強電磁場輻照環境誘發金屬電極靜電放電時延規律

張建平，胡小鋒，劉尚合，魏明

(1.陸軍工程大學石家莊校區 電磁環境效應國家級重點實驗室，河北 石家莊 050003；2.32140部隊，河北 石家莊 050061)

0 引言

航天器在電磁環境下靜電放電是個非常復雜的過程，靜電放電與空間環境、航天器結構、尺寸及材料性能等因素有關[1-3]。對于空間裝備，強電磁場誘發的靜電放電是指航天器表面材料、電纜以及某些特殊結構部件等低充電電位區域在外界強電磁場作用下被誘導發生的靜電放電過程[4-6]。一般情況下，航天器表面低充電電位敏感區域的電場較弱，電子能量低于分子、原子電離能，碰撞電離概率較低[7-10]，當受到強電磁場作用時，激發低氣壓氣體產生稠密等離子體，從而降低放電閾值并誘發產生靜電電荷泄放[11-12]。由于空間輻射環境時刻存在，航天器在軌運行期間會受到靜電放電和二次電子倍增導致的微放電等自然危害源的影響。靜電放電產生的瞬間電流會使航天器表面材料氧化、碳化或擊穿，從而造成通訊和導航等系統受到嚴重干擾，甚至故障[13-16]。

復雜電磁環境對航天器的影響越來越大，尤其是強電磁場對航天器的干擾效應更是當前面臨的重大課題。掌握強電磁場誘發靜電放電的作用機理和規律，對于研究空間裝備強電磁場誘發靜電放電規律具有重要意義[17-19]。但國內對于強電磁場誘發靜電放電的相關研究仍處于初級階段。文獻[20-27]開展了靜電放電電磁脈沖(ESD EMP)誘發真空電暈放電試驗研究，獲得了不同氣壓下電磁脈沖輻照誘發電暈放電的閾值電壓、電流波形、放電區域輻射場等特征參數，但是對誘發放電的機理分析相對較少。

本文利用新研制的強電磁場輻照環境下誘發放電試驗系統和金屬測試樣品，從研究誘發靜電放電的通道形成過程出發，對強電磁場環境下的誘發金屬電極結構放電機理、規律進行了初步探索，得出了在ESD EMP作用下誘發金屬放電的基本規律，并對誘發放電機理進行研究分析。對于強電磁場環境下航天器在軌運行安全防護措施的研究具有參考意義。

1 試驗設計

1.1 試驗設置及方法

試驗受試對象是針板電極，其中：針電極為不銹鋼材質，長度300 mm，直徑2 mm，針尖曲率半徑5 μm；板電板為半徑100 mm，厚度2 mm的鋁制圓片結構。試驗裝置連接示意圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置連接示意圖

試驗在環境溫度24 ℃，濕度48%的恒溫恒濕條件下進行。試驗前，將制作好的電極結構豎直放置于石英玻璃(透波材料)制成的真空罐內距離垂直耦合板35 cm處的固定位置，調整針電極的尖端與板電極間距為1 mm，給電極兩端加上高壓，測試其在無外場輻照條件下的擊穿電壓并記錄。之后降低電壓到無放電狀態，利用放電槍與耦合板之間放電所輻射ESD EMP對電極結構進行照射，使用CT-1電流探頭(帶寬25 kHz～1 GHz，伏安輸出特性5 mV/1 mA)對放電地線回路上的電流信號進行采集，并用示波器測量記錄誘發放電的波形，以測試不同ESD EMP場強輻照條件下的誘發放電延遲時間。放電槍與耦合板在放電時使用接觸式放電方式保證輻射時靜電場穩定，有利于試驗測量的重復性。通過大量反復測試誘發放電的延遲時間與放電槍電壓、電極電壓、氣壓的對應關系，從而獲得相關誘發放電規律。

試驗中發現在電極之間施加直流正高壓時，在現有的輻射場強度照射下很難產生誘發放電現象，為達到誘發放電目的，以重點分析誘發放電延遲時間的變化規律，試驗全部在電極之間施加直流負高壓條件下進行試驗。在常壓下，電極間隙1 mm時測得針板電極的擊穿電壓Ud=-2.50 kV.

在測試放電延遲時間與電極電壓關系時，在常壓下將放電槍電壓固定在-30 kV，電極電壓取-1.00 kV、-1.20 kV、-1.40 kV、-1.60 kV、-1.80 kV、-2.00 kV、-2.20 kV、-2.40 kV，分別為Ud的40%、48%、64%、72%、80%、88%、96%；測試放電延遲時間與靜電脈沖輻射場強度的關系時，在常壓下將電極電壓固定在-2.47 kV(98.8%Ud)，而放電槍分別選取-5 kV、-10 kV、-15 kV、-20 kV、-25 kV、-30 kV進行測量；測量氣壓與誘發放電延遲的關系時，將放電槍電壓固定在-30 kV，電極電壓固定在-1.6 kV，氣壓分別設定為10 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa、60 kPa、70 kPa、80 kPa、90 kPa、100 kPa(常壓)，進行測量。試驗中發現，即便在同一條件下，誘發放電延遲時間也具有一定的隨機性，為了進行有效分析，同一條件下，重復測量記錄40次誘發放電的延遲時間，之后利用Origin軟件對每組時延數據進行正態分布統計，即將每組時延數據從最小到最大分成7個區間，分析同一條件下測試的每組時延分布情況，進而研究電極電壓、輻射場強、氣壓等因素對誘發放電時延的作用規律。試驗過程中嚴格控制溫度和濕度，以保證試驗具有良好的重復性。

1.2 輻射場強標定

圖2為ESD EMP輻射場強測試連接示意圖。首先根據試驗實際情況固定真空罐與垂直耦合板的相對位置，將寬帶ESD 輻射場測試系統(3.5 Hz～1 GHz)放置于試驗時電極所在位置，之后設置靜電放電模擬器電壓-5 kV、-10 kV、-15 kV、-20 kV、-25 kV、-30 kV，使用寬帶ESD 輻射場測試系統和示波器測試放電槍放電時產生ESD EMP輻照強度。場強計與示波器之間通過光纖進行通信，防止電磁脈沖干擾示波器，影響測試精度。

圖2 ESD EMP輻射場強測試連接示意圖

2 試驗結果及分析

在真空罐內距離垂直耦合板35 cm的固定位置處，放電槍設置不同電壓所產生的ESD EMP峰值場強如表1所示，場強峰值隨放電槍電壓的變化趨勢如圖3所示。

表1 不同放電槍電壓產生的場強峰值

從圖3可以看出，隨著放電槍電壓的升高，ESD EMP輻射場強是在逐漸增大的，且輻照場強與放電槍電壓接近正比關系。

圖3 ESD EMP峰值隨放電槍電壓變化趨勢

圖4為靜電放電電流波形，其中：圖4(a)作為對比波形，為不加靜電放電電磁脈沖照射時直接放電波形，此時擊穿閾值電壓2.4 kV；圖4(b)為在同樣條件下，施加場強峰值-6.6 kV/m的電磁脈沖輻射誘發的典型放電信號波形，此時擊穿閾值電壓為2.2 kV，相比于無外場時擊穿閾值電壓下降了8.3%。

圖4 靜電放電電流波形

從圖4(a)中可以看出，靜電電磁脈沖誘發放電波形包括兩部分組成，前面的較小脈沖是電極由于天線效應接收的輻射場感應波形，后面較大的脈沖是電極放電波形，二者之間總是存在一定的放電時延[28]。與圖4(b)對比可以看出，兩種類型的靜電放電電流具有相似的脈沖形式。和正常放電電流(脈沖峰值為-11.5 A)相比，誘發的放電電流脈沖幅值(脈沖峰值為-10.2 A)有所降低；此外，正常靜電放電的放電電壓達到擊穿閾值，屬于自持放電，可重復產生，而被誘發的靜電放電的放電電壓低于擊穿閾值，屬于非自持放電，需要依靠外界電離源產生，且放電不能重復發生。

2.1 電極電壓對誘發放電延遲時間影響

常壓下，放電槍電壓固定為-30 kV，即ESD EMP峰值場強為-12.3 kV/m時，不同電極電壓下測試所得誘發放電延遲時間分布情況如圖5和表2所示。

從圖5可以看出，同一電極電壓作用下，誘發放電時延有一定的分散性[28]，但總是分布在一定的時間段區間內，且整體呈現出一定的正態分布的特性，電極電壓越弱越趨向于正態分布。同時從表2 中還可以看出，隨著電極間電壓升高，電極之間的場強變大：一方面誘發放電的時延逐漸縮短；另一方面誘發放電的時延分布區間也逐漸縮短，即分散性減小。

表2 不同電極電壓下放電時延分布統計

圖5 不同電極電壓下誘發時延分布情況

放電時延包括電子崩生長所需要的時間和流注傳播時間[28]：從宏觀上看，在進行靜電電磁脈沖誘發放電試驗時雖然設置了相同的環境條件；但是從微觀上分析，放電通道存在許多諸如空氣分子熱運動等隨機性因素。宏觀上，雖然氣壓和氣體成分是一定的，但是在電極之間放電通道上的局部空間內的空氣成分，比如分子(等離子體)種類及濃度等都在一定范圍具有隨機性；分子的熱運動速度也在一定的范圍內時刻在隨機變化，這些隨機因素綜合起來影響電子崩生長時間和流注傳播時間，使誘發放電時延表現出一定的隨機性，最終導致同一條件下誘發放電時延分布在一定的區間內，且一定程度上呈現正態分布。

按照氣體放電理論，第一湯森電離系數及二次電子發射系數，均會受到電極之間的電場影響，即電場越強，第一湯森電離系數及二次電子發射系數越大[28-31]。此時，在電場作用下，電子與氣體分子每次電離碰撞產生更多的電子這一過程為α過程(α為電子的電離碰撞系數，又稱第一湯森電離系數)；且正離子每次撞擊陰極生成更多的二次電子，這一過程為γ過程(γ為正離子的二次電子發射系數，又稱第二湯森電離系數)。在上述兩個過程中，生成的電子越多，會導致電子崩的生長時間和流注的傳播時間越短，進而使火花放電的時延越短。試驗中，當輻射場強一定時，極間電壓越高，電極之間迭加之后的總電場越強，試驗測得的放電時延整體上是在縮短，與上述理論分析一致。

電極電壓越高，對應的放電時延越集中，分散性變小，主要是因為在強電磁場作用下，空氣中帶電粒子的定向漂移運動加強，而擴散運動相對減弱[28]，進而使形成火花放電時隨機性降低，放電的時延變得更為集中。

2.2 輻照場強對誘發放電時延影響

常壓下，電極之間電壓固定為-2.47 kV時，設置不同放電槍電壓，即不同輻照場強所對應的誘發放電時延分布情況如圖6和表3所示。

表3 不同輻射場強下放電時延分布統計

從圖6中可以看出，同一輻射場強條件下，誘發放電時延有一定的分散性，但是整體呈現出一定的正態分布的特性，誘發放電的時延總是分布在一定的時間段區間內。對比不同輻射場強下的誘發放電時延，可以發現：整體上隨著放電槍電壓升高，輻射場強的增大，誘發放電時延逐漸縮短；而且輻射場強越強，誘發放電時延分布的區間越短，即分散性越低；反之輻射場強越低，誘發放電時延越分散，即分散性越大，但是更符合正態分布的趨勢。

圖6 不同輻照場強下誘發時延分布情況

初步分析，當極間電壓一定時，放電槍電壓越高，輻射的場強越大，導致電極之間迭加之后的總電場越強，同樣會導致在氣體擊穿過程中，電子的電離碰撞系數α與正離子的二次電子發射系數γ的增大，最終使形成放電火花時延縮短。本試驗測得的放電時延整體上隨著極間電壓的升高逐漸縮短，與上述理論分析一致。

放電槍電壓的升高，同樣是能夠增強電極之間放電通道周圍空氣的電場，加強了空氣中帶電粒子沿電場線定向漂移運動，減弱擴散運動，減小該局部空間內空氣分子運動的隨機性，從而使放電時延變得更加集中。

2.3 不同氣壓對誘發放電時延影響

固定電極電壓為-1.6 kV，放電槍電壓為-30 kV(即輻射場強為-12.3 kV/m)時，不同氣壓下測得的誘發放電時延情況如圖7和表4所示。

圖7 不同氣壓下誘發時延分布情況

從圖7中可以發現：同一氣壓下，誘發放電時延有一定的分散性，但是誘發放電時延總是分布在一定的時間段區間內。同時從表4中可以發現：隨著氣壓的升高，誘發放電時延整體上呈現縮短趨勢；氣壓越高，誘發放電的時延分布區間也越短，分散性越小；氣壓越低，誘發放電的時延分布區間越長，分散性越大。

表4 不同氣壓下放電時延分布統計

氣壓的升高，使分子密度增加，根據氣體放電理論，分子的平均自由程減小[30-31]，在形成火花放電過程中，單位時間內帶電粒子與空氣中的粒子碰撞次數增多，能夠激發更多的二次電子和帶電粒子參與放電，最終導致誘發放電時延變短。

氣壓越低，誘發放電時延越分散；氣壓越高，時延相對越集中，主要是因為氣壓升高，空氣的密度變大。從微觀上看，電極尖端局部空間內空氣分子各方面物理性質相對來說更穩定，在形成放電通道時隨機性相對小一些，進而導致放電時延更加集中。

3 結論

本文通過對強場誘發針板電極放電大量試驗，分析統計發現，在相同條件下，ESD EMP誘發電極之間的放電時延總是分布在一定的區間之內，且在該區間內呈正態分布的趨勢。該區間受到極間電壓、輻射場強以及氣壓的影響如下：

1)隨著電極電壓的升高，極間的場強增加，一方面會使誘發放電的延遲時間變短，另一方面會使時延分布區間縮短，時延分散性降低。

2)增大ESD EMP輻射場強，同樣能夠使誘發放電的延遲時間變短，同時使時延分布區間變短，分散性降低。

3)氣壓升高，分子密度增加，會使誘發放電的延遲時間變短，同時也會使放電延遲分布區間變短，時延分散性降低。

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