试验现象,本项研究采用多层屏蔽仿真程序软件(multi-layered shielding simulation software, MULASSIS)模拟了不同能量电子在kapton基二次表面镜薄膜材料中的输运轨迹,结果如图3所示。MULASSIS由欧洲宇航局(European space agency, ESA)开发,是基于蒙特卡罗输运软件Geant4的一维多层辐射屏蔽仿真程序,已广泛应用于空间辐射粒子与材料作用过程的仿真分析[22]。仿真计算中设置的kapton基二次表面镜薄膜各层材料的特性与结构参数如表1所示。

图3 不同能量电子在kapton基二次表面 镜薄膜材料中的输运轨迹模拟结果Fig.3 Simulation results of transport trajectories in kapton-based secondary surface mirror film materials with different energy election

表1 kapton基二次表面镜薄膜各层材料 的特性与结构参数Tab.1 Properties and structural parameters of each layer of kapton-based secondary surface mirror film material

从图3可以看出,随着辐照电子能量的增加,电子在薄膜材料中kapton层的穿透深度越大,则沉积在kapton层的电荷越靠近Al层,而Al层为接地状态,大量电荷将通过Al层泄漏;当辐照电子能量增加至70 KeV时,有部分电子直接穿透kapton层,并从Al层中直接泄露。因此,当辐照电子能量越大时,在二次表面镜薄膜材料内部沉积电荷量却随之减少,导致表面充电电位的幅值下降。

同时,从图2可以看出,当表面充电电位达到平衡后,10 KeV、55 KeV和70 KeV电子辐照下样品的表面充电电位变化不大,而25 KeV和40 KeV电子辐照下样品的表面充电电位出现多次的波动。对照薄膜样品发生静电放电发生的时间可以发现:当表面充电电位发生较大波动时,电位测试前薄膜样品均发生多次且连续的静电放电,如25 KeV电子辐照时,第25 min和第40 min的电位测试前数分钟内薄膜发生了3～4次静电放电,且间隔时间很短,同样的情况发生在40 KeV电子辐照的第35 min、第100 min等时间的电位测试。

因此,在25 KeV和40 KeV电子辐照时表面充电电位的波动应是由kapton基二次表面镜薄膜材料在短时间内发生多次静电放电造成的。当薄膜样品发生多次且连续的静电击穿时,材料内部沉积电荷将被大量的泄漏,导致表面充电电位幅值减小,从而使得测试过程中出现表面充电电位波动。

为进一步研究辐照电子能量对薄膜材料静电放电规律的影响,图4给出了kapton基二次表面镜薄膜材料样品分别在10 KeV、25 KeV、40 KeV、55 KeV和70 KeV电子辐照下的静电放电频次的测试结果。

图4 不同能量电子辐照下,kapton基二次表面 镜薄膜材料样品静电放电频次的测试结果Fig.4 Test results of electrostatic discharge frequency of Kapton-based secondary surface mirror film materials under different electron election irradiation

从图4可以看出,当辐照电子能量为10 KeV时,kapton基二次表面镜薄膜样品放电频次很小,整个试验过程中仅发生一次放电,这主要是由于电子能量较低,绝大部分电子主要在ITO层中,而ITO具有很好的导电型,使得表面电荷均匀化,很难诱发静电击穿。

随着能量的增加,将有更多的辐照电子穿透ITO层而沉积在kapton层,而kapton层是薄膜材料中易发生静电放电的部位,因此当辐照电子的能量为25 KeV时,薄膜样品的放电率明显增加,达到了0.15～0.35次/min。当辐照电子能量进一步增加时,薄膜材料样品放电频次反而减小,能量为40 KeV时放电频次为0.13～0.23次/min;能量为55 KeV时放电频次为0.10～0.16次/min;能量为70 KeV时放电频次为0～0.06次/min。这主要是由于随着辐照电子能量的增加,更多的电子将穿透kapton层到达金属Al层,造成kapton层中沉积电荷量减少,从而导致静电放电的频次降低。

同时,在电子辐照介质材料的过程中将产生辐射诱导电导率[23],且能量越高的电子产生的辐射诱导电导率越大,导致更大的电流泄漏,使得材料内部沉积的电荷量越少。表2是不同电子辐照环境下,薄膜材料中kapton层内的辐射诱导电导率的计算结果。

表2 不同电子辐照环境下,kapton基二次表面镜薄膜材料中kapton层内的辐射诱导电导率计算结果

表2中剂量率D由MULASSIS计算获得。辐射诱导电导率σ(D)由式(2)[24]计算给出:

σ(D)=σ0+k·DΔ

(2)

式中,k为辐射诱导系数,Δ为剂量率系数。对于kapton材料,σ0取10-15Ω-1·m-1,k取10-13Ω-1·cm-1·rad-1·s,Δ取0.6。

从表2中可以看出:当辐照电子能量为10 KeV时,由于电子未能穿透kapton基二次表面镜薄膜中的ITO层,因此在kapton层中的剂量率为0,材料的电导率未发生变化;随着辐照电子能量的增加,kapton层内的剂量率和辐射诱导电导率均呈不断增加的趋势,且比无辐照时材料的电导率大一个数量级以上,同时当电子能量从25 KeV增加至70 KeV时,材料的电导率从2.29×10-12Ω-1·cm-1上升至5.89×10-12Ω-1·cm-1,此时kapton层的导电性能增加了近3倍,导致更多的电荷能够泄漏,从而使得kapton基二次表面镜薄膜材料静电放电的频次减小。

3 结论

本文针对空间柔性热控薄膜材料的组成与结构特点,以kapton基二次表面镜薄膜材料为试验对象,采用能量为10～70 KeV的电子辐照的方法,并利用非接触式表面电位测量仪和静电放电监测装置分别测试表面充电电位和静电放电脉冲,完成了不同能量电子辐照下kapton基二次表面镜薄膜材料充放电效应模拟试验,获得了表面充电电位、静电放电频次等关键参数,并分析研究了辐照电子在多层薄膜材料内的输运规律,为空间薄膜功能材料的空间环境适用性分析和空间应用提供了有效的环境数据和设计指导。

研究结果表明随着辐照电子能量的增加,kapton基二次表面镜薄膜材料的表面充电电位幅值与静电放电频次均呈先上升后下降的规律,并在辐照电子能量为25 KeV时充放电效应最为显著,其中表面充电电位约为-1 250 V,静电放电频次最大为0.35次/min,这主要是当能量较低时,辐照电子没法穿透ITO层,导致薄膜材料充放电效应不明显,而能量更高的辐照电子将直接穿透kapton层而不在其中沉积,同时产生更大的辐射诱导电导率,导致材料内部沉积电荷更容易泄漏,因此表面电位幅值和放电频次也随之下降。