CN115679261A

CN115679261A - 一种控制航天器电位的电子发射膜及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN115679261A
Application number: CN202211194574.8A
Authority: CN
Inventors: 刘海波; 史亮; 柳青; 秦晓刚; 孙迎萍; 赵呈选; 冯展祖
Original assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Current assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority date: 2022-09-28
Filing date: 2022-09-28
Publication date: 2023-02-03

Abstract

本发明提供一种控制航天器电位的电子发射膜及其制备方法和应用，涉及航天领域。该电子发射膜包括层叠设置的铜层和聚酰亚胺层，聚酰亚胺层上开设若干微槽以使位于聚酰亚胺层下方的部分铜层表面裸露。由于航天器结构和聚酰亚胺在空间等离子体辐照环境下的充电速率差异，在铜层和聚酰亚胺层之间产生较大电位差，该电位差作用于铜‑聚酰亚胺‑真空三电极结构，在铜层表面形成强电场，引发裸露铜材料场致电子发射，将航天器高电位的负电荷释放到空间中，实现航天器电位控制。该电子发射膜可直接安装于航天器外表面使用，将航天器电位控制在安全范围，保证航天器在轨安全运行。具有重量轻、无功耗、无工质、工程应用便捷的优点。

Description

一种控制航天器电位的电子发射膜及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及航天技术领域，具体涉及一种控制航天器电位的电子发射膜及其制备方法与应用。

背景技术

航天器在轨运行期间会与空间等离子体环境发生相互作用，空间等离子体中的电子和离子会沉积在航天器上，形成输入电子电流和离子电流，同时在入射粒子和光照等作用下，航天器表面材料会向空间发射二次电子和光电子等，形成发射电流。输入电流和发射电流达到平衡时的航天器结构可充电至数十千伏的负电位。航天器结构的高电位及其引发的静电放电，可造成航天器电源、微电子器件和敏感器件损坏、干扰通信系统和测量天线正常工作，产生的静电吸附效应还可对表面功能材料造成污染，危害航天器在轨运行安全。因此，研究航天器电位控制方法，对航天器在轨安全运行有着至关重要的意义。

目前的航天器电位控制技术主要是采用气态工质的空心阴极型电位控制器，以及采用液态金属工质的离子发射装置，此两种电位控制装置虽然取得了良好的电位控制效果，但仍存在重量大、能耗高、控制电路复杂的缺陷，工程应用代价高。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的航天器电位控制装置存在的重量大、能耗高、控制电路复杂的缺陷，从而提供一种控制航天器电位的电子发射膜及其制备方法与应用。

第一方面，本发明提供一种控制航天器电位的电子发射膜，包括层叠设置的铜层和聚酰亚胺层，所述聚酰亚胺层上开设若干微槽以使位于所述聚酰亚胺层下方的部分铜层表面裸露。

进一步地，所述铜层的厚度为15～25ρm，所述聚酰亚胺层的厚度为10～25μm。

进一步地，所述微槽的形状为环形，槽宽为10～20μm。

进一步地，微槽宽度和聚酰亚胺层厚度之间的比例为1∶1～1∶3；

进一步地，所述微槽的形状为正方形的环形结构，微槽外环的正方形边长为100～500u m

第二方面，本发明提供所述的控制航天器电位的电子发射膜制备方法，包括以下步骤：

(1)在铜层表面制备聚酰亚胺层；

(2)在所述聚酰亚胺层上加工微槽使聚酰亚胺层下方的部分铜层表面裸露。

进一步地，所述铜层采用铜箔，并在制备聚酰亚胺层之前对其表面进行去油污处理，然后用质量分数5％的NaOH溶液在室温下对其进行清洗。

进一步地，步骤(1)中，采用蒸镀工艺制备聚酰亚胺层。

进一步地，步骤(2)中，采用皮秒超快激光微加工工艺加工微槽。

第三方面，本发明提供所述的控制航天器电位的电子发射膜在控制航天器电位中的应用。

第四方面，本发明提供一种航天器，包括所述的控制航天器电位的电子发射膜。

进一步地，所述控制航天器电位的电子发射膜设置在所述航天器的外表面，且所述铜层与所述航天器结构导电连接。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的控制航天器电位的电子发射膜，包括层叠设置的铜层和聚酰亚胺层，聚酰亚胺层上开设微槽以使位于聚酰亚胺层下方的部分铜层表面裸露。铜层、聚酰亚胺层和航天器所处的真空环境形成铜-聚酰亚胺-真空三电极结构，由于航天器结构和聚酰亚胺在空间等离子体辐照环境下的充电速率差异，在铜层和聚酰亚胺层之间产生较大电位差，该电位差作用于三电极结构，在铜层表面形成强电场，引发裸露铜材料场致电子发射，将航天器高电位的负电荷释放到空间中，实现航天器电位控制。该电子发射膜可直接安装于航天器外表面使用，将航天器电位控制在安全范围，保证航天器在轨安全运行。本发明与现有技术相比，没有复杂的工质储存、输送、供电、控制等系统，具有重量轻、无功耗、无工质、工程应用便捷的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种具体实施方式中控制航天器电位的电子发射膜的微槽部分的结构示意图；

图2为本发明提供的一种具体实施方式中控制航天器电位的电子发射膜的微槽部分的俯视图；

图3为本发明提供的一种具体实施方式中控制航天器电位的电子发射膜中铜层和聚酰亚胺层的位置关系示意图；

图4为本发明提供的电子发射膜在航天器上的安装示意图；

图5为本发明实施例中微槽在聚酰亚胺层上的分布示意图；

图6为本发明实验例中实验系统的连接关系示意图；

图7为本发明实验例中金属板电位随时间变化的曲线图。

附图标记说明：

1-铜层；2-聚酰亚胺层；3-航天器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设置”、“开设”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1～3所示，本发明提供一种控制航天器电位的电子发射膜，包括层叠设置的铜层1和聚酰亚胺层2，聚酰亚胺层2上开设若干微槽以使位于聚酰亚胺层2下方的部分铜层1表面裸露。

如图4所示，该电子发射膜安装于航天器3表面时，铜层1与航天器结构导电连接，聚酰亚胺层2面向宇宙空间，且聚酰亚胺层2与宇宙空间之间无遮挡，铜层1、聚酰亚胺层2和航天器3所处的真空环境形成铜-聚酰亚胺-真空三电极结构，用于控制卫星结构电位，减缓卫星充放电危害。铜层1与航天器结构导电连接方式根据实际工程应用要求，可选择导电胶粘接、导线连接、机械压接等方式。

该电子发射膜的作用原理如下：

在空间等离子体环境下，航天器3表面材料和内部结构充至较高的负电位。但由于不同材料和结构的二次电子发射系数、光电子发射系数、电阻率不同，将呈现出不同的充电特性，造成其充电速率和充电平衡电位差异，此称为航天器3表面不等量带电。由于充电特性不同，电子发射膜中聚酰亚胺材料的充电速率慢于航天器结构，从而在聚酰亚胺层2和铜层1之间产生电位差，该电位差在铜-聚酰亚胺-真空三电极结构的微槽中形成电场(受微槽尺寸限制，该电场强度可达10⁶V/m量级)，从而引发裸露铜材料的场致电子发射。场致发射的电子在强电场作用下，轰击三电极结构中的聚酰亚胺层2，引起聚酰亚胺材料的二次电子发射，使得聚酰亚胺材料充电电位升高，导致电场进一步增强，维持该电子发射膜的对外电子发射状态。电子发射膜发射的电子电流，打破了原有航天器结构的充电电流平衡状态，将航天器结构中的负电荷导出至空间中，达到电位控制效果，保证航天器在轨安全运行。

应当理解的是，铜层1由铜材料形成，聚酰亚胺层2由聚酰亚胺材料形成。

作为本发明的一种可选实施方式，铜层1的厚度为15～25μm，聚酰亚胺层2的厚度为10～25μm。应当理解的是，微槽的深度等于聚酰亚胺层2的厚度。

本发明对微槽的形状不作出限制，作为一种可选实施方式，如图2所示，微槽的形状为正方形的环形。优选的，微槽宽度为10～20ρm，微槽外环的正方形边长为100～500μm。更优选的，微槽宽度和聚酰亚胺层2厚度之间的比例为1∶1～1∶3，例如可以为1∶2。可以理解的是，微槽的数量可以为多个，其排列方式可以按需选择。

本发明提供的电子发射膜的电子发射能力与裸露铜层1面积相关，电子发射能力>200μA/cm²。本发明可结合实际航天器在轨等离子体辐照环境情况，设置裸漏铜层1面积，以达到相应的电位控制指标，保障航天器在轨安全运行。具体而言，本发明的电子发射膜的电子发射电流应大于航天器在空间等离子体环境中的电子吸收电流，才可实现航天器电位控制效果。在实际应用中，需根据航天器的电子吸收电流，确定电子发射薄膜环形三电极结构的面积和数量，使该薄膜的电子发射电流大于航天器电子吸收电流，以取得较好的电位控制效果。

本发明还提供了前述控制航天器电位的电子发射膜制备方法，包括以下步骤：

(1)在铜层表面制备聚酰亚胺层；

(2)在聚酰亚胺层上加工微槽使聚酰亚胺层下方的部分铜层表面裸露。

作为本发明的一种可选实施方式，铜层采用铜箔，并在制备聚酰亚胺层之前对其表面进行去油污处理，然后用质量分数5％的NaOH溶液在室温下对其进行清洗。

作为本发明的一种可选实施方式，步骤(1)中，采用蒸镀工艺制备聚酰亚胺层。

作为本发明的一种可选实施方式，步骤(2)中，采用皮秒超快激光微加工工艺加工微槽。

以下将结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明：

实施例

如图1～5所示，本实施例提供一种控制航天器电位的电子发射膜，由层叠设置的铜层1和聚酰亚胺层2组成。其中，铜层1的长度为280mm，宽度为100mm，厚度为18μm；聚酰亚胺层2的长度和宽度与铜层1一致，其厚度为25μm；聚酰亚胺层2均匀分布12个(6×2)微槽以使位于聚酰亚胺层2下方的部分铜层1表面裸露。微槽为正方形环状结构，微槽外环的正方形边长为200±5μm，槽宽为13±5μm。

铜层采用铜箔，在制备聚酰亚胺层之前对其表面进行去油污处理，然后用质量分数5％的NaOH溶液在室温下对其进行清洗，采用蒸镀工艺制备聚酰亚胺层，采用皮秒超快激光微加工工艺加工微槽。

实验例

通过实验对本发明上述实施例提供的电子发射薄膜进行测试，试验情况如下：

1、实验系统

如图6所示，实验系统由真空室、电子枪、电子发射薄膜、金属板、法拉第杯束流测量设备和非接触电位测量设备组成。

金属板使用绝缘细线悬吊于真空舱，模拟卫星结构在空间中的悬浮状态。

电子枪发射能量电子，模拟空间充电环境(空间等离子体环境中的电子是引起航天器充电的主要因素)。

电子发射薄膜通过导电胶粘贴于金属板上，使该薄膜铜箔层与金属板导通，模拟电子发射薄膜与卫星结构导电状态。

金属板在面向电子枪方向保留一定面积的裸漏铜，模拟电子发射薄膜未覆盖的卫星表面。

电位测量探头测量金属板的电位。

法拉第杯用于测量电子辐照束流密度。

2、实验方法

采用电子枪发射能量电子，模拟空间等离子体充电环境，在电子发射薄膜的聚酰亚胺层2和铜层1之间产生充电电位差，使电子发射薄膜对外发射电子。当充电平衡时，电子枪入射到金属板和电子发射薄膜上的电子入射电流I_i与电子发射薄膜对外发射电子电流I_o相平衡，即I_i＝I_o。通过法拉第筒测量入射电子束流密度J_i，并根据束流接收面积S₀，计算电子枪入射电子电流I_i＝J_i·S_o。根据电子发射薄膜激光刻蚀环形区域面积S_c，得出环形区域的电子发射电流密度J_o＝I_i/S_c。因此，电子发射薄膜环形区域的电子发射电流密度为

J_o＝J_i·S_o/S_c

试验中，金属板面积(即束流接收面积)S₀为812cm²，根据样品结构计算环形区域总面积S_c为12×(200×200)μm²＝4.8×10-³cm²。因此环形区域的电子发射电流密度为

J_o＝1.69×10⁵J_i

此外，通过电位测量探头对电位测量板电位变化情况，验证电子发射薄膜的电位控制效果。

3、实验条件

真空度优于1.0×10^-3Pa；

电子枪参数：电子能量5keV、束流密度大于1.5nA/cm²。

4、实验结果

实验中，法拉第杯测量的入射电子束流密度J_i为1.52nA/cm²。因此，电子发射薄膜环形三电极区域的电子发射电流密度为256.9μA/cm²。测得的金属板电位随时间变化曲线见图7，电子发射薄膜将金属板电位控制在-1000V以内。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种控制航天器电位的电子发射膜，其特征在于，包括层叠设置的铜层和聚酰亚胺层，所述聚酰亚胺层上开设若干微槽以使位于所述聚酰亚胺层下方的部分铜层表面裸露。

2.根据权利要求1所述的控制航天器电位的电子发射膜，其特征在于，所述铜层的厚度为15～25μ m，所述聚酰亚胺层的厚度为10～25μ m。

3.根据权利要求1所述的控制航天器电位的电子发射膜，其特征在于，所述微槽的形状为环形，槽宽为10～20μ m，

优选的，微槽宽度和聚酰亚胺层厚度之间的比例为1∶1～1∶3；

优选的，所述微槽的形状为正方形的环形结构，微槽外环的正方形边长为100～500μm。

4.权利要求1～3任一项所述的控制航天器电位的电子发射膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在铜层表面制备聚酰亚胺层；

5.根据权利要求4所述的控制航天器电位的电子发射膜制备方法，其特征在于，所述铜层采用铜箔，并在制备聚酰亚胺层之前对其表面进行去油污处理，然后用质量分数5％的NaOH溶液在室温下对其进行清洗。

6.根据权利要求4所述的控制航天器电位的电子发射膜制备方法，其特征在于，步骤(1)中，采用蒸镀工艺制备聚酰亚胺层。

7.根据权利要求4所述的控制航天器电位的电子发射膜制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用皮秒超快激光微加工工艺加工微槽。

8.权利要求1～3任一项所述的控制航天器电位的电子发射膜在控制航天器电位中的应用。

9.一种航天器，其特征在于，包括权利要求1～3任一项所述的控制航天器电位的电子发射膜。

10.根据权利要求9所述的航天器，其特征在于，所述控制航天器电位的电子发射膜设置在所述航天器的外表面，且所述铜层与所述航天器结构导电连接。