不同面积Kapton材料的放电特性实验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:刘海波

  航天器表面介质材料在空间等离子环境下会产生放电现象,放电诱发的瞬态脉冲会对航天器在轨安全运行产生严重影响。通过对不同面积的125 μm 厚Kapton 温控材料进行放电实验,对放电诱发的瞬态脉冲进行测量,总结分析其规律,得出4 ~ 36 cm2 Kapton 材料和64 ~ 225 cm2 Kapton 材料的放电波形存在比较大的差异,而且随着材料面积增加,Kapton 材料的放电电流峰值、放电持续时间、放电电荷损失量和放电频率都相应的升高。对Kapton 材料放电特性的研究,将为航天器带电防护设计和放电危害评估提供数据支持。

引言

  暴露在空间等离子环境中的航天器表面材料在入射的电子、离子、表面光电发射、背散射电子及漏电流作用下积累电荷,可使材料充至数十千伏的电位。当充电电位达到放电阈值时,就会产生放电现象。放电诱发的对“地”瞬态脉冲会干扰航天器上电子仪器的正常工作,严重时使航天器发生故障,无法完成在轨运行任务。

  在空间等离子环境下,不同面积航天器表面绝缘材料的充电电位、电荷贮存量和能量差异较大,可能引起其放电电流峰值、放电电荷损失量和放电能量损失有所不同。通过对不同面积的Kapton 材料进行放电实验,探索其放电特性规律,可以根据这些放电特性规律制定材料的应用方案、设计滤波器、选择元器件和优化电路等方式减小其放电对航天器正常工作的影响。

  加拿大的Balmain、Kremer 等和路易斯研究中心的Paul 等分别对小于100 cm2 和232 ~ 5 085 cm2的航天器表面绝缘材料进行了放电实验究,其得出的研究结果存在较大差异。研究表明材料面积小于100 cm2 时,放电电流峰值同面积呈线性关系; 而当材料面积在232 ~ 5 085 cm2 时,放电电流峰值同材料面积的关系为Im - s0. 4。针对Kapton 材料开展了地面模拟放电实验研究,文章得出各放电特性和放电波形同材料面积的关系,并综合本次实验数据和国外研究结果,提出能够适应以上差异的结论。

实验装置及方法

  针对航天器表面常用的Kapton 温控材料,分别制作了20 mm × 20 mm、40 mm × 40 mm、50 mm ×50 mm、60 mm × 60 mm、80 mm × 80 mm、100 mm ×100 mm、140 mm × 40 mm、150 mm × 150 mm 的正方形铝板,在铝板上用导电银胶黏贴125 μm 厚的Kapton 材料作为实验样品。样品实物图如图1 所示。

不同面积Kapton材料的放电特性实验研究

图1 样品实物图

  实验中将真空系统抽至6 × 10 -4 Pa 的真空度来模拟空间真空环境。使用德国STAIB 电子枪模拟空间电子辐照环境。由于地球同步轨道航天器进入地磁亚暴引起的增强等离子区域时容易发生充放电现象,这里根据地磁亚暴期间的环境参数,选用能量为25 keV,束流密度为2. 5 nA/cm2 的电子对样品进行辐照。实验中采用取样电阻的方式来测量放电波形,测量电路如图2 所示。

地面模拟放电实验系统示意图

图2 地面模拟放电实验系统示意图

1. 导电银胶; 2. 电子枪; 3. kapton 材料; 4. 铝板;5. 示波器; 6. 真空室; 7. 抽真空系统

  通过前期摸底实验发现,采用在放电回路中串联1 Ω 和0. 3 Ω 的电阻,将0. 3 Ω 电阻作为取样电阻来测量放电脉冲波形的方式能够很好的测量放电信号。根据以上设计的样品和测量方法,构建如图2所示的实验系统。由于电子束对同轴电缆的绝缘外表皮充电可能引起放电干扰,影响对样品放电波形的测量。因此对同轴电缆进行了外层屏蔽,即给同轴电缆外部包覆了一层0. 3 mm 的铜箔,并对其进行接地处理,避免在铜箔上产生悬浮电位。

结论

  通过对不同面积的航天器表面常用Kapton 材料进行地面模拟放电实验,得出不同面积材料的放电脉冲波形规律和各放电特性同材料面积的关系,为材料在航天器表面上的应用、航天器表面带电防护和放电危害评估提供数据支持。在放电波形方面,通过对实验数据总结,得出低于36 cm2 的Kapton材料,其放电脉冲波形的脉宽较窄,且出现明显的负向峰值,而当材料面积大于64 cm2 时,出现双峰波形\放出电荷量和能量都比较大的波形。在放电特性同材料面积的关系方面,实验数据表明随着材料面积的增加,其放电电流峰值、放电持续时间、放电电荷损失量和放电频率都相应增加。并根据实验数据画出各放电特性同材料面积的关系曲线,拟合出与其对应的关系式。在放电电流峰值和材料面积关系的研究中,针对国外在大面积材料( 232 ~5085 cm2 ) 和小面积材料( < 100 cm2 ) 研究中的矛盾,文章提出了一个解决方案,即Kapton 材料的放电电流峰值和面积之间并不呈线性关系,而是随着材料面积增加,曲线斜率逐渐减小。在材料放电持续时间和电荷损失量同Kapton 材料面积关系的研究中,得出和国外研究一致的线性关系,但是大面积材料和小面积材料呈现的线性关系有所不同。

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