CN115754628A - 一种介质抗内带电性能综合评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子辐射下绝缘介质的深层充放电特性分析技术领域，公开了一种基于仿真计算及试验测定相结合的介质抗内带电性能综合评估方法，本发明的介质抗内带电性能综合评估方法为电子辐射下介质深层充放电研究及介质抗内带电性能的提升改进研究提供了有利的测试方案及评估手段。解决了当前研究中仅靠理论仿真计算可信度不高的问题，提供了一种直观的、可行的介质抗内带电性能对比评测方案，且选定了能够体现介质抗内带电性能的八个关键因素来直观评判其抗内带电性能，并可与仿真计算结果相互对比验证，大大提高了评测结果的准确性，且可根据具体试验结果来对理论模型进行修正改进，还可进一步提升理论计算结果的准确度。
Description
技术领域
本发明属于电子辐射下绝缘介质深层充放电特性研究技术领域，尤其涉及一种基于仿真计算及试验测定相结合的介质抗内带电性能综合评估方法。
背景技术
目前，在空间环境中，高能粒子与航天器相互作用会诱发多种异常现象，其中尤以高能电子作用下的介质深层充放电现象危害最为严重。介质深层充放电也称介质内带电，是指高能电子(0.1～10MeV)穿透航天器屏蔽层及介质表面，沉积在介质内部，由于介质材料的电导率极小，其电荷释放速率远小于电荷沉积速率，所以沉积电荷在介质内部不断积聚、从而导致局部电场集中，当沉积电荷产生的电场超过材料的击穿阈值时就会引发静电放电现象。介质深层充放电会导致介质材料性能劣化，同时放电过程产生电磁脉冲会导致航天器电子设备工作异常，严重影响航天器的安全运行。
从材料角度出发，研究电子辐射下介质的深层充放电机理及关键影响因素，从而对介质材料进行性能改进，提升其抗深层充放电性能是当前研究的热点。
但当前的研究多集中在电子辐射下介质的电荷输运机理研究(理论模型访研究)以及介质深层充放电模拟计算(仿真计算研究)方面，缺乏针对性的有效的介质深层充放电性能测试及评估方法。
当前对于介质材料改性后的抗深层充放电性能验证多采用仿真计算的方法来进行对比验证(主要对比同一辐射条件下的介质内电场幅值)；而实验测试也主要集中在样品的电导、介电及电气强度等参数方面，缺乏真实的电子辐射条件下介质材料充放电性能的对比测试。当前方法不能直观反映介质改性前后的抗深层充放电性能，急需构建对应的试验测试及性能综合评估方案。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有技术大多从仿真计算或侧面试验验证的角度进行研究，缺乏真实的电子辐射条件下介质材料抗内带电性能的针对性试验验证。
(2)现有技术缺乏针对性的有效的介质深层充放电试验测试方案及抗内带电性能评估方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种适用于电子辐射下绝缘介质深层充放电特性研究技术领域，尤其涉及一种基于仿真计算及试验测定相结合的介质抗内带电性能综合评估方法。
本发明是这样实现的，一种介质深层充放电性能评估方法，介质深层充放电性能评估方法包括：模拟电子辐射下介质内电场仿真计算，进行电子辐射下介质深层充放电性能测试；利用Geant4模拟电子辐射过程，利用COMSOL计算电荷传输过程，再进行真实电子辐射下试样静电放电测试；确定介质内电荷分布以及介质内电场分布，记录介质静电放电波形及试验数据，确定评估指标。
进一步，介质深层充放电性能评估方法包括以下步骤：
步骤一，基于介质材料介电参数的介质内电场仿真计算；
步骤二，基于电子辐射试验下介质深层充放电性能测试及分析；
步骤三，电子辐射下介质深层充放电性能综合评估。
进一步，步骤一中的基于介质材料介电参数的介质内电场仿真计算包括：
(1)实验测定各试样的密度ρ、本征电导率δ0、强场电导率δE、辐射诱导电导率δRIC、介电常数ε以及击穿场强Eb等参数；
(2)采用开源的蒙特卡洛模拟软件Geant4模拟设定空间辐射环境下介质材料的电子辐射过程；在Geant4中根据试样材料属性及三维尺寸，编程构建试样对应的三维仿真模型，并划分为小的体积微元用于探测辐射过程中沉积的电子及能量；设定入射电子的初始能量、模拟的入射电子数目为3×106个，Geant4中通过函数G4PSCellCharge3D、G4PSEnergyDeposit3D统计到每个体积微元内总的电荷沉积数En和能量沉积Eg。
接着需要将统计到的电荷沉积数En和能量沉积Eg换算成设定电子束流密度下的电荷沉积速率ρd和剂量率
换算方法如下：
当入射电子个数为N；入射电子束流密度为J0，A/m2；电子源面积为A0，m2；则虚拟辐射时间T为：
其中，eq为电子电荷量，设定为1.6×10-19C；对应到实际束流下介质内的电荷沉积速率为：
介质内的剂量率为：
(3)通过步骤(2)可得设定电子辐射条件下试样内部各个位置的电荷沉积速率ρd和剂量率
接着，采用有限元方法来计算不同辐照时间下介质内部的电荷分布和电场强度分布。
介质内部的电荷输运方程组如下：
电荷输运方程组从上到下依次为泊松方程、电流连续性方程和欧姆定律；其中，E为电场强度，单位V/m；ρs为介质内的净电荷密度，单位C/m3；ε为介质的介电常数，单位F/m；J为净电流密度，单位A/m2；ρd为介质内电荷沉积速率，单位C/m3·s，采用步骤(2)中基于Geant4开发的辐射模拟程序所得的计算结果；δE为与电场相关的电导率，单位S/m，采用步骤(1)的试验测定值。
(4)计算求解
将步骤(2)中求取出的试样中各个位置的电荷沉积速率和剂量率导出为.txt文件，再采用插值的方法导入到COMSOL中；根据试样实际工况设定接地条件及工作电压，再设定辐射时间，选用基于LU分解的MUMPS类型求解器进行求解计算，得到出实际工况下设定辐射时间内试样的内电荷及电场分布。
通过计算并对比相同辐射条件下各试样的电荷分布及内电场分布得到介质内部电荷密度最大值、内电场强度最大值这两个关键量；其中，相同辐射条件下指的是辐射试验时的电子能量、束流、辐射时间都相同；介质内部电荷密度最大值越大说明介质内部电荷积聚越严重，越容易引发介质静电放电；内电场强度最大值越大，也越容易超过介质材料的击穿阈值从而引发静电放电；通过仿真计算的方式可以对各试样的抗内带电性能进行一个初步的判定。
进一步，采用有限元分析软件COMSOL进行电荷输运方程组求解，包括：
1)在COMSOL中建立试样三维模型，并导入对应的材料参数；
2)在COMSOL中构建步骤(3)中的电荷输运方程组；选用数学模块中的偏微分方程接口自定义待求解的方程组；选用偏微分方程，根据步骤(3)中的电荷输运模型方程组分别对照修改偏微分方程的系数以及泊松方程；
偏微分方程的结构如下：
3)在COMSOL中设定边界条件及划分网格；分析试样的具体工况，包括试样的接地状态、接地位置以及工作电压的幅值、施加位置的因素，试样工况分别对应偏微分方程组的初始状态及边界条件；在COMSOL中通过修改自定义方程的初始条件及添加狄利克雷边界条件进行各种初始状态的设定；网格划分采用自由四面体网格自动划分。
进一步，步骤二中的基于电子辐射试验下介质深层充放电性能测试及分析包括：
(1)对试样及试样平台进行预处理：将试样和试样平台采用无水乙醇及去离子水进行超声振荡清洗，清洗干净后用铝箔包裹并连接接地线放入真空干燥箱中，90℃干燥2h。
(2)根据试验需求设计屏蔽盘、试样盘配合方案，形成测试流程图。
(3)按步骤(2)设计的试样放置方式安放试样于试样盘对应的区域之上，各试样底面相对于辐射面采用铜胶带覆盖并与试样凸台处的引出线相连接，各路引出线的另一端经50欧姆电阻接地，在50欧姆电阻远地端引出接入示波器；示波器输入接口不足时，采用多台示波器同时测试；线路连接完毕后，采用万用表检查测试线路连接是否正确。
(4)试样安放完毕并检查测试线路无误后，闭合真空试验罐，打开真空泵抽真空，直至真空试验罐真空度<5×10-4Pa。
(5)按照设计的测试流程图进行测试，采用示波器记录并采集对应试样的放电波形数据。
(6)试验数据分析方案：通过示波器采集并记录电子辐射下试样的全部静电放电波形，选取静电放电次数、放电波形、放电电流峰值、放电电流均值、单次放电电荷量峰值以及放电电荷总量为指标评判试样的抗深层充放电性能。
进一步，步骤三中的电子辐射下介质深层充放电性能综合评估包括：
通过基于介质材料介电参数的介质内电场仿真计算流程获取各试样在同一辐射条件下的介质内部电荷密度最大值和内电场强度最大值的指标；通过辐射试验记录并提取各试样在同一辐射条件下的静电放电次数、放电波形、放电电流峰值、放电电流均值、单次放电电荷量峰值以及放电电荷总量的指标。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的介质深层充放电性能评估方法的介质深层充放电性能评估系统，介质深层充放电性能评估系统包括：
电子枪，作为电子辐射试验的辐射源，位于真空罐中；将真空罐的真空度抽取至真空度<5×10-4Pa，再开启电子枪；试验时根据测试的入射电子能量及束流范围由电子枪的参数，设定不同的入射电子能量及电子束流。
真空试验罐，电子辐射试验用于模拟空间环境下高能电子与介质材料的相互作用过程，将电子枪、试样平台置于真空试验罐中，通过真空泵抽取真空环境用来进行试验测试。
真空泵，用于为真空试验罐抽真空，构建真空环境。
示波器，用于监测并记录电子辐照下介质试样深层充放电过程中的放电脉冲信号。
试样平台，用于放置待测试样，由上端可旋转的屏蔽盘和不可旋转的试样盘组成，屏蔽盘与试样盘均均匀划分为12个区域，屏蔽盘标记为D1～D12，试样盘标记为Y1～Y12，上下两盘各区域一一对应；其中D1～D12为可取下的屏蔽块，取下对应的屏蔽块则下方试样可被直接辐射，插入屏蔽块则对应的试样被屏蔽，不被辐射；其中，屏蔽盘上取下D1、D3、D5则对应的试样盘上Y1、Y3、Y5试样被辐射，其余样品均被屏蔽；且屏蔽盘通过步进电机驱动可顺时针或逆时针旋转运动，每动作一次旋转角度为30°；通过屏蔽盘与试样盘的相互配合实现不同辐射条件下不同类型试样同时测试，一次最多可测试12块样品。
放电信号引出线，从真空罐中引出连接试样底部及示波器，是试样放电信号的传输线；传输线为多芯屏蔽线缆，共12路支线分别引出至试样盘12个凸起的试样平台附近，待测试样底面采用铜胶带与对应的引出线粘接牢固；各路引出线的另一端经50欧姆电阻接地，在50欧姆电阻远地端引出接入示波器。示波器输入接口不足时，采用多台示波器同时测试并储存各路试样的静电放电数据及波形。
试样平台接地端子，用于放电信号引出线接地，同时屏蔽干扰信号。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
本发明结合理论仿真计算和辐射试验测定提出了一套完整的适用于电子辐射下介质抗内带电性能调控研究的介质抗内带电性能测试及综合评估方法，可为电子辐射下介质的深层充放电研究提供可行的试验测试手段和综合评估方案，且通过仿真计算结果和辐射试验测试结果的相互验证可大大提高评估结果的准确性。
本发明基于电子辐射试验下介质内带电测试及分析方案主要采用真实电子辐射试验来直观测定并对比试样改性前后的抗内带电性能，从而验证并评判改性效果的优劣。这为电子辐射下介质的抗内带电性能提升研究提供了直观的、可行的测定方法及判定依据。本发明结合基于材料介电参数的介质内电场仿真计算方案、基于电子辐射试验下介质抗内带电性能测定及分析方案来构建电子辐射下介质抗内带电性能综合评估方案，本发明可以从理论仿真计算和真实电子辐射试验两个角度来评判分析介质的抗内带电性能。
本发明结合理论仿真计算和真实辐射试验测定提出了一种可行的电子辐射下介质抗内带电综合评估方案，选定了八个关乎电子辐射下介质抗内带电性能的关键指标，从理论计算和试验测定两个方面出发对介质的抗内带电性能进行综合评估，这是当前研究所欠缺的，且本方案的仿真计算结果和真实电子辐射试验测试结果既相互补充又可互为验证，大大提高了评估结果的准确性。
本发明的介质抗内带电性能综合评估方法为电子辐射下介质深层充放电研究及介质抗内带电性能的提升改进研究提供了有利的测试方案及评估手段。解决了当前研究中仅靠理论仿真计算可信度不高的问题，提供了一种直观的、可行的介质抗内带电性能对比评测方案，且选定了能够体现介质抗内带电性能的八个关键因素来直观评判其抗内带电性能，并可与仿真计算结果相互对比验证，大大提高了评测结果的准确性，且可根据具体试验结果来对理论模型进行修正改进，还可进一步提升理论计算结果的准确度。
本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明解决了当前介质深层充放电研究中缺乏试验测定方案的问题，本专利经过大量试验测定研究提出了一种可行的直观的结合理论计算及试验测定的介质抗内带电性能测定及评估方法，本方法在传统介质内电场计算的基础上设计介质内带电试验装置及方案，并选出八个关乎介质抗内带电性能的关键参数，来综合比对评测介质的抗内带电性能，这是当前国内所欠缺的研究，具备一定的先进性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的介质深层充放电性能评估方法流程图；
图2是本发明实施例提供的介质深层充放电性能评估方法原理图；
图3是本发明实施例提供的子辐射下介质材料深层充放电测试装置结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于仿真计算及试验测定相结合的介质抗内带电性能综合评估方法。
本发明提供了一种基于仿真计算及试验测定相结合的介质抗内带电性能综合评估方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1所示，本发明实施例提供的介质深层充放电性能评估方法包括以下步骤：
S101，基于介质材料介电参数的介质内电场仿真计算；
S102，基于电子辐射试验下介质深层充放电性能测试及分析；
S103，电子辐射下介质深层充放电性能综合评估。
本发明实施例提供的介质深层充放电性能评估方法由两部分组成，一是基于介质介电参数测试的介质内电场仿真计算方案，二是基于电子辐射试验下介质深层充放电性能测试及分析方案，再对两者综合分析构建综合的评估方案。
一、基于介质材料介电参数的介质内电场仿真计算方案
步骤1：实验测定各试样的密度(ρ)，本征电导率(δ0)，强场电导率(δE)、辐射诱导电导率(δRIC)、介电常数(ε)，击穿场强(Eb)等参数。
步骤2：采用开源的蒙特卡洛模拟软件Geant4来模拟设定空间环境下介质材料的电子辐射过程。首先根据试样材料属性及三维尺寸，构建试样对应的三维仿真模型，并划分为小的体积微元用于探测辐射过程中沉积的电子及能量；接着设定入射电子的初始能量、模拟的入射电子数目(本方案设定为3×106个)，Geant4中通过函数G4PSCellCharge3D、G4PSEnergyDeposit3D统计到每个体积微元内总的电荷沉积数En和能量沉积Eg。
接着需要将统计到的电荷沉积数En和能量沉积Eg换算成设定电子束流密度下的电荷沉积速率ρd和剂量率
换算方法如下：
假设入射电子个数为N；入射电子束流密度为J0，A/m2，电子源面积为A0，m2；那么虚拟辐射时间T为：
其中eq为电子电荷量(1.6×10-19C)，对应到实际束流下介质内的电荷沉积速率为：
介质内的剂量率为：
步骤3：
通过第2步试样的电子辐射过程模拟即可得到设定辐射条件下试样内部各个位置的电荷沉积速率(ρd)和剂量率
接着采用有限元方法来计算电子辐射下介质内部的电荷分布和电场强度分布，介质内部的电荷输运方程组如下：
该方程组从上到下依次为泊松方程、电流连续性方程和欧姆定律。其中E为电场强度，V/m(待求量)；ρs为介质内的净电荷密度，C/m3，(待求量)；ε为介质的介电常数，F/m，(采用步骤1中的测试结果)；J为净电流密度，A/m2，(待求量)；ρd为介质内电荷沉积速率，C/m3·s，(采用步骤2中基于Geant4开发的辐射模拟程序的计算结果)；δE为与电场相关的电导率，S/m，(采用步骤1中的计算测试结果)。
本部分电荷输运方程组的求解需采用有限元方法求解，可采用MATLAB编写相关程序，也可采用成熟的商业有限元分析软件COMSOL或Ansys来进行求解：本方案选取COMSOL5.6来求解此电荷输运方程组：
具体如下：
(1)在COMSOL中建立试样三维模型，并导入对应的材料参数。
(2)在COMSOL中构建步骤3中的电荷输运方程组。
本方案没有选用COMSOL中给出的固有模块来进行电场的计算，而是选用数学模块中的偏微分方程接口来自定义需要求解的方程组。本例选用一般形式的偏微分方程，其具体结构如下：
根据步骤3中的电荷输运模型方程组分别对照修改此偏微分方程的系数即可，泊松方程也可由此方程改写得到。
(3)在COMSOL中设定边界条件及划分网格
本例仿真计算过程中还需考虑试样的具体工况，主要包括试样的接地状态、接地位置以及工作电压的幅值、施加位置等因素，这些对应的就是偏微分方程组的初始状态及边界条件。在COMSOL中可以通过修改自定义方程的初始条件及添加狄利克雷边界条件来进行各种初始状态的设定。网格划分采用自由四面体网格自动划分。
(4)计算求解
将步骤2中求取出的试样中各个位置的电荷沉积速率和剂量率这两个关键参数导出为.txt文件，再采用插值的方法将其导入到COMSOL中。然后根据试样实际工况设定接地条件及工作电压，再设定辐射时间，选用基于LU分解的MUMPS类型求解器进行求解计算，最终就可得到出实际工况下设定辐射时间内试样的内电荷及电场分布。
通过计算并对比相同辐射条件(相同辐射条件下指的是辐射试验时的电子能量、束流、辐射时间都相同)下各试样的电荷分布及内电场分布即可得到：介质内部电荷密度最大值、内电场强度最大值这两个关键量。其中，介质内部电荷密度最大值越大说明介质内部电荷积聚越严重，越容易引发介质静电放电；内电场强度最大值越大，也越容易超过介质材料的击穿阈值从而引发静电放电。因此，通过仿真计算的方式可以对各试样的抗内带电性能有一个初步的判定。
二、基于真实电子辐射试验的介质抗内带电性能测试及分析方案
本部分主要采用真实电子辐射试验来对比试样改性前后的抗内带电性能，从而验证并评判改性效果的优劣。从而为电子辐射下介质的抗内带电性能的改进提升研究提供可行的评测方法及判定依据。
电子辐射下介质抗内带电性能测试方案：
电子辐射下介质材料抗内带电性能测试装置结构图如图3所示。
测试系统包括：
1.电子枪
做为电子辐射试验的辐射源，位于真空罐中，需要先将真空罐抽取到要求的真空度(一般要求小于真空度优于5×10-4Pa)才能开启电子枪，试验时根据试验需求设定不同的入射电子能量及电子束流(可以测试的入射电子能量及束流范围由电子枪的参数决定)。
2.真空试验罐
电子辐射试验主要用来模拟空间环境下高能电子与介质材料的相互作用过程，所以一般试验环境需为真空环境，这就需要采用真空试验罐，将电子枪、试样平台等置于真空罐中，通过真空泵抽取真空环境用来进行试验测试。
3.真空泵
主要用于为真空试验罐抽真空，构建真空环境。本试验真空罐中真空度需要<5×10-4Pa。
4.示波器
用于监测并记录电子辐照下介质试样深层充放电过程中的放电脉冲信号。
5.试样平台
用于放置待测试样，其主要由上端可旋转的屏蔽盘和不可旋转的试样盘组成，屏蔽盘与试样盘均均匀划分为12个区域，屏蔽盘标记为D1～D12，试样盘标记为Y1～Y12，上下两盘各区域一一对应。其中D1～D12为可取下的屏蔽块，取下对应的屏蔽块则下方试样可被直接辐射，插入屏蔽块则对应的试样被屏蔽，不被辐射。例如：屏蔽盘上取下D1、D3、D5则对应的试样盘上Y1、Y3、Y5试样被辐射，其余样品均被屏蔽。且屏蔽盘通过步进电机驱动可顺时针或逆时针旋转运动，每动作一次旋转角度为30°。通过屏蔽盘与试样盘的相互配合可以实现不同辐射条件下不同类型试样同时测试，大大提高了试验效率。一次最多可测试12块样品。
6.放电信号引出线
从真空罐中引出连接试样底部及示波器，是试样放电信号的传输线。传输线为多芯屏蔽线缆，共12路支线分别引出至试样盘12个凸起的试样平台附近，待测试样底面采用铜胶带与对应的引出线粘接牢固。各路引出线的另一端经50欧姆电阻接地，在50欧姆电阻远地端引出接入示波器。示波器输入接口不足时，可采用多台示波器同时测试并储存各路试样的静电放电数据及波形。
7.试样平台接地端子
用于放电信号引出线接地，同时屏蔽干扰信号。
测试步骤：
步骤1：为保证测试结果准确性，需要对试样及试样平台进行预处理：首先将试样和试样平台采用无水乙醇及去离子水进行超声振荡清洗，清洗干净后用铝箔包裹并连接接地线放入真空干燥箱中，温度90摄氏度，干燥2小时(主要目的是保证试样干燥、清洁且无残余电荷)。
步骤2：根据试验需求设计屏蔽盘、试样盘配合方案，形成测试流程图。
步骤3：按步骤2设计的试样放置方式安放试样于试样盘对应的区域之上，各试样底面(相对于辐射面)需采用铜胶带覆盖并与试样凸台处的引出线相连接，各路引出线的另一端经50欧姆电阻接地，在50欧姆电阻远地端引出接入示波器。示波器输入接口不足时，可采用多台示波器同时测试。线路连接完毕后，采用万用表检查测试线路连接是否正确。
步骤4：试样安放完毕并检查测试线路无误后，闭合真空试验罐，打开真空泵抽真空，直至真空试验罐真空度<5×10-4Pa。
步骤5：按照设计的测试流程图进行测试，采用示波器记录并采集对应试样的放电波形数据。
试验数据分析方案：通过示波器可以采集并记录电子辐射下试样的全部静电放电波形，本方案主要选取以下几个指标来评判试样的抗内带电性能。
在相同辐射条件下(相同辐射条件下指的是辐射试验时的电子能量、束流、辐射时间都相同)记录试样以下指标：
1.静电放电次数；
2.放电波形；
3.放电电流峰值；
4.放电电流均值；
5.单次放电电荷量峰值；
6.放电电荷总量。
其中，在相同的辐射条件下，入射电子能量、束流、辐射时间都相同，可以认为与各试样相互作用的电子数目相同，即总的入射电子数相同。
(1)静电放电次数最直观体现试样的抗深层充放电性能，放电次数越多表明介质内部电场集中越严重，电荷以局部击穿的形式释放，形成的放电脉冲多，对航天设备电子设备的影响大；
(2)放电波形也直观体现了放电的特征，可以通过波形的光滑度、重复性等特征来确定介质内部电荷是温和的释放还是随机性强的击穿式释放，其中随机性释放危害更大；波形毛刺越多说明放电越剧烈，属于击穿型放电，对介质材料危害越大；波形越光滑说明放电过程较温和偏向于电导性放电。
(3)放电电流峰值体现了介质静电放电的强度，放电电流峰值越大，释放的能量也越大，对电子设备的危害也越大，其值越小说明介质内部积聚的电荷越少，对应介质的抗内带电性能也越好；
(4)放电电流均值可以整体性的对比评价各试样静电放电的破坏性大小，其值越小，说明介质的抗内带电性能越好；
(5)单次放电电荷量峰值体现了各试样单次放电的电荷量大小，放电电荷量越多，表明介质内部电荷积聚越严重，同时表现出的放电电流也会越大，危害也就越大；
(6)放电电荷总量是从宏观上对比各试样的抗深层充放电性能，放电电荷总量越少、说明介质的内部电荷积聚越少，更多的沉积电荷是通过电导的方式缓慢泄露，而非通过静电放电的方式瞬间释放，所以放电电荷总量越少可以认为对应的试样的抗内带电性能越好。
三、电子辐射下介质深层充放电性能综合评估方案
本方案结合《一、基于介质材料介电参数的介质内电场仿真计算方案》及《二、基于电子辐射试验下介质深层充放电性能测试及分析方案》来构建电子辐射下介质深层充放电性能评估方案，可以从理论仿真计算角度和电子辐射试验两个角度来评判分析各试样的抗内带电性能。
总体评估方案如下：
首先，通过基于介质材料介电参数的介质内电场仿真计算流程获取各试样在同一辐射条件下的介质内部电荷密度最大值和内电场强度最大值这两个指标；接着通过辐射试验记录并提取各试样在同一辐射条件下的静电放电次数、放电波形、放电电流峰值、放电电流均值、单次放电电荷量峰值、放电电荷总量这六个指标；一共八个指标构成本方案的关键评判指标。
然后先分析仿真计算结果，相同辐射条件下，介质内电荷密度越大说明内部电荷积聚越严重，对应的抗内带电性也越差；介质的内电场强度越大，说明介质内部的电场畸变越严重，对应的电荷积聚也越多，抗内带电性能也越差；通过这两个因素就可对待测试样的抗内带电特性进行一个初步的评判；
接着，对比分析电子辐射测定结果：
其中(1)静电放电次数最直观体现试样的抗深层充放电性能，放电次数越多表明介质内部电场集中越严重，电荷以局部击穿的形式释放，形成的放电脉冲多，对航天设备电子设备的影响也越大；
(2)放电波形直观体现了放电的特征，可以通过波形的光滑度、重复性等特征来确定介质内部电荷是温和的释放还是随机性强的击穿式释放，其中随机性释放危害更大；波形毛刺越多说明放电越剧烈，属于击穿型放电，对介质材料危害越大；波形越光滑说明放电过程较温和偏向于电导性放电。
(3)放电电流峰值体现了介质静电放电的强度，放电电流峰值越大，释放的能量也越大，对电子设备的危害也越大，其值越小说明介质内部积聚的电荷越少，对应介质的抗内带电性能也越好；
(4)放电电流均值可以整体性的对比评价各试样静电放电的破坏性大小，其值越小，说明介质的抗内带电性能越好；
(5)单次放电电荷量峰值体现了各试样单次放电的电荷量大小，放电电荷量越多，表明介质内部电荷积聚越严重，同时表现出的放电电流也会越大，危害也就越大；
(6)放电电荷总量是从宏观上对比各试样的抗深层充放电性能，放电电荷总量越少、说明介质的内部电荷积聚越少，更多的沉积电荷是通过电导的方式缓慢泄露，而非通过静电放电的方式瞬间释放，所以放电电荷总量越少可以认为对应的试样的抗内带电性能越好。
通过各试样这六个指标的对比可进一步对比评判各试样抗内带电性能的优劣，再结合仿真计算的结果对试验结果进行对比验证，一般情况下介质内电荷密度越大，内电场也越大；具体的放电特征还需考虑各试样的击穿场强，击穿场强越低，在相同的电场强度下就越容易放电。基于此，就可综合的评估各试样的抗内带电性能。评估方案整体流程图如图2所示。
本发明结合仿真计算和试验测试提出了一种可行的电子辐射下介质抗深层充放电方案，选定了八个关乎介质电子辐射下深层充放电性能的关键指标，从理论计算和试验测试两个方面出发对介质的抗深层充放电性能进行综合评估，这是现有研究所欠缺的，且仿真计算结果和试验测试结果既相互补充又可互为验证，提高了评估结果的准确性。本发明为电子辐射下介质深层充放电研究及介质抗深层充放电性能的提升改进提供了有利的评估手段及测试方案。
为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
以聚酰亚胺(PI)试样为例，采用本发明实施例提出的评估方法，分别计算并测试了纯PI试样、微米氧化锌(ZnO)改性试样的抗内带电特性。简述如下：
首先计算了两种试样的内电场最大值，辐射条件为(入射电子能量0.3MeV，束流5μA)。
束流为5μA时，纯PI试样的内电场最大值随辐射时间增加迅速增大，在较短的时间内就超过了1×108V/m，且电场增速基本不变。微米氧化锌改性试样的内电场变化趋势则不同于纯PI试样，随着辐射时间的增加，改性试样的内电场先不断增大，但是电场增速逐渐减小，最终电场最大值趋于稳定，内电场达到平衡、不再随辐射时间的变化而变化，且电场强度幅值上改性试样均小于纯PI试样。所以初步判定微米氧化锌改性试样的抗内带电特性由于纯PI试样。
接着进行辐射试验测定，辐射条件设定为入射电子能量0.3MeV，束流为5μA，辐射时间为20min。采集到的典型放电波形如下：
从辐射试验测定结果可得：
微米氧化锌改性试样的放电次数、放电波形、放电电流峰值、放电电流均值、单次放电电荷峰值、放电电荷总量这几个关键指标都优于纯PI试样，试验测试结果和理论计算结果一致，两者综合来看，都表明改性试样的抗内带电性能优于纯PI试样。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种介质深层充放电性能评估方法，其特征在于，介质深层充放电性能评估方法包括：模拟电子辐射下介质内电场仿真计算，进行电子辐射下介质深层充放电性能测试；利用Geant4模拟电子辐射过程，利用COMSOL计算电荷传输过程，再进行真实电子辐射下试样静电放电测试；确定介质内电荷分布以及介质内电场分布，记录介质静电放电波形及试验数据，确定评估指标。
2.如权利要求1所述的介质深层充放电性能评估方法，其特征在于，介质深层充放电性能评估方法包括以下步骤：
步骤一，基于介质材料介电参数的介质内电场仿真计算；
步骤二，基于电子辐射试验下介质深层充放电性能测试及分析；
步骤三，电子辐射下介质深层充放电性能综合评估。
3.如权利要求2所述的介质深层充放电性能评估方法，其特征在于，步骤一中的基于介质材料介电参数的介质内电场仿真计算包括：
(1)实验测定各试样的密度ρ、本征电导率δ0、强场电导率δE、辐射诱导电导率δRIC、介电常数ε以及击穿场强Eb的参数；
(2)采用开源的蒙特卡洛模拟软件Geant4模拟设定空间环境下介质材料的电子辐射过程；根据试样材料属性及三维尺寸，构建试样对应的三维仿真模型，并划分为小的体积微元用于探测辐射过程中沉积的电子及能量；设定入射电子的初始能量、模拟的入射电子数目为3×106个，Geant4中通过函数G4PSCellCharge3D、G4PSEnergyDeposit3D统计到每个体积微元内总的电荷沉积数En和能量沉积Eg；
其中，入射电子的束流密度换算方法如下：
当入射电子个数为N；入射电子束流密度为J0，A/m2，电子源面积为A0，m2，则虚拟辐射时间T为：
其中，eq为电子电荷量，设定为1.6×10-19C；对应到实际束流下介质内的电荷沉积速率为：
介质内的剂量率为：
(3)通过步骤(2)试样的电子辐射过程模拟得到设定辐射条件下试样内部各个位置的电荷沉积速率ρd和剂量率
采用有限元方法来计算电子辐射下介质内部的电荷分布和电场强度分布，介质内部的电荷输运方程组如下：
电荷输运方程组从上到下依次为泊松方程、电流连续性方程和欧姆定律；其中，E为电场强度，单位V/m；ρs为介质内的净电荷密度，单位C/m3；ε为介质的介电常数，单位F/m；J为净电流密度，单位A/m2；ρd为介质内电荷沉积速率，单位C/m3·s，采用步骤(2)中基于Geant4开发的辐射模拟程序的计算结果；δE为与电场相关的电导率，单位S/m，采用步骤(1)的计算测试结果；
(4)计算求解
将步骤(2)中求取出的试样中各个位置的电荷沉积速率和剂量率导出为.txt文件，再采用插值的方法导入到COMSOL中；根据试样实际工况设定接地条件及工作电压，再设定辐射时间，选用基于LU分解的MUMPS类型求解器进行求解计算，得到出实际工况下设定辐射时间内试样的内电荷及电场分布。
4.如权利要求3所述的介质深层充放电性能评估方法，其特征在于，采用有限元分析软件COMSOL进行电荷输运方程组求解，包括：
1)在COMSOL中建立试样三维模型，并导入对应的材料参数；
2)在COMSOL中构建步骤(3)中的电荷输运方程组；选用数学模块中的偏微分方程接口自定义待求解的方程组；选用偏微分方程，根据步骤(3)中的电荷输运模型方程组分别对照修改偏微分方程的系数以及泊松方程；
偏微分方程的结构如下：
3)在COMSOL中设定边界条件及划分网格；分析试样的具体工况，包括试样的接地状态、接地位置以及工作电压的幅值、施加位置的因素，试样工况分别对应偏微分方程组的初始状态及边界条件；在COMSOL中通过修改自定义方程的初始条件及添加狄利克雷边界条件进行各种初始状态的设定；网格划分采用自由四面体网格自动划分。
5.如权利要求2所述的介质深层充放电性能评估方法，其特征在于，步骤二中的基于电子辐射试验下介质深层充放电性能测试及分析包括：
(1)对试样及试样平台进行预处理：将试样和试样平台采用无水乙醇及去离子水进行超声振荡清洗，清洗干净后用铝箔包裹并连接接地线放入真空干燥箱中，90℃干燥2h；
(2)根据试验需求设计屏蔽盘、试样盘配合方案，形成测试流程图；
(3)按步骤(2)设计的试样放置方式安放试样于试样盘对应的区域之上，各试样底面相对于辐射面采用铜胶带覆盖并与试样凸台处的引出线相连接，各路引出线的另一端经50欧姆电阻接地，在50欧姆电阻远地端引出接入示波器；示波器输入接口不足时，采用多台示波器同时测试；线路连接完毕后，采用万用表检查测试线路连接是否正确；
(4)试样安放完毕并检查测试线路无误后，闭合真空试验罐，打开真空泵抽真空，直至真空试验罐真空度<5×10-4Pa；
(5)按照设计的测试流程图进行测试，采用示波器记录并采集对应试样的放电波形数据；
(6)试验数据分析方案：通过示波器采集并记录电子辐射下试样的全部静电放电波形，选取静电放电次数、放电波形、放电电流峰值、放电电流均值、单次放电电荷量峰值以及放电电荷总量为指标评判试样的抗深层充放电性能。
6.如权利要求2所述的介质深层充放电性能评估方法，其特征在于，步骤三中的电子辐射下介质深层充放电性能综合评估包括：
通过基于介质材料介电参数的介质内电场仿真计算流程获取各试样在同一辐射条件下的介质内部电荷密度最大值和内电场强度最大值的指标；通过辐射试验记录并提取各试样在同一辐射条件下的静电放电次数、放电波形、放电电流峰值、放电电流均值、单次放电电荷量峰值以及放电电荷总量的指标。
7.一种应用如权利要求1～6任意一项所述的介质深层充放电性能评估方法的介质深层充放电性能评估系统，其特征在于，介质深层充放电性能评估系统包括：
电子枪，作为电子辐射试验的辐射源，位于真空罐中；将真空罐的真空度抽取至真空度<5×10-4Pa，再开启电子枪；试验时根据测试的入射电子能量及束流范围由电子枪的参数，设定不同的入射电子能量及电子束流；
真空试验罐，电子辐射试验用于模拟空间环境下高能电子与介质材料的相互作用过程，将电子枪、试样平台置于真空试验罐中，通过真空泵抽取真空环境用来进行试验测试；
真空泵，用于为真空试验罐抽真空，构建真空环境；
示波器，用于监测并记录电子辐照下介质试样深层充放电过程中的放电脉冲信号；
试样平台，用于放置待测试样，由上端可旋转的屏蔽盘和不可旋转的试样盘组成；
放电信号引出线，从真空罐中引出连接试样底部及示波器，是试样放电信号的传输线；传输线为多芯屏蔽线缆，共12路支线分别引出至试样盘12个凸起的试样平台附近，待测试样底面采用铜胶带与对应的引出线粘接牢固；各路引出线的另一端经50欧姆电阻接地，在50欧姆电阻远地端引出接入示波器；示波器输入接口不足时，采用多台示波器同时测试并储存各路试样的静电放电数据及波形；
试样平台接地端子，用于放电信号引出线接地，同时屏蔽干扰信号。
8.如权利要求的介质深层充放电性能评估系统，其特征在于，屏蔽盘与试样盘均均匀划分为12个区域，屏蔽盘标记为D1～D12，试样盘标记为Y1～Y12，上下两盘各区域一一对应；其中D1～D12为可取下的屏蔽块，取下对应的屏蔽块则下方试样可被直接辐射，插入屏蔽块则对应的试样被屏蔽，不被辐射；其中，屏蔽盘上取下D1、D3、D5则对应的试样盘上Y1、Y3、Y5试样被辐射，其余样品均被屏蔽；且屏蔽盘通过步进电机驱动可顺时针或逆时针旋转运动，每动作一次旋转角度为30°；通过屏蔽盘与试样盘的相互配合实现不同辐射条件下不同类型试样同时测试，一次最多可测试12块样品。
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Cited By (1)
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2022
- 2022-11-10 CN CN202211408843.6A patent/CN115754628A/zh active Pending
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| CN116595814B (zh) * | 2023-07-19 | 2023-10-31 | 清华大学 | 移动反应堆的屏蔽体设计方法、装置、屏蔽体及介质 |
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