[发明专利]一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统及方法，具体涉及一种能够原位测试星用介质材料的内部电荷及电场分布的系统及方法，属于测量领域。

背景技术

卫星内带电一般是由于空间中能量在0.1～10MeV的高能电子射入材料内引起的，上述高能电子能够穿透卫星结构（卫星表面材料、电缆护层等）并在电缆绝缘层、印制电路板及电容器部件上沉积电荷，当高能电子注入卫星介质材料时，可能会导致材料强度下降。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内放电。内放电通常接近于电子系统，从而对卫星系统的工作的危害更直接。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内带电效应问题也越来越敏感，卫星内带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。因此开展卫星内带电防护技术研究，在地面模拟卫星内带电，监测介质材料内部电荷及电场分布对于卫星内带电防护有着重要的意义。

国内在介质材料内带电效应的研究方面在近几年已取得一定研究成果，中国航天科技集团公司五院五一○所与西安交通大学联合研究，开发出高能电子辐照下的介质材料内部电荷及电场分布测量装置-空间电荷测量仪，但该仪器只可以测量高能电子辐照后材料的内部电荷及电场分布，不能实现原位测试，由于高能电子的辐射性，在关闭高能电子加速器后还需要至少半小时时间才可以将辐照后的材料样品取出测试，在这个过程中由于材料会接触空气及其它介质导致电荷泄放，使测量结果出现偏差。为了减小偏差，需要一种高能电子辐照下的介质材料内部电荷及电场分布原位测试的方法。

发明内容

本发明提供一种能够原位测试星用介质材料内部电荷及电场分布的系统及方法，能解决高能电子辐照样品后，再将样品取出进行电荷及电场分布，这一测试过程中的电荷泄放和测量带来的误差。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试系统，所述系统包括真空罐、上电极、电磁阀、抽真空系统、直流高压电源、测试信号线、工控机、示波器、屏蔽法兰、高压纳秒脉冲发生器、空间电荷检测装置主机、电子加速器。

其中，在真空罐内部，空间电荷检测装置主机安装在真空罐底面上，样品放置在主机上表面，在样品上放置上电极；所述上电极为金属圆柱体，沿中轴线开有上电极孔；电子加速器安装在真空罐顶部，发射端与上电极孔正对；

真空罐底部开有第一、第二和第三通孔，在第二和第三通孔中安装有屏蔽法兰；导线通过第一通孔，将直流高压电源与上电极连接；测试信号线通过第二通孔，将空间电荷检测装置主机与示波器连接，工控机通过网线与示波器连接；屏蔽导线通过第三通孔，将上电极与高压纳秒脉冲发生器连接；

在真空罐外，抽真空系统通过电磁阀与真空罐连接；

优选上电极孔的直径为10~20mm；

所述测试样品为星用介质材料板，如聚四氟乙烯、聚酰亚胺，厚度为0.1~1.2mm；

其中，高压纳秒脉冲发生器的作用为，通过上电极给样品施加高压纳秒电脉冲，使样品中的空间电荷在高压纳秒电脉冲的作用下产生相应的压力波脉冲。

直流高压电源的作用为，在标定过程中，向样品两端施加强电场，研究样品介质在强电场作用下的电荷注入和演变；还可获得声波在样品中的传输时间，为后续的高能电子辐照后样品界面确定提供依据。

空间电荷检测装置主机的作用为，实现高压纳秒电脉冲信号的测量、放大、滤波和信号调理。所述主机包括中间放大器、信号调理电路系统和压电传感器，其中压电传感器为PVDF压电材料制成，具有压电性能好、频带宽、动态响应较好与低阻抗等性能。

示波器的作用为，显示和记录经由空间电荷检测装置主机输出的高压纳秒电脉冲信号。

工控机的作用为，将示波器显示的脉冲波形进行存储。

一种介质材料内部电荷及电场分布原位测试方法，所述方法步骤如下：

步骤一、将样品进行干燥处理后，在其上下表面涂抹硅胶；

步骤二、将样品放入真空罐中，上电极与空间电荷检测装置主机之间，使电子加速器的发射端与上电极孔正对；

步骤三、关闭真空罐，打开电磁阀，开启抽真空系统抽真空，至真空罐内的真空度低于9×10^-3Pa；

打开直流高压电源，将电压调至2500~3500V；

打开高压纳秒脉冲发生器；