CN104237659A - 一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置及方法 - Google Patents

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秦晓刚
陈益峰
李得天
杨生胜
柳青
史亮
汤道坦
赵呈选
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Abstract

本发明公开了一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置及方法，其特点是：利用电子加速器模拟空间带电环境的高能电子对测试样品辐照，同时利用电声脉冲法原位测量介质材料空间电荷的分布，设计完成了一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置及方法。其装置主要包括电子加速器、真空靶室、真空抽气系统和电声脉冲法测量系统。本发明的装置可以用于测量高能电子辐照下的介质材料空间电荷分布的功能，为介质材料充放电的机理及其效应研究提供重要的材料特性参数。

Description

一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置及方法。
背景技术
航天器在GEO轨道运行时暴露在高能电子辐照环境下，这些高通量高能电子可直接穿透卫星结构和仪器设备等屏蔽层，进入卫星内部的电路板、导线绝缘层等介质材料中，导致绝缘介质材料深层电荷沉积，从而导致太阳电池阵玻璃盖片、热控材料等介质材料会发生内带电效应，这是引起GEO轨道卫星异常现象的重要原因之一。介质材料内带电过程主要包括：电荷沉积、电荷输运和电荷泄放，因此，要研究介质材料内带电效应，首先必须清楚介质材料内部空间电荷的分布情况。空间电荷的存在、转移和消失会直接导致电介质内部电场分布的改变，对介质内部的局部电场起到削弱或加强作用。国际上目前已经普遍公认，由于空间电荷对电场的这种畸变作用，空间电荷对介质材料的电导率、击穿破坏、老化等各方面电性能都有明显的影响。因此，研究介质材料的空间电荷分布在研究内带电效应的物理机制中起重要作用。
伴随着我国卫星技术的不断进步，为了满足导航卫星组网的需求，越来越多的卫星将运行在高轨道，所以必须对内带电效应进行防护设计。由于在地面的模拟试验中，没有开展过介质材料空间电荷分布的原位测量试验，导致无法模拟出空间电荷的沉积、输运和泄放过程，从而对航天器由于内带电引起的故障也无从评价。因此，亟需开展在不同能量和剂量率高能电子辐照下的材料空间电荷原位测量，它是介质材料内带电效应研究和分析中必不可少的一项重要内容。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置及方法，模拟介质材料受到空间高能电子辐照的影响，通过屏蔽结构设计解决测试过程中涉及弱信号测试和抗干扰等问题，原位测得介质材料空间电荷分布情况。
一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置，它由真空靶室、所发射电子能量和束流密度可调的电子加速器、真空抽气系统、示波器、电声脉冲法测量系统、样品台、脉冲发生器组成；其中，电声脉冲法测量系统包括：脉冲信号输入接口、铝屏蔽壳、保护电阻、铝电极、上电极、信号输出接口、信号输出电路、绝缘垫、压电传感器和下电极；
铝电极、上电极、介质材料样品、下电极、压电传感器和绝缘垫自上而下叠放连接后置于铝屏蔽壳内部；下电极和压电传感器之间涂抹导电硅脂，上电极和下电极是通过蒸镀法在介质材料样品两面镀上的金属薄膜；铝屏蔽壳具有上开口，铝电极中间部分通过所述上开口暴露在铝屏蔽壳之外，且所述上开口与铝电极紧密贴合；铝屏蔽壳的壳体上设有脉冲信号输入接口和信号输出接口，脉冲信号输入接口通过保护电阻连接铝电极，压电传感器通过信号输出电路连接信号输出接口；
真空靶室与真空抽气系统连通，电声脉冲法测量系统放在真空靶室内的样品台上，电子加速器位于样品台上方，脉冲发生器和示波器置于真空靶室之外，脉冲发生器与电声脉冲法测量系统的脉冲信号输入接口相连，示波器与电声脉冲法测量系统的信号输出接口相连。
优选地，所述铝电极的上开口为喇叭口。
一种使用电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置的测量方法，包括下列步骤：
步骤1、将介质材料样品安装在电声脉冲法测量系统中，然后放置于真空靶室中的样品台上，关闭真空靶室；
步骤2、开启真空抽气系统给真空靶室抽真空；
步骤3、开启电子加速器辐照介质材料样品，以模拟空间环境的高能电子；
步骤4、辐照设定时间后，关闭电子加速器；
步骤5、开启脉冲发生器，通过铝电极产生相应的脉冲电压；
步骤6、脉冲电压作用于介质材料样品后产生声脉冲信号，声脉冲信号通过压电传感器转换为电信号，经过信号输出电路的放大处理后，经过信号输出接口由示波器获得介质材料样品的空间电荷分布特性；
步骤7、调整电子加速器所发射电子的能量和束流密度，重复步骤3～6。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)采用电子加速器能较好的模拟空间带电环境的高能电子；
(2)设计采用铝壳一体屏蔽，能消除电子辐照对脉冲信号电路和微弱信号测量电路的影响，实现在辐照后介质材料空间电荷分布的原位测量；
(3)铝屏蔽壳的上开口较佳形式为喇叭口，从而尽量减少开口侧面对入射高能电子的反射，减少二次电子的影响。
(4)上下电极是通过蒸镀法镀在介质材料样品表面的，这种金属薄膜电极足够薄，能够减小对入射电子能量的影响，而且能够保证与介质材料样品接触的均匀性和电脉冲传导的均匀性，防止脉冲信号发生畸变。
(5)此介质材料空间电荷原位测量装置及方法可操作性强，该试验系统工作稳定，适用于测量在不同能量高能电子辐照下的介质材料空间电荷分布。
附图说明
图1是本发明的电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置结构图。
图中：1-真空靶室、2-电子加速器、3-真空抽气系统、4-示波器、5-介质材料样品、6-电声脉冲法测量系统、7-样品台、8-脉冲发生器。
图2是本发明的电声脉冲法测量系统结构图。
图中：601-脉冲信号输入接口、602-铝屏蔽壳、603-保护电阻、604-铝电极、606-上电极、5-介质材料样品、607-信号输出接口、608-信号输出电路、609-绝缘垫、610-压电传感器、611-下电极。
具体实施方式
如图1所示，为本发明的电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置，它由真空靶室1、电子加速器2、真空抽气系统3、示波器4、电声脉冲法测量系统6、样品台7、脉冲发生器8组成。其中，电声脉冲法测量系统6主要由脉冲信号输入接口601、铝屏蔽壳602、保护电阻603、铝电极604、上电极606、信号输出接口607、信号输出电路608、绝缘垫609、压电传感器610和下电极611组成。
铝电极604、上电极605、介质材料样品5、下电极611、压电传感器610和绝缘垫609自上而下叠放连接后置于铝屏蔽壳602内部，从而实现对弱信号的保护。下电极611和压电传感器610之间涂抹导电硅脂，确保信号能被准确测量到。上电极605和下电极611是通过蒸镀法在介质材料样品5两面镀上的金属薄膜，金属薄膜的厚度可以为100μm～300μm，这种金属薄膜电极足够薄，能够减小对入射电子能量的影响，而且能够保证与介质材料样品5接触的均匀性和电脉冲传导的均匀性，防止脉冲信号发生畸变。在上电极605上增加铝电极604，其一方面提供了组装的支撑，另一方便为脉冲信号进入上电极提供通道。
铝屏蔽壳602具有上开口，铝电极604中间部分通过所述上开口暴露在铝屏蔽壳602之外，从而保证电子加速器2产生的高能电子能够通过铝电极604和上电极606的传递到达介质材料样品5内部。且上开口较佳的形式为喇叭口，从而尽量减少开口侧面对入射高能电子的反射，减少二次电子的影响。所述上开口与铝电极604紧密贴合，以防高能电子通过缝隙进入，影响到真空靶室1内部的其他被防护组件。铝屏蔽壳602的壳体上设有脉冲信号输入接口601和信号输出接口607，脉冲信号输入接口601通过保护电阻603连接铝电极604，压电传感器610通过信号输出电路608连接信号输出接口607。
真空靶室1与真空抽气系统3连通，电声脉冲法测量系统6放在真空靶室1内的样品台7上，电子加速器2位于样品台7上方，脉冲发生器8和示波器4置于真空靶室1之外，脉冲发生器8与电声脉冲法测量系统6的脉冲信号输入接口601相连，示波器4与电声脉冲法测量系统6的信号输出接口607相连。
电声脉冲法所能够测量材料的厚度与压电传感器的性能相关，采用常规性能的压电传感器时，不能将被测材料样品设置的太够，这里设置介质材料样品5的厚度在1mm以下。
为了实现不同束流密度下，介质材料空间电荷原位测量，电子加速器2选择高能电子能量和束流密度均可调的电子加速器，较佳地，电子加速器2能够提供高能电子的能量范围在0.8～2.3MeV内可调，束流密度范围在1～25nA/cm2内可调，从而满足各种测量需要。
基于上述介质材料电导率测量装置的测量方法的具体实施步骤如下：
(1)将介质材料样品5安装在电声脉冲法测量系统6中，然后放置于真空靶室1中的样品台7上，按照附图1要求依次把脉冲发生器8和电声脉冲法测量系统6中的脉冲信号输入接口601连接，把示波器4和电声脉冲法测量系统6中的信号输出接口607连接，关闭真空靶室。
(2)开启真空抽气系统3给真空靶室1抽真空，使真空度优于5.0×10－3Pa。
(3)开启电子加速器2模拟空间环境的高能电子，本次测量中，电子能量调节为1.5MeV，束流密度调节为1nA/cm2。
(4)辐照1小时后，关闭电子加速器2。
(5)开启脉冲发生器8，产生宽度为30ns，幅值为1keV的脉冲信号，通过铝电极604产生相应的压力波脉冲。
(6)压力脉冲波作用于介质材料样品5后产生声脉冲信号，声脉冲信号通过压电传感器610转换为电信号，通过信号输出电路608的放大处理后，经过信号输出接口607由示波器4获得介质材料样品的空间电荷分布特性。
步骤7、调整电子加速器(2)所发射电子的能量和束流密度，重复步骤3～6。
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 (8)

1.一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置，其特征在于，它由真空靶室(1)、所发射电子能量和束流密度可调的电子加速器(2)、真空抽气系统(3)、示波器(4)、电声脉冲法测量系统(6)、样品台(7)、脉冲发生器(8)组成；其中，电声脉冲法测量系统(6)包括：脉冲信号输入接口(601)、铝屏蔽壳(602)、保护电阻(603)、铝电极(604)、上电极(606)、信号输出接口(607)、信号输出电路(608)、绝缘垫(609)、压电传感器(610)和下电极(611)；
铝电极(604)、上电极(605)、介质材料样品(5)、下电极(611)、压电传感器(610)和绝缘垫(609)自上而下叠放连接后置于铝屏蔽壳(602)内部；下电极(611)和压电传感器(610)之间涂抹导电硅脂，上电极(605)和下电极(611)是通过蒸镀法在介质材料样品(5)两面镀上的金属薄膜；铝屏蔽壳(602)具有上开口，铝电极(604)中间部分通过所述上开口暴露在铝屏蔽壳(602)之外，且所述上开口与铝电极(604)紧密贴合；铝屏蔽壳(602)的壳体上设有脉冲信号输入接口(601)和信号输出接口(607)，脉冲信号输入接口(601)通过保护电阻(603)连接铝电极(604)，压电传感器(610)通过信号输出电路(608)连接信号输出接口(607)；
真空靶室(1)与真空抽气系统(3)连通，电声脉冲法测量系统(6)放在真空靶室(1)内的样品台(7)上，电子加速器(2)位于样品台(7)上方，脉冲发生器(8)和示波器(4)置于真空靶室(1)之外，脉冲发生器(8)与电声脉冲法测量系统(6)的脉冲信号输入接口(601)相连，示波器(4)与电声脉冲法测量系统(6)的信号输出接口(607)相连。
2.根据权利要求1所述的电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置，其特征在于：所述铝电极(604)的上开口为喇叭口。
3.根据权利要求1所述的电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置，其特征在于：所述的介质材料样品(5)的厚度在1mm以下。
4.根据权利要求1所述的电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置，其特征在于：所述的介质材料样品(5)上电极和下电极的厚度为100μm～300μm。
5.一种使用权利要求1的电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置的测量方法，其特征在于包括下列步骤：
步骤1、将介质材料样品(5)安装在电声脉冲法测量系统(6)中，然后放置于真空靶室(1)中的样品台(7)上，关闭真空靶室；
步骤2、开启真空抽气系统(3)给真空靶室(1)抽真空；
步骤3、开启电子加速器(2)辐照介质材料样品(5)，以模拟空间环境的高能电子；
步骤4、辐照设定时间后，关闭电子加速器(2)；
步骤5、开启脉冲发生器(8)，通过铝电极(604)产生相应的脉冲电压；
步骤6、脉冲电压作用于介质材料样品(5)后产生声脉冲信号，声脉冲信号通过压电传感器(610)转换为电信号，经过信号输出电路(608)的放大处理后，经过信号输出接口(607)由示波器(4)获得介质材料样品的空间电荷分布特性；
步骤7、调整电子加速器(2)所发射电子的能量和束流密度，重复步骤3～6。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述步骤4中电子加速器(2)所提供的高能电子能量范围在0.8～2.3MeV内可调，束流密度范围在1～25nA/cm2内可调。
7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述步骤5中脉冲发生器(8)产生宽度为30ns、幅值-1kV～2kV的电脉冲。
8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述步骤2中真空环境真空度要求优于5.0×10－3Pa。
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