不同面積Kapton材料的放電特性實驗研究

真空基礎 劉海波 蘭州空間技術物理研究所

  航天器表面介質材料在空間等離子環境下會產生放電現象,放電誘發的瞬態脈沖會對航天器在軌安全運行產生嚴重影響。通過對不同面積的125 μm 厚Kapton 溫控材料進行放電實驗,對放電誘發的瞬態脈沖進行測量,總結分析其規律,得出4 ~ 36 cm2 Kapton 材料和64 ~ 225 cm2 Kapton 材料的放電波形存在比較大的差異,而且隨著材料面積增加,Kapton 材料的放電電流峰值、放電持續時間、放電電荷損失量和放電頻率都相應的升高。對Kapton 材料放電特性的研究,將為航天器帶電防護設計和放電危害評估提供數據支持。

引言

  暴露在空間等離子環境中的航天器表面材料在入射的電子、離子、表面光電發射、背散射電子及漏電流作用下積累電荷,可使材料充至數十千伏的電位。當充電電位達到放電閾值時,就會產生放電現象。放電誘發的對“地”瞬態脈沖會干擾航天器上電子儀器的正常工作,嚴重時使航天器發生故障,無法完成在軌運行任務。

  在空間等離子環境下,不同面積航天器表面絕緣材料的充電電位、電荷貯存量和能量差異較大,可能引起其放電電流峰值、放電電荷損失量和放電能量損失有所不同。通過對不同面積的Kapton 材料進行放電實驗,探索其放電特性規律,可以根據這些放電特性規律制定材料的應用方案、設計濾波器、選擇元器件和優化電路等方式減小其放電對航天器正常工作的影響。

  加拿大的Balmain、Kremer 等和路易斯研究中心的Paul 等分別對小于100 cm2 和232 ~ 5 085 cm2的航天器表面絕緣材料進行了放電實驗究,其得出的研究結果存在較大差異。研究表明材料面積小于100 cm2 時,放電電流峰值同面積呈線性關系; 而當材料面積在232 ~ 5 085 cm2 時,放電電流峰值同材料面積的關系為Im - s0. 4。針對Kapton 材料開展了地面模擬放電實驗研究,文章得出各放電特性和放電波形同材料面積的關系,并綜合本次實驗數據和國外研究結果,提出能夠適應以上差異的結論。

實驗裝置及方法

  針對航天器表面常用的Kapton 溫控材料,分別制作了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 的正方形鋁板,在鋁板上用導電銀膠黏貼125 μm 厚的Kapton 材料作為實驗樣品。樣品實物圖如圖1 所示。

不同面積Kapton材料的放電特性實驗研究

圖1 樣品實物圖

  實驗中將真空系統抽至6 × 10 -4 Pa 的真空度來模擬空間真空環境。使用德國STAIB 電子槍模擬空間電子輻照環境。由于地球同步軌道航天器進入地磁亞暴引起的增強等離子區域時容易發生充放電現象,這里根據地磁亞暴期間的環境參數,選用能量為25 keV,束流密度為2. 5 nA/cm2 的電子對樣品進行輻照。實驗中采用取樣電阻的方式來測量放電波形,測量電路如圖2 所示。

地面模擬放電實驗系統示意圖

圖2 地面模擬放電實驗系統示意圖

1. 導電銀膠; 2. 電子槍; 3. kapton 材料; 4. 鋁板;5. 示波器; 6. 真空室; 7. 抽真空系統

  通過前期摸底實驗發現,采用在放電回路中串聯1 Ω 和0. 3 Ω 的電阻,將0. 3 Ω 電阻作為取樣電阻來測量放電脈沖波形的方式能夠很好的測量放電信號。根據以上設計的樣品和測量方法,構建如圖2所示的實驗系統。由于電子束對同軸電纜的絕緣外表皮充電可能引起放電干擾,影響對樣品放電波形的測量。因此對同軸電纜進行了外層屏蔽,即給同軸電纜外部包覆了一層0. 3 mm 的銅箔,并對其進行接地處理,避免在銅箔上產生懸浮電位。

結論

  通過對不同面積的航天器表面常用Kapton 材料進行地面模擬放電實驗,得出不同面積材料的放電脈沖波形規律和各放電特性同材料面積的關系,為材料在航天器表面上的應用、航天器表面帶電防護和放電危害評估提供數據支持。在放電波形方面,通過對實驗數據總結,得出低于36 cm2 的Kapton材料,其放電脈沖波形的脈寬較窄,且出現明顯的負向峰值,而當材料面積大于64 cm2 時,出現雙峰波形\放出電荷量和能量都比較大的波形。在放電特性同材料面積的關系方面,實驗數據表明隨著材料面積的增加,其放電電流峰值、放電持續時間、放電電荷損失量和放電頻率都相應增加。并根據實驗數據畫出各放電特性同材料面積的關系曲線,擬合出與其對應的關系式。在放電電流峰值和材料面積關系的研究中,針對國外在大面積材料( 232 ~5085 cm2 ) 和小面積材料( < 100 cm2 ) 研究中的矛盾,文章提出了一個解決方案,即Kapton 材料的放電電流峰值和面積之間并不呈線性關系,而是隨著材料面積增加,曲線斜率逐漸減小。在材料放電持續時間和電荷損失量同Kapton 材料面積關系的研究中,得出和國外研究一致的線性關系,但是大面積材料和小面積材料呈現的線性關系有所不同。