CN102944763A - 一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统及方法，具体涉及一种能够原位测试星用介质材料的内部电荷及电场分布的系统及方法，属于测量领域。所述系统包括真空罐、上电极、电磁阀、抽真空系统、直流高压电源、测试信号线、工控机、示波器、屏蔽法兰、高压纳秒脉冲发生器、空间电荷检测装置主机、电子加速器。所述方法通过电子加速器使高能电子通过上电极孔注入到样品表面，同时通过示波器和工控机记录测试波形；将工控机记录的标定波形与测试波形进行数据处理，得到样品中的电荷分布。可对地面模拟的空间高能电子射入空间材料产生的内部电荷及电场分布进行原位监测。并避免了辐照后拿出样品测量带来的误差，使测试信号不受干扰。

Description

一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统及方法

技术领域

本发明涉及一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统及方法，具体涉及一种能够原位测试星用介质材料的内部电荷及电场分布的系统及方法，属于测量领域。

背景技术

卫星内带电一般是由于空间中能量在0.1～10MeV的高能电子射入材料内引起的，上述高能电子能够穿透卫星结构（卫星表面材料、电缆护层等）并在电缆绝缘层、印制电路板及电容器部件上沉积电荷，当高能电子注入卫星介质材料时，可能会导致材料强度下降。如果介质内入射电子的沉积速率超过其泄放速率时，介质内电荷密度将逐渐增大，电场强度也随之增强，当内建电场强度超过介质材料的击穿强度时将发生内放电。内放电通常接近于电子系统，从而对卫星系统的工作的危害更直接。随着卫星电子系统性能的提高和大量新材料的使用，卫星对空间高能电子环境引起的介质材料内带电效应问题也越来越敏感，卫星内带电防护技术成为发展长寿命应用卫星所必须解决的关键技术之一。因此开展卫星内带电防护技术研究，在地面模拟卫星内带电，监测介质材料内部电荷及电场分布对于卫星内带电防护有着重要的意义。

国内在介质材料内带电效应的研究方面在近几年已取得一定研究成果，中国航天科技集团公司五院五一○所与西安交通大学联合研究，开发出高能电子辐照下的介质材料内部电荷及电场分布测量装置-空间电荷测量仪，但该仪器只可以测量高能电子辐照后材料的内部电荷及电场分布，不能实现原位测试，由于高能电子的辐射性，在关闭高能电子加速器后还需要至少半小时时间才可以将辐照后的材料样品取出测试，在这个过程中由于材料会接触空气及其它介质导致电荷泄放，使测量结果出现偏差。为了减小偏差，需要一种高能电子辐照下的介质材料内部电荷及电场分布原位测试的方法。

发明内容

本发明提供一种能够原位测试星用介质材料内部电荷及电场分布的系统及方法，能解决高能电子辐照样品后，再将样品取出进行电荷及电场分布，这一测试过程中的电荷泄放和测量带来的误差。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统，所述系统包括真空罐、上电极、电磁阀、抽真空系统、直流高压电源、测试信号线、工控机、示波器、屏蔽法兰、高压纳秒脉冲发生器、空间电荷检测装置主机、电子加速器。

其中，在真空罐内部，空间电荷检测装置主机安装在真空罐底面上，样品放置在主机上表面，在样品上放置上电极；所述上电极为金属圆柱体，沿中轴线开有上电极孔；电子加速器安装在真空罐顶部，发射端与上电极孔正对；

真空罐底部开有第一、第二和第三通孔，在第二和第三通孔中安装有屏蔽法兰；导线通过第一通孔，将直流高压电源与上电极连接；测试信号线通过第二通孔，将空间电荷检测装置主机与示波器连接，工控机通过网线与示波器连接；屏蔽导线通过第三通孔，将上电极与高压纳秒脉冲发生器连接；

在真空罐外，抽真空系统通过电磁阀与真空罐连接；

优选上电极孔的直径为10~20mm；

所述测试样品为星用介质材料板，如聚四氟乙烯、聚酰亚胺，厚度为0.1~1.2mm；

其中，高压纳秒脉冲发生器的作用为，通过上电极给样品施加高压纳秒电脉冲，使样品中的空间电荷在高压纳秒电脉冲的作用下产生相应的压力波脉冲。

直流高压电源的作用为，在标定过程中，向样品两端施加强电场，研究样品介质在强电场作用下的电荷注入和演变；还可获得声波在样品中的传输时间，为后续的高能电子辐照后样品界面确定提供依据。

空间电荷检测装置主机的作用为，实现高压纳秒电脉冲信号的测量、放大、滤波和信号调理。所述主机包括中间放大器、信号调理电路系统和压电传感器，其中压电传感器为PVDF压电材料制成，具有压电性能好、频带宽、动态响应较好与低阻抗等性能。

示波器的作用为，显示和记录经由空间电荷检测装置主机输出的高压纳秒电脉冲信号。

工控机的作用为，将示波器显示的脉冲波形进行存储。

一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试方法，所述方法步骤如下：

步骤一、将样品进行干燥处理后，在其上下表面涂抹硅胶；

步骤二、将样品放入真空罐中，上电极与空间电荷检测装置主机之间，使电子加速器的发射端与上电极孔正对；

步骤三、关闭真空罐，打开电磁阀，开启抽真空系统抽真空，至真空罐内的真空度低于9×10^-3Pa；

打开直流高压电源，将电压调至2500~3500V；

打开高压纳秒脉冲发生器；

打开示波器，将示波器的调节触发电平在100mV以内，调出脉冲波形，打开工控机记录标定波形，完成对样品内部电荷和电场分布的标定；

然后关闭直流高压电源、示波器；

步骤四、打开电子加速器，使高能电子通过上电极孔注入到样品表面，同时打开示波器，调节示波器的触发电平在100mV以内，调出波形，打开工控机记录测试波形；

步骤五、将工控机记录的标定波形与测试波形进行数据处理，得到样品中的电荷分布。

优选步骤四中，所述高能电子的能量为0.1～10MeV。

有益效果

1.本发明提供了一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统，在所述系统中，沿上电极中轴线上开有上电极孔，使电子可以直射在样品上，且不影响高压脉冲信号通过上电极传到空间电荷检测装置主机上，因此上电极孔的孔径应在一个特定的范围才可以两样兼顾，经试验Φ10mm～20mm的上电极孔可实现以上目标。

2.所述系统将空间电荷检测装置主机放置在真空罐内的电子加速器下，全部测试信号线采用屏蔽电缆，通过真空罐上安装的屏蔽法兰，将测试信号引出到测试室外进行测量，完全避免了辐照后拿出样品测量带来的误差，使测试信号不受干扰。

3.本发明提供的原位测试方法，通过电子加速器在地面模拟能量为0.1～10MeV空间高能电子，可注入样品材料内部。将带屏蔽的信号线通过真空罐内壁上的屏蔽法兰与真空罐外的测试室相连，通过示波器与工控机进行数据监测和采集。可对地面模拟的空间高能电子射入空间材料产生的内部电荷及电场分布进行原位监测。

附图说明

图1是本发明所述的介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统的结构示意图。

图2是实施例中，示波器测试得到的脉冲波形。

图3是实施例中，经过不同束流密度的电子辐照后，样品不同厚度位置的空间电荷分布。

图4是是实施例中，经过不同束流密度的电子辐照后，样品不同厚度位置的空间电场分布。

图中：1－真空罐；2－上电极孔；3－上电极；4－样品；5－电磁阀；6－抽真空系统；7－直流高压电源；8－测试信号线；9－工控机；10－示波器；11－屏蔽法兰；12－高压纳秒脉冲发生器；13－空间电荷检测装置主机；14—电子加速器。

具体实施方式

如图1所示的一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统，所述系统包括真空罐1、上电极3、电磁阀5、抽真空系统6、直流高压电源7、测试信号线8、工控机9、示波器10、屏蔽法兰11、高压纳秒脉冲发生器12、空间电荷检测装置主机13、电子加速器14。

其中，在真空罐1内部，空间电荷检测装置主机13安装在真空罐1底面上，样品4放置在主机13上表面，在样品4上放置上电极3；所述上电极3为金属圆柱体，沿中轴线开有上电极孔2；电子加速器14安装在真空罐1顶部，发射端与上电极孔2正对；

真空罐1底部开有第一、第二和第三通孔，在第二和第三通孔中安装有屏蔽法兰11；导线通过第一通孔，将直流高压电源7与上电极3连接；测试信号线8通过第二通孔，将空间电荷检测装置主机13与示波器10连接，工控机9通过网线与示波器10连接；屏蔽导线通过第三通孔，将上电极3与高压纳秒脉冲发生器12连接；

在真空罐1外，抽真空系统1通过电磁阀5与真空罐1连接；

上电极孔2的直径为10~20mm；

所述测试样品4为星用介质材料板，如聚四氟乙烯、聚酰亚胺，厚度为0.1~1.2mm；

所述方法步骤如下：

步骤一、将样品4进行干燥处理后，在其上下表面涂抹硅胶；所述样品4为星用介质材料Teflon，为圆形片状结构，Φ80mm，厚0.35mm；

步骤二、将样品4放入真空罐1中，上电极3与空间电荷检测装置主机13间，使电子加速器14的发射端与上电极孔2正对；

步骤三、关闭真空罐1，打开电磁阀5，开启抽真空系统6抽真空，至真空罐1内真空度低于9×10^-3Pa；打开直流高压电源7，将电压调至3000V；打开高压纳秒脉冲发生器12，产生宽度为30ns、幅值为-1kV~2kV的电脉冲；打开示波器10，将示波器10的调节触发电平在100mV以内，调出如图2所示的脉冲波形；打开工控机9记录标定波形，完成对样品4内部电荷和电场分布的标定；然后关闭直流高压电源7、示波器10；

步骤四、打开电子加速器14，使能量为1.0MeV的高能电子通过上电极孔2注入到样品4表面，同时打开示波器10，调节示波器10的触发电平在100mV以内，调出波形，打开工控机9记录测试波形；

步骤五、将工控机9记录的标定波形与测试波形进行数据处理，得到样品4中的电荷分布，具体计算方式如下：

由于示波器10读取的信号为压力波电压信号，峰值对应电荷密度，时间对应介质深度，即x=vt，v为声速，t为时间，x为介质厚度。这一电压信号和电荷密度的关系与脉冲幅值、脉宽、介质材料及介质中的声速有关，因而必须进行空间电荷密度的标定。

标定方法通过电荷密度对应的输出信号为：

vα(t)=Kαe_p(t)                        （1）

对上式在0到ΔT区间内积分，得到信号传输系数K：

${\∫}_0^{\mathrm{\ΔT}}{v}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\mathrm{dt}=\mathrm{K\α}\frac{V_p}{d}\mathrm{\ΔT}---\left(2\right)$

而对于实际测量的空间电荷密度r(t)，采用同样的信号传输系数K，输出信号应为：

V_s(t)=Kr(t)V_saΔTe_p(t)                （3）

将式中的K代入，则空间电荷密度r(t)为：

$r\left(t\right)=\frac{\mathrm{\α}}{V_{\mathrm{sa}}{\∫}_0^{\mathrm{\ΔT}}{V}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\mathrm{dt}}{V}_s\left(t\right)---\left(4\right)$

其中，α₁和α₂为样品两面电极上的面电荷密度，ε为样品的介电常数，E_dc为样品两端施加的低电场，V_σ为施加电压时得到的输出电压信号，e_p（t）为脉冲电场，K为信号传递系数，ΔT为脉冲宽度，V_p为脉冲信号峰值，d为试样厚度，V_s(t)为空间电荷引起的输出电压信号，V_sa为声速。

（6）根据测量的空间电荷密度计算电场强度分布，介质材料内部电场可通过泊松方程计算获得，在静电场中，泊松方程的表达式如下：

$\▿E=\frac{\mathrm{\ρ}\left(X\right)}{\mathrm{\ϵ}}---\left(5\right)$

式中，

为电场，ρ（X）为电荷密度，ε为介质的介电常数。

以下为示波器10捕捉到的波形通过软件计算得出的电荷及电场分布结果。图3是示波器10捕捉到的样品4分别在10Pa/cm²、16.7Pa/cm²、25Pa/cm²的束流密度的电子辐照后，在样品4不同厚度位置的空间电荷分布。

图4为不同束流密度的电子辐照后，样品4不同厚度位置的空间电场分布图。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统，其特征在于：所述系统包括真空罐（1）、上电极（3）、电磁阀（5）、抽真空系统（6）、直流高压电源（7）、测试信号线（8）、工控机（9）、示波器（10）、屏蔽法兰（11）、高压纳秒脉冲发生器（12）、空间电荷检测装置主机（13）、电子加速器（14）；

其中，在真空罐（1）内部，空间电荷检测装置主机（13）安装在真空罐（1）底面上，样品（4）放置在主机（13）上表面，在样品（4）上放置上电极（3）；所述上电极（3）为金属圆柱体，沿中轴线开有上电极孔（2）；电子加速器（14）安装在真空罐（1）顶部，发射端与上电极孔（2）正对；

真空罐（1）底部开有第一、第二和第三通孔，在第二和第三通孔中安装有屏蔽法兰（11）；导线通过第一通孔，将直流高压电源（7）与上电极（3）连接；测试信号线（8）通过第二通孔，将空间电荷检测装置主机（13）与示波器（10）连接，工控机（9）通过网线与示波器（10）连接；屏蔽导线通过第三通孔，将上电极（3）与高压纳秒脉冲发生器（12）连接；

在真空罐（1）外，抽真空系统（1）通过电磁阀（5）与真空罐（1）连接。

2.根据权利要求1所述的一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统，其特征在于：所述上电极孔（2）的直径为10~20mm。

3.根据权利要求1所述的一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统，其特征在于：所述测试样品（4）为星用介质材料板，厚度为0.1~1.2mm。

4.一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试方法，所述方法使用如权利要求1所述的一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统，其特征在于：所述方法步骤如下：

步骤一、将样品（4）进行干燥处理后，在其上下表面涂抹硅胶；

步骤二、将样品（4）放入真空罐（1）中，上电极（3）与空间电荷检测装置主机（13）之间，使电子加速器（14）的发射端与上电极孔（2）正对；

步骤三、关闭真空罐（1），打开电磁阀（5），开启抽真空系统（6）抽真空，至真空罐（1）内的真空度低于9×10^-3Pa；

打开直流高压电源（7），将电压调至2500~3500V；

打开高压纳秒脉冲发生器（12）；

打开示波器（10），将示波器（10）的调节触发电平在100mV以内，调出脉冲波形，打开工控机（9）记录标定波形，完成对样品（4）内部电荷和电场分布的标定；

然后关闭直流高压电源（7）、示波器（10）；

步骤四、打开电子加速器（14），使高能电子通过上电极孔（2）注入到样品（4）表面，同时打开示波器（10），调节示波器（10）的触发电平在100mV以内，调出波形，打开工控机（9）记录测试波形；

步骤五、将工控机（9）记录的标定波形与测试波形进行数据处理，得到样品（4）中的电荷分布。

5.根据权利要求4所述的一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试方法，其特征在于：步骤四中，所述高能电子的能量为0.1～10MeV。

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