介質材料在電子輻射環境中的放電特性

李偉康，秦曉剛*，柳 青

（1.蘭州空間技術物理研究所 a.真空技術與物理重點實驗室，b.空間環境材料行為及評價技術重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

在空間運行的航天器與周圍等離子體、太陽輻射等環境因素的相互作用下，電荷積累在航天器表面，使航天器表面與空間等離子體間或者航天器不同部位間充以不同電位的現象，稱為航天器表面帶電[1-2]。引起航天器表面帶電的等離子體粒子能量一般小于100 keV。這種粒子幾乎不能穿透航天器表面材料（入射深度為微米量級）而在表面積累。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。

在空間等離子體環境中，航天器表面不同介質材料的充電電位，電荷沉積的數量以及電荷所持有的能量都存在較大的差異[3]，可能導致材料在放電時其放電電流的峰值、放電頻率、電荷損失量以及放電損失的能量存在差異[4-5]。

美國加州大學的Coakley等[6]、Treadway等[7]分別對聚酰亞胺和聚四氟乙烯等航天器表面介質材料進行了放電實驗研究，與Balmain等[8]的研究結果進行對比，對部分實驗現象做出了理論分析[9-10]，研究表明不同的介質材料在相同等離子體環境中的放電電流峰值是不相同的，這取決于介質材料本身的介電特性；同種介質材料在不同電子能量的等離子體環境中放電電流的峰值是近似不變的；同時在實驗中也發現了較厚的材料（在毫米及毫米量級以內）會使得材料的放電電流峰值增高，在材料表面打孔會使得材料的放電電流峰值降低。因此，針對聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料開展了地面模擬放電實驗研究，總結實驗數據得出各放電波形及其特征數據在不同能量電子環境中的關系，通過對相同面積不同厚度的聚酰亞胺材料和聚四氟乙烯材料的放電實驗，探索其放電特性規律，從而根據其特性規律優化材料的應用方案。

1 實驗樣品及實驗方法

針對航天器表面常用的聚酰亞胺（杜邦，商品名為Kapton）和聚四氟乙烯（上海顏琦，商品名為Teflon）介質材料，分別制作了直徑為10 cm，厚度為500μm和2 mm厚的圓形材料，把聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料粘貼在鋁板做的支架上作為實驗樣品。

將實驗樣品固定在真空室內一塊金屬基底上，正對電子槍，金屬基底與結構地通過絕緣墊絕緣，金屬基底通過電纜引出真空室外接地，在引出電纜上外接一個放電監測探頭，放電探頭連接示波器用于測量放電波形，實驗中束流密度通過法拉第杯和微電流計測試，實驗樣品表面電位通過電位計測試，實驗系統示意圖如圖1所示。實驗中將真空室抽至6.0×10-4Pa模擬空間真空環境。使用電子槍在選用能量為10～60 keV，束流密度為3.0 nA/cm2的電子對樣品進行輻照。

2 實驗結果及分析

2.1 聚酰亞胺和聚四氟乙烯在不同電子環境中放電實驗結果

實驗中得出的放電電流峰值、放電持續時間、放電頻率與兩種介質材料在材料厚度之間關系的數據如表1所列。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

表1 兩種厚度材料的地面模擬放電實驗數據Table1 Ground simulated discharge test data for two thickness of materials

實驗中通過示波器得到的聚酰亞胺和聚四氟乙烯介質材料的典型放電波形如圖2所示，其中（a）為厚度500μm聚酰亞胺材料的典型放電波形、（b）為厚度2 mm聚酰亞胺材料的典型放電波形、（c）為厚度500μm聚四氟乙烯材料的典型放電波形、（d）為厚度2 mm聚四氟乙烯材料的典型放電波形。

對比圖2中（a）、（c）和（b）、（d）波形，可以看出在兩種厚度下介質材料的放電波形包絡大致相同，這是因為電子能量較低，無法擊穿粘貼在支架上的聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料，所以大量的電子沉積在材料表面。沉積在材料表面的電子越來越多使得材料與金屬支架之間形成的電場越來越強，當電場強度超過材料在該環境中的放電閾值時就會在材料與金屬支架之間產生放電。從圖中可以看出電流波形存在振蕩是因為在電路連接中存在電阻和雜散電容構成了阻尼振蕩。

圖2 不同厚度聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料典型放電波形圖Fig.2 Typical discharge waveform of different thickness PI&PTFE

2.2 聚酰亞胺和聚四氟乙烯在不同電子環境中放電特性分析

（1）電子能量對放電電流峰值的影響

隨著電子能量的增大，同厚度聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料的放電電流峰值沒有發生變化，500μm、2 mm聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料的放電電流峰值隨電子能量之間的關系曲線如圖3所示。因為在低能電子所形成的等離子體環境中，電子不能擊穿介質材料從而累積在材料表面，與基底之間形成電場。當電場強度超過材料的放電閾值時，材料才能形成放電通道產生放電電流。實驗中決定材料放電的是材料表面與基底之間形成的電場是否達到了材料的放電閾值，材料表面積累電荷量的多少決定了材料與基底之間所形成靜電場強度的大小，其與積累在材料表面的電荷量有關而與電子能量的大小沒有關系。所以材料放電電流峰值并不隨著電子能量的增加而變化，穩定在一個固定的數值附近。

（2）材料厚度對放電電流峰值的影響

隨著聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料厚度的增加放電電流峰值都有明顯的增加，在圖3中能反映出來。對于厚度500μm和2 mm的聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料而言，隨材料厚度增加其電容減小，沉積同樣的電荷將表現出更高的電位，且厚度不同的材料趨向的平衡電位也不再相同。電子輻照時間相同，對于較厚的材料，表面電位將會越高，當電荷累積超過材料的平衡電位時單位時間所泄放的電荷量更多，放電電流更大。

圖3 兩種厚度材料放電電流峰值曲線Fig.3 Discharge peak current curve for two thickness of materials

（3）電子能量對放電頻率的影響

在低能電子環境中，隨著電子能量的逐漸增大，單位時間內材料放電的次數會逐漸的增大，500μm、2 mm厚聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料的放電頻率隨電子能量之間的關系曲線如圖4所示。

由Willis等[11]的研究結果可知，當聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料入射的電子能量大于0.5 keV時，介質材料的二次電子發射系數是小于1的單調遞減曲線，即入射的電子能量越大，二次電子發射系數越小，材料表面凈電荷的累積速率更快，達到介質材料放電閾值所需的時間越短，使得材料的放電頻率隨著電子能量的增加而增大且呈現出正相關的特性。

（4）材料厚度對放電頻率的影響

兩種厚度的材料，厚度較厚的材料其放電頻率較小。綜合圖3和圖4可知，對于不同厚度的的聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料，隨著材料厚度增大，相同時間內樣品表面的電位也隨之增加，且趨向的平衡電位也會隨之增加，只有當充電電位超過該平衡電位時，材料表面才能夠發生放電。在相同能量的電子環境中，材料較厚，材料的表面電位相同時，介質材料與基底之間形成的電場較小，而要使材料表面電位達到放電閾值要求，則在相同能量的電子輻射下必須對厚度較大的介質材料進行更長時間的輻照，所以在相同的電子輻照時間內厚度越大的介質材料放電頻率越小。

圖4 兩種厚度材料放電頻率曲線Fig.4 Discharge frequency curve for two thickness of materials

3 結論

通過對不同厚度的航天器表面常用聚酰亞胺和聚四氟乙烯材料進行地面模擬放電實驗，得出航天器常用的介質材料聚酰亞胺和聚四氟乙烯在不同厚度下，不同能量的電子環境中的放電特性。

（1）隨著電子能量從10～60 keV逐漸增大，不同厚度的材料放電電流的峰值不隨著電子能量的增大而增大，其取決于材料本身放電閾值的大小，隨著電子能量增大，材料在單位時間內的放電頻率增大，放電頻率隨著電子能量的增加呈現出正相關的特性。

（2）隨著材料厚度從500μm增加到2 mm，材料與基底之間形成的電容變小，電子輻照時間相同時，材料表面的充電電位更高，達到靜電平衡時積累的電荷量更多，進而促使放電電流峰值隨材料厚度的增厚而增大；同時厚度較厚的介質材料在其表面電位滿足放電閾值所需電荷累積量越大則其所需電子輻照的時間越長，使得材料厚度較厚時，單位時間內放電頻次更低。