CN102944722B - 一种监测航天器内带电电位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测航天器内带电电位的方法，属于抗辐射加固技术领域。所述方法步骤如下：（1）制作内带电探头：所述内带电探头采用多层电路板结构，内带电探头包括屏蔽外壳、多层电路板、电阻、静电计；所述多层电路板包括基板、介质层和铜膜层，基板置于最底层，介质层置于基板上方，介质层和铜膜层分别有十层，交叉叠放；（2）进行电子束辐照试验，通过测量铜膜层上引出导线上的电位测量多层电路板介质内部不同深度处的电位。所述方法可以实时监测介质层内部各点的电位，且可以阻止能量200keV以下的电子，这样可以只监测内带电而排除表面充电的影响。

Description

一种监测航天器内带电电位的方法

技术领域

本发明涉及一种监测航天器内带电电位的方法，属于抗辐射加固技术领域。

背景技术

航天器介质深层带电又称之为航天器内部介质充电，是指空间高能带电粒子穿过航天器表面，在航天器构件的电介质材料内部传输并沉积从而建立电场的过程，当介质深层充电产生的电场强度超过介质材料的击穿阈值时，就会发生放电，放电所产生的电磁脉冲干扰可能破坏航天器内电子学系统的正常工作。由于航天器电子学系统采用了集成度较高的大规模/超大规模微电子器件，电子学系统的性能提高的同时也变得对空间环境更为敏感，严重时会使整个航天器失效。

目前已经搭载过的航天器深层介质充电监测仪通过直接测量导致深层介质带电的电子通量，再根据经验判断航天器的充电程度，但是不能直接精确测量深层介质充电电位值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种监测航天器内带电电位的方法，所述方法采用多层电路板结构，可以实时监测介质层内部各点的电位，所述方法采用的屏蔽外壳可以阻止能量200keV以下的电子，这样可以只监测内带电而排除表面充电的影响。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种监测航天器内带电电位的方法，所述方法步骤如下：

（1）制作内带电探头

所述内带电探头采用多层电路板结构，内带电探头包括屏蔽外壳、多层电路板、电阻、静电计；其中，所述屏蔽外壳为上端开口的铝质壳体，屏蔽外壳侧壁设有通孔用于穿过导线；所述多层电路板包括基板、介质层和铜膜层，基板置于最底层，介质层置于基板上方，介质层和铜膜层分别有十层，交叉叠放；电阻和静电计均为九个；

将多层电路板封装并固定于屏蔽外壳内，多层电路板上表面与屏蔽外壳的上端开口相对，且多层电路板上、下表面均接地；多层电路板中的除最上层铜膜层以外的每层铜膜层均对应一个电阻和一个静电计，即每层铜膜层与一个电阻和一个静电计依次相连，九个静电计均接地，且静电计置于屏蔽外壳外部，电阻置于屏蔽外壳内部；

其中，所述铜膜层采用溅射镀膜的方法镀到介质层表面；

所述介质层材料为聚四氟乙烯或聚酰亚胺，厚度为60μm；

所述铜膜层厚度为10μm；

所述屏蔽外壳材料为铝，厚度为0.2mm；

（2）进行电子束辐照试验

利用能量为1MeV，电流密度为65pA/cm²的电子束进行辐照，电子束置于步骤（1）所述探头上方，使入射电子从屏蔽外壳上端开口处垂直入射到多层电路板内部，通过测量铜膜层上引出导线上的电位测量多层电路板介质内部不同深度处的电位，利用静电计测得9根导线上的电压；分别给出辐照10分钟、20分钟、30分钟、1小时之后9根导线上的电压。

有益效果

（1）本发明所述的监测航天器内带电电位的方法，采用多层电路板结构，可以实时监测介质层内部各点的电位；介质内带电主要是由200keV的电子造成的，所述方法采用的屏蔽外壳可以阻止能量200keV以下的电子，这样可以只监测内带电而排除表面充电的影响。

（2）计算机仿真结果表明采用所述方法检测介质层内部个点电位所得的结果是可靠的，证明了所述方法用于监测航天器内带电电位的可行性。这对于航天器内带电在轨机理研究并最终形成航天器防护设计及实现航天器安全运营维护都将大有裨益。

附图说明

图1为本发明所述方法中探头的结构示意图；

图2为本发明所述方法测得介质内部电位分布示意图；

图3为仿真模拟计算得到的介质内部电位分布示意图；

其中，图1中，1-1屏蔽外壳、1-2入射电子、1-3铜膜层、1-4介质层、1-5电阻、1-6静电计；

图2中横坐标为深度（单位：μm），纵坐标为电压（单位：V），2-1、2-2、2-3、2-4分别为辐照时间1小时、30分钟、20分钟、10分钟的电位分布曲线；

图3中横坐标为深度（单位：μm），纵坐标为电压（单位：V），3-1、3-2、3-3、3-4分别为辐照时间1小时、30分钟、20分钟、10分钟的电位分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。

实施例1

一种监测航天器内带电电位的方法，所述方法步骤如下：

（1）制作内带电探头

如图1所示，所述内带电探头采用多层电路板结构，内带电探头包括屏蔽外壳1-1、多层电路板、电阻1-5、静电计1-6；其中，所述屏蔽外壳1-1为上端开口的长方体铝质壳体，屏蔽外壳1-1侧壁设有通孔用于穿过导线；所述多层电路板包括基板、介质层1-4和铜膜层1-3，基板置于最底层，介质层1-4置于基板上方，介质层1-4和铜膜层1-3分别有十层，交叉叠放；电阻1-5和静电计1-6均为九个；

将多层电路板封装并固定于屏蔽外壳1-1内，多层电路板上表面与屏蔽外壳1-1的上端开口相对，且多层电路板上、下表面均接地；多层电路板中的除最上层铜膜层1-3以外的每层铜膜层1-3均对应一个电阻1-5和一个静电计1-6，即每层铜膜层1-3与一个电阻1-5和一个静电计1-6依次相连，九个静电计1-6均接地，且静电计1-6置于屏蔽外壳1-1外部，电阻1-5置于屏蔽外壳1-1内部；

其中，所述铜膜层1-3采用溅射镀膜的方法镀到介质层1-4表面；

所述介质层1-4材料为聚四氟乙烯或聚酰亚胺，厚度为60μm；

所述铜膜层1-3厚度为10μm；

所述屏蔽外壳1-1材料为铝，厚度为0.2mm，可以阻止能量200keV以下的电子，这样可以只监测内带电而排除表面充电的影响。

（2）进行电子束辐照试验

利用能量为1MeV，电流密度为65pA/cm²的电子束进行辐照，电子束置于步骤（1）所述探头上方，使入射电子1-2从屏蔽外壳1-1上端开口处垂直入射到多层电路板内部，通过测量铜膜层1-3上引出导线上的电位测量多层电路板介质内部不同深度处的电位，利用静电计1-6测得9根导线上的电压；分别给出辐照10分钟、20分钟、30分钟、1小时之后9根导线上的电压。

所述静电计1-6可为Keithley6517B静电计1-6，为了获得准确的测量电压，可采用Keithley562210-通道扫描仪和Keithley6517B静电计1-6联合使用，测得9根导线上的电压随着时间的变化图像，分别给出辐照10分钟、20分钟、30分钟、1小时之后的9根导线上的电压，如图2中曲线2-4、2-3、2-2、2-1所示。

利用GEANT4软件定义入射电子1-2为均匀分布的平面电子源，与步骤（2）中的辐照源能量和密度一致，垂直入射到多层电路板上，建立多层电路板的几何模型，且多层电路板双面接地，由此计算获得介质内部各点的入射粒子通量，再结合介质深层带电辐射诱导电导率（RIC）模型即电流连续性方程、泊松方程和深层俘获方程获得介质内部各点的电位：

$\mathrm{\ϵ}\frac{\mathrm{dE}(x,t)}{\mathrm{dt}}+[\mathrm{\σ}\left(x\right)+{\mathrm{\μ\ρ}}_f(x,t)]E(x,t)+J_f\left(x\right)=J_0\left(t\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{dE}(x,t)}{\mathrm{dx}}={\mathrm{\ρ}}_f(x,t)+{\mathrm{\ρ}}_t(x,t)$

$\frac{{\mathrm{d\ρ}}_t(x,t)}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_f(x,t)}{\mathrm{\τ}}(1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_t(x,t)}{{\mathrm{\ρ}}_m})$

其中ε为材料的介电常数5.6×8.85×10^-12F/m，μ为自由电荷迁移率，取为0，τ为自由电荷俘获时间常数范围取10s，ρ_m为最大俘获点和密度，取为4mC/cm³。E(x,t)、ρ_f(x,t)和ρ_t(x，t)分别是介质内t时刻x处的电场、自由电荷密度和俘获电荷密度，J_f(x)是x处入射粒子能量，通过GEANT4模拟获得，J₀(t)是电子辐射注入电流密度，65pA/cm²。σ(x)为材料在x处的电导率，在辐射条件下，与剂量率相关，可表示为：

$\mathrm{\σ}={\mathrm{\σ}}_d+{\mathrm{\σ}}_r={\mathrm{\σ}}_d+k{\stackrel{\·}{D}}^{\mathrm{\Δ}}$

其中σ_d为暗电导率，取1.0×10^-16/(Ω·m)，k为辐射诱导电导率系数2.1×10^-15s/(Ω·m·rad)，指数Δ取为1。σ_r为辐射诱导电导率

分别给出辐照10分钟、20分钟、30分钟、1小时之后介质内部各点的电位分布，如图3中曲线3-4、3-3、3-2、3-1所示。并且与步骤（2）的试验结果进行对比，发现二者差别不大，从而证明了该方法是可行的，可以用于实时监测航天器介质内部不同位置的电位。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种监测航天器内带电电位的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

(1)制作内带电探头

所述内带电探头采用多层电路板结构，内带电探头包括屏蔽外壳(1-1)、多层电路板、电阻(1-5)、静电计(1-6)；其中，所述屏蔽外壳(1-1)为上端开口的铝质壳体，屏蔽外壳(1-1)侧壁设有通孔用于穿过导线；所述多层电路板包括基板、介质层(1-4)和铜膜层(1-3)，基板置于最底层，介质层(1-4)置于基板上方，将铜膜层(1-3)置于介质层(1-4)上方，介质层(1-4)和铜膜层(1-3)分别有十层，交叉叠放；电阻(1-5)和静电计(1-6)均为九个；

将多层电路板封装并固定于屏蔽外壳(1-1)内，多层电路板上表面与屏蔽外壳(1-1)的上端开口相对，且多层电路板上、下表面均接地；多层电路板中的除最上层铜膜层(1-3)以外的每层铜膜层(1-3)均对应一个电阻(1-5)和一个静电计(1-6)，即每层铜膜层(1-3)与一个电阻(1-5)和一个静电计(1-6)依次相连，九个静电计(1-6)均接地，且静电计(1-6)置于屏蔽外壳(1-1)外部，电阻(1-5)置于屏蔽外壳(1-1)内部；

(2)进行电子束辐照试验

利用能量为1MeV，电流密度为65pA/cm²的电子束进行辐照，电子束置于步骤(1)所述探头上方，使入射电子(1-2)从屏蔽外壳(1-1)上端开口处垂直入射到多层电路板内部，通过测量铜膜层(1-3)上引出导线上的电位测量多层电路板介质内部不同深度处的电位，利用静电计(1-6)测得9根导线上的电压；分别给出辐照10分钟、20分钟、30分钟、1小时之后9根导线上的电压。

2.根据权利要求1所述的一种监测航天器内带电电位的方法，其特征在于：所述铜膜层(1-3)采用溅射镀膜的方法镀到介质层(1-4)表面。

3.根据权利要求1所述的一种监测航天器内带电电位的方法，其特征在于：所述介质层(1-4)材料为聚四氟乙烯或聚酰亚胺，厚度为60μm。

4.根据权利要求1所述的一种监测航天器内带电电位的方法，其特征在于：所述铜膜层(1-3)厚度为10μm。

5.根据权利要求1所述的一种监测航天器内带电电位的方法，其特征在于：所述屏蔽外壳(1-1)材料为铝，厚度为0.2mm。