一種測(cè)量航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)的裝置及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出了一種測(cè)量航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)的裝置和方法，所述裝置包含：輻射源，真空單元，樣品靶臺(tái)，控制單元；靜電電位計(jì)，用于測(cè)量某一通量時(shí)的試樣介質(zhì)的表面電位；靜電計(jì)，用于測(cè)量某一通量時(shí)試樣的泄露電流；總電導(dǎo)率獲得單元，用于基于測(cè)量得到的表面電位和泄露電流得到總電導(dǎo)率；電位衰減測(cè)量單元；第一處理單元，用于基于得到的電位隨時(shí)間衰減曲線和電荷貯存衰減法，得到各通量下的暗電導(dǎo)率值，再取平均得到最終的暗電導(dǎo)率σ0；第二處理單元，用于基于得到的暗電導(dǎo)率和總電導(dǎo)率，得到在兩種不同的束流強(qiáng)度在材料體積中產(chǎn)生劑量率對(duì)應(yīng)的輻射誘發(fā)電導(dǎo)率，進(jìn)而獲得試樣材料相關(guān)的參數(shù)數(shù)Kp和無(wú)量綱指數(shù)Δ值。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種測(cè)量航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天器介質(zhì)材料電導(dǎo)率測(cè)量方面的內(nèi)容，具體涉及一種測(cè)量航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在太陽(yáng)活動(dòng)期間，地球中高軌道的高能電子通量將顯著增強(qiáng)，這些高能電子可穿透航天器蒙皮，在其內(nèi)部的絕緣介質(zhì)或孤立導(dǎo)體上沉積并建立電場(chǎng)，如果充電導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿閾值，或相鄰結(jié)構(gòu)間出現(xiàn)較高的電位差，便會(huì)產(chǎn)生靜電放電，對(duì)航天器的電子系統(tǒng)造成干擾、偽指令，甚至燒毀。美國(guó)對(duì)298起航天器在軌故障原因的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，深層充電導(dǎo)致的故障占總數(shù)的1/4以上。其中，不乏像航天器失效這樣的嚴(yán)重事例，例如ANIK-El、ANIK-E2、Galaxy_4，以及較近發(fā)生的Galaxy-15等。包含同步軌道在內(nèi)的地球中高軌道，是導(dǎo)航、通信、氣象等眾多衛(wèi)星的必選軌道，深層充電效應(yīng)時(shí)時(shí)威脅著這些衛(wèi)星的安全運(yùn)行，同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目標(biāo)，這些衛(wèi)星通常對(duì)可靠性有著非常嚴(yán)格的要求，在這種形勢(shì)下，做好深層充電效應(yīng)的評(píng)估和防護(hù)就至關(guān)重要。
[0003]在對(duì)航天器深層充電風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估的過(guò)程中，航天器上所使用絕緣介質(zhì)材料的電導(dǎo)率是非常關(guān)鍵的輸入?yún)?shù)。盡管被稱(chēng)為“絕緣”材料，實(shí)際上這些材料仍然存在導(dǎo)電能力，只是其電導(dǎo)率的值非常小，在絕大多數(shù)應(yīng)用情況下可以忽略，從而近似認(rèn)為材料是絕緣的，但對(duì)于深層充電效應(yīng)來(lái)說(shuō)，介質(zhì)材料的電導(dǎo)率是不能忽略的，并且是對(duì)充電過(guò)程起支配作用的物理量。深層充電現(xiàn)象可簡(jiǎn)單理解成“電荷積累”和“電荷泄露”這兩個(gè)動(dòng)態(tài)物理過(guò)程的競(jìng)爭(zhēng)，即空間輻射電子在材料內(nèi)逐漸沉積的同時(shí)，由于電導(dǎo)率的存在，這些電荷也在通過(guò)接地點(diǎn)向外緩慢泄露。起初，由于沉積在介質(zhì)材料內(nèi)的電荷較少，由這些電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)E較小，因此，泄漏電流Jc也較?。浑S著沉積電荷的積累，E逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致J。逐漸增大；若不發(fā)生放電，這一過(guò)程將最終達(dá)到平衡，此時(shí)，泄漏電流Jc與沉積電流Jt相等。電荷泄漏的過(guò)程滿足歐姆定律Je=o E，其中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，J。為傳導(dǎo)電流，σ為介質(zhì)材料的電導(dǎo)率，它決定著充電平衡時(shí)間以及達(dá)到平衡時(shí)的狀態(tài)。
[0004]在空間應(yīng)用情況下，介質(zhì)材料的電導(dǎo)率并不是一個(gè)常數(shù)，而是受多種因素的影響而發(fā)生著顯著地變化。通常將介質(zhì)材料的電導(dǎo)率描述為暗電導(dǎo)率和輻射誘發(fā)電導(dǎo)率兩項(xiàng)之
和，即σ =σ0+σric(D)其中，暗電導(dǎo)率Otl是溫度和場(chǎng)強(qiáng)的函數(shù)，輻射誘發(fā)電導(dǎo)率是劑
量率5的函數(shù)。國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展的試驗(yàn)證實(shí)，對(duì)于航天器常用的介質(zhì)材料，例如，聚酰亞胺、環(huán)氧樹(shù)脂等，在空間輻射環(huán)境下，其輻射誘發(fā)電導(dǎo)率有可能高出暗電導(dǎo)率幾個(gè)量級(jí)，成為總電導(dǎo)率大小的決定項(xiàng)。輻射誘發(fā)電導(dǎo)率可描述為σric=kpDΔ，其中，kp和Λ是材料相關(guān)的參數(shù)。
[0005]為了準(zhǔn)確評(píng)估深層充電效應(yīng)，需要在實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確測(cè)量材料的σ0、kp和Λ等電導(dǎo)率相關(guān)參數(shù)。工業(yè)測(cè)量方法(ASTMD-257-9)的測(cè)量結(jié)果不能準(zhǔn)確反映空間應(yīng)用的情況；與美國(guó)航空航天局NASA-DHBK-4002A手冊(cè)中提出的電荷貯存衰減法相比，本文方法不僅測(cè)得暗電導(dǎo)率，而且還能得到輻射誘發(fā)電導(dǎo)率參數(shù)，為深層充電評(píng)估提供更準(zhǔn)確的輸入條件。
[0006]在已有的專(zhuān)利申請(qǐng)中，沒(méi)有涉及航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)的裝置及方法的專(zhuān)利申請(qǐng)。
[0007]1.現(xiàn)有技術(shù)方案(主流的技術(shù)方案)
[0008](I)工業(yè)測(cè)量方法(ASTM D257-93)，如圖1所示。
[0009]如圖1所示，常用的工業(yè)測(cè)量電導(dǎo)率的方法是在地面大氣環(huán)境中給介質(zhì)前后加偏壓V，用皮安表測(cè)量漏電流I，由歐姆定律計(jì)算得到介質(zhì)電阻:
[0010]
【權(quán)利要求】
1.一種測(cè)量航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)的裝置，其特征在于，所述裝置包含: 輻射源，用于對(duì)位于工位上的試樣進(jìn)行輻照； 真空單元，用于將放置溫控靶臺(tái)的真空罐進(jìn)行抽真空處理； 樣品靶臺(tái)，用于設(shè)置放置試樣的工位； 控制單元，用于: 對(duì)輻射源的閘門(mén)進(jìn)行開(kāi)啟或關(guān)閉，啟動(dòng)真空單元對(duì)真空罐抽真空，監(jiān)測(cè)真空罐中的真空度，測(cè)量試樣的表面電位和泄露電流后關(guān)閉輻射源；用于控制輻射源發(fā)射的電子能量值；用于控制輻射源輻射的電子通量值； 靜電電位計(jì)，用于與電位探頭相連，采用非接觸式方法測(cè)量某一通量時(shí)的試樣介質(zhì)的表面電位； 靜電計(jì)，用于通過(guò)導(dǎo)線直接接于試樣背面背電極上測(cè)量某一通量時(shí)試樣的泄露電流； 總電導(dǎo)率獲得單元，用于基于測(cè)量得到的表面電位和泄露電流得到總電導(dǎo)率； 電位衰減測(cè)量單元，用于當(dāng)輻射源停止輻照時(shí)，保持真空和溫度設(shè)置，將試樣調(diào)至電位探頭探測(cè)工位處，按一定的時(shí)間間隔升降電位探頭，測(cè)量并記錄試樣電位隨時(shí)間的衰減情況，得到某一通量時(shí)電位隨時(shí)間衰減曲線； 第一處理單元，用于基于得到的電位隨時(shí)間衰減曲線和電荷貯存衰減法，得到各通量下的暗電導(dǎo)率值，再取平均得到最終的暗電導(dǎo)率σ 0 ; 第二處理單元，用于基于得到的暗電導(dǎo)率和總電導(dǎo)率，得到在兩種不同的束流強(qiáng)度在材料體積中產(chǎn)生劑量率對(duì)應(yīng)的輻射誘發(fā)電導(dǎo)率，再依據(jù)輻射誘發(fā)電導(dǎo)率公式和得到的兩個(gè)輻射誘發(fā)電導(dǎo)率確定與材料相關(guān)的參數(shù)數(shù)Kp和無(wú)量綱指數(shù)Λ值； 其中，當(dāng)輻射源進(jìn)行輻照過(guò)程中保持束流強(qiáng)度不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)的裝置，其特征在于，所述樣品靶臺(tái)采用可旋轉(zhuǎn)式溫控多工位樣品靶臺(tái)，該可旋轉(zhuǎn)式溫控多工位樣品靶臺(tái)進(jìn)一步包含: 正多面體單元，該單元的每一個(gè)面為用于放置試樣的工位； 溫控管，用于控制試驗(yàn)溫度； 動(dòng)密封裝置，用于轉(zhuǎn)動(dòng)所述正多面體單元，使正多面體單元包含的工位按試驗(yàn)需要進(jìn)行電子槍輻射工位或電位探頭探測(cè)工位的選擇，并且在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中保證真空罐不漏氣，維持其真空度； 其中，所述正多面體固定于動(dòng)密封裝置之上，隨動(dòng)密封裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)選擇試驗(yàn)所需的工位；溫控管從動(dòng)密封裝置內(nèi)部穿過(guò)與正多面體相連，以熱傳導(dǎo)的方式通過(guò)半導(dǎo)體溫控部件來(lái)調(diào)節(jié)銅制正多面體靶臺(tái)上試樣的試驗(yàn)溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)的裝置，其特征在于，依據(jù)束流強(qiáng)度在一定厚度的介質(zhì)中產(chǎn)生的軔致輻射劑量率與空間真實(shí)環(huán)境下受輻照介質(zhì)中的電離劑量率相當(dāng)?shù)脑瓌t選擇束流強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)的裝置，其特征在于，采用保護(hù)環(huán)消除試樣的邊緣效應(yīng)。
5.一種測(cè)量航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)方法，所述方法為: 步驟101)利用一定能量和通量的電子束流輻照材料樣品，將電荷注入到樣品的表層，同時(shí)，輻照電子產(chǎn)生的軔致輻射會(huì)在整個(gè)樣品內(nèi)部形成較均勻的劑量率分布； 步驟102)監(jiān)測(cè)樣品的表面電位和泄漏電流，以及停止輻照后的電位衰減情況，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得電導(dǎo)率的各相關(guān)參數(shù)，所述相關(guān)參數(shù)包含暗電導(dǎo)率及與輻射誘發(fā)電導(dǎo)率相關(guān)的參數(shù)Kp和無(wú)量綱指數(shù)Λ。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)方法，其特征在于，所述步驟101)之前還包含:選擇需要測(cè)量的航天器介質(zhì)材料樣品，加工為平板形狀，并對(duì)樣品背面鍍銅電極；將樣品裝入溫控靶臺(tái)，然后抽真空，打開(kāi)溫控系統(tǒng)，設(shè)定溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)方法，其特征在于，所述步驟102)進(jìn)一步包含: 步驟102-1)將一片背部接地的平板形狀材料樣品，置于電子槍的輻照之下，在輻照過(guò)程中保持束流強(qiáng)度不變，持續(xù)輻照一段時(shí)間后，測(cè)量樣品的表面電位和泄漏電流，進(jìn)行處理得到樣品的總電導(dǎo)率； 步驟102-2)用上述方法求得材料的總電導(dǎo)率之后，停止輻照，觀測(cè)樣品的電位衰減曲線，利用電荷貯存衰減法求得材料的暗電導(dǎo)率，用總電導(dǎo)率減去暗電導(dǎo)率，即得到某個(gè)束流強(qiáng)度在材料體積中產(chǎn)生劑量率對(duì)應(yīng)的輻射誘發(fā)電導(dǎo)率； 步驟102-3)改變輻照電子的束流強(qiáng)度，即改變劑量率，再重復(fù)上述各步驟得到另一個(gè)輻射誘發(fā)電導(dǎo)率，利用兩次不同劑量率情況下的輻射誘發(fā)電導(dǎo)率，即可求得參數(shù)1^和Λ ； 其中，所述劑量率5是由蒙特卡羅方法模擬計(jì)算求得。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)方法，其特征在于，所述劑量率6采用如下方法獲得: 通過(guò)蒙特卡羅模擬，依據(jù)原則選擇輻照電子能量通量及試樣厚度，所述原則為使得軔致輻射劑量率在整個(gè)試樣內(nèi)近似均勻分布； 利用蒙特卡羅方法，模擬計(jì)算劑量率在試樣內(nèi)的沉積分布，去除試樣表層由電子直接電離產(chǎn)生的劑量率，將試樣體積內(nèi)由軔致輻射產(chǎn)生的劑量率的均值作為計(jì)算用的劑量率0。`
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量航天器介質(zhì)材料深層充電特征參數(shù)方法，其特征在于，選擇束流強(qiáng)度的依據(jù)為:束流強(qiáng)度在一定厚度的介質(zhì)中產(chǎn)生的軔致輻射劑量率與空間真實(shí)環(huán)境下受輻照介質(zhì)中的電離劑量率相當(dāng)。
【文檔編號(hào)】G01N27/02GK103454315SQ201310421386
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】張振龍, 曹旭緯, 吳逢時(shí), 韓建偉, 李書(shū)田 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心