電子輻照介質(zhì)表面電荷分布測(cè)量研究

　　在軌航天器與空間等離子體相互作用，可引起靜電荷在衛(wèi)星表面積累，產(chǎn)生靜電放電，影響航天器的安全運(yùn)行�；�于靜電電容原理，設(shè)計(jì)了表面電荷測(cè)量裝置，并針對(duì)航天器常用的表面介質(zhì)材料，利用建立的表面電荷測(cè)量裝置，開展電子束輻照下表面電荷分布測(cè)量研究。研究結(jié)果可為表面帶電效應(yīng)的深入研究提供手段和參考。

1、引言

　　空間等離子體引起的衛(wèi)星表面充放電效應(yīng)，對(duì)衛(wèi)星的在軌正常工作和安全運(yùn)行具有重要影響。衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，如果衛(wèi)星沉浸于具有一定能量和密度的空間等離子體中，衛(wèi)星表面材料和等離子體相互作用，將使衛(wèi)星表面材料積累電荷，產(chǎn)生表面材料相對(duì)于其他部位的靜電電位。當(dāng)這個(gè)電位達(dá)到擊穿閾值時(shí)，即以電暈、飛弧、擊穿等方式產(chǎn)生靜電放電，并輻射電磁脈沖，對(duì)星上電子系統(tǒng)和材料產(chǎn)生影響，直接威脅衛(wèi)星安全。

　　衛(wèi)星表面充放電效應(yīng)過程是電荷在衛(wèi)星表面材料積累和泄放的過程。為了充分了解衛(wèi)星表面充放電效應(yīng)過程，開展等離子體充電環(huán)境下的星用材料的表面電荷密度分布情況研究是重要手段之一。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)脈沖電壓下真空絕緣子的沿面閃絡(luò)現(xiàn)象，開展大量的絕緣子表面電荷分布測(cè)量研究，但是尚無開展等離子充電環(huán)境下的介質(zhì)表面電荷分布。因此，為了深入研究衛(wèi)星表面充放電效應(yīng)，利用基于靜電電容原理自制的表面電荷測(cè)量探頭，開展了等離子體充電環(huán)境下的介質(zhì)表面電荷分布測(cè)量研究，初步獲得了磁暴等離子體充電環(huán)境下典型星用材料表面電荷分布，為深入研究表面充放電效應(yīng)提供參考。

2、測(cè)量原理

　　靜電電容的表面電荷測(cè)量方法是利用電容分壓原理，靜電容探頭可近似視作電容分壓器，其結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路如下圖1所示。

圖1 靜電電容探針電路測(cè)量原理示意圖

4、試驗(yàn)結(jié)果

　　試驗(yàn)中真空度為8.4×10^-4 Pa，電子槍的發(fā)射的電子能量為18 keV，束流密度為1 nA/cm²。Kapton 材料在模擬空間等離子充電環(huán)境中，一般在30 min 可達(dá)到充電平衡，因此，將待測(cè)樣品在電子環(huán)境中輻照30 min后，利用測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)樣品中心區(qū)域3.5 cm×3.5 cm 范圍進(jìn)行掃描測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。圖5 顯示充電30 min 時(shí)的樣品表面平均電荷密度為-139.69 uC /m²。

圖5　充電30分鐘樣品表面電荷密度分布

圖6　放電之后樣品表面電荷密度分布

　　繼續(xù)對(duì)樣品進(jìn)行輻照充電，直至發(fā)生放電，然后迅速關(guān)閉電子槍，對(duì)樣品進(jìn)行掃描測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。圖6 顯示放電后的平均電荷密度為-30.33 uC/m²，分布較充電平衡時(shí)均勻。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，放電后介質(zhì)表面電荷密度減少到充電平衡時(shí)的約1/5 左右，說明發(fā)生放電并不能完全消耗了介質(zhì)表面積累的電荷，存在一定的殘留電荷。

5、結(jié)論

　　基于電容分壓原理，研制的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)線性特性較好，可用于電子輻照下的介質(zhì)表面電荷分布測(cè)量研究。同時(shí)，利用建立的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)對(duì)模擬空間充電等離子輻照下的典型星用介質(zhì)材料表面電荷分布進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明：充電平衡時(shí)Kapton 材料的表面電荷平均密度可達(dá)-139.69 uC/m²，發(fā)生靜電放電后材料表面大約有1/5 左右的殘留電荷。研究結(jié)果可對(duì)深入研究表面充放電效應(yīng)提供測(cè)試手段和數(shù)據(jù)。