專(zhuān)利名稱(chēng)：一種電子輻照下介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子輻照下介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試方法，屬于測(cè)試領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
空間等離子體會(huì)對(duì)飛行器表面充電，從而引起飛行器的表面電荷積累。隨著表面電荷積累量增加，其產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到表面材料的擊穿閾值時(shí)， 電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移從而引起表面空間靜電放電。由空間靜電放電產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖耦合到飛行器電子系統(tǒng)時(shí)，會(huì)引起邏輯開(kāi)關(guān)異常、電子系統(tǒng)故障或敏感元件性能下降，以致整個(gè)系統(tǒng)的破壞。除產(chǎn)生電子設(shè)備的電磁干擾和損壞外，空間靜電放電也導(dǎo)致表面材料的損壞或物理性能衰退，從而影響飛行器的正常工作。
測(cè)量材料的表面電荷分布是研究介質(zhì)表面充放電效應(yīng)的重要手段和內(nèi)容，介質(zhì)表面電荷直接與介質(zhì)表面的電場(chǎng)分布相關(guān)，決定介質(zhì)材料表面放電的特性。目前，文獻(xiàn) “Tenbohlem S, Schrocher G. The influence of surface charge on lightingimpulse breakdown of spacer in SF6. IEEE Trans on EI, 2000. 7 (2) :241.，，已建立了基于靜電電容原理的適用于測(cè)量高壓絕緣子表面電荷分布的測(cè)試系統(tǒng)。但是這種常規(guī)的表面電荷分布測(cè)量方法并不完全適合于空間帶電環(huán)境，常規(guī)方法不適于電子輻照條件的主要原因有 (I)測(cè)試環(huán)境不同地面建立的測(cè)試系統(tǒng)是用于測(cè)量施加了直流高壓的絕緣子表面電荷產(chǎn)生的感應(yīng)電荷，而該系統(tǒng)是測(cè)量在能量電子輻照下介質(zhì)材料產(chǎn)生的沉積電荷；因此，測(cè)量需要屏蔽能量電子的輻照效應(yīng)。(2)測(cè)量精度要求不同常規(guī)的介質(zhì)表面電荷測(cè)量范圍為 μ C/m2量級(jí)，而本系統(tǒng)測(cè)量的表面電荷將小于常規(guī)測(cè)量至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，該系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)具有更高精度的靜電電容探頭。發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有常規(guī)的高壓絕緣子表面電荷密度分布測(cè)量方法的不足之處，本發(fā)明提供一種高精度、抗電子輻照的介質(zhì)表面電荷測(cè)試方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
—種介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括電子槍、三維傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、真空屏蔽過(guò)壁、高阻計(jì)、靜電電容探頭、真空室、抽真空系統(tǒng)；
其中，在真空室內(nèi)部，電子槍安裝在真空室頂部；在真空室底部設(shè)有支撐架，在支撐架上放置介質(zhì)樣品材料；在真空室側(cè)壁安裝有真空屏蔽過(guò)壁，三維傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一端與靜電電容探頭連接，另一端安裝在真空屏蔽過(guò)壁中，實(shí)現(xiàn)靜電電容探頭在介質(zhì)樣品材料表面的移動(dòng)；屏蔽信號(hào)線(xiàn)一端與靜電電容探頭連接，另一端通過(guò)真空屏蔽過(guò)壁與真空室外的高阻計(jì)連接；
優(yōu)選所述靜電電容探頭包括感應(yīng)電極、屏蔽信號(hào)線(xiàn)、絕緣套、屏蔽外殼；其中，感應(yīng)電極位于靜電電容探頭的中心軸線(xiàn)上，感應(yīng)電極外部依次包覆有絕緣套和屏蔽外殼；屏蔽信號(hào)線(xiàn)一端與感應(yīng)電極連接，另一端穿過(guò)真空屏蔽過(guò)壁與高阻計(jì)連接；
優(yōu)選感應(yīng)電極材料為紫銅，絕緣套材料為聚四氟乙烯或陶瓷，屏蔽外殼材料為招;優(yōu)選感應(yīng)電極和絕緣套的接觸面為環(huán)扣式結(jié)構(gòu)，目的是為了減少感應(yīng)電極和絕緣套的接觸面積，提高感應(yīng)電極的靈敏度；優(yōu)選感應(yīng)電極為直徑為2mm，長(zhǎng)為60mm的圓柱體；絕緣套為下部開(kāi)口，長(zhǎng)度為70mm、內(nèi)半徑為6mm、外半徑為IOmm的圓筒；屏蔽外殼為下部開(kāi)口，長(zhǎng)度77mm,內(nèi)徑為16mm,外徑為20mm的圓筒。優(yōu)選屏蔽信號(hào)線(xiàn)使用RG142U型號(hào)的屏蔽線(xiàn)，并在全部屏蔽信號(hào)線(xiàn)包覆在一層接地的鋁箔中，所述鋁箔厚度為O. Olmm ； 一種介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試方法，所述方法在所述介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行，步驟如下步驟一、靜電電容探頭的標(biāo)度將金屬導(dǎo)體放置在支撐架上，位于靜電電容探頭正下方3飛mm處；通過(guò)-10(T-20000V的直流高壓電源對(duì)導(dǎo)體施加直流電壓，施加電壓從-100V開(kāi)始，電壓增加步長(zhǎng)為10(T400V，通過(guò)高阻計(jì)得到靜電電容探頭在不同施加電壓下的感應(yīng)電壓，并作出靜電電容探頭感應(yīng)電壓與施加直流電壓的關(guān)系曲線(xiàn)，利用式(I)獲得靜電電容探頭的靈敏度和施加電壓的線(xiàn)性關(guān)系。
QU2 —"I.····..................................... (I)
C1 + C1式中的C1為靜電電容探頭與金屬導(dǎo)體之間的電容，C2為靜電電容探頭及測(cè)試線(xiàn)對(duì)地的電容，C1, C2均為常數(shù)。U1為金屬導(dǎo)體表面的電壓，即直流高壓電源對(duì)導(dǎo)體施加的直流電壓；U2為靜電電容探頭的感應(yīng)電壓。如果Up U2滿(mǎn)足線(xiàn)性關(guān)系，接步驟二 ；步驟二、將介質(zhì)樣品材料放置在支撐架上表面，靜電電容探頭距介質(zhì)樣品材料表面3 5_，開(kāi)啟抽真空系統(tǒng)抽真空，使真空室內(nèi)的真空度彡8. OXKT4Pa ；步驟三、開(kāi)啟電子槍模擬靜止地球軌道(GEO)電子環(huán)境，對(duì)介質(zhì)樣品材料進(jìn)行輻照；利用三維傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)介質(zhì)樣品材料表面進(jìn)行掃描測(cè)量，通過(guò)高阻計(jì)和靜電電容探頭得到介質(zhì)樣品材料表面的電位分布；步驟四、結(jié)合靜電電容原理，利用靜電電容探頭測(cè)量電壓與介質(zhì)樣品材料表面電荷之間的關(guān)系式(2)，計(jì)算出介質(zhì)樣品材料的表面電荷分布。σ =...................................... (2)式中C1為靜電電容探頭及測(cè)試線(xiàn)對(duì)地的電容，A為靜電電容探頭的感應(yīng)面積，U2為靜電電容探頭的測(cè)量電壓。優(yōu)選步驟三中，電子槍發(fā)射的電子束流密度為O. 5nA/cm2,電子能量為14KeV。有益效果I.本發(fā)明提供了一種高靈敏度靜電電容探頭，基于靜電電容原理，所述探頭包括感應(yīng)電極、絕緣套、屏蔽外殼。其中將紫銅棒作為感應(yīng)電極，聚四氟乙烯絕緣套用于放置感應(yīng)電極并使其與測(cè)量系統(tǒng)其他部分絕緣，在聚四氟乙烯絕緣套的外部加工一個(gè)O. 5mm厚的鋁屏蔽外殼，屏蔽20keV能量的電子輻照。此外，探頭的環(huán)扣式設(shè)計(jì)減少了自身電容，提高了探頭的分辨率；2.本發(fā)明提供了一種電子輻照下介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試系方法，所述方法首先使用金屬導(dǎo)體代替介質(zhì)樣品材料，利用直流高壓源對(duì)導(dǎo)體施加不同的直流高壓電壓，得到探頭感應(yīng)電壓和施加的直流高壓之間的關(guān)系，利用關(guān)系曲線(xiàn)擬合得出靜電電容的靈敏度和施加電壓的線(xiàn)性關(guān)系。3.在所述方法使用的測(cè)試系統(tǒng)中，屏蔽信號(hào)線(xiàn)使用RG142U型號(hào)的屏蔽線(xiàn)，并將全部屏蔽信號(hào)線(xiàn)外部包覆在一層接地的O. Olmm鋁箔中，其作用是屏蔽電子輻照效應(yīng)。感應(yīng)電壓弱信號(hào)通過(guò)Keithley 6517AA高阻計(jì)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)測(cè)量及電子輻照屏蔽設(shè)計(jì)。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)利用鋁屏蔽消除了電子輻照效應(yīng)，使其適應(yīng)與電子輻照環(huán)境下的測(cè)試工作。


·圖I為本發(fā)明所述的電子輻照下介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所述的靜電電容探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為實(shí)施例得到的靜電電容探頭的靈敏度和施加電壓的線(xiàn)性關(guān)系圖。圖中1為電子槍?zhuān)?為三維傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，3為真空屏蔽過(guò)壁，4為高阻計(jì)，5為靜電電容探頭，6為介質(zhì)樣品材料，7為真空室，8為抽真空系統(tǒng)，9為感應(yīng)電極，10為屏蔽信號(hào)線(xiàn)，11為絕緣套，12為屏蔽外殼。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例如圖I所不的一種介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括電子槍I、三維傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2、真空屏蔽過(guò)壁3、高阻計(jì)4、靜電電容探頭5、真空室7、抽真空系統(tǒng)8 ；其中，在真空室7內(nèi)部，電子槍I安裝在真空室7頂部；在真空室7底部設(shè)有支撐架，在支撐架上放置介質(zhì)樣品材料6 ;在真空室7側(cè)壁安裝有真空屏蔽過(guò)壁3，三維傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2 一端與靜電電容探頭5連接，另一端安裝在真空屏蔽過(guò)壁3中，實(shí)現(xiàn)靜電電容探頭5在介質(zhì)樣品材料6表面的移動(dòng)；屏蔽信號(hào)線(xiàn)10 —端與靜電電容探頭5連接，另一端通過(guò)真空屏蔽過(guò)壁3與真空室7外的高阻計(jì)4連接；所述高阻計(jì)4為Keithley 6517A高阻計(jì)；所述靜電電容探頭5包括感應(yīng)電極9、屏蔽信號(hào)線(xiàn)10、絕緣套11、屏蔽外殼12 ;其中，感應(yīng)電極9位于靜電電容探頭5的中心軸線(xiàn)上,感應(yīng)電極9外部依次包覆有絕緣套11和屏蔽外殼12 ;屏蔽信號(hào)線(xiàn)10 —端與感應(yīng)電極9連接，另一端穿過(guò)真空屏蔽過(guò)壁3與高阻計(jì)4連接；感應(yīng)電極9材料為紫銅，絕緣套11材料為聚四氟乙烯或陶瓷，屏蔽外殼12材料為招;感應(yīng)電極9和絕緣套11的接觸面為環(huán)扣式結(jié)構(gòu)，目的是為了減少感應(yīng)電極9和絕緣套11的接觸面積，提高感應(yīng)電極9的靈敏度；感應(yīng)電極9為直徑為2mm，長(zhǎng)為60mm的圓柱體；絕緣套11為下部開(kāi)口，長(zhǎng)度為70mm、內(nèi)半徑為6mm、夕卜半徑為IOmm的圓筒；屏蔽外殼12為下部開(kāi)口，長(zhǎng)度77mm,內(nèi)徑為16mm,夕卜徑為20_的圓筒。屏蔽信號(hào)線(xiàn)10使用RG142U型號(hào)的屏蔽線(xiàn)，并將全部屏蔽信號(hào)線(xiàn)10包覆在一層接地的鋁箔中，所述鋁箔厚度為O. Olmm ；一種介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試方法，所述方法在所述介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行，步驟如下步驟一、靜電電容探頭5的標(biāo)度將金屬導(dǎo)體放置在支撐架上，位于靜電電容探頭5正下方T5mm處；通過(guò)(T-20000V的直流高壓電源對(duì)導(dǎo)體施加直流電壓，施加電壓從OV開(kāi)始，電壓增加步長(zhǎng)為200V，通過(guò)高阻計(jì)4得到靜電電容探頭5在不同施加電壓下的感應(yīng)電壓，并作出靜電電容探頭5感應(yīng)電壓與施加直流電壓的關(guān)系曲線(xiàn)，利用式(I)獲得靜電電容探頭5的靈敏度和施加電壓的線(xiàn)性關(guān)系，如圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試系統(tǒng),其特征在于所述系統(tǒng)包括電子槍(I)、三維傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)、真空屏蔽過(guò)壁(3)、高阻計(jì)(4)、靜電電容探頭(5)、真空室(7)、抽真空系統(tǒng)(8)；其中，在真空室(7)內(nèi)部，電子槍(I)安裝在真空室(7)頂部；在真空室(7)底部設(shè)有支撐架，在支撐架上放置介質(zhì)樣品材料(6);在真空室(7)側(cè)壁安裝有真空屏蔽過(guò)壁(3)，三維傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(2 ) —端與靜電電容探頭(5 )連接，另一端安裝在真空屏蔽過(guò)壁(3 )中，實(shí)現(xiàn)靜電電容探頭(5)在介質(zhì)樣品材料(6)表面的移動(dòng)；屏蔽信號(hào)線(xiàn)(10) —端與靜電電容探頭(5) 連接，另一端通過(guò)真空屏蔽過(guò)壁(3)與真空室(7)外的高阻計(jì)(4)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于所述靜電電容探頭(5)包括感應(yīng)電極(9)、屏蔽信號(hào)線(xiàn)(10)、絕緣套(11)、屏蔽外殼(12);其中， 感應(yīng)電極(9)位于靜電電容探頭(5)的中心軸線(xiàn)上,感應(yīng)電極(9)外部依次包覆有絕緣套(11)和屏蔽外殼(12);屏蔽信號(hào)線(xiàn)(10) 一端與感應(yīng)電極(9)連接，另一端穿過(guò)真空屏蔽過(guò)壁(3)與高阻計(jì)(4)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于感應(yīng)電極(9)材料為紫銅，絕緣套(11)材料為聚四氟乙烯或陶瓷，屏蔽外殼(12)材料為鋁。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于感應(yīng)電極(9)和絕緣套(11)的接觸面為環(huán)扣式結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于感應(yīng)電極(9)為直徑為2mm,長(zhǎng)為60mm的圓柱體；絕緣套(11)為下部開(kāi)口，長(zhǎng)度為70mm、內(nèi)半徑為6mm、外半徑為IOmm的圓筒；屏蔽外殼(12)為下部開(kāi)口，長(zhǎng)度77mm,內(nèi)徑為16mm,外徑為 20mm的圓筒。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試系統(tǒng)，其特征在于屏蔽信號(hào)線(xiàn)(10)使用RG142U型號(hào)的屏蔽線(xiàn)，并將全部屏蔽信號(hào)線(xiàn)(10)包覆在一層接地的鋁箔中。
7.一種介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試方法，其特征在于所述方法在如權(quán)利要求I至6 任一項(xiàng)所述的測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行，所述方法步驟如下步驟一、靜電電容探頭(5)的標(biāo)度將金屬導(dǎo)體放置在支撐架上，位于靜電電容探頭(5)正下方T5mm處；通過(guò)-10(T-20000V的直流高壓電源對(duì)導(dǎo)體施加直流電壓，施加電壓從-100V開(kāi)始，電壓增加步長(zhǎng)為10(T400V，通過(guò)高阻計(jì)(4)得到靜電電容探頭(5)在不同施加電壓下的感應(yīng)電壓，并作出靜電電容探頭(5)感應(yīng)電壓與施加直流電壓的關(guān)系曲線(xiàn)，利用式I獲得靜電電容探頭(5)的靈敏度和施加電壓的線(xiàn)性關(guān)系；
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試方法，其特征在于步驟三中，電子槍(I)發(fā)射的電子束流密度為O. 5nA/cm2,電子能量為14KeV。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電子輻照下介質(zhì)材料表面電荷密度的測(cè)試方法，屬于測(cè)試領(lǐng)域。所述方法步驟包括靜電電容探頭的標(biāo)度，將介質(zhì)樣品材料放置在支撐架上表面，開(kāi)啟抽真空系統(tǒng)抽真空，開(kāi)啟電子槍模擬靜止地球軌道(GEO)電子環(huán)境，對(duì)介質(zhì)樣品材料進(jìn)行輻照；利用三維傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)介質(zhì)樣品材料表面進(jìn)行掃描測(cè)量，通過(guò)高阻計(jì)和靜電電容探頭得到介質(zhì)樣品材料表面的電位分布；結(jié)合靜電電容原理，利用靜電電容探頭測(cè)量電壓與介質(zhì)樣品材料表面電荷之間的關(guān)系式，計(jì)算出介質(zhì)樣品材料的表面電荷分布。所述方法能夠擬合得出靜電電容的靈敏度和施加電壓的線(xiàn)性關(guān)系，消除了電子輻照效應(yīng)，使其適應(yīng)與電子輻照環(huán)境下的測(cè)試工作。
文檔編號(hào)G01R29/24GK102937673SQ201210484898
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月25日
發(fā)明者湯道坦, 李得天, 李存惠, 秦曉剛, 柳青, 楊生勝 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五一〇研究所