一種電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置及方法，其特點是：利用電子加速器模擬空間帶電環境的高能電子對測試樣品輻照，同時利用電聲脈沖法原位測量介質材料空間電荷的分布，設計完成了一種電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置及方法。其裝置主要包括電子加速器、真空靶室、真空抽氣系統和電聲脈沖法測量系統。本發明的裝置可以用于測量高能電子輻照下的介質材料空間電荷分布的功能，為介質材料充放電的機理及其效應研究提供重要的材料特性參數。
【專利說明】一種電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]航天器在GEO軌道運行時暴露在高能電子輻照環境下，這些高通量高能電子可直接穿透衛星結構和儀器設備等屏蔽層，進入衛星內部的電路板、導線絕緣層等介質材料中，導致絕緣介質材料深層電荷沉積，從而導致太陽電池陣玻璃蓋片、熱控材料等介質材料會發生內帶電效應，這是引起GEO軌道衛星異常現象的重要原因之一。介質材料內帶電過程主要包括:電荷沉積、電荷輸運和電荷泄放，因此，要研究介質材料內帶電效應，首先必須清楚介質材料內部空間電荷的分布情況。空間電荷的存在、轉移和消失會直接導致電介質內部電場分布的改變，對介質內部的局部電場起到削弱或加強作用。國際上目前已經普遍公認，由于空間電荷對電場的這種畸變作用，空間電荷對介質材料的電導率、擊穿破壞、老化等各方面電性能都有明顯的影響。因此，研究介質材料的空間電荷分布在研究內帶電效應的物理機制中起重要作用。
[0003]伴隨著我國衛星技術的不斷進步，為了滿足導航衛星組網的需求，越來越多的衛星將運行在高軌道，所以必須對內帶電效應進行防護設計。由于在地面的模擬試驗中，沒有開展過介質材料空間電荷分布的原位測量試驗，導致無法模擬出空間電荷的沉積、輸運和泄放過程，從而對航天器由于內帶電引起的故障也無從評價。因此，亟需開展在不同能量和劑量率高能電子輻照下的材料空間電荷原位測量，它是介質材料內帶電效應研究和分析中必不可少的一項重要內容。
【發明內容】
[0004]有鑒于此，本發明提供一種電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置及方法，模擬介質材料受到空間高能電子輻照的影響，通過屏蔽結構設計解決測試過程中涉及弱信號測試和抗干擾等問題，原位測得介質材料空間電荷分布情況。
[0005]一種電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置，它由真空靶室、所發射電子能量和束流密度可調的電子加速器、真空抽氣系統、示波器、電聲脈沖法測量系統、樣品臺、脈沖發生器組成；其中，電聲脈沖法測量系統包括:脈沖信號輸入接口、鋁屏蔽殼、保護電阻、鋁電極、上電極、信號輸出接口、信號輸出電路、絕緣墊、壓電傳感器和下電極；
[0006]鋁電極、上電極、介質材料樣品、下電極、壓電傳感器和絕緣墊自上而下疊放連接后置于鋁屏蔽殼內部；下電極和壓電傳感器之間涂抹導電硅脂，上電極和下電極是通過蒸鍍法在介質材料樣品兩面鍍上的金屬薄膜；鋁屏蔽殼具有上開口，鋁電極中間部分通過所述上開口暴露在鋁屏蔽殼之外，且所述上開口與鋁電極緊密貼合；鋁屏蔽殼的殼體上設有脈沖信號輸入接口和信號輸出接口，脈沖信號輸入接口通過保護電阻連接鋁電極，壓電傳感器通過信號輸出電路連接信號輸出接口；
[0007]真空靶室與真空抽氣系統連通，電聲脈沖法測量系統放在真空靶室內的樣品臺上，電子加速器位于樣品臺上方，脈沖發生器和示波器置于真空靶室之外，脈沖發生器與電聲脈沖法測量系統的脈沖信號輸入接口相連，示波器與電聲脈沖法測量系統的信號輸出接口相連。
[0008]優選地，所述鋁電極的上開口為喇叭口。
[0009]一種使用電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置的測量方法，包括下列步驟:
[0010]步驟1、將介質材料樣品安裝在電聲脈沖法測量系統中，然后放置于真空靶室中的樣品臺上，關閉真空靶室；
[0011]步驟2、開啟真空抽氣系統給真空靶室抽真空；
[0012]步驟3、開啟電子加速器輻照介質材料樣品，以模擬空間環境的高能電子；
[0013]步驟4、輻照設定時間后，關閉電子加速器；
[0014]步驟5、開啟脈沖發生器，通過鋁電極產生相應的脈沖電壓；
[0015]步驟6、脈沖電壓作用于介質材料樣品后產生聲脈沖信號，聲脈沖信號通過壓電傳感器轉換為電信號，經過信號輸出電路的放大處理后，經過信號輸出接口由示波器獲得介質材料樣品的空間電荷分布特性；
[0016]步驟7、調整電子加速器所發射電子的能量和束流密度，重復步驟3?6。
[0017]本發明與現有技術相比的有益效果是:
[0018](I)采用電子加速器能較好的模擬空間帶電環境的高能電子；
[0019](2)設計采用鋁殼一體屏蔽，能消除電子輻照對脈沖信號電路和微弱信號測量電路的影響，實現在輻照后介質材料空間電荷分布的原位測量；
[0020](3)鋁屏蔽殼的上開口較佳形式為喇叭口，從而盡量減少開口側面對入射高能電子的反射，減少二次電子的影響。
[0021](4)上下電極是通過蒸鍍法鍍在介質材料樣品表面的，這種金屬薄膜電極足夠薄，能夠減小對入射電子能量的影響，而且能夠保證與介質材料樣品接觸的均勻性和電脈沖傳導的均勻性，防止脈沖信號發生畸變。
[0022](5)此介質材料空間電荷原位測量裝置及方法可操作性強，該試驗系統工作穩定，適用于測量在不同能量高能電子輻照下的介質材料空間電荷分布。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明的電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置結構圖。
[0024]圖中:1-真空靶室、2-電子加速器、3-真空抽氣系統、4-示波器、5-介質材料樣品、6-電聲脈沖法測量系統、7-樣品臺、8-脈沖發生器。
[0025]圖2是本發明的電聲脈沖法測量系統結構圖。
[0026]圖中:601-脈沖信號輸入接口、602-鋁屏蔽殼、603-保護電阻、604-鋁電極、606-上電極、5-介質材料樣品、607-信號輸出接口、608-信號輸出電路、609-絕緣墊、610-壓電傳感器、611-下電極。
【具體實施方式】
[0027]如圖1所示，為本發明的電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置，它由真空靶室1、電子加速器2、真空抽氣系統3、示波器4、電聲脈沖法測量系統6、樣品臺7、脈沖發生器8組成。其中，電聲脈沖法測量系統6主要由脈沖信號輸入接口 601、鋁屏蔽殼602、保護電阻603、鋁電極604、上電極606、信號輸出接口 607、信號輸出電路608、絕緣墊609、壓電傳感器610和下電極611組成。
[0028]招電極604、上電極605、介質材料樣品5、下電極611、壓電傳感器610和絕緣墊609自上而下疊放連接后置于鋁屏蔽殼602內部，從而實現對弱信號的保護。下電極611和壓電傳感器610之間涂抹導電硅脂，確保信號能被準確測量到。上電極605和下電極611是通過蒸鍍法在介質材料樣品5兩面鍍上的金屬薄膜，金屬薄膜的厚度可以為ΙΟΟμπι?300 μ m,這種金屬薄膜電極足夠薄，能夠減小對入射電子能量的影響，而且能夠保證與介質材料樣品5接觸的均勻性和電脈沖傳導的均勻性，防止脈沖信號發生畸變。在上電極605上增加鋁電極604，其一方面提供了組裝的支撐，另一方便為脈沖信號進入上電極提供通道。
[0029]鋁屏蔽殼602具有上開口，鋁電極604中間部分通過所述上開口暴露在鋁屏蔽殼602之外，從而保證電子加速器2產生的高能電子能夠通過鋁電極604和上電極606的傳遞到達介質材料樣品5內部。且上開口較佳的形式為喇叭口，從而盡量減少開口側面對入射高能電子的反射，減少二次電子的影響。所述上開口與鋁電極604緊密貼合，以防高能電子通過縫隙進入，影響到真空靶室I內部的其他被防護組件。鋁屏蔽殼602的殼體上設有脈沖信號輸入接口 601和信號輸出接口 607，脈沖信號輸入接口 601通過保護電阻603連接鋁電極604，壓電傳感器610通過信號輸出電路608連接信號輸出接口 607。
[0030]真空靶室I與真空抽氣系統3連通，電聲脈沖法測量系統6放在真空靶室I內的樣品臺7上，電子加速器2位于樣品臺7上方，脈沖發生器8和示波器4置于真空靶室I之夕卜，脈沖發生器8與電聲脈沖法測量系統6的脈沖信號輸入接口 601相連,不波器4與電聲脈沖法測量系統6的信號輸出接口 607相連。
[0031]電聲脈沖法所能夠測量材料的厚度與壓電傳感器的性能相關，采用常規性能的壓電傳感器時，不能將被測材料樣品設置的太夠，這里設置介質材料樣品5的厚度在1_以下。
[0032]為了實現不同束流密度下，介質材料空間電荷原位測量，電子加速器2選擇高能電子能量和束流密度均可調的電子加速器，較佳地，電子加速器2能夠提供高能電子的能量范圍在0.8?2.3MeV內可調，束流密度范圍在I?25nA/cm2內可調，從而滿足各種測量需要。
[0033]基于上述介質材料電導率測量裝置的測量方法的具體實施步驟如下:
[0034](I)將介質材料樣品5安裝在電聲脈沖法測量系統6中，然后放置于真空靶室I中的樣品臺7上，按照附圖1要求依次把脈沖發生器8和電聲脈沖法測量系統6中的脈沖信號輸入接口 601連接，把示波器4和電聲脈沖法測量系統6中的信號輸出接口 607連接，關閉真空靶室。
[0035](2)開啟真空抽氣系統3給真空靶室I抽真空，使真空度優于5.0X 10 —3Pa。
[0036](3)開啟電子加速器2模擬空間環境的高能電子，本次測量中，電子能量調節為
1.5MeV，束流密度調節為InA/cm2。
[0037](4)輻照I小時后，關閉電子加速器2。
[0038](5)開啟脈沖發生器8，產生寬度為30ns，幅值為IkeV的脈沖信號，通過鋁電極604產生相應的壓力波脈沖。
[0039](6)壓力脈沖波作用于介質材料樣品5后產生聲脈沖信號,聲脈沖信號通過壓電傳感器610轉換為電信號,通過信號輸出電路608的放大處理后,經過信號輸出接口 607由示波器4獲得介質材料樣品的空間電荷分布特性。
[0040]步驟7、調整電子加速器(2)所發射電子的能量和束流密度，重復步驟3?6。
[0041]綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置，其特征在于，它由真空靶室(I)、所發射電子能量和束流密度可調的電子加速器(2)、真空抽氣系統(3)、示波器(4)、電聲脈沖法測量系統(6)、樣品臺(7)、脈沖發生器(8)組成；其中，電聲脈沖法測量系統(6)包括:脈沖信號輸入接口(601)、鋁屏蔽殼(602)、保護電阻(603)、鋁電極(604)、上電極(606)、信號輸出接口(607)、信號輸出電路(608)、絕緣墊(609)、壓電傳感器(610)和下電極(611)； 招電極(604)、上電極(605)、介質材料樣品(5)、下電極(611)、壓電傳感器(610)和絕緣墊(609)自上而下疊放連接后置于鋁屏蔽殼(602)內部；下電極(611)和壓電傳感器(610)之間涂抹導電硅脂，上電極(605)和下電極(611)是通過蒸鍍法在介質材料樣品(5)兩面鍍上的金屬薄膜；鋁屏蔽殼(602)具有上開口，鋁電極(604)中間部分通過所述上開口暴露在鋁屏蔽殼(602)之外，且所述上開口與鋁電極(604)緊密貼合；鋁屏蔽殼(602)的殼體上設有脈沖信號輸入接口(601)和信號輸出接口 ￠07)，脈沖信號輸入接口(601)通過保護電阻(603)連接鋁電極￠04)，壓電傳感器(610)通過信號輸出電路(608)連接信號輸出接口 (607)； 真空靶室(I)與真空抽氣系統(3)連通，電聲脈沖法測量系統(6)放在真空靶室(I)內的樣品臺(7)上，電子加速器(2)位于樣品臺(7)上方，脈沖發生器(8)和示波器(4)置于真空靶室(I)之外，脈沖發生器(8)與電聲脈沖法測量系統(6)的脈沖信號輸入接口(601)相連，示波器(4)與電聲脈沖法測量系統￠)的信號輸出接口(607)相連。
2.根據權利要求1所述的電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置，其特征在于:所述鋁電極(604)的上開口為喇叭口。
3.根據權利要求1所述的電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置，其特征在于:所述的介質材料樣品(5)的厚度在Imm以下。
4.根據權利要求1所述的電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置，其特征在于:所述的介質材料樣品(5)上電極和下電極的厚度為ΙΟΟμπι?300μηι。
5.一種使用權利要求1的電子輻照下介質材料空間電荷原位測量裝置的測量方法，其特征在于包括下列步驟: 步驟1、將介質材料樣品(5)安裝在電聲脈沖法測量系統(6)中，然后放置于真空靶室(I)中的樣品臺(7)上，關閉真空靶室； 步驟2、開啟真空抽氣系統(3)給真空靶室(I)抽真空； 步驟3、開啟電子加速器(2)輻照介質材料樣品(5)，以模擬空間環境的高能電子； 步驟4、輻照設定時間后，關閉電子加速器(2); 步驟5、開啟脈沖發生器(8)，通過鋁電極(604)產生相應的脈沖電壓； 步驟6、脈沖電壓作用于介質材料樣品(5)后產生聲脈沖信號，聲脈沖信號通過壓電傳感器(610)轉換為電信號，經過信號輸出電路(608)的放大處理后，經過信號輸出接口(607)由示波器(4)獲得介質材料樣品的空間電荷分布特性； 步驟7、調整電子加速器(2)所發射電子的能量和束流密度，重復步驟3?6。
6.根據權利要求5所述的測量方法，其特征在于:所述步驟4中電子加速器(2)所提供的高能電子能量范圍在0.8?2.3MeV內可調，束流密度范圍在I?25nA/cm2內可調。
7.根據權利要求5所述的測量方法，其特征在于:所述步驟5中脈沖發生器(8)產生寬度為30ns、幅值-1kV?2kV的電脈沖。
8.根據權利要求5所述的測量方法，其特征在于:所述步驟2中真空環境真空度要求優于 5.0X10 —3Pa。
【文檔編號】G01R29/24GK104237659SQ201410445406
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2014年9月3日
【發明者】王俊, 秦曉剛, 陳益峰, 李得天, 楊生勝, 柳青, 史亮, 湯道坦, 趙呈選 申請人:蘭州空間技術物理研究所