CN111913083A - 一种多层薄膜材料空间充放电效应模拟试验方法 - Google Patents

一种多层薄膜材料空间充放电效应模拟试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多层薄膜材料空间充放电效应模拟试验方法，针对热控等薄膜材料中导电层/介质层相结合的结构特点，综合考虑了薄膜材料导电层对空间低能电子屏蔽效应、以及高能电子强穿透特性，采用蒙特卡洛方法计算获得介质层的电子沉积最小能量和最大能量值，并以此为依据分析现有的空间电子能谱环境，构建影响介质层充放电效应的有效电子能谱，最终获得模拟试验中的辐照电子能量和束流密度，采用电流探头与示波器相结合方法测试薄膜材料静电放电特性，从而建立多层薄膜材料空间充放电效应模拟试验方法，解决了多层薄膜材料空间充放电效应的模拟试验参数的选取问题，为其空间环境适应性评价提供了一种有效方法。

Description

一种多层薄膜材料空间充放电效应模拟试验方法
技术领域
本发明涉及一种多层薄膜材料空间充放电效应模拟试验方法，适用于卫星热控涂层等薄膜类材料的充放电效应试验评价，属于试验领域。
背景技术
热控等薄膜材料广泛应用于各种卫星平台,其性能及空间环境的适应性对保障卫星正常工作至关重要。由于热控涂层功能的特殊性，其结构一般由多层材料组成，如我国研制的柔性二次表面镜薄膜包括了导电层(如ITO(Indium Tin Oxides，铟锡氧化物)、铝)和介质层(如kapton)的多层结构。
卫星运行轨道有大量的不同能量的电子，其中部分能量电子将穿透热控薄膜的ITO和Al导电层，将电荷沉积在kapton介质层，当沉积电荷产生的电场大于击穿阈值时将会产生静电放电，导致热控材料的损伤和性能退化，上述过程即为多层薄膜材料空间充放电效应。
目前，国内外在空间充放电效应模拟试验研究主要针对单一介质材料开展。由于空间中的电子呈能谱分布特性，而薄膜材料具有多层结构的特点，导致其充放电过程与单一介质材料有很大差异，如低能电子无法穿透ITO和Al导电层，不能在介质层沉积电荷，同时高能电子穿透能力太强，同样无法在介质层沉积电荷。因此，多层薄膜材料空间充放电效应模拟试验尚未有较好的试验方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种多层薄膜材料空间充放电效应模拟试验方法，适用于卫星热控涂层等薄膜类材料的充放电效应试验评价。
本发明的技术解决方案是：
一种多层薄膜材料空间充放电效应模拟试验方法，包括以下步骤步骤如下：
(1)、空间能谱环境的模拟参数确定：构建多层薄膜材料的结构模型，采用蒙特卡洛方法计算获得介质层的电子沉积最小能量Emin和最大能量Emax；针对空间电子能谱环境，分别以Emin和Emax为下限和上限，分析获得介质层充放电效应的有效电子能谱，确定适用于多层薄膜材料空间充放电效应的模拟试验参数；
(2)、将薄膜材料样品放置于样品台,将样品导电层与信号电缆相连，并在信号电缆上放置电流探头,电流探头和与示波器连接；
(3)、使用真空系统将所述样品台抽成真空状态,并开启电子枪,依据步骤1中的模拟试验参数调节电子枪产生辐照电子；
(4)、开启示波器,利用示波器采集薄膜材料样品的静电放电信号。
所述的模拟试验方法，步骤1中蒙特卡洛仿真包括构建多层薄膜材料的结构模型、材料赋值、粒子种类及辐照参数设置、计算结果输出。
所述的模拟试验方法，所述步骤1中最小能量Emin为≤1％的电子穿透导电层进入介质层时的能量，最大能量Emax为≥99％的电子穿透介质层时的能量。
所述的模拟试验方法，所述步骤1中空间电子能谱环境是等离子体环境和高能电子环境相组合的电子环境，环境参数包括电子能量和相对应的充电电流密度。
所述的模拟试验方法，等离子体环境能量范围0.01-100KeV，高能电子环境能量范围为0.1-6MeV。
所述的模拟试验方法，所述步骤1的模拟试验参数为：有效电子能谱的平均能量和电流密度，其计算方法为：
电流密度：
Figure BDA0002622221420000021
平均能量：
Figure BDA0002622221420000022
式中E为空间环境中电子的能量，其范围可以根据步骤1中计算获得最小能量Emin和最大能量Emax确定，j(E)为每个能量点所对应的电流密度，可以根据步骤2中获得的介质层有效电子能谱确定，Eav和jav即为模拟试验中采用的平均能量和电流密度。
所述的模拟试验方法，所述步骤(2)，二次表面镜薄膜样品放置于样品台,使用导电胶将ITO层与信号电缆相连，并在信号电缆上放置电流探头,电流探头和与示波器连接。
所述的模拟试验方法，所述步骤(3)，使用真空系统将所述样品台抽成真空状态,当真空度优于5×10-4Pa时，开启电子枪7,并调节电子枪使辐照电子的能量为27.5KeV，束流密度为0.36nA/cm2。
本发明的有益效果为：
1、本发明针对多层薄膜材料的特殊结构，提出一种可适用其充放电效应模拟试验方法，该方法中模拟试验参数的选取综合考虑了薄膜材料导电层对空间低能电子屏蔽效应、以及高能电子强穿透深度特性，获得了介质层充放电效应的空间有效电子能谱，解决了多层薄膜材料空间环境适应性评价过程中辐照电子的能量和束流密度选取问题。
2、针对热控等薄膜材料中导电层/介质层相结合的结构特点，综合考虑了薄膜材料导电层对空间低能电子屏蔽效应、以及高能电子强穿透特性，采用蒙特卡洛方法计算获得介质层的电子沉积最小能量和最大能量值，并以此为依据分析现有的空间电子能谱环境，构建影响介质层充放电效应的有效电子能谱，最终获得模拟试验中的辐照电子能量和束流密度，采用电流探头与示波器相结合方法测试薄膜材料静电放电特性，从而建立多层薄膜材料空间充放电效应模拟试验方法，解决了多层薄膜材料空间充放电效应的模拟试验参数的选取问题，为其空间环境适应性评价提供了一种有效方法。
附图说明
图1为美国宇航局(NASA)建议的GEO轨道双麦克斯韦能谱；
图2为欧空局(ESA)建议的GEO轨道高能电子环境能谱；
图3为多层薄膜材料介质层充放电效应的有效电子能谱；
图4为以20KeV为下限，以120KeV为上限，获得介质层充放电效应的有效电子能谱。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
一种多层薄膜材料空间充放电效应模拟试验方法，如图1所示，以柔性二次表面镜薄膜材料为例，其具体实施方式如下：
(1)二次表面镜薄膜包括ITO、Al和kapton三层材料，其厚度分别为200nm、200nm和50um。建立三层结构模型，其对每层材料的密度(ITO：7.16g/cm3，Al：2.7g/cm3，kapton：1.2g/cm3)和元素组成进行赋值，辐照粒子种类设置为电子，能量为(10KeV-150KeV)，粒子数量为107个；计算可得二次表面镜薄膜材料介质层的电子沉积最小能量Emin为20KeV，最大能量Emax为120KeV。
针对空间电子能谱环境，其中等离子体能谱环境(能量范围0.01-100KeV)采用美国宇航局(NASA)建议的GEO轨道双麦克斯韦能谱，如图2所示；高能电子能谱环境(0.1-6MeV)采用欧空局(ESA)建议的GEO轨道高能电子环境(FLUMIC)，如图3所示；以20KeV为下限，以120KeV为上限，获得介质层充放电效应的有效电子能谱，如图4所示。
依据图4给出的电子能谱数据，代入(1)式和(2)式进行计算
电流密度：
Figure BDA0002622221420000041
平均能量：
Figure BDA0002622221420000042
可确定二次表面镜薄膜材料充放电效应模拟试验中采用的辐照电子束流密度jav＝0.36nA/cm2，能量Eav＝27.5KeV。
(2)将二次表面镜薄膜样品1放置于样品台2,使用导电胶将ITO层与信号电缆3相连，并在信号电缆上放置电流探头4,电流探头和与示波5器连接。
(3)、使用真空系统6将所述样品台抽成真空状态,当真空度优于5×10-4Pa时，开启电子枪7,并调节电子枪使辐照电子的能量为27.5KeV，束流密度为0.36nA/cm2。
(4)、开启示波器5,利用示波器5测试二次表面镜薄膜材料样品1的静电放电信号。
将上述试验结果与采用已有试验方法的结果进行比较，如表1所示，可以看出在测试时间2小时内，采用现有的试验方法未观测到静电放电现象，而采用本专利的方法共测得5次静电放电，这是由于12KeV电子基本不能穿透ITO和Al导电层，无法在kapton介质层内沉积电荷，导致不能有效模拟出二次表面镜薄膜样品充放电效应。
表1本专利试验方法与已有试验方法的测试结果比较
Figure BDA0002622221420000051
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种多层薄膜材料空间充放电效应模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤步骤如下：
(1)、空间能谱环境的模拟参数确定：构建多层薄膜材料的结构模型，采用蒙特卡洛方法计算获得介质层的电子沉积最小能量Emin和最大能量Emax；针对空间电子能谱环境，分别以Emin和Emax为下限和上限，分析获得介质层充放电效应的有效电子能谱，确定适用于多层薄膜材料空间充放电效应的模拟试验参数；
(2)、将薄膜材料样品放置于样品台,将样品导电层与信号电缆相连，并在信号电缆上放置电流探头,电流探头和与示波器连接；
(3)、使用真空系统将所述样品台抽成真空状态,并开启电子枪,依据步骤1中的模拟试验参数调节电子枪产生辐照电子；
(4)、开启示波器,利用示波器采集薄膜材料样品的静电放电信号。
2.根据权利要求1所述的模拟试验方法，其特征在于，步骤(1)中蒙特卡洛仿真包括构建多层薄膜材料的结构模型、材料赋值、粒子种类及辐照参数设置、计算结果输出。
3.根据权利要求1所述的模拟试验方法，其特征在于，所述步骤(1)中最小能量Emin为≤1％的电子穿透导电层进入介质层时的能量，最大能量Emax为≥99％的电子穿透介质层时的能量。
4.根据权利要求1所述的模拟试验方法，其特征在于，所述步骤(1)中空间电子能谱环境是等离子体环境和高能电子环境相组合的电子环境，环境参数包括电子能量和相对应的充电电流密度。
5.根据权利要求4所述的模拟试验方法，其特征在于，等离子体环境能量范围0.01-100KeV，高能电子环境能量范围为0.1-6MeV。
6.根据权利要求1所述的模拟试验方法，其特征在于，所述步骤(1)的模拟试验参数为：有效电子能谱的平均能量和电流密度，其计算方法为：
电流密度：
Figure FDA0002622221410000021
平均能量：
Figure FDA0002622221410000022
式中E为空间环境中电子的能量，其范围可以根据步骤(1)中计算获得最小能量Emin和最大能量Emax确定，j(E)为每个能量点所对应的电流密度，可以根据步骤(2)中获得的介质层有效电子能谱确定，Eav和jav即为模拟试验中采用的平均能量和电流密度。
7.根据权利要求1所述的模拟试验方法，其特征在于，所述步骤(2)，二次表面镜薄膜样品放置于样品台,使用导电胶将ITO层与信号电缆相连，并在信号电缆上放置电流探头,电流探头和与示波器连接。
8.根据权利要求1所述的模拟试验方法，其特征在于，所述步骤(3)，使用真空系统将所述样品台抽成真空状态,当真空度优于5×10-4Pa时，开启电子枪，并调节电子枪使辐照电子的能量为27.5KeV，束流密度为0.36nA/cm2。
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Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101276378A (zh) * 2007-03-26 2008-10-01 中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所 卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法
CN101806754A (zh) * 2009-12-17 2010-08-18 中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所 一种航天器用热控涂层空间辐射环境效应地面模拟试验方法
CN102507717A (zh) * 2011-10-20 2012-06-20 中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所 一种卫星材料表面充电在轨监测的装置及方法
CN102508125A (zh) * 2011-10-19 2012-06-20 中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所 一种利用在轨数据预示卫星深层介质放电是否危险的方法
CN104237659A (zh) * 2014-09-03 2014-12-24 兰州空间技术物理研究所 一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置及方法
CN104237684A (zh) * 2014-09-03 2014-12-24 兰州空间技术物理研究所 一种航天器介质材料静电放电试验装置及方法
CN104374688A (zh) * 2014-11-05 2015-02-25 北京卫星环境工程研究所 确定热控涂层空间辐射环境效应试验总注量的方法
CN105158617A (zh) * 2015-10-01 2015-12-16 汪金龙 一种基于电子诱发的充放电模拟器
CN105758870A (zh) * 2016-02-25 2016-07-13 北京卫星环境工程研究所 获得地面模拟空间电子能谱的方法
CN107219414A (zh) * 2017-05-05 2017-09-29 兰州空间技术物理研究所 一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法
CN109726458A (zh) * 2018-12-18 2019-05-07 兰州空间技术物理研究所 一种地球同步轨道材料不等量带电仿真方法
CN109813974A (zh) * 2018-12-18 2019-05-28 兰州空间技术物理研究所 一种地球同步轨道材料不等量带电试验装置

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101276378A (zh) * 2007-03-26 2008-10-01 中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所 卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法
CN101806754A (zh) * 2009-12-17 2010-08-18 中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所 一种航天器用热控涂层空间辐射环境效应地面模拟试验方法
CN102508125A (zh) * 2011-10-19 2012-06-20 中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所 一种利用在轨数据预示卫星深层介质放电是否危险的方法
CN102507717A (zh) * 2011-10-20 2012-06-20 中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所 一种卫星材料表面充电在轨监测的装置及方法
CN104237659A (zh) * 2014-09-03 2014-12-24 兰州空间技术物理研究所 一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置及方法
CN104237684A (zh) * 2014-09-03 2014-12-24 兰州空间技术物理研究所 一种航天器介质材料静电放电试验装置及方法
CN104374688A (zh) * 2014-11-05 2015-02-25 北京卫星环境工程研究所 确定热控涂层空间辐射环境效应试验总注量的方法
CN105158617A (zh) * 2015-10-01 2015-12-16 汪金龙 一种基于电子诱发的充放电模拟器
CN105758870A (zh) * 2016-02-25 2016-07-13 北京卫星环境工程研究所 获得地面模拟空间电子能谱的方法
CN107219414A (zh) * 2017-05-05 2017-09-29 兰州空间技术物理研究所 一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法
CN109726458A (zh) * 2018-12-18 2019-05-07 兰州空间技术物理研究所 一种地球同步轨道材料不等量带电仿真方法
CN109813974A (zh) * 2018-12-18 2019-05-28 兰州空间技术物理研究所 一种地球同步轨道材料不等量带电试验装置

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
冯娜，杨生胜，陈益峰，高欣，张雷: "空间材料二次电子发射过程的理论研究", 《真空与低温》 *
冯娜，杨生胜，陈益峰，高欣，张雷: "空间材料二次电子发射过程的理论研究", 《真空与低温》, vol. 19, no. 3, 15 September 2013 (2013-09-15), pages 145 - 149 *
秦晓刚: "介质深层带电数值模拟与应用研究", 《CNKI博士学位论文全文库》 *
秦晓刚: "介质深层带电数值模拟与应用研究", 《CNKI博士学位论文全文库》, 15 October 2010 (2010-10-15), pages 4 - 28 *
谢敏鹏: "基于空间充放电效应的航天器功率传输结构电场特性研究", 《CNKI优秀硕士学位论文全文库》 *
谢敏鹏: "基于空间充放电效应的航天器功率传输结构电场特性研究", 《CNKI优秀硕士学位论文全文库》, 15 July 2016 (2016-07-15), pages 40 - 57 *
陈益峰，冯娜，季启政，张翼东，李伟，王金晓: "柔性二次表面镜薄膜材料带电环境与充放电特性", 《高电压技术》 *
陈益峰，冯娜，季启政，张翼东，李伟，王金晓: "柔性二次表面镜薄膜材料带电环境与充放电特性", 《高电压技术》, 25 November 2020 (2020-11-25), pages 1 - 7 *

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