[发明专利]空间电荷非接触测试系统及方法

说明书

本发明提供了一种空间电荷非接触测试系统及方法，系统包括：基板、移动平台、支架、压电驱动元件、电场激励驻极体层、待测绝缘介质、场平衡驻极体层、压电传感器阵列、吸波材料层、多路控制开关、前置放大器、一体化屏蔽电极、低压脉冲发生器、示波器和计算机；通过低功率脉冲电压驱动极化驻极体层产生高强度交变脉冲场的方式对待测绝缘介质内部的空间电荷进行非接触式测试；通过平衡极化驻极体场禁锢空间电荷层的方式对绝缘介质内原始空间电荷进行分层扫描重构。与现有技术相比，本发明提高了对待测绝缘介质的外层、浅表层、深层空间电荷的测试精度与灵敏度，具备对空间环境下航天器防护层绝缘介质的空间电荷进行测试的能力。

技术领域

本发明涉及空间电荷测试技术领域，具体地，涉及一种空间电荷非接触测试系统及方法，尤其设计一种基于驻极体场禁锢诱导的空间电荷非接触测试系统及方法。

背景技术

绝缘介质材料内部沉积空间电荷的形成是由于制备或在应用过程中环境导致，如基于高能束/电子束/等离子体的微纳加工、航天器在轨工作、高压直流电场、高动态载体与空气高速摩擦等过程都会引入电荷并贮存在其体内。国内外研究表明：空间电荷的产生和积聚会畸变绝缘介质材料中的电场分布，在一些恶劣的条件下会带来绝缘介质材料的老化、击穿，降低甚至破坏材料的电气特性；此外，这种异常的电荷积累也会对系统内其他导体产生放电，造成电子系统关键电子元件或电路损坏失效，危害极大。

目前空间电荷的测试有以下几种方法：热刺激电流法(Thermally StimulatedCurrent，TSC)、热刺激表面电位法(Thermally Stimulated Surface Potential，TSSP)、热致发光法(Thermo Luminescence，TL)、压电诱导压力波扩展法(Piezo-electric InducedPressure Wave Propagation，PIPWP)、激光诱导压力波扩展法(Laser Induced PressurePropagation，LIPP)以及电声脉冲法(Pulsed Electro-Acoustic，PEA)等。

在现有的空间电荷测试技术中，一般采用PEA法对绝缘介质材料的空间电荷分布进行测量，其基本原理是：在绝缘介质内存在空间电荷的情况下，施加在绝缘介质两端的高压电脉冲会引起绝缘介质内部空间电荷的振动从而产生压力波，然后通过压电传感器将这些压力波转换为电信号，其中，电信号幅值反映了空间电荷密度的大小，到达压电传感器的时间反映了空间电荷在试样内部的分布。

PEA法在传统高压绝缘电缆空间电荷的测试已经十分成熟，然而对于航天器在轨空间电荷的测试鲜见报道。受太空高能粒子束辐照影响，航天器空间在轨运行中绝缘介质也会积累空间电荷，严重危害航天器的正常工作。然而，传统的PEA装置要求测试时激励电极必须与试样紧密贴合的接触式配置，这种配置直接阻挡了太空高能粒子束对试样的辐照，无法实现航天器绝缘介质空间电荷在轨测试；传统的PEA装置需要高压脉冲电源作为激励，这在能源配比及其紧张的航天器中是无法实现的；传统的PEA装置存在严重的界面效应，不能对试样的外层、浅表层空间电荷进行测试，而这在航天器充放电效应研究中是及其重要的；传统空间电荷测试结果是试样内各个位置的空间电荷互相影响后的综合体现，不能反映试样内部特定分层的真实空间电荷分布。综上所述，对于航天器防护层绝缘介质的空间电荷测试而言，需要探索一种在低功率电源电压驱动下能够实现对绝缘介质内原始空间电荷进行分层扫描重构的航天器防护层绝缘介质空间电荷非接触测试系统及方法。