CN102162825A - 一种介质材料充放电测试设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介质材料充放电测试设备，包括真空系统、充放电系统、电位测试系统；其中真空系统包括真空罐、机械泵(3)、扩散泵(2)、多级旋片泵(1)、阀门、密封管路和工作台；充放电系统由电子枪(6)和样品(11)安装系统组成；电位测试系统包括电位计(9)和微电流计(14)，真空罐内放置有真空阀门(4)、真空计(5)；此外，还有挡板阀A(15)、挡板阀B(16)以及铜板(13)；总之，本设备利用表面电位探针测量样品表面电位随时间的衰减关系，根据测量到的不同时间的样品表面衰减电位可推算出样品的电导率。本发明中电导率测试设备适宜于深层充电危害评估，可以为深层充放电效应的防护提供有价值的工程数据。

Description

一种介质材料充放电测试设备

技术领域

本发明涉及一种介质材料充放电测试设备，特别涉及一种真空环境下介质材料表面电位测试系统，属于测试领域。

背景技术

为减轻发射重量和满足航天器电、热、力学等性能要求，航天器要用到大量有机介质材料。空间辐射环境中，高能粒子、等离子体容易在航天器外围的介质材料内部或者穿过航天器屏蔽层在其内部的介质材料上沉积。当这些介质材料表面与周围其他部件电位差或者沉积电荷产生的电场超过一定阈值时会发生放电现象，高能量放电则会直接造成敏感电子元器件击穿或有机介质击穿，这将会干扰航天器上电子仪器的正常工作，严重时使航天器发生故障。

介质材料电导率是影响卫星充电电位的重要材料参数，它决定了介质材料充电过程中电荷泄漏的快慢。目前，我国介质材料电导率的测量一般采用三电极法进行。由于星用介质材料的电导率极小，通常需要采用专门的弱电流测试设备进行测量。但是在样品所处环境条件(如温度、湿度、真空度)、样品状态(如纯度、表面清洁程度、样品厚度和大小)、测试条件(如施加电压大小、测试时间以及夹具设计)等因素的影响下，该测量结果会随着测试条件的不同而产生2个数量级的变化。因此迫切需要开发稳定、可靠的适合于测试空间带电问题的样品电导率的方法和装置。

常规的电导率测量方法并不完全适合于空间带电环境，常规方法不适于空间条件的主要原因有：(1)电荷注入方法不同，所形成的带电电荷密度曲线和电场也有本质上的不同：常规三电极法电压是通过电源提供的，而介质带电表面电位是电荷注入形成的；(2)电极数目不同：常规三电极法在介质两侧都有电极，而介质内带电仅有一侧是电极，而另一侧则是电荷注入面；(3)研究目的不同：常规三电极法电导率测量与 电源功率在介质中的损失有关，而不考虑电荷注入后的储存时间和数量；(4)泄漏电流测量时间不同：常规三电极法的测量时间或读数时间为数分钟，而空间介质充电或衰减周期可达数月之久，介质电导率的变化在较长时间才会显现出来。

发明内容

本发明目的提供一种介质材料充放电测试设备，本发明中电导率的测试方法选用电荷衰减法——利用电子注入、非接触式表面电位测量法获取介质材料电导率。利用中低能电子枪辐照介质样品使其表面达到一定的电位(通常接近放电危险电位)，之后停止照射使样品保存在真空室。

本发明中的测试设备，包括真空系统、充放电系统、电位测试系统。其中真空系统包括真空罐、机械泵、扩散泵、多级旋片泵、阀门、密封管路和工作台；充放电系统由电子枪和样品安装系统组成；电位测试系统包括电位计和微电流计。

本系统的连接关系为：真空罐安置于工作台上，通过一路密封管路经挡板阀与机械泵连接，通过另一路密封管路经挡板阀和扩散泵连接，机械泵、罗茨泵、扩散泵组成真空系统中的抽气机组；电子枪位于真空室内顶端中轴线处；样品安装于真空室下部的中心位置的铜板上，铜板与电子枪同轴，样品和铜板之间用块体聚四氟乙烯隔离；真空计位于真空罐内部的顶端，处于不影响其他顶端元器件的任意位置；样品表面的充电电位和衰减电位由电位计测试，电子枪的束流由法拉第杯测试，电位计和法拉第杯的移动由驱动机构控制，可在二维的平面内移动；微电流计接在样品的背电极上，主要测试对象为样品在充电时的泄露电流。

本测试系统工作流程为：

第一步，测试前准备，检查循环水，真空系统和电子枪、电位计、微电流计等用电设备的电路，探测器的信号线路；

第二步，对样品进行干燥处理；按图1中的电路连线，将电位探头位于样品上方零电位点处；确定样品安放位置，用探头驱动机构确定电位测量点的位置坐标。

第二步，关闭真空罐，抽真空使系统真空至5.4x10^-4Pa以下，打开电子枪电源，将电子能量设置为14Kev，用法拉第杯测试使样品由2.0nA/cm²的电子辐照，样品表面的充电电位由电位计TREK 341HV配合电位计探头TREK 3450E进行测试。每隔10分钟将电位计探头迅速下降至距样品前表面2cm处，进行感应式非接触测量；微电流计和电位探头测得的数据在正负0.5％内波动，即认为样品充电饱和，之后关闭电子枪。

第三步，关闭电子枪后，利用样品内部电荷Q的泄放呈指数形式衰减类似的过程，来测量样品的电位衰减过程，具体为：每隔30分钟将探头迅速下降至距样品前表面2cm处，进行感应式非接触测量，将测得的数据录入测试软件，计算样品的电导率。具体计算公式为：

$\mathrm{Vs}={\mathrm{Vs}}_0\·\exp (-\frac{t}{\mathrm{\τ}})$

τ＝ερ

其中：Vs-表面电压、Vs0-初始表面充电电压、ρ-体电阻率、ε-介电常数、t-衰减时间、τ-时间衰减常数；

总之，利用表面电位探针测量样品表面电位随时间的衰减关系，根据测量到的不同时间的样品表面衰减电位可推算出样品的电导率。

第四步，当试验结束后，关闭试验装置的电源，打开通气阀门，打开真空罐，取出试验样品。

本发明的优点为：介质电导率越高越不利于沉积电荷的泄放，若采用传统方法测量的电阻率结果来评估航天器部件的深层充电过程，将过低估计介质材料中的沉积电荷，进而可能低估了放电风险而造成不必要的损失。表1列出了该测试方法和传统测试方法用于测试典型介质材料体电阻率的结果，查表显而易见。本发明中电导率测试方法适宜于深层充电危害评估，可以为深层充放电效应的防护提供有价值的工程数据。

电荷衰减法——利用电子注入、非接触式表面电位测量法获取介质材料电导率。这种测试方法高精度、高可靠，其更适合于空间带电环境下介质材料电导率的测量。本发明的测试装置提高了试验自动化程度、控制精度、试验效率。该方法在一般情况下比传统的方法高一个或一个以上的量级。

表一本发明测试方法和传统测试介质材料体电阻率测试结果的比较

附图说明

图1-本发明一种介质材料电导率的测试系统见图

图中：1-多级旋片泵、2-扩散泵、3-机械泵、4-真空阀门、5-真空计、6-电子枪、7-电位计阀门、8-法拉利杯，9-电位计、10-驱动机构、11-样品、12-聚四氟乙烯绝缘块、13-铜板、14-微电流计、15-挡板阀A，16-挡板阀B

图2-25μm单面镀铝Kapton薄膜在测试时的安装示意图

具体实施方式

本发明中的测试设备，包括真空系统、充放电系统、电位测试系统。其中真空系统包括真空罐、机械泵3、扩散泵2、多级旋片泵1、阀门、密封管路和工作台；充放电系统由电子枪6和样品11安装系统组成；电位测试系统包括电位计9和微电流计14，真空罐内放置有真空阀门4、真空计5。

本系统的连接关系为：真空罐安置于工作台上，通过一路密封管路经挡板阀A15与机械泵连接，通过另一路密封管路经挡板阀B16和扩散泵2连接，机械泵3、多级旋片泵1、扩散泵2组成真空系统中的抽气机组；电子枪6位于真空室内顶端中轴线处；样品11安装于真空室下部的中心位置的铜板13上，铜板13与电子枪6同轴，样品11和铜板13之间用聚四氟乙烯绝缘块12隔离；真空计5位于真空罐内部的顶端，处于不影响其他顶端元器件的任意位置；样品11表面的充电电位和衰减电位由电位计9测试，电子枪6的束流由法拉第杯8测试，电位计9和法拉 第杯8的移动由驱动机构10控制，可在二维的平面内移动；微电流计14接在样品11的背电极上，主要测试对象为样品在充电时的泄露电流。

本测试系统工作流程为：

第一步，测试前准备，检查循环水，真空系统和电子枪、电位计、微电流计等用电设备的电路，探测器的信号线路；

第二步，在80℃，把25μm单面镀铝Kapton薄膜烘干2h；按图1中的电路连线，将电位探头位于样品上方零电位点处；确定样品安放位置，用探头驱动机构确定电位测量点的位置坐标。

第二步，关闭真空罐，抽真空使系统真空至5.4x10^-4Pa以下，打开电子枪电源，将电子能量设置为14Kev，用法拉第杯测试使样品由2.0nA/cm²的电子辐照，样品表面的充电电位由电位计TREK 341HV配合电位计探头TREK 3450E进行测试。每隔10分钟将电位计探头迅速下降至距样品前表面2cm处，进行感应式非接触测量；该样品的泄露电流在23±0.2pA、充电电位在3250±50V是认为样品充电饱和，之后关闭电子枪。

第三步，关闭电子枪后，每隔30分钟将探头迅速下降至距样品前表面2cm处，进行感应式非接触测量，将测得的数据录入测试软件，计算样品的电导率。

第四步，当试验结束后，关闭试验装置的电源，打开通气阀门，打开真空罐，取出试验样品。

25μm单面镀铝Kapton薄膜用传统测试方法测得的体电阻率结果在10¹⁶(Ωcm)，而用本方法测得的结果在10¹⁸(Ωcm)左右，这说明若采用传统方法测量的电阻率结果来评估航天器部件的深层充电过程，将过低估计介质材料中的沉积电荷，以及沉积电荷的衰减时间，进而可能低估了放电风险而造成不必要的损失。

Claims (1)

1.一种介质材料充放电测试设备，其特征在于，包括真空系统、充放电系统、电位测试系统；其中真空系统包括真空罐、机械泵(3)、扩散泵(2)、多级旋片泵(1)、阀门、密封管路和工作台；充放电系统由电子枪(6)和样品(11)安装系统组成；电位测试系统包括电位计(9)和微电流计(14)，真空罐内放置有真空阀门(4)、真空计(5)；此外，还有挡板阀A(15)、挡板阀B(16)以及铜板(13)；

本系统的连接关系为：真空罐安置于工作台上，通过一路密封管路经挡板阀A(15)与机械泵连接，通过另一路密封管路经挡板阀B(16)和扩散泵(2)连接，机械泵(3)、多级旋片泵(1)、扩散泵(2)组成真空系统中的抽气机组；电子枪(6)位于真空室内顶端中轴线处；样品(11)安装于真空室下部的中心位置的铜板(13)上，铜板(13)与电子枪(6)同轴，样品(11)和铜板(13)之间用聚四氟乙烯绝缘块(12)隔离；真空计(5)位于真空罐内部的顶端，处于不影响其他顶端元器件的任意位置；样品(11)表面的充电电位和衰减电位由电位计(9)测试，电子枪(6)的束流由法拉第杯(8)测试，电位计(9)和法拉第杯(8)的移动由驱动机构(10)控制，可在二维的平面内移动；微电流计(14)接在样品(11)的背电极上，主要测试对象为样品在充电时的泄露电流。

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