電子輻照下聚酰亞胺薄膜材料的表面充放電特性研究

楊入云， 陳冰瑩， 韓其林， 陳 庚， 屠幼萍

（華北電力大學 高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室，北京 102206）

0 引 言

大量在軌航天器運行報告記載了空間環境下航天絕緣材料受高能電子充電進而引發的介質靜電放電現象[1-2]。文獻[3]對156 次航天器在軌異常情況進行了統計分析，發現45%的航天器異常是由電源系統故障造成的，其中太陽能電池陣列及其驅動組件的絕緣材料和絕緣結構最容易發生放電。

聚酰亞胺材料具有良好電絕緣性能、耐高溫性能和抗老化性能，廣泛應用于航天器太陽能電池板和熱控組件等部分[4-10]。絕緣性能良好的絕緣材料在電子輻照下更容易積聚電荷，引發靜電放電。而靜電放電可直接導致電子設備故障，甚至是儀器、材料的破壞[11]。因此，亟須針對電子輻照下聚酰亞胺薄膜材料的充放電現象開展研究。

目前國外對航天器絕緣材料充放電現象的研究主要集中在對放電信號的觀測上[12-15]，CRRES 衛星通過IDM 探測器的檢測，獲得了放電與介質材料尺寸、性質的關系；J A ROTH[12]對詹姆斯韋伯望遠鏡的玻璃纖維和碳纖維材料在電子輻照下進行了靜電放電實驗，并從光學上觀測到兩種類型的放電現象；T M FLANAGAN 等[13]模擬空間電子環境下電子通量對航天材料放電特性的影響，得出Kapton聚酰亞胺薄膜的放電峰值具有通量依賴性；K G BALMAIN 等[15]通過實驗研究，發現輻照條件下放電信號峰值與材料面積呈正比以及靜電放電引起的材料損傷為絲狀隧道和表面凹槽組合。而國內關于電子輻照下聚合物材料的表面充電特性已有了較成熟的實驗與理論研究[16-21]，LI G 等[16]通過仿真和實驗，認為在電子輻照下介質中電荷積聚會影響電子的入射過程；蒙志成等[19]利用研制的溫度可控航天器介質材料表面帶電綜合實驗系統，研究了溫度、等離子體環境變化對航天器表面介質材料充電水平的影響。李維勤等[20]采用數值計算和實驗測量相結合的方法，研究發現電子輻照下介質表面電位隨電子束能量升高近似線性下降，隨入射角增大而升高，而隨樣品厚度增大而略有下降。全榮輝等[21]通過引入介質放電電導率，在數值積分充電模型基礎上建立了同時描述航天器介質內部充電和放電過程的新模型。

綜上，現有研究一般通過表面電位測試研究材料的充電過程，通過放電電流探究材料的靜電放電。絕緣材料的充放電現象包括充電和放電兩個過程，二者相互影響，因此開展充放電聯合測量能更好地對充放電現象進行完整揭示。此外，針對電子輻照下介質表面整體的電位分布模式以及電位分布模式與靜電放電相互影響的實驗研究較少。本研究對航天器用聚酰亞胺薄膜材料進行持續電子輻照，揭示電子輻照下其表面電位分布模式的變化并研究表面電位分布模式和放電電流的相互作用，以期為航天器的表面充放電風險評估與靜電放電防護提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料及設備

實驗中所用聚酰亞胺薄膜（厚度為0.1 mm）是美國杜邦公司生產的，尺寸為5 cm×5 cm。實驗前先用無水乙醇清洗，隨后放入60℃真空干燥箱中去氣烘干5 h，備用。

實驗采用空間電子環境地面模擬實驗系統模擬電子輻照環境下航天器材料的充放電過程。整個實驗系統包括真空腔體、復合分子泵、真空計、溫度控制系統、電子槍及其控制系統、表面電位測量裝置和靜電放電測量裝置，如圖1 所示。其中電子槍用以模擬航天器介質材料空間帶電的電子環境。實驗系統主要參數：工作真空度為1×10-3Pa；電子槍能量在0～50 keV 范圍內連續可調，束流密度在0～8 nA/cm2范圍內連續可調；溫度控制系統的控溫范圍為243～343 K；非接觸式電位探頭的測量范圍為±20 kV。腔體真空度由ZDF-11A1 型復合真空計檢測。背電極經無感電阻接地，使用無源探頭測量電阻和電壓來檢測放電時接地線電流的變化。無源探頭測量結果由Tektronix 示波器（DPO2012 型，100 MHz，1 GS/s）接收。

圖1 實驗裝置整體示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall experimental setup

1.2 實驗方法

在表面充放電實驗過程中，真空腔體內布置如圖2 所示，電位探頭（Trek 345ET 型）沿測量軌跡進行非接觸式電位測量，所測得電位由靜電電位計（Trek 341B 型，±20 kV）顯示，并將數據經同軸電纜傳送至Lecroy示波器（104MXi型，1 GHz，10 GS/s）。由于測量電位時需移開輻照源，以避免影響輻照下的電荷積聚和放電過程，實驗過程中只能不定期對材料表面電位進行抽樣測量。

圖2 腔內設置結構圖Fig.2 Structure diagram of in cavity

高頻脈沖電流在接地導線中傳播時，導線除具有電阻外，還具有電容和電感，會產生欠阻尼震蕩，具體方程如式（1）～（2）所示[22-24]。式（1）～（2）中：I為接地導線電流；V為電壓；t為時間；R為接地導線電阻；L為導線電感；C為導線電容。

聯立式（1）～（2）可得I對t的二階常系數微分方程，如式（3）所示。

實驗過程中接地導線采用鍍錫絞線，導線截面積為2.5 mm2，導線電阻取值為1×10-2Ω，導線電感取值為2 μH，導線與屏蔽體電容取值為6 nF，根據以上情況，求得接地導線電流I的通解如式（4）所示，式（4）中α和β通過式（5）、（6）進行計算。

式（4）中，C1、C2為任意值。

因此可得到近似解為式（7）。

式（7）中：I0(t)為靜電放電脈沖電流；Id為接地導線電流；ω是角頻率；τ是時延。

根據上述推導可得靜電放電產生的脈沖電流經過接地線后的阻尼振蕩過程頻率f如式（8）所示。結合上文提到的參數，計算得出振蕩頻率計算值為1.45 MHz。

1.3 實驗參數選取依據

地球同步軌道（Geosynchronous orbit，GEO）的高度為35 786 km，衛星在該軌道的運行周期等于地球的自轉周期（23 小時56 分4 秒）。該軌道是應用衛星分布最密集的區域[25]。1984 年NASA 發布的《評估和控制航天器充電效應的設計指南》統計了地球同步軌道ATS-5、ATS-6、SCATHA（1981、1982）衛星已知的充電時間，將航天器充電最壞情況下的等離子體環境稱為“最壞情況”，也稱為惡劣環境。單麥克斯韋分布函數是描述等離子體環境常用的數學函數。對ATS-6遇到的惡劣環境利用單麥克斯韋分布擬合得出該環境下電子能量的平均值為14.42 keV，電子能量的均方根值為14.56 keV，束流密度約為0.33 nA/cm2[26]。

聚酰亞胺材料被廣泛用于航天器太陽能帆板的柔性基底材料以及太陽能帆板驅動機構的絕緣材料[27-28]。中國空間技術研究院研制的委內瑞拉一號通訊衛星（Venesat-1）運行于地球同步軌道。2009年全年Venesat-1 衛星南北太陽能帆板驅動機構的溫度范圍為10～30℃[29]。

綜合上述數據，為研究地球同步軌道惡劣環境的電子輻照下聚酰亞胺薄膜材料表面的充放電過程，設定電子環境參數時電子能量選擇為15 keV，束流密度選擇為0.33 nA/cm2，環境溫度選擇為30℃，約303 K。

2 實驗結果

2.1 電子輻照下聚酰亞胺表面電位分布模式

在15 keV、0.33 nA/cm2條件下對聚酰亞胺薄膜試樣進行44 h 電子輻照，溫度維持在303 K，得到其表面總體電位測量結果如圖3 所示。圖4 為各時間段的電位分布模式統計。

圖3 聚酰亞胺表面總體電位測量結果Fig.3 Overall potential test result on polyimide surface

從圖3～4看出，輻照期間聚酰亞胺薄膜表面電位分布整體呈負極性，共有4 種分布模式包括單峰型、多峰型、火山口型和平頂型。在開始輻照時電位迅速上升，電位分布模式呈單峰型，輻照33 min時最高點電位為-3 000 V。在輻照146 min左右時，電位分布模式呈多峰型。輻照時間為171～1 480 min 時，電位分布模式保持火山口型。輻照時間為1 480～1 570 min時，電位分布模式保持平頂型。輻照時間為1 570～2 640 min 時，電位分布不斷在平頂型和火山口型兩者間轉換，在此期間表面最高電位為-750 V，是輻照33 min時最高點電位的1/4。輻照后期聚酰亞胺薄膜表面電位明顯低于輻照初期，這一趨勢與文獻[23]中持續電子輻照下介質表面電位變化一致。

從輻照171 min到1 480 min期間電位分布模式保持為火山口型，保持了1 309 min，占實驗時長的49.58%。圖5 為輻照1 100～1 300 min 過程中的電位分布變化圖。從圖5 可以看出，電位分布存在整體波動，但電位分布模式保持為火山口型，未發生模式的轉變。

其次穩定的是平頂型，連續保持了90 min。平頂型同一時刻邊緣（12 mm）與中心（0 mm）電位差ΔU的絕對值小于50 V，如表1所示。

表1 平頂型分布期間電位差絕對值統計表Tab.1 Statistical table of absolute values of potential difference during flat top type distribution

2.2 不同時段放電電流信號對比

上文對接地導線等效參數電阻、電容和電感引起的高頻脈沖電流阻尼振蕩過程進行了描述和分析，圖6 中Id為實驗測得的接地導線電流，插圖為對Id傅里葉變換得出的頻譜圖，主頻為1.425 MHz，其值與計算值相近。根據式（7）可知對Id去除阻尼振蕩過程后即為放電引起的高頻脈沖電流I0。圖6 中I0下降部分接近于指數形式，緩慢下降。對I0的時域波形參數進行提取如圖6 所示，其中T1為波前時間，T2為半峰值時間。

圖6 接地導線電流與靜電放電脈沖電流對比Fig.6 Comparison of ground wire current and electrostatic discharge pulse current

實驗過程中靜電放電脈沖電流信號隨測試時間的分布情況如圖7 所示。從圖7 可知，輻照過程中檢測到放電電流信號的時段主要有時段I（0～54 min）、時段II（160～171 min）、時段III（1 381～1 417 min）、時段IV（1 507～1 852 min）。其余時間均未捕捉到靜電放電脈沖電流信號。

圖7 靜電放電脈沖電流信號分布圖Fig.7 Distribution diagram of electrostatic discharge pulse current signal

對各時段放電電流信號的時域特征參數進行統計，結果如表2 所示。從表2 可知，試樣在44 h 的電子輻照過程中共捕捉到35 次放電電流信號。其中0～171 min 時段的放電次數最多，共28 次，占總放電次數的80%。時段II（160～171 min）的放電間隔時間最短，時段IV（1 507～1 852 min）的放電間隔時間最長，達到86.25 min/次。靜電放電脈沖電流信號波前時間（T1）和半峰值時間（T2）均屬于微秒級。波前時間隨輻照時間增加呈先減小后增大的趨勢，而半峰值時間隨輻照時間增加逐漸增大，其中信號半峰值時間在低電位水平下比高電位水平下大約高28%。

表2 各放電時段靜電放電脈沖電流的特征統計Tab.2 Characteristic statistics of electrostatic discharge pulse current in each discharge period

3 分析與討論

短時間多次放電會造成電位分布模式的轉變。

短時間多次放電會造成電位分布模式的轉變。圖8為輻照140～171 min時的電位測量結果。從圖8可以看出，在輻照160～171 min期間捕捉到5次放電信號。在160、164、165 min 的放電發生后在距試樣中心0 mm 的區域出現電位跌落，相較上一次電位測量結果的跌落電壓分別為153、159、159 V。在168 min 和171 min 的放電發生后，試樣表面距中心10 mm 內出現電位跌落，跌落電壓分別為698 V、835 V。多次放電使表面電位分布模式由負極性多峰型向負極性火山口型轉變。

圖8 輻照140～171 min電位測量結果Fig.8 Potential test result of the sample irradiated 140-171 minutes

圖9 為輻照1 381～1 480 min 時的電位測量結果。從圖9可以看出，在1 381、1 381.5、1 417 min處檢測到了放電電流信號。在1 380～1 470 min 期間火山口邊緣（距中心12 mm）電位連續下降，邊緣總跌落電壓為1 630 V。同一時刻邊緣與中心電位差由-1 211.1 V 下降到-37.5 V。電位分布模式逐漸由負極性火山口型轉變為負極性平頂型。這是由于一方面輻照下的介質放電會造成電位跌落[14]；另一方面輻照下介質的放電會產生微通道，并且微通道會逐漸發展[30-31]，累積后形成穩定的電荷泄漏通道，使得電位跌落。

圖9 輻照1 381～1 480 min電位測量結果Fig.9 Potential test result of the sample irradiated 1 381-1 480 minutes

圖10 (a)、(b)分別為輻照171 min 和1 470 min 前后電位分布模式轉換前后電場和電子運動方向對比。從圖10(a)可以看出，輻照171 min 前后0～12 mm 區域切向電場方向反向，促使電子運動也反向，電子由12 mm 位置向0 mm 位置運動。隨后電子經由連續多次放電形成的微通道泄漏。從圖10(b)可以看出，輻照1 470 mins 前后放電造成12 mm 位置電位跌落，阻礙表面電子向外運動的勢壘減弱，電子向試樣邊緣運動，使得邊緣電位由-253 V 變為-438 V，電子從邊緣泄漏。微通道的形成和電場的改變是連續放電后電位分布模式長時間保持穩定的原因。

圖10 電位分布模式轉換前后電場和電子運動方向對比Fig.10 Comparison of electric field and electron motion direction before and after potential distribution mode conversion

因此，認為短時間連續放電會造成電位分布模式的轉變，并使得轉變后的分布模式在長時間內保持。

從持續輻照下表面電位測量結果中可以得出，距中心12 mm 區域長期存在負電位高峰，其會阻礙電子向邊緣泄漏。文獻[11]研究發現，使用離心法制備材料過程中會對液態基體與填料顆粒的混合物施加離心力，通過控制離心力的大小與時間等參數可形成具有梯度變化的填料濃度，最終獲得功能梯度材料。因此參考本文中電位分布情況在聚酰亞胺薄膜制備過程中采用離心法使材料電導率與電位呈正向分布，可能避免電位高峰長期存在。

從前文可知，時段I 電位分布模式最初為單峰型，時段II 為多峰型，時段III 為火山口型。單峰型的電位跌落位置在距中心8 mm 處；多峰型電位跌落位置在距中心0 mm 處；火山口型電位跌落位置在距中心12 mm處。

入射電子在介質中的射程主要和入射電子的能量和材料的密度相關，可以通過Weber 半經驗公式計算[32]，如式（9）所示。

式（9）中：R是電子在材料中的射程；α、β、γ取值分別為0.55 g/(cm2·MeV)、0.984 1 MeV-1、3 MeV-1；E0是電子初始能量；ρ是介質的密度。

通過式（9）計算得到該輻照條件下聚酰亞胺薄膜表面的電荷沉積層厚度為3 μm左右，而實驗過程中聚酰亞胺薄膜表面電位最高為-3 kV 左右，相應的法向場強約為30 kV/mm，可知該輻照條件下由電荷積聚引起的場強畸變遠小于聚酰亞胺材料的電氣強度（375 kV/mm）。

文獻[33]描述了介質表面電弧放電數學模型，圖11為介質表面電弧放電示意圖，其中表面電弧放電電流信號波前時間表達式為式（10）。從式（10）可知，表面電弧放電電流脈沖波前時間與l呈正相關。

圖11 介質表面電弧放電示意圖Fig.11 Schematic diagram of arcing discharge on the surface of medium

式（10）中：η是碰撞系數；k是相對介電常數；W是電子能量；l是放電點與接地點弧道長度，如圖11 所示；β、λ、ζ取值分別為0.1～1.0、0.1、18～22。

本研究實驗過程中檢測到放電信號的時段I、II、III電位跌落位置分別距試樣中心8、0、12 mm，相對應的電位跌落點與接地點的直線距離d1、d2、d3分別為26.25、25.00、27.73 mm，其中時段III 電位跌落位置與接地點的直線距離d3的示意圖如圖12所示。同時由表2得出各時段放電脈沖信號的波前時間從小到大依次為，可以得出15 keV、0.33 nA/cm2電子輻照下聚酰亞胺薄膜的靜電放電信號波前時間與電位跌落位置與接地點的直線距離d呈正相關。同時該條件下電荷積聚引起的場強畸變遠小于聚酰亞胺的電氣強度。因此認為15 keV、0.33 nA/cm2電子輻照條件下聚酰亞胺薄膜表面靜電放電的放電類型為表面電弧放電。同時也可以認為電位分布模式的改變影響了易放電點位置，從而改變了靜電放電電流信號的波前時間。

圖12 時段Ⅲ電位跌落位置與接地點的直線距離d3示意圖Fig.12 Schematic diagram of the straight-line distance d3 between the drop position and the grounding point in the third period

持續輻照下，時段I 和時段II 聚酰亞胺薄膜的表面電位均為-3 kV 左右，最大切向電位梯度均在15 kV/mm 以上，電位水平相近。而時段III 的最高電位為-750 V左右，整體電位水平較低。時段III的T2比時段I、II 段要長，信號半峰值時間在低電位水平下比高電位水平下大約高28%。

4 結 論

本文通過模擬空間電子環境，對電子輻照下聚酰亞胺薄膜表面的電位分布和靜電放電信號進行測量，主要得到以下結論：

（1）15 keV、0.33 nA/cm2的電子環境下聚酰亞胺薄膜表面電位總體呈負極性，電位分布有4 種模式，包括單峰型、多峰型、火山口型和平頂型。其中火山口型電位分布模式較穩定，平頂型分布模式的最大電位差最小，山峰型和多峰型分布模式的放電次數最多，共28次，占總數的80%。

（2）短時間多次放電會造成電位分布模式轉變，并使轉變后的分布模式在長時間內保持。

（3）電位分布模式會影響放電電流信號的波前時間，電位水平會影響放電電流信號的半峰值時間。因此在軌過程中可以通過分析放電電流信號的波前時間和半峰值時間確定放電位置與放電前電位水平。