CN103454315B - 一种测量航天器介质材料深层充电特征参数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种测量航天器介质材料深层充电特征参数的装置和方法，所述装置包含：辐射源，真空单元，样品靶台，控制单元；静电电位计，用于测量某一通量时的试样介质的表面电位；静电计，用于测量某一通量时试样的泄露电流；总电导率获得单元，用于基于测量得到的表面电位和泄露电流得到总电导率；电位衰减测量单元；第一处理单元，用于基于得到的电位随时间衰减曲线和电荷贮存衰减法，得到各通量下的暗电导率值，再取平均得到最终的暗电导率σ₀；第二处理单元，用于基于得到的暗电导率和总电导率，得到在两种不同的束流强度在材料体积中产生剂量率对应的辐射诱发电导率，进而获得试样材料相关的参数数K_p和无量纲指数Δ值。

Description

一种测量航天器介质材料深层充电特征参数的装置及方法

技术领域

本发明涉及航天器介质材料电导率测量方面的内容，具体涉及一种测量航天器介质材料深层充电特征参数的装置及方法。

背景技术

在太阳活动期间，地球中高轨道的高能电子通量将显著增强，这些高能电子可穿透航天器蒙皮，在其内部的绝缘介质或孤立导体上沉积并建立电场，如果充电导致介质内建电场强度达到击穿阈值，或相邻结构间出现较高的电位差，便会产生静电放电，对航天器的电子系统造成干扰、伪指令，甚至烧毁。美国对298起航天器在轨故障原因的统计数据表明，深层充电导致的故障占总数的1/4以上。其中，不乏像航天器失效这样的严重事例，例如ANIK-E1、ANIK-E2、Galaxy-4，以及较近发生的Galaxy-15等。包含同步轨道在内的地球中高轨道，是导航、通信、气象等众多卫星的必选轨道，深层充电效应时时威胁着这些卫星的安全运行，同时，为了实现应用目标，这些卫星通常对可靠性有着非常严格的要求，在这种形势下，做好深层充电效应的评估和防护就至关重要。

在对航天器深层充电风险进行评估的过程中，航天器上所使用绝缘介质材料的电导率是非常关键的输入参数。尽管被称为“绝缘”材料，实际上这些材料仍然存在导电能力，只是其电导率的值非常小，在绝大多数应用情况下可以忽略，从而近似认为材料是绝缘的，但对于深层充电效应来说，介质材料的电导率是不能忽略的，并且是对充电过程起支配作用的物理量。深层充电现象可简单理解成“电荷积累”和“电荷泄露”这两个动态物理过程的竞争，即空间辐射电子在材料内逐渐沉积的同时，由于电导率的存在，这些电荷也在通过接地点向外缓慢泄露。起初，由于沉积在介质材料内的电荷较少，由这些电荷产生的电场E较小，因此，泄漏电流J_C也较小；随着沉积电荷的积累，E逐渐增强，导致J_C逐渐增大；若不发生放电，这一过程将最终达到平衡，此时，泄漏电流J_C与沉积电流J_T相等。电荷泄漏的过程满足欧姆定律J_C=σE，其中，E为电场强度，J_C为传导电流，σ为介质材料的电导率，它决定着充电平衡时间以及达到平衡时的状态。

在空间应用情况下，介质材料的电导率并不是一个常数，而是受多种因素的影响而发生着显著地变化。通常将介质材料的电导率描述为暗电导率和辐射诱发电导率两项之和，即其中，暗电导率σ₀是温度和场强的函数，辐射诱发电导率σ_ric是剂量率的函数。国内外已开展的试验证实，对于航天器常用的介质材料，例如，聚酰亚胺、环氧树脂等，在空间辐射环境下，其辐射诱发电导率有可能高出暗电导率几个量级，成为总电导率大小的决定项。辐射诱发电导率可描述为其中，k_p和Δ是材料相关的参数。

为了准确评估深层充电效应，需要在实验室准确测量材料的σ₀、k_p和Δ等电导率相关参数。工业测量方法（ASTMD-257-9）的测量结果不能准确反映空间应用的情况；与美国航空航天局NASA-DHBK-4002A手册中提出的电荷贮存衰减法相比，本文方法不仅测得暗电导率，而且还能得到辐射诱发电导率参数，为深层充电评估提供更准确的输入条件。

在已有的专利申请中，没有涉及航天器介质材料深层充电特征参数的装置及方法的专利申请。

1.现有技术方案（主流的技术方案）

（1）工业测量方法(ASTMD257-93)，如图1所示。

如图1所示，常用的工业测量电导率的方法是在地面大气环境中给介质前后加偏压V，用皮安表测量漏电流I，由欧姆定律计算得到介质电阻：

R＝V/I

若介质厚度为d，面积为A，则介质电导率为：

$\mathrm{\σ}=\frac{d}{R*A}.$

（2）电荷贮存衰减法

电荷贮存衰减法是JPL实验室的A.R.Frederickson和USU大学的J.R.Dennison提出的方法，Frederickson等人对10余种不同的材料使用电荷贮存衰减法进行电导率试验，结果测得的电导率比传统方法测得的值低1到4个量级。电荷贮存衰减法得到的结果更接近空间环境中介质材料电导率的真实情况，该方法是NASA-HDBK-4002A中推荐使用的电导率测量方法。

图2为JPL实验室采用电荷贮存衰减方法测量介质电导率的装置设计，电子发射装置与被测样品均安置在真空罐内，其中：

通过样品背电极可以连接电流计进行泄露电流的测量；非接触式电位探针用于测量样品表面电位。

电荷贮存衰减法的基本原理是：

①假设被测介质样品为一个平板电容，一面镀电极接地，另一边接受辐照和电位测量；

②假设充电时电荷都分布在表面，充电截止后，样品内部电荷的泄放类似于RC电路的泄放过程，呈指数形式衰减，因此样品表面电位衰减随时间变化关系为：

V(t)=V₀×e^(t/τ)

其中，V₀为充电截止时刻的初始电位；τ为时间常数，即表面电位衰减到初始值的1/e时所需的时间，τ=R×C，R为体电阻，C为电容。

对于面积为S，厚度为d的介质样品，电阻：

如果忽略边缘效应，则理想电容为：ε为材料的介电常数；

因此时间常数： $\mathrm{\τ}=R*C=\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\σ}}$

根据图3所示的表面电位衰减曲线，即可得到材料电导率。

上述现有技术的缺点：

当采用工业测量方法时：从测量环境而言，工业测量在地面大气环境中进行，不能避免因空气中分子吸附、以及样品材料吸湿后水分子带来的电导，这是测得电导率比一般材料实际电导率偏大的原因之一。从电荷注入的方式来看，传统工业测量方法测量时电荷通过电极注入，这样容易造成材料的极化，使得测量值要比实际值大；工业测量方法低估了深层充电造成的危害，不适用于准确评估航天器介质深层充电问题。

当采用电荷贮存衰减法：电荷贮存衰减法只测量了材料的暗电导率，而没有考虑材料在持续辐射环境下产生的辐射诱发电导率。当辐照停止后，辐射诱发电导率衰减很快，一般辐照停止数分钟后，辐射诱发电导率即减小约2～3个量级，所以通过电位随时间的衰减曲线，很难测量介质材料的辐射诱发电导率，仅能测量介质材料的暗电导率，不能满足深层充电分析的需求。

发明内容

本发明的目的在于，针对介质材料在空间应用条件下的暗电导率和辐射诱发电导率，提出一种简便、有效的测量方法，使用该方法，可以通过地面试验得到的结果确定航天器介质材料在空间应用条件下的电导率状态，为航天器在轨充电风险评估及防护设计提供可靠依据。

为实现上述目的，本发明提供了一种测量航天器介质材料深层充电特征参数的装置，所述装置包含：

辐射源，用于对位于工位上的试样进行辐照；

真空单元，用于将放置温控靶台的真空罐进行抽真空处理；

样品靶台，用于设置放置试样的工位；

控制单元，用于：

对辐射源的闸门进行开启或关闭，启动真空单元对真空罐抽真空，监测真空罐中的真空度，测量试样的表面电位和泄露电流后关闭辐射源；用于控制辐射源发射的电子能量值；用于控制辐射源辐射的电子通量值；

静电电位计，用于与电位探头相连，采用非接触式方法测量某一通量时的试样介质的表面电位；

静电计，用于通过导线直接接于试样背面背电极上测量某一通量时试样的泄露电流；

总电导率获得单元，用于基于测量得到的表面电位和泄露电流得到总电导率；

电位衰减测量单元，用于当辐射源停止辐照时，保持真空和温度设置，将试样调至电位探头探测工位处，按一定的时间间隔升降电位探头，测量并记录试样电位随时间的衰减情况，得到某一通量时电位随时间衰减曲线；

第一处理单元，用于基于得到的电位随时间衰减曲线和电荷贮存衰减法，得到各通量下的暗电导率值，再取平均得到最终的暗电导率σ₀；和

第二处理单元，用于基于得到的暗电导率和总电导率，得到在两种不同的束流强度在材料体积中产生剂量率对应的辐射诱发电导率，再依据辐射诱发电导率公式和得到的两个辐射诱发电导率确定与材料相关的参数数K_p和无量纲指数Δ值；

其中，当辐射源进行辐照过程中保持束流强度不变。

上述样品靶台采用可旋转式温控多工位样品靶台，该可旋转式温控多工位样品靶台进一步包含：

正多面体单元,该单元的每一个面为用于放置试样的工位；

温控管，用于控制试验温度；

动密封装置，用于转动所述正多面体，按试验需要进行电子枪辐射工位或电位探头探测工位的选择，并且在转动的过程中保证真空罐不漏气，维持其真空度；

其中，所述正多面体固定于动密封装置之上，随动密封装置的转动来选择试验所需的工位；温控管从动密封装置内部穿过与正多面体相连，以热传导的方式通过半导体温控部件来调节铜制正多面体靶台上试样的试验温度。

上述方案可以依据束流强度在一定厚度的介质中产生的轫致辐射剂量率与空间真实环境下受辐照介质中的电离剂量率在一个量级左右的原则选择束流强度。

上述方案可以采用等电源保护环消除试样的边缘效应。

基于上述装置本发明还提供了一种测量航天器介质材料深层充电特征参数方法，所述方法为：

步骤101）利用一定能量和通量的电子束流辐照材料样品，将电荷注入到样品的表层，同时，辐照电子产生的轫致辐射会在整个样品内部形成较均匀的剂量率分布；

步骤102）监测样品的表面电位和泄漏电流，以及停止辐照后的电位衰减情况，对上述数据进行处理，求得电导率的各相关参数，所述相关参数包含暗电导率及与辐射诱发电导率相关的参数K_p和无量纲指数Δ。

上述步骤101）之前还包含：选择需要测量的航天器介质材料样品，加工为平板形状，并对样品背面镀铜电极；将样品装入温控靶台，然后抽真空，打开温控系统，设定温度。

上述步骤102）进一步包含：

步骤102-1）将一片背部接地的平板形状材料样品，置于电子枪的辐照之下，在辐照过程中保持束流强度不变，持续辐照一段时间后，测量样品的表面电位和泄漏电流，进行处理得到样品的总电导率；

步骤102-2）用上述方法求得材料的总电导率之后，停止辐照，观测样品的电位衰减曲线，利用电荷贮存衰减法求得材料的暗电导率，用总电导率减去暗电导率，即得到某个束流强度在材料体积中产生剂量率对应的辐射诱发电导率；

步骤102-3）改变辐照电子的束流强度，即改变剂量率，再重复上述各步骤得到另一个辐射诱发电导率，利用两次不同剂量率情况下的辐射诱发电导率，即可求得参数k_p和Δ；

其中，所述剂量率是由蒙特卡罗方法模拟计算求得。

所述剂量率采用如下方法获得：

通过蒙特卡罗模拟，依据原则选择辐照电子能量通量及试样厚度，所述原则为使得轫致辐射剂量率在整个试样内近似均匀分布；

利用蒙特卡罗方法，模拟计算剂量率在试样内的沉积分布，去除试样表层由电子直接电离产生的剂量率，将试样体积内由轫致辐射产生的剂量率的均值作为计算用的剂量率

与现有技术相比，本发明技术优势在于：

本发明主要为了解决现有电荷储存衰减法，只能测量暗电导率，而不能测量辐射诱发电导率的问题，并且在此基础上，根据本发明中的方法设计出新的装置，提高测量电导率的效率。总之本发明优点如下：

①可通过试验同时获得航天器介质材料的暗电导率和辐射诱发电导率的相关参数，目前还没有一种方法可以做到这一点。

②测量方法符合深层充电效应发在真空条件下、电荷辐射注入等特点，结果更适用于该效应的评估。

③方法简单、对设备的要求较低，各项参数容易测得，试验效率较高。

附图说明

图1是现有技术的工业测量方法示意图；

图2是现有技术的电荷贮存衰减装置图；

图3是现有技术的充电截止后表面电位衰减曲线图；

图4是不同能量电子在kapton中的最大射程示意图；

图5是100keV电子在kapton中的剂量率分布图（1nA/cm²电子通量下）；

图6是被辐照样品内电子电离剂量率和轫致辐射剂量率分布区域示意图；

图7-a是深层充电特征参数测量方法的流程图；

图7-b是深层充电特征参数测量装置的组成示意图；

图8是实验装置优化设置图；

图9旋转式温控多工位样品靶台设置图；

图10是kapton中的电子电离剂量率和轫致辐射剂量率分布区域图；

图11是电位电流测量简图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述方法进行详细说明。

首先本发明的原理为：

本发明在真空条件下，利用不至于引发快速放电的电子束流辐照材料样品，将电荷注入到样品的表层，同时，辐照产生的轫致辐射会在整个样品内部形成较均匀的剂量率分布，这一剂量分布将决定材料辐射诱发电导率的大小。监测样品的表面电位和泄漏电流，以及停止辐照后的电位衰减情况，对上述数据进行适当处理即可求得电导率的各相关参数。其次，本发明提供的测量航天器介质材料深层充电特征参数的方法如下，可参考如图7-a所示：

本发明利用常规电子枪进行试验，所述常规电子枪的能量范围在10～100keV之间，这样能量的电子在材料内的射程很短，仅有几十微米，如图4所示。即在电子枪辐照下的材料样品，电子仅沉积在样品表面很薄的一层内，同时，绝大部分剂量也沉积在表面薄层内。而入射电子产生的轫致辐射X射线，由于具有较强的穿透能力，能够达到样品的更深处，会在一个相对大的深度范围内形成剂量分布，如图5所示，为蒙特卡罗模拟得到的单位时间内100keV电子在kapton材料中的剂量率分布情况（这里取电子通量1nA/cm²进行模拟），可见10^-3rad/s量级的轫致辐射剂量在介质中起主要作用。

测量样品的总电导率：

将一片背部接地的平板形状材料样品，置于上述电子枪的均匀辐照之下，且在辐照过程中保持电子枪的束流强度不变。如前所述，电荷将在样品的表面沉积，而轫致辐射产生的X射线将在整个样品体积内形成较均匀分布的剂量率，该剂量率即决定了样品的电导率（如图6所示）。持续辐照样品一段时间，则该样品表面累积的电荷将逐渐抬高电势/场强，并驱动电荷向背电极泄放，形成泄漏电流。所述样品的表面电位和泄漏电流都是在试验中容易测量的物理量。当辐照一段时间后，测定材料样品的表面电位V_S和泄漏电流I_C，根据欧姆定律有V_S=I_C·R，其中，R是材料样品的体电阻，可表述为其中，σ是样品的总电导率；A是样品的面积，t是样品的厚度。因此，样品的总电导率为：

$\mathrm{\σ}=\frac{I_C\·t}{V_S\·A}---\left(1\right)$

通过试验测得上式中的I_C、V_S、t、A，即可求得样品材料的总电导率σ。

依次确定暗电导率和辐射诱发电导率：

前面曾提到材料的总电导率σ是由暗电导率σ₀和辐射诱发电导率σ_ric两部分组成，即：

$\mathrm{\σ}={\mathrm{\σ}}_0+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ric}}\left(\stackrel{\·}{D}\right)---\left(2\right)$

用上述方法求得材料的总电导率之后，停止辐照，观测样品的电位衰减曲线，利用现有技术方案中描述的电荷贮存衰减法求得材料的暗电导率。将确定的总电导率与暗电导率做差，得到该束流强度在材料体积中产生剂量率对应的辐射诱发电导率。

根据辐射诱发电导率的公式：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ric}}=k_p{\stackrel{\·}{D}}^{\mathrm{\Δ}}---\left(3\right)$

改变辐照电子的束流强度（即改变剂量率），再进行确定总电导率、暗电导率和辐射电导率的试验，利用两次不同剂量率情况下得到的两个辐射诱发电导率结果求得参数k_p和Δ。需要说明的是，其中的剂量率是由蒙特卡罗方法模拟计算求得。

最后，本发明提供的一个具体的实验装置，基于该具体的实验装置的具体实施过程和实验结果如下：

1.实验装置的整体设置，包括基本设置和优化设置两部分。

图7-b和7-a给出了本发明所用试验装置及基于该装置实现的测量方法的流程图，图7-a所示的试验装置具体包含：

辐射源，用于对位于工位上的试样进行辐照，具体采用电子枪；

真空单元，用于将放置温控靶台的真空罐进行抽真空处理；

样品靶台，用于设置放置试样的工位；

控制单元，用于：

对辐射源的闸门进行开启或关闭，启动真空单元对真空罐抽真空，监测真空罐中的真空度，当试样接受辐照表面电位升至数千伏时测量试样的表面电位和泄露电流后关闭辐射源，例如将接受辐照表面电位升至4000-5000V，此时电位和电流值足够高，测量误差较小，电位过高则容易引发放电；用于控制辐射源发射的电子能量值；用于控制辐射源辐射的电子通量值；

静电电位计，用于与电位探头相连，采用非接触式方法测量某一通量时的试样介质的表面电位；

静电计，用于通过导线直接接于试样背面背电极上测量某一通量时试样的泄露电流；

总电导率获得单元，用于基于测量得到的表面电位和泄露电流得到总电导率；

电位衰减测量单元，用于当辐射源停止辐照时，保持真空和温度设置，将试样调至电位探头探测工位处，按一定的时间间隔升降电位探头，测量并记录试样电位随时间的衰减情况，得到某一通量时电位随时间衰减曲线；

第一处理单元，用于基于得到的电位随时间衰减曲线和电荷贮存衰减法，得到各通量下的暗电导率值，再取平均得到最终的暗电导率σ₀，即图7-a中的暗导率计算模块。

第二处理单元，用于基于得到的暗电导率和总电导率，得到在两种不同的束流强度在材料体积中产生剂量率对应的辐射诱发电导率，再依据辐射诱发电导率公式和得到的两个辐射诱发电导率确定与材料相关的参数K_p和无量纲指数Δ值，即图7-a中的Kp和Δ值的计算模块。

其中，当辐射源进行辐照过程中保持束流强度不变。上述的总电导率获得单元、电位衰减测量单元、第一处理单元和第二处理单元可以集中或分散布设于计算机上，用于处理测量得到的数据进而得到参数K_p和无量纲指数Δ值。

上述电子枪提供满足试验条件的电子能量和通量，使试样内产生与空间真实辐射环境下沉积剂量率相似量级的轫致辐射剂量率，并且通过控制单元随时开通和关闭电子枪；真空单元的使用使真空室能够达到试验所需的真空条件。旋转式温控靶台的使用使得一次试验的样品数由一块增加至十二块，通过温度控制使得试验温度满足样品材料在空间应用时的温度状态，同时通过控制单元能够使得靶台旋转至试验需要的辐照工位或电位探头探测工位；本装置可通过样品背电极连接静电计用于泄露电流的测量；静电电位计通过内置在真空室里的电位探头采用非接触式的方法测量样品的表面电位。

1.1基本设置（如图7-b所示）：

图7-b给出了测量航天器介质材料深层充电特征参数的基本设备配置，在不采用旋转式温控平台的条件下，也可进行介质材料充电特征参数的测量，但是由于其使用的是单面靶台，每次装样试验只能进行一块样品的测试，进行下一块样品的测试时需要重新开舱装样，中间耗费了大量的时间，降低了试验的效率，所以需要在基本设置的基础上进行改进。

A)电子枪该装置配备的辐照源为电子枪，该电子枪可发射几十keV能量的电子，单位面积束流强度需要在0.1nA/cm²～10nA/cm²之间，束流不均匀性要小于等于10%。

B)真空系统真空系统应包括真空罐和真空机组等，且经过一段时间抽真空后，真空罐内真空度要好于1×10^-4帕。

C)测量系统包括静电计和静电电位计

静电计：泄露电流的测量要求所使用的电流静电计能够测量nA级以下的弱电流，可选用Keithley6517A静电计。

静电电位计：试验需要采用非接触式方法测量介质表面电位，电位测量范围为0～-20kV，可选用TreK341B型非接触式真空静电电位测量仪。

其中，试样放置于单面靶台上。

1.2优化设置（如图8和图9所示）

本发明在基本设置的基础上进行了优化，设计了可旋转式温控多工位样品靶台，该设计是本发明提高实验效率的关键。将图7-b中的单面靶台改装为图8的正十二面体靶台，一次试验可以装十二个样品，并且采用动密封装置，将正十二面体靶台安装在动密封装置之上，通过控制系统切换辐照工位或电位探头探测工位需要转动靶台的时候，不会影响装置的密封性，保证了试验的真空度。温控管穿过动密封装置将正十二面体靶台和温控系统连接在一起，温控管与靶台均为铜制，在真空没有热对流的条件下，通过热传导的方式以冷热物质不间断循环通过温控管以达到控制试验温度目的。

靶台：由单面体改为正十二面体，有12个测量工位供选择，一次可进行12个样品的试验，一次装样试验中可通过控制系统对各工位试样逐个进行辐照和测量，避免了重复开关机装样的麻烦。

温控管：温控管穿过动密封装置将温控系统与靶台连接在一起，样品温度通过温控管以热传递的方式进行调节，温度的调节范围为-50℃到+100℃，温控精度为±1℃。

动密封装置，如图9所示：正十二面体的靶台安装于动密封装置之上，通过控制单元控制动密封装置，继而靶台随传之转动，实现电子枪辐射工位和电位探头探测工位的选择。其中电子枪辐射工位和电位探头探测工位的步骤如下：在辐照阶段，控制单元打开电子枪闸门，该控制单元再通过动密封装置将试样调至电子枪辐射工位进行辐照。测量时，控制单元关闭电子枪闸门，控制系统通过动密封装置将试样调至电位探头探测工位进行测量，测量完成后又调至电子枪辐射工位，打开电子枪闸门进行辐照，如此往复至完全停止辐照，此时关闭电子枪闸门，将试样调至电位探头探测工位，记录下电位随时间的衰减变化。

2.束流强度和样品面积及厚度的选择：

电子能量的选择范围一般在40—100keV之间，这里为了便于说明，以100keV能量的电子，选择束流强度1nA/cm²为例进行说明，如图10所示。选择束流强度的宗旨是该束流强度在一定厚度的介质中产生的轫致辐射剂量率与空间真实环境下受辐照介质中的电离剂量率相当，并且束流强度不宜过大，以免实验时样品产生快速放电。

从图10可以看出，当电子能量为100keV，束流强度为1nA/cm²时，电子直接电离剂量主要分布在试样表面以下最深处至0.15mm的范围之内，深度大于0.15mm的试样体积内沉积的剂量是由轫致辐射产生的。轫致辐射剂量在试样较大的深度范围内分布相对均匀，其中，在0.15～1.5mm深度范围内，轫致辐射产生的剂量率大小在10^-3rad/s量级；在1.5～2.0mm深度范围内，轫致辐射产生的剂量率大小在10^-4rad/s量级。由于空间可导致充电的高能电子环境，在航天器典型屏蔽条件下的介质材料内沉积的剂量率约在10^-3rad/s量级，所以，可选择电子能量100keV、束流强度1nA/cm²、以及试样厚度1.5mm的组合作为试验设置。特别说明，电子能量不变时，改变束流强度的大小，电子直接电离剂量率和轫致辐射剂量率在2mm厚度内的分布范围是不会改变的，即0.15～1.5mm仍是轫致辐射剂量率主要分布范围，只是仍致辐射剂量率随束流强度的增大有所增大，所以在100keV电子能量不变的条件下，仍可选用1.5mm厚的试样，选用其他束流强度时，只要该束流强度满足在介质内产生的轫致辐射剂量率与空间真实情况下介质材料内沉积剂量率量级相当的条件即可。

这里实验样品的厚度确定之后，还需对实验样品的长宽作限定。因为我们所用的介质样品近似为平板电容器，需要考虑边缘效应。根据《计及边缘效应的平行板电容器的电容计算》一文，当试样线度h与间距d满足时，边缘效应带来的误差可以小于10%。将试样的长和宽都定为40mm满足线度间距比要求。为了更好的减小误差，我们同时采用等电源保护环进一步消除边缘效应。

这样，最终确定的实验条件为实验样品长宽厚的规格为40mm×40mm×1.2mm，电子枪辐照的电子能量为100keV，束流强度有多个选择，以辐照时试样不产生快速放电且产生的轫致辐射剂量量级与空间真实情况下的剂量量级相当为准。

以上束流强度和样品的面积及厚度的选择是对于密度为1.42g/cm³的kapton而言的，其他种类的介质材料可参照上述方法获取相对应的试验用束流强度和样品尺寸。

表面电位和接地电流的测量（如图10所示），测量样品表面电位时，将采用非接触式静电电位测量仪，其电位测量范围通常需满足0～-20kV。为了便于长时间测量，以及避免电位测量探头的损坏，样品表面电位的实际测量通过一组跨越真空室内外的电极片间接实现。真空室内的电极片在需要测量时，在传动装置的驱动下接近待测样品，产生与样品表面电位相应的感生电荷，同时在真空室外的电极上产生对等的电荷。在真空室外，可以便捷地利用精密电位探头测量外电极的电位，再经过标准电压源的标定即可获得真空室内样品的表面电位。泄露电流的测量采用静电计，静电计探头直接连接在样品背部，当我们读取表面电位的时候，记录下相应的泄露电流值。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种测量航天器介质材料深层充电特征参数的装置，其特征在于，所述装置包含：

辐射源，用于对位于工位上的试样进行辐照；

真空单元，用于将放置温控靶台的真空罐进行抽真空处理；

样品靶台，用于设置放置试样的工位；

控制单元，用于：

对辐射源的闸门进行开启或关闭，启动真空单元对真空罐抽真空，监测真空罐中的真空度，测量试样的表面电位和泄露电流后关闭辐射源；用于控制辐射源发射的电子能量值；用于控制辐射源辐射的电子通量值；

静电电位计，用于与电位探头相连，采用非接触式方法测量某一通量时的试样介质的表面电位；

静电计，用于通过导线直接接于试样背面背电极上测量某一通量时试样的泄露电流；

总电导率获得单元，用于基于测量得到的表面电位和泄露电流得到总电导率；

电位衰减测量单元，用于当辐射源停止辐照时，保持真空和温度设置，将试样调至电位探头探测工位处，按一定的时间间隔升降电位探头，测量并记录试样电位随时间的衰减情况，得到某一通量时电位随时间衰减曲线；

第一处理单元，用于基于得到的电位随时间衰减曲线和电荷贮存衰减法，得到各通量下的暗电导率值，再取平均得到最终的暗电导率σ₀；

第二处理单元，用于基于得到的暗电导率和总电导率，得到在两种不同的束流强度在材料体积中产生剂量率对应的辐射诱发电导率，再依据辐射诱发电导率公式和得到的两个辐射诱发电导率确定与材料相关的参数数K_p和无量纲指数Δ值；

其中，当辐射源进行辐照过程中保持束流强度不变。

2.根据权利要求1所述的测量航天器介质材料深层充电特征参数的装置，其特征在于，所述样品靶台采用可旋转式温控多工位样品靶台，该可旋转式温控多工位样品靶台进一步包含：

正多面体单元,该单元的每一个面为用于放置试样的工位；

温控管，用于控制试验温度；

动密封装置，用于转动所述正多面体单元，使正多面体单元包含的工位按试验需要进行电子枪辐射工位或电位探头探测工位的选择，并且在转动的过程中保证真空罐不漏气，维持其真空度；

其中，所述正多面体固定于动密封装置之上，随动密封装置的转动来选择试验所需的工位；温控管从动密封装置内部穿过与正多面体相连，以热传导的方式通过半导体温控部件来调节铜制正多面体靶台上试样的试验温度。

3.根据权利要求1所述的测量航天器介质材料深层充电特征参数的装置，其特征在于，依据束流强度在一定厚度的介质中产生的轫致辐射剂量率与空间真实环境下受辐照介质中的电离剂量率相当的原则选择束流强度。

4.根据权利要求1所述的测量航天器介质材料深层充电特征参数的装置，其特征在于，采用保护环消除试样的边缘效应。

5.一种测量航天器介质材料深层充电特征参数方法，所述方法为：

步骤101)利用一定能量和通量的电子束流辐照材料样品，将电荷注入到样品的表层，同时，辐照电子产生的轫致辐射会在整个样品内部形成较均匀的剂量率分布；

步骤102)监测样品的表面电位和泄漏电流，以及停止辐照后的电位衰减情况，对上述数据进行处理，求得电导率的各相关参数，所述相关参数包含暗电导率及与辐射诱发电导率相关的参数K_p和无量纲指数Δ；

其中，

所述步骤102)进一步包含：

步骤102-1)将一片背部接地的平板形状材料样品，置于电子枪的辐照之下，在辐照过程中保持束流强度不变，持续辐照一段时间后，测量样品的表面电位和泄漏电流，进行处理得到样品的总电导率；

步骤102-2)用上述方法求得材料的总电导率之后，停止辐照，观测样品的电位衰减曲线，利用电荷贮存衰减法求得材料的暗电导率，用总电导率减去暗电导率，即得到某个束流强度在材料体积中产生剂量率对应的辐射诱发电导率；

步骤102-3)改变辐照电子的束流强度，即改变剂量率，再重复上述各步骤得到另一个辐射诱发电导率，利用两次不同剂量率情况下的辐射诱发电导率，即可求得参数k_p和Δ；

其中，所述剂量率是由蒙特卡罗方法模拟计算求得。

6.根据权利要求5所述的测量航天器介质材料深层充电特征参数方法，其特征在于，所述步骤101)之前还包含：选择需要测量的航天器介质材料样品，加工为平板形状，并对样品背面镀铜电极；将样品装入温控靶台，然后抽真空，打开温控系统，设定温度。

7.根据权利要求5所述的测量航天器介质材料深层充电特征参数方法，其特征在于，所述剂量率采用如下方法获得：

通过蒙特卡罗模拟，依据原则选择辐照电子能量通量及试样厚度，所述原则为使得轫致辐射剂量率在整个试样内近似均匀分布；

利用蒙特卡罗方法，模拟计算剂量率在试样内的沉积分布，去除试样表层由电子直接电离产生的剂量率，将试样体积内由轫致辐射产生的剂量率的均值作为计算用的剂量率

8.根据权利要求5所述的测量航天器介质材料深层充电特征参数方法，其特征在于，选择束流强度的依据为：束流强度在一定厚度的介质中产生的轫致辐射剂量率与空间真实环境下受辐照介质中的电离剂量率相当。