[发明专利]一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置及方法。

背景技术

航天器在GEO轨道运行时暴露在高能电子辐照环境下，这些高通量高能电子可直接穿透卫星结构和仪器设备等屏蔽层，进入卫星内部的电路板、导线绝缘层等介质材料中，导致绝缘介质材料深层电荷沉积，从而导致太阳电池阵玻璃盖片、热控材料等介质材料会发生内带电效应，这是引起GEO轨道卫星异常现象的重要原因之一。介质材料内带电过程主要包括：电荷沉积、电荷输运和电荷泄放，因此，要研究介质材料内带电效应，首先必须清楚介质材料内部空间电荷的分布情况。空间电荷的存在、转移和消失会直接导致电介质内部电场分布的改变，对介质内部的局部电场起到削弱或加强作用。国际上目前已经普遍公认，由于空间电荷对电场的这种畸变作用，空间电荷对介质材料的电导率、击穿破坏、老化等各方面电性能都有明显的影响。因此，研究介质材料的空间电荷分布在研究内带电效应的物理机制中起重要作用。

伴随着我国卫星技术的不断进步，为了满足导航卫星组网的需求，越来越多的卫星将运行在高轨道，所以必须对内带电效应进行防护设计。由于在地面的模拟试验中，没有开展过介质材料空间电荷分布的原位测量试验，导致无法模拟出空间电荷的沉积、输运和泄放过程，从而对航天器由于内带电引起的故障也无从评价。因此，亟需开展在不同能量和剂量率高能电子辐照下的材料空间电荷原位测量，它是介质材料内带电效应研究和分析中必不可少的一项重要内容。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置及方法，模拟介质材料受到空间高能电子辐照的影响，通过屏蔽结构设计解决测试过程中涉及弱信号测试和抗干扰等问题，原位测得介质材料空间电荷分布情况。

一种电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置，它由真空靶室、所发射电子能量和束流密度可调的电子加速器、真空抽气系统、示波器、电声脉冲法测量系统、样品台、脉冲发生器组成；其中，电声脉冲法测量系统包括：脉冲信号输入接口、铝屏蔽壳、保护电阻、铝电极、上电极、信号输出接口、信号输出电路、绝缘垫、压电传感器和下电极；

铝电极、上电极、介质材料样品、下电极、压电传感器和绝缘垫自上而下叠放连接后置于铝屏蔽壳内部；下电极和压电传感器之间涂抹导电硅脂，上电极和下电极是通过蒸镀法在介质材料样品两面镀上的金属薄膜；铝屏蔽壳具有上开口，铝电极中间部分通过所述上开口暴露在铝屏蔽壳之外，且所述上开口与铝电极紧密贴合；铝屏蔽壳的壳体上设有脉冲信号输入接口和信号输出接口，脉冲信号输入接口通过保护电阻连接铝电极，压电传感器通过信号输出电路连接信号输出接口；

真空靶室与真空抽气系统连通，电声脉冲法测量系统放在真空靶室内的样品台上，电子加速器位于样品台上方，脉冲发生器和示波器置于真空靶室之外，脉冲发生器与电声脉冲法测量系统的脉冲信号输入接口相连，示波器与电声脉冲法测量系统的信号输出接口相连。

优选地，所述铝电极的上开口为喇叭口。

一种使用电子辐照下介质材料空间电荷原位测量装置的测量方法，包括下列步骤：

步骤1、将介质材料样品安装在电声脉冲法测量系统中，然后放置于真空靶室中的样品台上，关闭真空靶室；

步骤2、开启真空抽气系统给真空靶室抽真空；

步骤3、开启电子加速器辐照介质材料样品，以模拟空间环境的高能电子；

步骤4、辐照设定时间后，关闭电子加速器；

步骤5、开启脉冲发生器，通过铝电极产生相应的脉冲电压；

步骤6、脉冲电压作用于介质材料样品后产生声脉冲信号，声脉冲信号通过压电传感器转换为电信号，经过信号输出电路的放大处理后，经过信号输出接口由示波器获得介质材料样品的空间电荷分布特性；

步骤7、调整电子加速器所发射电子的能量和束流密度，重复步骤3～6。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)采用电子加速器能较好的模拟空间带电环境的高能电子；

(2)设计采用铝壳一体屏蔽，能消除电子辐照对脉冲信号电路和微弱信号测量电路的影响，实现在辐照后介质材料空间电荷分布的原位测量；

(3)铝屏蔽壳的上开口较佳形式为喇叭口，从而尽量减少开口侧面对入射高能电子的反射，减少二次电子的影响。

(4)上下电极是通过蒸镀法镀在介质材料样品表面的，这种金属薄膜电极足够薄，能够减小对入射电子能量的影响，而且能够保证与介质材料样品接触的均匀性和电脉冲传导的均匀性，防止脉冲信号发生畸变。