一种测试评价材料深层充放电效应的表征方法

技术领域

本申请涉及空间应用技术领域，具体而言，涉及一种测试评价材料深层充放电效应的表征方法。

背景技术

卫星深层充放电一般是由空间中能量在0.1～10MeV的高能电子射入材料内引起的。高能电子能够穿透卫星结构(卫星表面材料、电缆护层等)并沉积电荷于电缆绝缘层、印制电路板、电容器部件、综合电路包或悬浮导体上。如果介质内入射电子的沉积速率超过其泄放速率时，介质内电荷密度将逐渐增大，电场强度也随之增强，当内建电场强度超过介质材料的击穿强度时将发生材料深层放电(也称为电子诱导电磁脉冲ECEMP)。由内放电产生的瞬态脉冲耦合到航天器电子系统时，会引起逻辑开关异常，电子系统永久性失效或敏感元件性能下降，导致整个系统的破坏。除产生电子设备的电磁干扰和损坏外，静电放电也导致表面材料的损坏或物理性能衰退。随着卫星电子系统性能的提高和大量新材料的使用，卫星对空间高能电子环境引起的介质材料深层充放电效应问题也越来越敏感，卫星深层充放电防护技术成为发展长寿命应用卫星所必须解决的关键技术之一。

由于卫星内部结构多样，对于卫星内部结构深层充放电的评价试验，之前仅采用放电信号的测量，对于复杂结构深层充放电的评价试验，无法通过试验获得结构中的放电位置，因此无法确定放电风险区域，达不到评价试验的效果。

发明内容

本申请提供了一种测试评价材料深层充放电效应的表征方法，针对卫星内部结构中使用的各类介质材料，采用表面电位与放电信号同时测量的试验方法，可在高能电子辐照过程中实时测量卫星内部结构中的放电信号及可能的放电区域。

为了实现上述目的，本申请提供了一种测试评价材料深层充放电效应的表征方法，包括如下步骤：步骤1：测试开始前，将材料样品放置在真空室内部，并且处于正对模拟源系统的位置，使模拟源系统发射的电子束射入材料样品的内部；步骤2：在材料样品的前方设置非接触式表面电位计探头，并将非接触式表面电位计探头与非接触式表面电位计连接，使非接触式表面电位计探头对材料样品的表面电位进行监测；步骤3：将材料样品的金属结构与放电信号监测系统进行连接；步骤4：测试开始时，通过抽真空系统对真空室进行抽真空；步骤5：开启模拟源系统，调节模拟源系统，使其发射的高能电子束射入材料样品的内部；步骤6：确定材料样品需要测量表面电位的区域，移动非接触式表面电位计探头至材料样品表面不同待测区域，测量其表面电位，同时通过放电信号监测系统监测放电信号；步骤7：记录材料样品表面不同待测区域的电位，根据监测到的放电信号，比较材料样品表面不同待测区的电位在放电前后的变化，变化率最大的区域即为放电区域；步骤8：测试结束后，依次关闭非接触式表面电位计探头、放电信号监测系统、模拟源系统以及抽真空系统。

进一步的，在步骤3中，放电信号监测系统包括示波器以及接地电阻，示波器和接地电阻均与材料样品连接；

进一步的，示波器的带宽＞100MHz，接地电阻的阻值为130-170Ω。

进一步的，在步骤4中，抽真空系统抽真空后，真空室内的真空值为6×10

进一步的，在步骤6中，材料样品需要测量表面电位的区域包括结构面积大的区域、悬浮导体区域、接地区域以及与导通导体连接的区域。

本发明提供的一种测试评价材料深层充放电效应的表征方法，具有以下有益效果：

本申请将卫星内部介质材料的表面电位与放电信号同时测量，通过不同位置的表面电位，找到电位高的区域，同时测量卫星内部结构深层放电，通过比较放电前后卫星内部结构不同位置的表面电位，获得深层放电的区域，能够快速的确定卫星内部结构易放电的区域，便于监测重点放电风险区域，使卫星内部复杂结构深层充放电评价试验能够顺利进行，达到评价试验的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的测试评价材料深层充放电效应结构的示意图；

图2是根据本申请实施例提供的放电信号监测系统的测量连接示意图；

图3是根据本申请实施例提供的试验介质板和金属电刷的试验现场示意图；

图中：1-真空室、2-模拟源系统、3-材料样品、4-非接触式表面电位计探头、5-非接触式表面电位计、6-抽真空系统、7-放电信号监测系统、71-示波器、72-接地电阻。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本申请提供了一种测试评价材料深层充放电效应的表征方法，包括如下步骤：步骤1：测试开始前，将材料样品3放置在真空室1内部，并且处于正对模拟源系统2的位置，使模拟源系统2发射的电子束射入材料样品3的内部；步骤2：在材料样品3的前方设置非接触式表面电位计探头4，并将非接触式表面电位计探头4与非接触式表面电位计5连接，使非接触式表面电位计探头4对材料样品3的表面电位进行监测；步骤3：将材料样品3的金属结构与放电信号监测系统7进行连接；步骤4：测试开始时，通过抽真空系统6对真空室1进行抽真空；步骤5：开启模拟源系统2，调节模拟源系统2，使其发射的高能电子束射入材料样品3的内部；步骤6：确定材料样品3需要测量表面电位的区域，移动非接触式表面电位计探头4至材料样品3表面不同待测区域，测量其表面电位，同时通过放电信号监测系统7监测放电信号；步骤7：记录材料样品3表面不同待测区域的电位，根据监测到的放电信号，比较材料样品3表面不同待测区的电位在放电前后的变化，变化率最大的区域即为放电区域；步骤8：测试结束后，依次关闭非接触式表面电位计探头4、放电信号监测系统7、模拟源系统2以及抽真空系统6。

具体的，为了研究深层充放电效应及其防护技术，需要在地面模拟深层充放电效应，评价卫星内部结构深层充放电性能，而卫星内部结构的深层放电及放电位置是评价的重要内容，本申请实施例提供的测试评价材料深层充放电效应的表征方法主要针对卫星内部结构中使用的各类介质材料，采用表面电位与放电信号同时测量的试验方法，在高能电子辐照过程中实时测量卫星内部结构中介质材料放电信号及可能的放电区域。

更具体的，本申请实施例提供的表征方法步骤主要采用如下原理进行放电区域的确定：当有高能电子入射到卫星内部结构中时，很容易沉积在材料内部，从而使材料呈现带电性，而这些沉积的电荷的累积会导致该介质材料的表面呈现一定的电位(相对于与其临近的其他结构)，与周围区域形成一个电场，当电场超过了该介质材料的击穿场强时就会引发放电现象，由于放电是在结构内部，无法通过视频监测确定放电区域，因此，本申请主要通过在放电后电场会减小这一现象，通过监测放电前后卫星内部结构介质材料的表面电位，找到放电前后电位变化最大的区域，这个区域即为放电区域。

进一步的，如图2所示，在步骤3中，放电信号监测系统7包括示波器71以及接地电阻72，示波器71和接地电阻72均与材料样品3连接；放电信号监测系统7主要通过示波器71监测放电信号的变化，并且设置接地电阻72，可实时测量到放电信号并且不会使仪器受损。

进一步的，示波器71的带宽＞100MHz，接地电阻72的阻值为130-170Ω。在本申请实施例中示波器71的带宽和接地电阻72的阻值根据实际情况进行选择。

进一步的，在步骤4中，抽真空系统6抽真空后，真空室1内的真空值为6×10

进一步的，在步骤6中，材料样品3需要测量表面电位的区域包括结构面积大的区域、悬浮导体区域、接地区域以及与导通导体连接的区域。在本申请实施例中，卫星内部结构不同位置表面电位测试优选采用高压适配型非接触式表面电位计5，通过移动非接触式表面电位计探头4对重点放电区域进行电位测量，重点放电区域主要包括介质材料结构面积大的区域、悬浮导体区域、接地区域以及导通导体与介质材料连接的区域等，然后对重点放电区域的电位变化进行比较，找出电位变化最大的区域，该区域即为放电位置区域。

具体的，在本申请实施例中，以一个典型的卫星内部结构，评价其深层充放电性能为例，如图3所示，卫星内部结构包括一个介质板，介质板上设置有多个金属电刷，卫星结构工作时金属电刷具有一定电压及电流，在空间环境中会在介质板上产生深层充放电效应而放电，会对卫星内部结构造成损坏，因此在设计过程中可以对介质板进行深层充放电试验，测试其深层充放电剧烈区域，从而进行针对性设计，在此，通过本申请实施例的表征方法可对介质板深层充放电电位高低来表征剧烈成度。试验中对不同结构的介质板及金属电刷进行试验，获得在不同间距及厚度的介质板的深层充电电位及放电信号，根据试验结果可知，在厚度5mm以上介质板的深层充电电位较高，具有放电现象，是深层充放电剧烈区域，同时根据不同结构，确定了不同的深层充放电剧烈区域，为卫星内部结构提供了设计的依据。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。