不同面積Kapton材料的放電特性實驗研究

劉海波,李得天,楊生勝,湯道坦,柳 青,王婷婷

(蘭州空間技術物理研究所 真空低溫技術與物理重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

暴露在空間等離子環境中的航天器表面材料在入射的電子、離子、表面光電發射、背散射電子及漏電流作用下積累電荷，可使材料充至數十千伏的電位[1]。當充電電位達到放電閾值時，就會產生放電現象。放電誘發的對“地”瞬態脈沖會干擾航天器上電子儀器的正常工作，嚴重時使航天器發生故障，無法完成在軌運行任務。

在空間等離子環境下，不同面積航天器表面絕緣材料的充電電位、電荷貯存量和能量差異較大，可能引起其放電電流峰值、放電電荷損失量和放電能量損失有所不同。通過對不同面積的Kapton材料進行放電實驗，探索其放電特性規律，可以根據這些放電特性規律制定材料的應用方案、設計濾波器、選擇元器件和優化電路等方式減小其放電對航天器正常工作的影響。

加拿大的Balmain、Kremer等和路易斯研究中心的Paul等分別對小于100 cm2和232～5 085 cm2的航天器表面絕緣材料進行了放電實驗研究，其得出的研究結果存在較大差異。研究表明材料面積小于100 cm2時，放電電流峰值同面積呈線性關系；而當材料面積在232～5 085 cm2時，放電電流峰值同材料面積的關系為Im-s0.4[2-5]。針對Kapton材料開展了地面模擬放電實驗研究，文章得出各放電特性和放電波形同材料面積的關系，并綜合本次實驗數據和國外研究結果，提出能夠適應以上差異的結論。

1 實驗裝置及方法

針對航天器表面常用的Kapton溫控材料，分別制作了20 mm×20 mm、40 mm×40 mm、50 mm×50 mm、60 mm×60 mm、80 mm×80 mm、100 mm×100 mm、140 mm×40 mm、150 mm×150 mm的正方形鋁板，在鋁板上用導電銀膠黏貼125μm厚的Kapton材料作為實驗樣品。樣品實物圖如圖1所示。

圖1 樣品實物圖

實驗中將真空系統抽至6×10-4Pa的真空度來模擬空間真空環境。使用德國STAIB電子槍模擬空間電子輻照環境。由于地球同步軌道航天器進入地磁亞暴引起的增強等離子區域時容易發生充放電現象，這里根據地磁亞暴期間的環境參數，選用能量為25 keV，束流密度為2.5 nA/cm2的電子對樣品進行輻照。實驗中采用取樣電阻的方式來測量放電波形，測量電路如圖2所示。

圖2 地面模擬放電實驗系統示意圖1.導電銀膠；2.電子槍；3.kapton材料；4.鋁板；5.示波器；6.真空室；7.抽真空系統

通過前期摸底實驗發現，采用在放電回路中串聯1 Ω和0.3 Ω的電阻，將0.3 Ω電阻作為取樣電阻來測量放電脈沖波形的方式能夠很好的測量放電信號。

根據以上設計的樣品和測量方法，構建如圖2所示的實驗系統。由于電子束對同軸電纜的絕緣外表皮充電可能引起放電干擾，影響對樣品放電波形的測量。因此對同軸電纜進行了外層屏蔽，即給同軸電纜外部包覆了一層0.3 mm的銅箔，并對其進行接地處理，避免在銅箔上產生懸浮電位。

2 實驗結果及分析

2.1 放電脈沖波形分析

由實驗中的波形數據得出20 mm×20 mm、40 mm×40 mm、50 mm×50 mm、60 mm×60 mm的正方形Kapton樣品的典型放電波形如圖3所示。

圖3 不同面積Kapton材料典型放電波形

由實驗中的波形數據得出80 mm×80 mm、100 mm×100 mm、140 mm×140 mm 、150 mm×150 mm正方形Kapton樣品有如圖4(a)、(b)、(c)所示的三種典型放電波形。

圖4 不同面積Kapton材料典型放電波形

將圖3波形和圖4(a)、(b)、(c)波形對比，可知小面積Kapton材料的放電脈沖更窄，且有一個明顯的負向峰值。由圖4(b)看出大面積材料放電誘發的瞬態脈沖波形會出現兩個波峰，而且由更多的實驗數據對比發現，材料的面積越大，會呈現出更明顯的雙峰波形，在150 mm×150 mm的Kapton樣品中甚至出現三個波峰的波形。結果表明面積大的材料，初次放電只能將材料表面部分區域的電荷泄放出去，初次放電后造成的局部電荷損失在放電點附近產生了超過放電閾值的電勢差，從而誘發了第二次放電，兩次放電的波形疊加在一起就形成了圖4(b)所示的雙峰波形。面積越大的材料，上述效應就更明顯，所以更容易出現雙峰，甚至三個波峰的波形。由圖4(c)可看出，在波形到達波峰后開始緩慢下降，這可能是由于在金屬板和地之間加了電阻，在放電結束后電阻引起的阻尼振蕩的結果。而且圖4(c)所示的放電波形的放出電荷量和能量都很大，由圖4(c)中的細線所示數值計算得出其放出電荷量為233.3μm，如果該波形出現在在軌運行的航天器中，則可能引起嚴重的電子線路故障。

2.2 放電特性與Kapton材料面積關系分析

實驗中得出的放電電流峰值、放電持續時間、放電電荷損失量、放電頻率同材料面積關系的數據如表1所列。

通過對表1所列實驗數據總結，得出放電電流峰值、放電持續時間、放電電荷損失量、放電頻率f和材料面積關系曲線分別如圖5、6、7、8所示。

表1 125厚Kapton材料地面模擬放電實驗數據

圖5 Kapton材料面積同放電電流峰值的關系曲線

圖6 Kapton材料面積同放電持續時間的關系曲線

圖7 Kapton材料面積同放電電荷損失量的關系曲線

圖8 Kapton材料面積同放電頻率的關系曲線

由圖5可知，隨著Kapton材料的面積增大，其放電電流峰值也隨之升高。而且其斜率隨著面積的增大而降低。圖5中的曲線為擬合曲線，擬合關系如下面式(1)所示。

(1)

式中：Im為放電脈沖電流峰值，A；S為Kapton材料面積，cm2。

在Balmain的研究中，雖然根據實驗數據得出聚酯薄膜材料的面積同放電電流峰值之間的線性擬合關系，但是從文章中的數據曲線可知，其小面積材料放電電流峰值數據點和材料面積明顯不呈線性關系，而是如圖5所示曲線相似的非線性關系[4]。而且在Kapton材料的研究中，小面積Kapton材料的面積同電流峰值關系數據點的離散狀況比較嚴重[3]。可見對于小面積的航天器表面絕緣材料，其放電電流峰值同材料面積并不呈線性關系，圖5所示的曲線能夠真實的反映小面積材料的面積同放電電流峰值的關系。

結合Paul R. Aron和John V. Scaskus對大于232 cm2的Teflon材料的研究，電流峰值同材料面積呈Im～s0.4關系[5]，關系曲線隨著面積的增大斜率應不斷的減小，而從式(1)可看出，曲線斜率也隨著材料面積的增大而減小。綜合以上考慮，式(1)中提出的關系能夠實際的反映材料放電電流峰值同材料面積的關系。Paul R.Aron和John V.Scaskus之所以提出大多數放電電流峰值和面積幾乎沒有關系[5]，是由于大面積材料對應的曲線斜率很小，在實驗誤差作用下，觀察不到相應的面積同放電電流峰值的比例關系。

由圖6(a)、(b)可知，隨著材料面積增大，對應的放電持續時間越長。根據加拿大在提出的放電傳播理論[3]，這可能是由于面積大的材料，放電時可形成的放電隧道更長，在放電傳播速度一定的情況下，材料內部的電荷需要經過更長路徑的電荷遷移才能到達放電點，所以放電持續時間也更長。由于大面積材料的放電誘發的瞬態脈沖波形中，存在如圖4(c)所示的持續時間長的波形，在這里將小面積材料和大面積材料放電時間隨材料面積的變化曲線分別進行處理。由圖6(a)所示擬合曲線得出4 cm2、16 cm2、25 cm2、36 cm2Kapton材料同放電持續時間的關系式如下面式(2)所示。

Tm=198.684+2.411S

(2)

由圖所示擬合曲線得出64 cm2、196 cm2、225 cm2Kapton材料同放電持續時間的關系式如下面式(3)所示。

Tm=1034.133+21.818×S

(3)

式(2)、(3)中，Tm為放電持續時間，ns；S為材料面積，cm2。

Qm=2.172+0.241S

(4)

由圖7(b)所示擬合曲線得出64 cm2、100 cm2、196 cm2、225 cm2Kapton材料放電電荷損失量和材料面積的關系式如式(5)所示。

Qm=11.643+0.976S

(5)

式(4)、(5)中，Qm為放電電荷損失量，μC；S為材料面積，cm2。

Keith G. Balmain等得出的材料面積同放電電荷損失量的曲線斜率為1，從所做曲線的數據點可知，在曲線的小面積部分的數據偏差比較大[3]，其曲線只能反映大面積Kapton材料放電電荷損失量同面積的關系。由(5)式可知大面積材料放電電荷損失量同材料面積的關系曲線的斜率為0.976，同Keith G. Balmain等的研究中得出的斜率基本一致。

由于表面材料的放電頻率對航天器正常工作產生很大的影響，這里也對Kapton材料的放電頻率同材料面積的關系進行研究。由實驗數據得出材料面積同放電頻率的關系曲線如圖8所示。由圖8可知，隨著Kapton材料面積增大，放電頻率也相應的升高，材料面積和放電頻率之間呈線性關系。關于這方面的解釋，面積越大的材料，能夠滿足放電條件的內部奇異點更多，造成其更容易發生放電。由圖8所示擬合曲線得出放電頻率同材料面積的關系如式(6)所示。

f=0.984+0.019S

(6)

式中：f為放電頻率，次/h；S為Kapton材料面積，cm2。

對圖5、6、7、8所示的曲線進行總結，得出隨著材料面積增大，放電電流峰值、放電持續時間、放電時材料表面電荷損失量和放電頻率都相應升高。基于航天器帶電防護方面的考慮，在航天器上應用時應當盡量選取小面積的Kapton材料。

3 結論

通過對不同面積的航天器表面常用Kapton材料進行地面模擬放電實驗，得出不同面積材料的放電脈沖波形規律和各放電特性同材料面積的關系,為材料在航天器表面上的應用、航天器表面帶電防護和放電危害評估提供數據支持。在放電波形方面，通過對實驗數據總結，得出低于36 cm2的Kapton材料，其放電脈沖波形的脈寬較窄，且出現明顯的負向峰值，而當材料面積大于64 cm2時，出現雙峰波形放出電荷量和能量都比較大的波形。在放電特性同材料面積的關系方面，實驗數據表明隨著材料面積的增加，其放電電流峰值、放電持續時間、放電電荷損失量和放電頻率都相應增加。并根據實驗數據畫出各放電特性同材料面積的關系曲線，擬合出與其對應的關系式。在放電電流峰值和材料面積關系的研究中，針對國外在大面積材料(232～5085 cm2)和小面積材料(<100 cm2)研究中的矛盾，文章提出了一個解決方案，即Kapton材料的放電電流峰值和面積之間并不呈線性關系，而是隨著材料面積增加，曲線斜率逐漸減小。在材料放電持續時間和電荷損失量同Kapton材料面積關系的研究中，得出和國外研究一致的線性關系，但是大面積材料和小面積材料呈現的線性關系有所不同。

參考文獻：

[1]陳益峰，楊生勝，秦曉剛, 等.介質材料帶電對二次電子發射影響的研究[J].真空與低溫，2010，16(3):167-170.

[2]Balmain K G, Kremer P C, Cuchanski M. Charged-area effects on spacecraft dielectric arc discharges[J]. Reference, 1978, 3: 302-308.

[3]Balmain KG, Dubois GR. Surface Discharges on Teflon, Mylar and Kapton[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1979,26(6):5146-5151.

[4]BalmainKG.Scaling Law and Edge Effects for Polymer Surface Discharges[C]//Spacecraft Charging Technology, 1978:646-656.

[5]Paul R. Aron and John V. Staskus. Area Scaling Investigations of Charging Phenomena[C]//Spacecraft Charging Technology, 1978:485-506.