張巖，張路，劉尚合，胡小鋒，錢禹行，張建平

1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 電磁環(huán)境效應(yīng)國家級重點實驗室，石家莊 050003 2.河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，石家莊 050018

航天器在軌運行期間面臨著復(fù)雜的空間電磁環(huán)境，航天器表面材料和內(nèi)部電子器件在復(fù)雜電磁環(huán)境中易發(fā)生充放電效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)航天器故障甚至失效。美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)統(tǒng)計的1 000多件航天器充放電事件中，有近百件充放電事件與空間電磁環(huán)境擾動有關(guān)。靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)是航天器空間充放電效應(yīng)的主要組成部分，2007年美國國家航空航天局(NASA)統(tǒng)計了4家權(quán)威機構(gòu)數(shù)據(jù)庫，在國外共發(fā)生的326起空間環(huán)境引發(fā)的衛(wèi)星故障中，靜電效應(yīng)占54.2%，ESD不僅會對航天器上各類設(shè)備及系統(tǒng)的正常工作造成干擾，其產(chǎn)生的電磁脈沖也可能引起航天器表面材料發(fā)生閃絡(luò)或太陽能電池陣工作性能下降。聚四氟乙烯(PTFE)因其出色的高絕緣性、熱穩(wěn)定性和耐空間輻照性能，被廣泛用作航天器表面的絕緣隔熱材料，但因高絕緣性會使PTFE表面極易因載流子注入而積累電荷，從而可能導(dǎo)致其表面容易被外界因素誘導(dǎo)發(fā)生閃絡(luò)，威脅航天器在軌期間安全運行。

針對上述問題，國內(nèi)外已經(jīng)開展了相關(guān)研究，主要集中在聚四氟乙烯材料表面閃絡(luò)特性及場誘發(fā)電暈放電等方面。周立棟等研究了聚四氟乙烯材料沿面閃絡(luò)特性，在正常大氣壓下得到了閃絡(luò)電壓值及電壓、電流波形，根據(jù)閃絡(luò)次數(shù)對閃絡(luò)電壓的影響提出了能較為準(zhǔn)確地描述聚四氟乙烯閃絡(luò)電壓的方法。范亞杰等研究了聚四氟乙烯材料在空間粒子環(huán)境中閃絡(luò)規(guī)律及其影響因素，獲得了高真空低能電子輻照下PTFE高壓直流沿面閃絡(luò)電壓及PTFE在輻照前后的陷阱密度，同時分析了影響PTFE沿面閃絡(luò)電壓的因素。Du等研究了不同溫度下的表面充電和閃絡(luò)電壓行為，發(fā)現(xiàn)表面分子結(jié)構(gòu)的改變抑制了表面電荷的積累，從而抑制電場的畸變，可有效提高不同溫度下的閃絡(luò)電壓。文獻(xiàn)[26-28]開展了靜電電磁脈沖誘發(fā)電暈放電實驗研究，獲得了不同氣壓下電磁脈沖輻照誘發(fā)電暈放電的閾值電壓、電流波形、放電區(qū)域輻射場等參數(shù)。謝喜寧和胡小鋒設(shè)計了一種靜電放電模擬裝置并應(yīng)用于實驗中，得出了靜電電磁脈沖輻射場誘發(fā)針-球電極結(jié)構(gòu)放電的規(guī)律，考慮到了靜電電磁脈沖誘發(fā)空氣式結(jié)構(gòu)放電的特性。由此可知，關(guān)于靜電電磁脈沖場誘發(fā)聚四氟乙烯材料表面閃絡(luò)的相關(guān)研究仍缺乏相應(yīng)的實驗分析。

針對以上問題，本文根據(jù)二次電子發(fā)射雪崩(SEEA)模型推導(dǎo)并分析了影響閃絡(luò)發(fā)生的因素，利用設(shè)計的實驗系統(tǒng)和測試樣品對靜電電磁脈沖環(huán)境下誘發(fā)聚四氟乙烯材料表面閃絡(luò)的機制、規(guī)律進(jìn)行初步的探索，以期得到大氣環(huán)境下聚四氟乙烯表面的帶電特點及誘發(fā)閃絡(luò)的基本規(guī)律，為強電磁場環(huán)境下航天器在軌運行安全防護措施的研究提供借鑒。

1 基本理論

1.1 無外加靜電電磁脈沖場時閃絡(luò)電壓分析

針對聚四氟乙烯表面閃絡(luò)問題，對閃絡(luò)電壓進(jìn)行分析推導(dǎo)，在SEEA模型中，針-板電極施加電極電壓后，在電極-PTFE-空氣三節(jié)點處會形成畸變電場，畸變電場處場致發(fā)射出初始電子(如圖1所示)，初始電子經(jīng)場加速撞擊材料表面向表面上方發(fā)射出二次電子，而正電荷留在材料表面，由此產(chǎn)生垂直于材料表面的電場：

=(2)

(1)

式中：為表面電子密度；為自由介電常數(shù)，=8.85×10F/cm。

圖1 針-板電極間場分布Fig.1 Field distribution between needle-plate electrodes

合成電場與材料表面夾角為

(2)

式中：為恰好發(fā)生閃絡(luò)時電極電壓形成的水平電場；為材料表面的垂直電場；為電子碰撞能量；為發(fā)射電子能量，=4.7 eV。

材料表面的閃絡(luò)電流密度可表示為

=

(3)

式中：為電荷密度;為電子平均速度。則單位面積內(nèi)閃絡(luò)的解吸附氣體分子臨界值為

=[()]

(4)

式中：為脫附系數(shù)；為電子電荷量；為絕緣材料表面解吸附氣體分子脫附的平均速度；為電極間距。

根據(jù)材料表面的解吸附氣體理論及式(2)、式(4) 可得出恰好發(fā)生閃絡(luò)時電極電壓形成的水平電場和閃絡(luò)電壓閾值的理論表達(dá)式：

(5)

(6)

由式(6)可得在無外加場時的閃絡(luò)電壓閾值。當(dāng)電極間所加電壓大于無外加場時的閃絡(luò)電壓閾值時，就會發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象，此時的閃絡(luò)是由電極間電壓引起的，稱之為自發(fā)閃絡(luò)；當(dāng)電極間所加電壓小于無外加場時的閃絡(luò)電壓閾值時，則不會發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象。

1.2 有外加靜電電磁脈沖場時閃絡(luò)電壓分析

當(dāng)有外加場作用時，如圖1所示，針-板電極間外加電場可以分解為水平分量和垂直分量，與的夾角為，根據(jù)電磁場理論，聚四氟乙烯表面電子密度及正離子密度為

==2tan

(7)

假設(shè)電子質(zhì)量為，電子初始發(fā)射方向與聚四氟乙烯材料表面夾角為，得電子初始運動速度的水平分量和垂直分量分別為

(8)

已知電子電荷量為，得電子的水平加速度和垂直加速度分別為

(9)

電子運行到絕緣體表面法向距離最遠(yuǎn)點(與聚四氟乙烯表面垂直距離最遠(yuǎn))時法向速度衰減為0，于是得電子運動至距離絕緣體表面法向最遠(yuǎn)距離時所需時間Δ、電子從距離絕緣體表面法向最遠(yuǎn)距離回落后切向運行距離Δ分別為

(10)

(sincos+sin)

(11)

當(dāng)電子回到絕緣體表面時，其法向速度與初始法向速度大小相等、方向相反，其切向速度為

(12)

整個過程中電子在電場作用下向陽極作定向運動，形成電流，切向閃絡(luò)電流密度大小取決于電荷密度及切向漂移的速度，于是有

(13)

根據(jù)式(11)推導(dǎo)得出的電子切向運動距離Δ可知單位長度電子碰撞絕緣材料表面的次數(shù)為1/Δ，進(jìn)而可以得到絕緣體表面法向閃絡(luò)電流密度為

(14)

絕緣體表面吸附氣體的脫附速率直接依賴于撞擊絕緣體表面的電子密度，電子碰撞脫附速率=/，其中為電子碰撞截面面積，根據(jù)文獻(xiàn)[30]可知，平均脫附碰撞截面面積=10cm。

通過預(yù)測閃絡(luò)過程中的放氣率可得電子激勵絕緣體表面吸附氣體的脫附系數(shù)，令絕緣體表面吸附氣體的電子誘導(dǎo)脫附系數(shù)為，得絕緣表面閃絡(luò)電流密度為

(15)

令脫附氣體離開絕緣體表面的速率為，得脫附氣體分子密度為

(16)

進(jìn)一步得到針-板電極間距為的絕緣體表面脫附氣體分子密度為

(17)

將式(13)代入式(17)再轉(zhuǎn)化，可得

(18)

(19)

由式(19)可得外加場在電極間感應(yīng)的電壓分量。

由此可知，有外加場作用在測試單元時，引發(fā)閃絡(luò)的電壓中不僅包含針-板電極所接高壓源電壓，還包括外加場在電極間感應(yīng)生成的電壓分量，此時閃絡(luò)電壓條件為

=+≥

(20)

此時只需滿足≥-就能發(fā)生閃絡(luò)，如果靜電電磁脈沖場感應(yīng)電勢與電極電壓之和恰好等于閃絡(luò)電壓閾值，則稱此時的靜電電磁脈沖場強為誘發(fā)臨界場強。而根據(jù)文獻(xiàn)[31]可知，參照國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-2進(jìn)行接觸式靜電放電實驗時，在ESD模擬器與垂直金屬耦合板產(chǎn)生的靜電電磁脈沖場近場區(qū)具有場強隨機性，可能導(dǎo)致相同ESD模擬器輸出電壓下發(fā)射的靜電電磁脈沖場強大小和方向不一致，每次的重復(fù)性較低(在遠(yuǎn)場區(qū)重復(fù)性較高，但是場強很小，不利于誘發(fā)閃絡(luò)的判斷，為更準(zhǔn)確地判斷靜電電磁脈沖是否能夠誘發(fā)閃絡(luò)，應(yīng)選擇場強較大的近場區(qū)進(jìn)行實驗)，因此感應(yīng)電壓與電極電壓之和為不確定的隨機值，所以即使在外加靜電電磁脈沖場的作用下使+=時，誘發(fā)閃絡(luò)也存在概率問題，稱此時的靜電電磁脈沖場強為誘發(fā)臨界場強。

當(dāng)靜電電磁脈沖場強遠(yuǎn)大于誘發(fā)臨界場強時，能保證產(chǎn)生的感應(yīng)電勢遠(yuǎn)大于閃絡(luò)電壓與電極電壓之差(?-)，則可以實現(xiàn)誘發(fā)閃絡(luò)；當(dāng)靜電電磁脈沖場強在誘發(fā)臨界場強附近時，由于靜電電磁脈沖場的發(fā)射隨機性，此時的誘發(fā)閃絡(luò)存在概率問題；當(dāng)靜電電磁脈沖場強小于誘發(fā)臨界場強時，感應(yīng)電勢<-，則不能誘發(fā)閃絡(luò)。為驗證上述理論(即靜電電磁脈沖場能夠誘發(fā)閃絡(luò)且存在概率)搭建了靜電電磁脈沖場誘發(fā)閃絡(luò)實驗平臺，驗證外加場對于聚四氟乙烯表面閃絡(luò)的誘發(fā)閃絡(luò)特性。

2 實驗系統(tǒng)及實驗裝置

2.1 實驗系統(tǒng)

參照國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-2，靜電電磁脈沖誘發(fā)聚四氟乙烯表面針-板電極結(jié)構(gòu)閃絡(luò)實驗系統(tǒng)在大氣環(huán)境下進(jìn)行，該系統(tǒng)主要由ESD模擬器、誘發(fā)放電實驗平臺和溫度和濕度控制監(jiān)測系統(tǒng)3部分組成，如圖2所示。

利用ESD模擬器中的放電槍對耦合板進(jìn)行非接觸式放電產(chǎn)生靜電電磁脈沖輻射場，以此為背景電磁場作用于測試單元，使其產(chǎn)生誘發(fā)閃絡(luò)效應(yīng)。通過調(diào)節(jié)聚四氟乙烯材料表面針-板電極間電壓()和ESD模擬器輸出電壓()，研究靜電電磁脈沖場誘發(fā)絕緣材料表面高壓電極間發(fā)生閃絡(luò)的情況，測量誘發(fā)閃絡(luò)的電流信號波形，并結(jié)合不同條件下誘發(fā)閃絡(luò)的次數(shù)和概率，得出靜電電磁脈沖場誘發(fā)聚四氟乙烯材料閃絡(luò)特性的規(guī)律。

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

2.2 實驗裝置

實驗中誘發(fā)聚四氟乙烯表面針-板電極結(jié)構(gòu)閃絡(luò)的實驗系統(tǒng)主要由4部分組成：第1部分為測試單元，由貼附于聚四氟乙烯材料表面的鋁箔電極組成，電極結(jié)構(gòu)采用針-板型(圖3和圖4(a)中5)；第2部分為靜電電磁脈沖場發(fā)生器，由ESD模擬器(圖4(a)中1)、放電槍(圖4(a)中2)和垂直金屬耦合板(圖4(a)中3)構(gòu)成，ESD模擬器為ESS-200AX型；第3部分為電極間所加高壓源(圖4(a)中4)，采用GLOW 28720直流高壓電源；第4部分為閃絡(luò)檢測裝置，包括泰克公司Tektronix TDS7404B型示波器、Tektronix CT-1電流探頭(伏安輸出特性5 mV/1 mA)、為保護實驗設(shè)備配備的30 dB衰減器，此模塊對誘發(fā)絕緣材料閃絡(luò)時的電流信號波形進(jìn)行檢測。

測試單元(如圖4(b)所示)放置在環(huán)境控制裝置中，保持環(huán)境溫度為20 ℃、濕度為40% RH；實驗過程中對閃絡(luò)電流采集裝置進(jìn)行過流保護，為避免電流過大損壞示波器，串接30 dB衰減器；電流探頭對誘發(fā)閃絡(luò)電流波形進(jìn)行采集，整體實驗系統(tǒng)如圖4(a)所示。

該實驗以靜電電磁脈沖輻射場模擬空間輻射場，采用航天器表面常用的絕緣隔熱材料聚四氟乙烯作為實驗中的絕緣材料，針-板電極模擬絕緣材料表面上可能存在的放電電極結(jié)構(gòu)。利用靜電電磁脈沖輻射場誘發(fā)針-板電極結(jié)構(gòu)下絕緣材料表面發(fā)生閃絡(luò)，測量誘發(fā)閃絡(luò)時的放電電流信號，根據(jù)IEC 61000-4-2規(guī)定的不同實驗電壓等級進(jìn)行實驗，分析不同場強誘發(fā)閃絡(luò)的規(guī)律及放電電流，為空間裝備靜電防護及加固設(shè)計提供實驗支撐。

圖3 PTFE表面電極結(jié)構(gòu)Fig.3 Electrode structure on PTFE surface

圖4 實驗系統(tǒng)及測試單元Fig.4 Experimental system and test unit

3 實驗方法及過程

實驗在大氣環(huán)境條件下進(jìn)行，實驗中ESD模擬器的放電槍對垂直金屬耦合板進(jìn)行非接觸式放電產(chǎn)生靜電電磁脈沖輻射場，以此輻射場為實驗背景場作用于測試單元。通過改變ESD模擬器輸出電壓實現(xiàn)不同場強靜電電磁脈沖輻射場的模擬。為減少實驗誤差，避免ESD模擬器充電時間對實驗結(jié)果的影響，實驗中靜電電磁脈沖場作用60次，每次時間間隔為2 s，去掉前20次和后20次，僅保留中間20次的實驗數(shù)據(jù)，然后整理成功誘發(fā)閃絡(luò)的次數(shù)，計算誘發(fā)閃絡(luò)的概率(“靜電電磁脈沖場成功誘發(fā)閃絡(luò)的次數(shù)”與“靜電電磁脈沖場作用次數(shù)”的比值)。另外，為避免因閃絡(luò)導(dǎo)致材料表面絕緣特性的改變，進(jìn)而影響實驗結(jié)果，實驗中每次誘發(fā)閃絡(luò)都要更換聚四氟乙烯樣件，并且每個樣件都取自同一批次聚四氟乙烯材料，樣件上電極位置保持不變。

實驗步驟如下：

通過調(diào)節(jié)四氟乙烯材料表面針-板電極所連接的直流高壓源，改變針-板電極間電壓，使電極結(jié)構(gòu)下的聚四氟乙烯材料表面剛好發(fā)生閃絡(luò)，此時的針-板電極所加電壓即為閃絡(luò)的初始閾值，進(jìn)行誘發(fā)閃絡(luò)實驗時，為驗證靜電電磁脈沖場是否誘發(fā)閃絡(luò)，針-板電極間所加電壓將不超過此閾值。

將降為0，連續(xù)使用靜電電磁脈沖場輻照測試單元，緩慢提升至恰好發(fā)生閃絡(luò)為止，即可測出此時電磁脈沖輻照下的閃絡(luò)電壓閾值。在此基礎(chǔ)上，保持ESD模擬器輸出電壓不變，改變，觀察誘發(fā)閃絡(luò)次數(shù)，得到不同電極電壓下的誘發(fā)規(guī)律。

將電極電壓降至自然閃絡(luò)電壓閾值以下。然后保持不變，改變，再次觀察誘發(fā)閃絡(luò)次數(shù)，得到不同ESD模擬器輸出電壓下的誘發(fā)規(guī)律。

在步驟1～步驟3過程中，通過電流探頭測量板電極接地線上的誘發(fā)放電電流信號波形，判斷測試單元是否發(fā)生閃絡(luò)，據(jù)此研究在不同電極電壓和ESD模擬器輸出電壓下靜電電磁脈沖誘發(fā)閃絡(luò)的概率，分析歸納出誘發(fā)聚四氟乙烯閃絡(luò)的特性規(guī)律。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 誘發(fā)閃絡(luò)的判定

當(dāng)聚四氟乙烯材料表面針-板電極發(fā)生閃絡(luò)時，電流互感器和電壓探頭將會測量到閃絡(luò)電流信號，通過示波器顯示波形如圖5所示，圖5(a)～圖5(f)給出了不同ESD模擬器輸出電壓和電極電壓條件下發(fā)生閃絡(luò)時的電流波形。其中，圖5(a)為=-2.9 kV、=0時無外加靜電電磁脈沖場且電極電壓達(dá)到閃絡(luò)電壓閾值時的自發(fā)閃絡(luò)電流波形，圖5(b)為=0、=-30 kV時不加電極電壓時靜電電磁脈沖場在放電單元及接地線路上因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流波形。

客戶使用繳費云平臺之后，不必再到收費點排隊繳費，減輕了學(xué)校財務(wù)人員的壓力，原來擁擠的繳費大廳變得井然有序?？蛻暨M(jìn)行繳費后，財務(wù)人員在后臺可以實時查看繳費進(jìn)度、繳費賬款及繳費人數(shù)，精確掌握繳費狀態(tài)，繳費完成后可以導(dǎo)出或打印繳費報表。另外，財務(wù)人員可以隨時增加，各種收費項目同時進(jìn)行，互不干擾。

圖5 不同U1和U2下電磁感應(yīng)電流及閃絡(luò)電流波形Fig.5 Waveforms of electromagnetic induction current and flashover current for different U1 and U2

圖5(c)～圖5(f)為誘發(fā)閃絡(luò)電流波形，這些波形的特點是由兩個連續(xù)的衰減震蕩波組成，第1個衰減震蕩波為靜電電磁脈沖輻射場在放電回路中感應(yīng)的電流波，第2個衰減震蕩波為靜電電磁脈沖輻射場誘發(fā)閃絡(luò)電流波。為方便區(qū)分這兩個波，分別在圖5(c)～圖5(f)中標(biāo)記B～E點，B～E點之前的震蕩波分別代表靜電脈沖在放電單元及接地線路上由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流波，B～E點之后的震蕩波代表閃絡(luò)電流波。B～E點表示感應(yīng)電流衰減至0時刻的點。通過觀察示波器是否出現(xiàn)B～E點之間的兩個連續(xù)的衰減震蕩波判斷靜電電磁脈沖輻射場是否成功誘發(fā)閃絡(luò)。

4.2 誘發(fā)閃絡(luò)規(guī)律分析

圖6給出了ESD模擬器輸出電壓為-30 kV 時誘發(fā)閃絡(luò)概率和電極電壓之間的關(guān)系，其中分別取-1.6、-1.7、-1.8、-2.0、-2.2，-2.4 kV，固定為-30 kV。整體來看，誘發(fā)閃絡(luò)概率與電極電壓正相關(guān)，尤其從-1.7 kV至-1.8 kV時誘發(fā)閃絡(luò)概率呈跳躍式增長，在為-2.0、-2.2、-2.4 kV時誘發(fā)閃絡(luò)概率均為100%，說明電極電壓在-2.0 kV 以上時均可成功實現(xiàn)誘發(fā)。

圖7給出了電極電壓為-2.0、-2.4、-2.6、-2.8 kV時誘發(fā)閃絡(luò)概率與ESD模擬器輸出電壓之間的關(guān)系，可看出在相同電極電壓下隨ESD模擬器輸出電壓的增大，誘發(fā)閃絡(luò)的概率增大。ESD模擬器輸出電壓在-25～-10 kV時被誘發(fā)閃絡(luò)概率由高至低的電極電壓等級依次為-2.8、-2.6、-2.4、-2.0 kV，值得注意的是ESD模擬器輸出電壓在-30～-25 kV時全部誘發(fā)閃絡(luò)。因此，ESD模擬器輸出電壓與電極電壓的變化都會影響誘發(fā)閃絡(luò)的概率，ESD模擬器輸出電壓升高及電極電壓的升高會直接導(dǎo)致發(fā)生閃絡(luò)的概率增大。

圖6 誘發(fā)閃絡(luò)概率與電極電壓的關(guān)系Fig.6 Relationship between probability of induced flashover and electrode voltage

圖7 誘發(fā)閃絡(luò)概率與ESD模擬器輸出電壓的關(guān)系Fig.7 Relationship between probability of induced flashover and export voltage of ESD simulator

在電極電壓為-2.8 kV的條件下，ESD模擬器輸出電壓為-10、-5、-2 kV時的誘發(fā)閃絡(luò)情況見表1，此時由于等級比-30、-25 kV 低，靜電電磁脈沖輻射場能量較小，以至于不易誘發(fā)閃絡(luò)。為-10 kV時，當(dāng)靜電脈沖輻照第13次時發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象；為-5 kV 時，當(dāng)靜電脈沖輻照第18次時發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象；為-2 kV時，當(dāng)靜電脈沖輻照第26次時發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象。以上3種情況說明ESD模擬器輸出電壓越高，首次誘發(fā)閃絡(luò)所需要的靜電電磁脈沖輻射場輻照次數(shù)越少。這是由于靜電電磁脈沖輻射場輻照測試單元時會在針-板電極及聚四氟乙烯材料表面產(chǎn)生充電電荷累積效應(yīng)，ESD模擬器輸出電壓越高，每次靜電電磁脈沖輻照充電累積電荷量越多，越早達(dá)到閃絡(luò)閾值，進(jìn)而發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象。

表2給出了電極電壓為-2.8、-2.4、-2.0、-1.6 kV條件下，ESD模擬器輸出電壓固定為-20 kV時的誘發(fā)情況，可看出為-2.8 kV時，當(dāng)靜電電磁脈沖輻照第2次時發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象；為-2.4 kV時，當(dāng)靜電電磁脈沖輻照第3次時發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象；為-2.0 kV 時，當(dāng)靜電電磁脈沖輻照第9次時發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象；為-1.6 kV時，當(dāng)靜電電磁脈沖輻照第37次時發(fā)生首次閃絡(luò)現(xiàn)象。結(jié)果說明電極電壓等級越高，靜電電磁脈沖場首次誘發(fā)閃絡(luò)所需的輻照次數(shù)越少。這是因為電極兩端的電壓越高，在電極-PTFE-空氣三節(jié)點處形成的畸變電場強度越大，進(jìn)而導(dǎo)致畸變電場處場致發(fā)射出的初始電子數(shù)目增多且速度加快，置于場內(nèi)的電子加速度同樣增大，電子被加速撞擊材料表面后產(chǎn)生的二次電子增多，因此需要較少的輻照次數(shù)就能積累較多的電子。

表1 不同ESD模擬器輸出電壓下誘發(fā)閃絡(luò)情況

表2 不同電極電壓下誘發(fā)情況Table 2 Flashover induction for different electrode voltages

4.3 誘發(fā)閃絡(luò)機制分析

根據(jù)1.2節(jié)中式(20)所示誘發(fā)閃絡(luò)電壓條件=+≥以及實驗結(jié)果可知：

1) 無外加靜電電磁脈沖場時，施加的電極電壓會在電極-聚四氟乙烯-空氣三結(jié)點處形成畸變電場，致使三結(jié)點處場致發(fā)射出初始電子，初始電子被電場加速撞擊聚四氟乙烯表面，使聚四氟乙烯表面氣體分子解吸附(脫附)產(chǎn)生二次電子，提升聚四氟乙烯表面電離度，引發(fā)閃絡(luò)現(xiàn)象。實驗得到了閃絡(luò)電壓閾值=-2.9 kV，當(dāng)電極電壓遠(yuǎn)大于閃絡(luò)電壓(?)時，電極電壓在電極-PTFE-空氣三節(jié)點處形成的畸變電場強度足夠大，導(dǎo)致畸變電場處場致發(fā)射出的初始電子數(shù)目多且速度快，置于場內(nèi)的電子加速度足夠大，電子被加速撞擊材料表面后產(chǎn)生的二次電子增多，電子增多后材料表面導(dǎo)電性增強，極易發(fā)生閃絡(luò)。如圖5(a)所示為實驗中=-2.9 kV時發(fā)生閃絡(luò)的波形；當(dāng)電極電壓小于閃絡(luò)電壓(<)時，電極電壓在電極-PTFE-空氣三節(jié)點處形成的畸變電場強度小，即電場的電場強度沒有達(dá)到擊穿場強閾值，電子加速積累動能不足，撞擊中性氣體分子或聚四氟乙烯表面時導(dǎo)致發(fā)生電離的概率大幅降低，生成的二次電子數(shù)目極少，不會形成閃絡(luò)。

在實驗中，雖然靜電電磁脈沖場的近場區(qū)具有場強隨機性，導(dǎo)致誘發(fā)放電現(xiàn)象不穩(wěn)定，但增大ESD模擬器輸出電壓(即增強靜電電磁脈沖場的場強)從根本上還是會提高誘發(fā)閃絡(luò)的概率。整理實驗結(jié)果如圖6和圖7所示，將電極電壓調(diào)至-2.0 kV，當(dāng)ESD模擬器輸出電壓=-30 kV時，施加靜電電磁脈沖誘發(fā)閃絡(luò)的概率為100%，此時+?；當(dāng)ESD模擬器輸出電壓=-20 kV時，誘發(fā)閃絡(luò)概率下降到了18%左右，此時+≥；當(dāng)ESD模擬器輸出電壓=-10 kV時，誘發(fā)閃絡(luò)概率為0，此時+<。

因此，通過1.2節(jié)的理論分析，結(jié)合4.2節(jié)圖6和圖7中的實驗結(jié)果確定閃絡(luò)電壓條件為=+≥；明確了外加靜電電磁脈沖場可誘發(fā)閃絡(luò)，同時由靜電電磁脈沖場的近場區(qū)具有場強隨機性可知，每次發(fā)射的場強大小不能保證完全一致，這就會導(dǎo)致感應(yīng)電壓的大小具有隨機性，所以即使外加靜電電磁脈沖場強足夠大，誘發(fā)閃絡(luò)也存在概率問題。具體情況可分為以下3種：

① 當(dāng)靜電電磁脈沖場強遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于誘發(fā)臨界場強時，能保證產(chǎn)生的感應(yīng)電勢?-，則誘發(fā)閃絡(luò)的概率為100%。

② 當(dāng)靜電電磁脈沖場強在誘發(fā)臨界場強附近時，由于靜電電磁脈沖場的發(fā)射隨機性，不能保證每次發(fā)射脈沖的感應(yīng)電勢>-，此時的誘發(fā)閃絡(luò)就存在概率問題。

③ 當(dāng)靜電電磁脈沖場強小于誘發(fā)臨界場強時，感應(yīng)電勢<-，誘發(fā)概率為0。

5 結(jié) 論

首先依據(jù)SEEA模型進(jìn)一步分析了誘發(fā)閃絡(luò)的電極電壓閾值，然后基于典型的表面針-板電極結(jié)構(gòu)設(shè)計了靜電電磁脈沖場輻照誘發(fā)閃絡(luò)實驗系統(tǒng)，對聚四氟乙烯材料表面進(jìn)行了誘發(fā)閃絡(luò)實驗，并對所得實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，解釋了實驗現(xiàn)象和機制。通過理論分析結(jié)合實驗，得到以下結(jié)論：

1) 充分證明了靜電電磁脈沖場輻照誘發(fā)聚四氟乙烯表面閃絡(luò)現(xiàn)象的存在。

2) 通過理論分析可得影響閃絡(luò)電壓閾值的因素。通過實驗可知在一定的靜電電磁脈沖場強下，能確定該場強下誘發(fā)閃絡(luò)的電極電壓閾值。

3) 在電極電壓一定時，隨著靜電電磁脈沖場強的增加，電極間感應(yīng)電壓會增大，增大的感應(yīng)電壓疊加到電極電壓上后可提高發(fā)生閃絡(luò)的概率。

4) 當(dāng)靜電電磁脈沖場強一定時，隨著電極電壓的升高，電極間電壓更接近閃絡(luò)電壓閾值，誘發(fā)閃絡(luò)的概率逐漸增大。

實驗所得結(jié)論可為航天器表面的防靜電安全技術(shù)提供理論支撐，為航天裝備靜電防護的進(jìn)一步研究奠定實驗基礎(chǔ)，對于強電磁場環(huán)境下航天器在軌運行安全防護措施的研究具有借鑒意義。