[发明专利]一种电子辐照下介质材料表面电荷密度的测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子辐照下介质材料表面电荷密度的测试方法，属于测试领域。 

背景技术

空间等离子体会对飞行器表面充电，从而引起飞行器的表面电荷积累。随着表面电荷积累量增加，其产生的电场强度也随之增强。当电场强度达到表面材料的击穿阈值时，电荷发生转移从而引起表面空间静电放电。由空间静电放电产生的瞬态脉冲耦合到飞行器电子系统时，会引起逻辑开关异常、电子系统故障或敏感元件性能下降，以致整个系统的破坏。除产生电子设备的电磁干扰和损坏外，空间静电放电也导致表面材料的损坏或物理性能衰退，从而影响飞行器的正常工作。 

测量材料的表面电荷分布是研究介质表面充放电效应的重要手段和内容，介质表面电荷直接与介质表面的电场分布相关，决定介质材料表面放电的特性。目前，文献“Tenbohlem S，Schrocher G.The influence of surface charge on lightingimpulse breakdown of spacer in SF₆.IEEE Trans on EI，2000.7（2）：241.”已建立了基于静电电容原理的适用于测量高压绝缘子表面电荷分布的测试系统。但是这种常规的表面电荷分布测量方法并不完全适合于空间带电环境，常规方法不适于电子辐照条件的主要原因有：（1）测试环境不同：地面建立的测试系统是用于测量施加了直流高压的绝缘子表面电荷产生的感应电荷，而该系统是测量在能量电子辐照下介质材料产生的沉积电荷；因此，测量需要屏蔽能量电子的辐照效应。（2）测量精度要求不同：常规的介质表面电荷测量范围为μC/m²量级，而本系统测量的表面电荷将小于常规测量至少一个数量级。因此，该系统需要设计具有更高精度的静电电容探头。 

发明内容

为克服现有常规的高压绝缘子表面电荷密度分布测量方法的不足之处，本 发明提供一种高精度、抗电子辐照的介质表面电荷测试方法。 

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。 

一种介质材料表面电荷密度的测试系统，所述系统包括电子枪、三维传动机构、真空屏蔽过壁、高阻计、静电电容探头、真空室、抽真空系统； 

其中，在真空室内部，电子枪安装在真空室顶部；在真空室底部设有支撑架，在支撑架上放置介质样品材料；在真空室侧壁安装有真空屏蔽过壁，三维传动机构一端与静电电容探头连接，另一端安装在真空屏蔽过壁中，实现静电电容探头在介质样品材料表面的移动；屏蔽信号线一端与静电电容探头连接，另一端通过真空屏蔽过壁与真空室外的高阻计连接； 

优选所述静电电容探头包括：感应电极、屏蔽信号线、绝缘套、屏蔽外壳；其中，感应电极位于静电电容探头的中心轴线上，感应电极外部依次包覆有绝缘套和屏蔽外壳；屏蔽信号线一端与感应电极连接，另一端穿过真空屏蔽过壁与高阻计连接； 

优选感应电极材料为紫铜，绝缘套材料为聚四氟乙烯或陶瓷，屏蔽外壳材料为铝； 

优选感应电极和绝缘套的接触面为环扣式结构，目的是为了减少感应电极和绝缘套的接触面积，提高感应电极的灵敏度； 

优选感应电极为直径为2mm，长为60mm的圆柱体；绝缘套为下部开口，长度为70mm、内半径为6mm、外半径为10mm的圆筒；屏蔽外壳为下部开口，长度77mm，内径为16mm，外径为20mm的圆筒。 

优选屏蔽信号线使用RG142U型号的屏蔽线，并在全部屏蔽信号线包覆在一层接地的铝箔中，所述铝箔厚度为0.01mm； 

一种介质材料表面电荷密度的测试方法，所述方法在所述介质材料表面电荷密度的测试系统上进行，步骤如下： 

步骤一、静电电容探头的标度 

将金属导体放置在支撑架上，位于静电电容探头正下方3~5mm处；通过-100~-20000V的直流高压电源对导体施加直流电压，施加电压从-100V开始，电压增加步长为100~400V，通过高阻计得到静电电容探头在不同施加电压下的感应电压，并作出静电电容探头感应电压与施加直流电压的关系曲线，利用式（1）获得静电电容探头的灵敏度和施加电压的线性关系。