專利名稱：一種電子輻照下介質材料表面電荷密度的測試方法
技術領域：
本發明涉及一種電子輻照下介質材料表面電荷密度的測試方法，屬于測試領域。
背景技術：
空間等離子體會對飛行器表面充電，從而引起飛行器的表面電荷積累。隨著表面電荷積累量增加，其產生的電場強度也隨之增強。當電場強度達到表面材料的擊穿閾值時， 電荷發生轉移從而引起表面空間靜電放電。由空間靜電放電產生的瞬態脈沖耦合到飛行器電子系統時，會引起邏輯開關異常、電子系統故障或敏感元件性能下降，以致整個系統的破壞。除產生電子設備的電磁干擾和損壞外，空間靜電放電也導致表面材料的損壞或物理性能衰退，從而影響飛行器的正常工作。
測量材料的表面電荷分布是研究介質表面充放電效應的重要手段和內容，介質表面電荷直接與介質表面的電場分布相關，決定介質材料表面放電的特性。目前，文獻 “Tenbohlem S, Schrocher G. The influence of surface charge on lightingimpulse breakdown of spacer in SF6. IEEE Trans on EI, 2000. 7 (2) :241.，，已建立了基于靜電電容原理的適用于測量高壓絕緣子表面電荷分布的測試系統。但是這種常規的表面電荷分布測量方法并不完全適合于空間帶電環境，常規方法不適于電子輻照條件的主要原因有 (I)測試環境不同地面建立的測試系統是用于測量施加了直流高壓的絕緣子表面電荷產生的感應電荷，而該系統是測量在能量電子輻照下介質材料產生的沉積電荷；因此，測量需要屏蔽能量電子的輻照效應。(2)測量精度要求不同常規的介質表面電荷測量范圍為 μ C/m2量級，而本系統測量的表面電荷將小于常規測量至少一個數量級。因此，該系統需要設計具有更高精度的靜電電容探頭。發明內容
為克服現有常規的高壓絕緣子表面電荷密度分布測量方法的不足之處，本發明提供一種高精度、抗電子輻照的介質表面電荷測試方法。
為實現上述目的，本發明的技術方案如下。
—種介質材料表面電荷密度的測試系統，所述系統包括電子槍、三維傳動機構、真空屏蔽過壁、高阻計、靜電電容探頭、真空室、抽真空系統；
其中，在真空室內部，電子槍安裝在真空室頂部；在真空室底部設有支撐架，在支撐架上放置介質樣品材料；在真空室側壁安裝有真空屏蔽過壁，三維傳動機構一端與靜電電容探頭連接，另一端安裝在真空屏蔽過壁中，實現靜電電容探頭在介質樣品材料表面的移動；屏蔽信號線一端與靜電電容探頭連接，另一端通過真空屏蔽過壁與真空室外的高阻計連接；
優選所述靜電電容探頭包括感應電極、屏蔽信號線、絕緣套、屏蔽外殼；其中，感應電極位于靜電電容探頭的中心軸線上，感應電極外部依次包覆有絕緣套和屏蔽外殼；屏蔽信號線一端與感應電極連接，另一端穿過真空屏蔽過壁與高阻計連接；
優選感應電極材料為紫銅，絕緣套材料為聚四氟乙烯或陶瓷，屏蔽外殼材料為招;優選感應電極和絕緣套的接觸面為環扣式結構，目的是為了減少感應電極和絕緣套的接觸面積，提高感應電極的靈敏度；優選感應電極為直徑為2mm，長為60mm的圓柱體；絕緣套為下部開口，長度為70mm、內半徑為6mm、外半徑為IOmm的圓筒；屏蔽外殼為下部開口，長度77mm,內徑為16mm,外徑為20mm的圓筒。優選屏蔽信號線使用RG142U型號的屏蔽線，并在全部屏蔽信號線包覆在一層接地的鋁箔中，所述鋁箔厚度為O. Olmm ； 一種介質材料表面電荷密度的測試方法，所述方法在所述介質材料表面電荷密度的測試系統上進行，步驟如下步驟一、靜電電容探頭的標度將金屬導體放置在支撐架上，位于靜電電容探頭正下方3飛mm處；通過-10(T-20000V的直流高壓電源對導體施加直流電壓，施加電壓從-100V開始，電壓增加步長為10(T400V，通過高阻計得到靜電電容探頭在不同施加電壓下的感應電壓，并作出靜電電容探頭感應電壓與施加直流電壓的關系曲線，利用式(I)獲得靜電電容探頭的靈敏度和施加電壓的線性關系。
QU2 —"I.····..................................... (I)
C1 + C1式中的C1為靜電電容探頭與金屬導體之間的電容，C2為靜電電容探頭及測試線對地的電容，C1, C2均為常數。U1為金屬導體表面的電壓，即直流高壓電源對導體施加的直流電壓；U2為靜電電容探頭的感應電壓。如果Up U2滿足線性關系，接步驟二 ；步驟二、將介質樣品材料放置在支撐架上表面，靜電電容探頭距介質樣品材料表面3 5_，開啟抽真空系統抽真空，使真空室內的真空度彡8. OXKT4Pa ；步驟三、開啟電子槍模擬靜止地球軌道(GEO)電子環境，對介質樣品材料進行輻照；利用三維傳動機構對介質樣品材料表面進行掃描測量，通過高阻計和靜電電容探頭得到介質樣品材料表面的電位分布；步驟四、結合靜電電容原理，利用靜電電容探頭測量電壓與介質樣品材料表面電荷之間的關系式(2)，計算出介質樣品材料的表面電荷分布。σ =...................................... (2)式中C1為靜電電容探頭及測試線對地的電容，A為靜電電容探頭的感應面積，U2為靜電電容探頭的測量電壓。優選步驟三中，電子槍發射的電子束流密度為O. 5nA/cm2,電子能量為14KeV。有益效果I.本發明提供了一種高靈敏度靜電電容探頭，基于靜電電容原理，所述探頭包括感應電極、絕緣套、屏蔽外殼。其中將紫銅棒作為感應電極，聚四氟乙烯絕緣套用于放置感應電極并使其與測量系統其他部分絕緣，在聚四氟乙烯絕緣套的外部加工一個O. 5mm厚的鋁屏蔽外殼，屏蔽20keV能量的電子輻照。此外，探頭的環扣式設計減少了自身電容，提高了探頭的分辨率；2.本發明提供了一種電子輻照下介質材料表面電荷密度的測試系方法，所述方法首先使用金屬導體代替介質樣品材料，利用直流高壓源對導體施加不同的直流高壓電壓，得到探頭感應電壓和施加的直流高壓之間的關系，利用關系曲線擬合得出靜電電容的靈敏度和施加電壓的線性關系。3.在所述方法使用的測試系統中，屏蔽信號線使用RG142U型號的屏蔽線，并將全部屏蔽信號線外部包覆在一層接地的O. Olmm鋁箔中，其作用是屏蔽電子輻照效應。感應電壓弱信號通過Keithley 6517AA高阻計測量，實現了弱信號測量及電子輻照屏蔽設計。整個測試系統利用鋁屏蔽消除了電子輻照效應，使其適應與電子輻照環境下的測試工作。
·圖I為本發明所述的電子輻照下介質材料表面電荷密度的測試系統的結構示意圖。圖2為本發明所述的靜電電容探頭的結構示意圖。圖3為實施例得到的靜電電容探頭的靈敏度和施加電壓的線性關系圖。圖中1為電子槍，2為三維傳動機構，3為真空屏蔽過壁，4為高阻計，5為靜電電容探頭，6為介質樣品材料，7為真空室，8為抽真空系統，9為感應電極，10為屏蔽信號線，11為絕緣套，12為屏蔽外殼。
具體實施例方式下面通過實施例，對本發明作進一步說明。實施例如圖I所不的一種介質材料表面電荷密度的測試系統,所述系統包括電子槍I、三維傳動機構2、真空屏蔽過壁3、高阻計4、靜電電容探頭5、真空室7、抽真空系統8 ；其中，在真空室7內部，電子槍I安裝在真空室7頂部；在真空室7底部設有支撐架，在支撐架上放置介質樣品材料6 ;在真空室7側壁安裝有真空屏蔽過壁3，三維傳動機構2 一端與靜電電容探頭5連接，另一端安裝在真空屏蔽過壁3中，實現靜電電容探頭5在介質樣品材料6表面的移動；屏蔽信號線10 —端與靜電電容探頭5連接，另一端通過真空屏蔽過壁3與真空室7外的高阻計4連接；所述高阻計4為Keithley 6517A高阻計；所述靜電電容探頭5包括感應電極9、屏蔽信號線10、絕緣套11、屏蔽外殼12 ;其中，感應電極9位于靜電電容探頭5的中心軸線上,感應電極9外部依次包覆有絕緣套11和屏蔽外殼12 ;屏蔽信號線10 —端與感應電極9連接，另一端穿過真空屏蔽過壁3與高阻計4連接；感應電極9材料為紫銅，絕緣套11材料為聚四氟乙烯或陶瓷，屏蔽外殼12材料為招;感應電極9和絕緣套11的接觸面為環扣式結構，目的是為了減少感應電極9和絕緣套11的接觸面積，提高感應電極9的靈敏度；感應電極9為直徑為2mm，長為60mm的圓柱體；絕緣套11為下部開口，長度為70mm、內半徑為6mm、夕卜半徑為IOmm的圓筒；屏蔽外殼12為下部開口，長度77mm,內徑為16mm,夕卜徑為20_的圓筒。屏蔽信號線10使用RG142U型號的屏蔽線，并將全部屏蔽信號線10包覆在一層接地的鋁箔中，所述鋁箔厚度為O. Olmm ；一種介質材料表面電荷密度的測試方法，所述方法在所述介質材料表面電荷密度的測試系統上進行，步驟如下步驟一、靜電電容探頭5的標度將金屬導體放置在支撐架上，位于靜電電容探頭5正下方T5mm處；通過(T-20000V的直流高壓電源對導體施加直流電壓，施加電壓從OV開始，電壓增加步長為200V，通過高阻計4得到靜電電容探頭5在不同施加電壓下的感應電壓，并作出靜電電容探頭5感應電壓與施加直流電壓的關系曲線，利用式(I)獲得靜電電容探頭5的靈敏度和施加電壓的線性關系，如圖3所示。
權利要求
1.一種介質材料表面電荷密度的測試系統,其特征在于所述系統包括電子槍(I)、三維傳動機構(2)、真空屏蔽過壁(3)、高阻計(4)、靜電電容探頭(5)、真空室(7)、抽真空系統(8)；其中，在真空室(7)內部，電子槍(I)安裝在真空室(7)頂部；在真空室(7)底部設有支撐架，在支撐架上放置介質樣品材料(6);在真空室(7)側壁安裝有真空屏蔽過壁(3)，三維傳動機構(2 ) —端與靜電電容探頭(5 )連接，另一端安裝在真空屏蔽過壁(3 )中，實現靜電電容探頭(5)在介質樣品材料(6)表面的移動；屏蔽信號線(10) —端與靜電電容探頭(5) 連接，另一端通過真空屏蔽過壁(3)與真空室(7)外的高阻計(4)連接。
2.根據權利要求I所述的一種介質材料表面電荷密度的測試系統，其特征在于所述靜電電容探頭(5)包括感應電極(9)、屏蔽信號線(10)、絕緣套(11)、屏蔽外殼(12);其中， 感應電極(9)位于靜電電容探頭(5)的中心軸線上,感應電極(9)外部依次包覆有絕緣套(11)和屏蔽外殼(12);屏蔽信號線(10) 一端與感應電極(9)連接，另一端穿過真空屏蔽過壁(3)與高阻計(4)連接。
3.根據權利要求2所述的一種介質材料表面電荷密度的測試系統，其特征在于感應電極(9)材料為紫銅，絕緣套(11)材料為聚四氟乙烯或陶瓷，屏蔽外殼(12)材料為鋁。
4.根據權利要求2所述的一種介質材料表面電荷密度的測試系統，其特征在于感應電極(9)和絕緣套(11)的接觸面為環扣式結構。
5.根據權利要求2所述的一種介質材料表面電荷密度的測試系統，其特征在于感應電極(9)為直徑為2mm,長為60mm的圓柱體；絕緣套(11)為下部開口，長度為70mm、內半徑為6mm、外半徑為IOmm的圓筒；屏蔽外殼(12)為下部開口，長度77mm,內徑為16mm,外徑為 20mm的圓筒。
6.根據權利要求2所述的一種介質材料表面電荷密度的測試系統，其特征在于屏蔽信號線(10)使用RG142U型號的屏蔽線，并將全部屏蔽信號線(10)包覆在一層接地的鋁箔中。
7.一種介質材料表面電荷密度的測試方法，其特征在于所述方法在如權利要求I至6 任一項所述的測試系統上進行，所述方法步驟如下步驟一、靜電電容探頭(5)的標度將金屬導體放置在支撐架上，位于靜電電容探頭(5)正下方T5mm處；通過-10(T-20000V的直流高壓電源對導體施加直流電壓，施加電壓從-100V開始，電壓增加步長為10(T400V，通過高阻計(4)得到靜電電容探頭(5)在不同施加電壓下的感應電壓，并作出靜電電容探頭(5)感應電壓與施加直流電壓的關系曲線，利用式I獲得靜電電容探頭(5)的靈敏度和施加電壓的線性關系；
8.根據權利要求7所述的一種介質材料表面電荷密度的測試方法，其特征在于步驟三中，電子槍(I)發射的電子束流密度為O. 5nA/cm2,電子能量為14KeV。
全文摘要
本發明涉及一種電子輻照下介質材料表面電荷密度的測試方法，屬于測試領域。所述方法步驟包括靜電電容探頭的標度，將介質樣品材料放置在支撐架上表面，開啟抽真空系統抽真空，開啟電子槍模擬靜止地球軌道(GEO)電子環境，對介質樣品材料進行輻照；利用三維傳動機構對介質樣品材料表面進行掃描測量，通過高阻計和靜電電容探頭得到介質樣品材料表面的電位分布；結合靜電電容原理，利用靜電電容探頭測量電壓與介質樣品材料表面電荷之間的關系式，計算出介質樣品材料的表面電荷分布。所述方法能夠擬合得出靜電電容的靈敏度和施加電壓的線性關系，消除了電子輻照效應，使其適應與電子輻照環境下的測試工作。
文檔編號G01R29/24GK102937673SQ201210484898
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月25日 優先權日2012年11月25日
發明者湯道坦, 李得天, 李存惠, 秦曉剛, 柳青, 楊生勝 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一〇研究所