CN109142924A - 一种基于电子诱发的充放电模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于电子诱发的充放电模拟器的模拟方法，该方法根据被测器件或系统及其所使用的环境确定电子源种类，发射电子能量和通量，确定放电样品材料和尺寸；调整放电样品与电子源距离，使样品表面的电子通量与环境电子通量接近；启动真空泵，当真空度达到10‑4帕斯卡时，开启电子源，将电子注入到放电样品中；当放电样品内部最大电场满足条件时，发生放电，产生放电脉冲，将放电脉冲导出，注入到被测器件或系统。本方法能够模拟不同情况下发生的放电，具备较大的扩展性，能够在地面上完成不同种类被测系统的充放电测试实验。
Description
本申请是申请日为2015年10月1日，申请号为201510638264.4，发明名称为“一种基于电子诱发的充放电模拟器”的专利的分案申请。
技术领域
本发明属电磁兼容测试领域，主要用于航天器充放电测试，也可用于一般电子产品的常规静电干扰试验。
背景技术
航天器充放电效应包括表面充放电和深层充放电现象，表面充放电效应是指在低能带电粒子辐射环境下航天器表面介质的带电与弧光放电现象，由于电子的速率比离子快，航天器处于热等离子体环境中可以充电至负电位，最高达到 -10kV左右，航天器上所带负电位可以吸引离子，进而加快航天器表面的老化，当航天器处于太阳光直射时，向阳面由于光电效应带上正电位，背阳面则保持较高负电位，这样会形成航天器上不等势带电，由此导致的放电现象可以直接干扰航天器控制系统或烧毁器件。
深层充放电效应是指，空间辐射环境中，高能带电粒子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，研究深层放电的一般方法是用高能电子对样品进行轰击，使其放电，高能电子可用电子枪或者放射源实现。
我国中高轨道应用卫星发展迅速，空间充放电的威胁日益突出，空间中由带电子粒子充放电引起ESD(Electron-inducedelectrostaticdischarge)现象，是已观测到导致在轨航天器异常的重要因素，空间ESD脉冲容易耦合入航天器电路或敏感器件中，进而导致信号干扰或翻转，其耦合方式包括传导耦合和辐射耦合，因此需要对航天器件进行抗空间带电诱发ESD干扰评估，电子诱发的充放电模拟器是产生这类ESD的核心部件。
地面ESD研究已经比较成熟，比如人体放电，器件放电，这些放电的特性及测试实验都比较完善，国内外很多厂家都能生产相应的静电模拟器，它们基本原理是在阻容套件上产生高压，然后触发放电，地面静电干扰试验用的ESD 发生器都是针对特定类型情况研制的，其发生方式和作用方法，以及ESD脉冲波形参数都不符合空间中由带电子粒子充放电引起ESD。
空间带电诱发ESD放电脉冲波形具有上升时间短、电流强度大、和脉冲持续时间长等特点，而一般地面静电干扰试验用的ESD发生器不能满足需求。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于电子诱发的充放电模拟器，利用带电子在聚合物样品中沉积，当达到击穿阈值，样品发生放电，用这种最接近航天器充放电真实情况的方法来产生ESD，模拟空间中由带电子粒子充放电引起ESD，为航天器及其产品测试提供具有上升时间短、电流强度大、和脉冲持续时间长等特点的放电脉冲。同时本发明样品和电子源均可调可选，也可以用于一般电子产品的充放电测试。
为实现上述目的，本发明提供一种基于电子诱发的充放电模拟器，所述模拟器主要由电子源、真空腔、样品控制模块和ESD输出模块四部分组成，电子源提供一定能量、通量的电子，模拟空间轨道电子环境，真空腔提供充电所需真空环境，样品控制模块控制样品大小和位置，ESD输出模块将ESD导出，与被测器件连接。
如图1所示，所述模拟器具体包括：电子源(1)、屏蔽体(2)，放电样品(6)和真空泵(11)，所述电子源(1)发射的电子束(3)通过屏蔽体(2)形成的真空腔(4)注入到放电样品(6)上，放电样品(6)一面有背电极(7)，放电传导电缆(9)穿过屏蔽体(2)与背电极(7)连接，放电传导电缆(9) 由绝缘层(10)包裹，放电样品(6)固定在样品台(5)上，样品台(5)在控制导轨(8)上可以滑动，控制导轨(8)一端固定在屏蔽体(2)内部，屏蔽体 (2)外部还有真空泵(11)和接地线(12)，所有与屏蔽体(2)的连接均为真空密封连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的电子源(1)包括三类，电子枪，β放射源和电子加速器，所发射的电子通量和能量可调。β放射源通常选择 90Sr-90Y，能较好模拟同步轨道上的电子环境。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的电子源(1)有两种工作模式，单能谱和连续谱，单能电子可以用电子枪提供，连续能谱电子由放射源提供，为扩大辐射面，电子枪出射电子用高频扫描的方法扩束。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的屏蔽体(2)所用材料为铅或者钢，形状为圆筒形，屏蔽体上的接口均为真空密封接口。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的放电样品(3)材料为航天上常用的聚合物材料，例如聚酰亚胺，其厚度和大小根据实验要求加工调整，背电极 (7)通过喷镀的方法镀在放电样品(6)一面，电子束(3)注入到另一面，在样品内部形成电场。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的样品台(5)在控制导轨(8)上滑动以控制放电样品(6)与电子源出射电子口距离。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的真空泵(11)包括一台机械泵和一台分子泵，保证模拟器在使用过程中真空度达到10-4帕斯卡。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的绝缘层(10)能够承受至少一万伏高压。
上述基于电子诱发的充放电模拟器所依据的电子诱发ESD产生模型的基础是平板充放电模型，如图2所示，充电样品为某种厚度为D面积为S的聚合物材料，入射电子能量为Eb，电流密度为Ib，电荷在材料内部沉积，形成电场，当电场强度F超过材料击穿阈值FESD时就会发生放电，产生ESD脉冲。
基于CSDA(ContinuousSlowDownApproximation)假设,入射电子能量损失与入射深度变化为dEb/dR,并假设所有电子在厚度RE能量全部耗尽，其附近的电场可由高斯定理计算:
∮D·dS＝∑q0int. (1)
这里D＝ε0εrF是电位移矢量,ε0为真空介电常数，εr是相对介电常数，∑q0int是包络面内部的净电荷，为简化起见，该模型忽略二次电子发射和散射电子，因此，电荷量随时间的变化关系为:
其中Iσ是流入地的传导电流密度:
Iσ＝σF＝(σTAH+σVRH+σRIC)F. (3)
总电导率σ由三部分组成，热激发电导σTAH,跳变电导σVRH,和辐射诱发电导σRIC.室温情况下σDC＝σTAH+σVRH，σRIC可表示为:
kRIC是一个比例常数,是剂量率,ρm是质量密度,qθ是每电子电荷,R是电子入射深度：
对单能电子，由(1)-(5)可以得到电荷层附近电场强度：
对于放射源90Sr-90Y，电子能量范围RE处的电场强度可表示为:
其中由电子能谱确定，假设没有电子穿透样品，则处电场最大：
当内部最大电场满足条件时，发生放电，产生ESD脉冲，即电子诱发放电，该模型下，在区域电场将保持为一个常数F'max，样品表面电位可对电场积分得到:
电场能量密度为:
样品电场总能量为:
从能量表达式(11)可以看出，在给定能谱给定样品材料的情况下，电子诱发ESD的强度由样品的面积和厚度决定，总体积越大放电能量越高。
所述的基于电子诱发的充放电模拟器的模拟步骤为：
步骤1)根据被测器件或系统及其所使用的空间环境确定电子源种类，发射电子能量和通量，确定放电样品材料和尺寸；
步骤2)调整放电样品与电子源距离，使样品表面的电子通量与空间环境电子通量接近；
步骤3)启动真空泵；
步骤4)当真空度达到10-4帕斯卡时，开启电子源，将电子注入到放电样品中；
步骤5)当放电样品内部最大电场满足条件时，发生放电，产生放电脉冲，将放电脉冲导出，注入到被测器件或系统。
本发明的一种基于电子诱发的充放电模拟器的优点在于：
本发明利用不同种类的电子源发射不同能量和通量的电子，能够较好地模拟空间轨道的电子环境，本发明利用航天常用的聚合物材料作为放电样品，通过改变其尺寸控制放电脉冲大小，能够模拟不同情况下发生的放电，本发明的模拟器具备较大的扩展性，能够在地面上完成不同种类被测系统的充放电测试实验。
附图说明
图1是基于电子诱发的充放电模拟器。
图2是电子诱发ESD模拟器几何模型。
图3是90Sr-90Y电子能谱与GEO轨道最恶劣电子能谱比较。
图4是放射源布局图。
图5是导出的放电脉冲电流波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的基于电子诱发的充放电模拟器进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于电子诱发的充放电模拟器主要由电子源(1)、屏蔽体(2)，放电样品(6)和真空泵(11)组成，所述电子源(1)发射的电子束(3)通过屏蔽体(2)形成的真空腔(4)注入到放电样品(6)上，放电样品(6)一面有背电极(7)，放电传导电缆(9)穿过屏蔽体(2)与背电极(7) 连接，放电传导电缆(9)由绝缘层(10)包裹，放电样品(6)固定在样品台 (5)上，样品台(5)在控制导轨(8)上可以滑动，控制导轨(8)一端固定在屏蔽体(2)内部，屏蔽体(2)外部还有真空泵(11)和接地线(12)，所有与屏蔽体(2)的连接均为真空密封连接。
基于上述实施例，所述模拟器电子源最直接的方式是采用电子枪发射电子，电子能量为单能，能量相对较低，不能很好的模拟轨道电子能谱，优势是可以用于模拟表面放电，也可以调节其电子束通量；此实施例选用90Sr-90Y作为电子源，可以很好的模拟空间轨道电子能谱，可作为深沉充电的电子源，图3是 90Sr-90Y电子能谱与NASA-HDBK-4002A给出的GEO轨道最恶劣电子能谱的比较，在中低能段都符合的比较好，放射源采用七枚放在圆盘上，几何布局如图4，盘中心放置一枚，周围R＝3cm的圆环上均匀放置六枚。
基于上述实施例，所用90Sr-90Yβ源参数：每枚的出厂活度1.7*109Bq，活性区直径为5mm，均匀度优于10％，连续能谱，出射电子最大能量2.28MeV，通过调节β源与辐照样品之间的距离改变辐照强度，调节范围5mm至100mm，调节精度±1mm，用2.4pA/cm2通量的电子模拟GEO轨道极端恶劣环境。
基于上述实施例，考虑到高能电子的韧致辐射，真空腔还必须要有辐射防护的功能，所以，在本实施例中屏蔽体内壁材料为钢，外层为铅，内径大小为 200mm。
基于上述实施例，放电样品为聚酰亚胺材料，半径为100mm，厚度为10mm。
基于上述实施例，放电传导电缆导出的放电脉冲电流波形如图5。
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 (1)
1.一种基于电子诱发的充放电模拟器的模拟方法，其所述的模拟器包括：电子源（1）、屏蔽体（2），放电样品（6）和真空泵（11），所述电子源（1）发射的电子束（3）通过屏蔽体（2）形成的真空腔（4）注入到放电样品（6）上，放电样品（6）一面有背电极（7），放电传导电缆（9）穿过屏蔽体（2）与背电极（7）连接，放电传导电缆（9）由绝缘层（10）包裹，放电样品（6）固定在样品台（5）上，样品台（5）在控制导轨（8）上可以滑动，控制导轨（8）一端固定在屏蔽体（2）内部，屏蔽体（2）外部还有真空泵（11）和接地线（12），所有与屏蔽体（2）的连接均为真空密封连接；特征在于，所述模拟方法步骤为：
步骤1）根据被测器件或系统及其所使用的环境确定电子源种类，发射电子能量和通量，确定放电样品材料和尺寸；
步骤2）调整放电样品与电子源距离，使样品表面的电子通量与环境电子通量接近；
步骤3）启动真空泵；
步骤4）当真空度达到10-4帕斯卡时，开启电子源，将电子注入到放电样品中；
步骤5）当放电样品内部最大电场满足条件时，发生放电，产生放电脉冲，将放电脉冲导出，注入到被测器件或系统。
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