王金曉，陳益峰，柳 青，孫 勇，秦曉剛，楊生勝，李 偉，譚文軍

（1.許昌學院 化工與材料學院，河南 許昌 461000；2.蘭州空間技術物理研究所，甘肅 蘭州 730000；3.許絕電工股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

衛(wèi)星在軌運行期間將與空間高能電子、等離子體和太陽輻照等發(fā)生作用，導致電荷在星用絕緣材料表面和內(nèi)部積累，從而產(chǎn)生充放電效應，造成衛(wèi)星功能材料損壞、電子系統(tǒng)干擾、能源系統(tǒng)功率損耗甚至短路，嚴重威脅著衛(wèi)星的正常運行和在軌安全[1-5]。

星用絕緣材料的本征電阻率是確定積累電荷分布和平衡的重要參數(shù)，直接決定衛(wèi)星的充電平衡電位和充電速率，因此星用絕緣材料的性能及其測試方法一直是衛(wèi)星充放電效應研究的重點[6]。2005年前后，美國噴氣推進實驗室（JPL）提出：由于空間充放電環(huán)境中的電荷注入方法、電極數(shù)目等因素與地面存在較大差異，傳統(tǒng)的三電極方法[7]并不完全適用于空間絕緣材料本征電導率的測試，因而建立了電荷衰減法[8-10]。研究表明電荷衰減法測得的電導率比三電極法低1～4個數(shù)量級，能夠更為準確地預測在軌試驗中靜電放電脈沖的輻值與頻率[11]，因此該方法得到了國內(nèi)外航天機構的廣泛研究和認可[12-17]。

目前，NASA-HDBK-4002A等國內(nèi)外航天標準規(guī)范中明確規(guī)定采用電荷衰減法測試星用絕緣材料的本征電導率[18-21]。標準中建議采用能量為千電子伏（keV）量級的電子輻照絕緣材料，材料厚度一般為1～2 mm[21]。當材料表面充電至平衡狀態(tài)時，停止輻照并監(jiān)測電位衰減規(guī)律，從而計算得到本征電導率。但相關報道中均未研究輻照電子的能量大小是否會影響電導率的測試結果，因此測試中輻照電子的能量選取成為急需解決的關鍵問題。

本研究采用能量為5～20 keV的輻照電子開展電荷衰減法對星用絕緣材料本征電導率的測試，重點分析輻照電子能量對電導率測試結果的影響，并對電荷衰減法中的數(shù)據(jù)處理方法進行優(yōu)化改進，為輻照電子能量的選取提供依據(jù)，以期對電荷衰減法本征電導率測試技術的應用及充放電效應預示評估提供參考。

1 試驗原理與方法

電荷衰減測試本征電導率的試驗原理為利用電子槍產(chǎn)生電子束輻照絕緣材料，使其表面充電到平衡狀態(tài)，然后停止輻照并繼續(xù)監(jiān)測材料表面的電位衰減規(guī)律，樣品充電平衡后的電位衰減可用式（1）[18-21]擬合。

式（1）中：V(t)為表面電位；V0為充電平衡時表面電位；t為表面電位衰減時間；τ為衰減時間常數(shù)。

通過式（1）擬合獲得衰減時間常數(shù)τ，利用式（2）～（3）可計算絕緣材料的本征電導率。

式（2）～（3）中：ε0為真空絕對介電常數(shù)；εr為相對介電常數(shù)；ρ為電阻率；σ為電導率。

基于上述試驗原理，測試星用典型絕緣材料聚酰亞胺（PI）的本征電導率，PI材料為美國杜邦公司生產(chǎn)，加工成直徑為100 mm、厚度為1.5 mm的樣品，并將其背面進行鍍鋁處理。樣品鍍鋁面放置于兩絕緣塊上，使其與樣品臺絕緣，中心連接導線，引出真空室與微電流計相連。

試驗裝置示意圖如圖1所示，采用電子槍分別產(chǎn)生能量為 5、10、15、20 keV，束流密度均為 0.3 nA/cm2的電子輻照PI材料，并通過非接觸式表面電位計測試其表面電位，測試時表面電位計與材料樣品表面的距離為5 cm。當電子槍開始輻照時，每間隔10 min測試一次材料表面的充電電位，若相鄰間隔時間內(nèi)充電電位的變化幅值低于50 V時，即可判定表面電位已達到了平衡。

圖1 電荷衰減法測試本征電導率的示意圖Fig.1 Schematic diagram of conductivity measurement by charge decay method

當PI材料表面電位達到平衡后便停止電子輻照，繼續(xù)利用非接觸式表面電位計監(jiān)測表面電位的衰減規(guī)律。因為停止電子輻照后的60 min是電位衰減最快的時間段，所以每間隔5 min測試一次表面電位；此后電位衰減趨勢將變緩，則每間隔10 min測試一次；若表面電位幅值小于500 V或下降至充電平衡電位幅值的1/4以下時，電位衰減將非常緩慢，因此可以每30 min測試一次。

基于試驗測試獲得電位衰減結果，采用式（1）對其進行擬合獲得衰減時間常數(shù)τ，通過式（2）～（3）計算出PI材料的本征電導率。

2 試驗結果與分析

絕緣材料的充電平衡電位與輻照電子的能量密切相關。試驗中分別采用能量為5、10、15、20 keV的電子輻照PI材料，測得表面電位隨輻照時間的變化規(guī)律如圖2所示。從圖2可以看出，PI材料表面電位的幅值均隨輻照時間增加而升高，當輻照時間為60 min時，不同能量電子輻照下的PI材料的表面電位都達到了平衡狀態(tài)。同時隨著輻照電子能量的升高，PI材料的平衡電位的幅值升高。當輻照電子能量為5 keV時，其平衡電位僅為-2 000 V左右，而當輻照電子能量增加至20 keV時，平衡電位的幅值約為-11 000 V。這主要是由于輻照電子會在材料表面產(chǎn)生負電荷積累，從而對后續(xù)輻照的電子產(chǎn)生阻擋效應，使得能量較低的電子無法達到材料表面，而能量高的電子能夠突破阻擋作用進一步輻照材料并在表面積累，導致表面充電電位的幅值更高。因此，能量越大的輻照電子在絕緣材料表面產(chǎn)生的平衡電位幅值越高。

圖2 PI材料表面電位隨輻照能量和時間的變化Fig.2 The surface potential of PI varies with irradiation energy and time

當絕緣材料表面電位達到平衡后，停止電子輻照并繼續(xù)監(jiān)測表面電位變化。不同能量電子輻照后，PI材料表面電位隨時間的衰減規(guī)律及采用式（1）擬合的結果如圖3所示。

圖3 不同能量電子輻照后PI材料表面電位隨時間的衰減規(guī)律及采用式（1）的擬合結果Fig.3 The decay law of the surface potential of PI with time after different energy electron irradiation and the fitting results of formula(1)

從圖3可以看出，當停止電子輻照后，PI材料表面電位幅值先迅速下降，隨著時間的增加再緩慢下降。根據(jù)雙陷阱理論[22-24]，被淺陷阱束縛的電荷容易脫陷，因此開始階段的電位衰減較快，隨著時間的增加，深陷阱的電荷脫陷需要克服更大的束縛，電位衰減速度減慢；同時電荷出陷概率與停止輻照時被載流子占據(jù)的陷阱密度密切相關，初始階段載流子占據(jù)的陷阱密度大，電荷出陷概率大，電位衰減快，隨著載流子占據(jù)的陷阱密度越來越小，電荷脫陷概率也越來越小，電位衰減也越來越慢。

從圖3還可以看出，隨著輻照電子能量從5 keV增加至20 keV，樣品電位衰減所需的時間從600 min增加至1 200 min。這主要是由于輻照電子能量越大，樣品表面平衡電位的幅值越高，而表面電位幅值越高，電位作用時間越長將導致入陷的電荷數(shù)量越多[23]，因此所需的衰減時間越長。

采用式（1）對表面電位衰減數(shù)據(jù)擬合后可以發(fā)現(xiàn)，能量越高的電子輻照PI材料，產(chǎn)生的表面電位衰減時間常數(shù)τ越大，當輻照電子能量為5 keV時，τ僅為5 400 s，而當能量增至20 keV時，τ增至12 000 s；繼而采用式（2）～（3）計算出不同能量電子輻照下PI材料本征電導率值，結果如表1所示。

表1 不同能量電子輻照下PI材料本征電導率Tab.1 The intrinsic conductivity of PI after different energy electron irradiation

從表1可以看出，能量越高的電子輻照后，擬合計算獲得的PI材料本征電導率越小，當電子能量從5 keV增加至20 keV，測試獲得的本征電導率從1.64×10-15Ω-1·m-1下降為 0.74×10-15Ω-1·m-1。由此可見，在采用電荷衰減法測試絕緣材料本征電導率的過程中，輻照電子的能量選取將直接影響測試結果。這是由于在電子輻照絕緣材料時，電荷將在材料表面積累并產(chǎn)生數(shù)千至上萬伏的充電電位，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生強電場E，如圖4所示。在電場的作用下，絕緣材料內(nèi)部將產(chǎn)生極化效應，直接影響絕緣材料固有的電導率和介電常數(shù)。由于不同能量的電子輻照絕緣材料將在其表面產(chǎn)生不同的充電電位，其內(nèi)部的極化程度也不相同，因此采用未考慮極化效應的擬合方法計算獲得的本征電導率必然存在較大差異。

圖4 電子輻照下絕緣材料內(nèi)部極化現(xiàn)象示意圖Fig.4 The diagram of polarization in insulating material under electron irradiation

同時，絕緣材料內(nèi)部的極化效應也可以很好地解釋圖3中表面電位的衰減規(guī)律：當電子輻照剛停止時，PI材料表面仍具有較高的充電電位，此時材料內(nèi)部極化程度較為嚴重，導致其表面電位衰減的速度快；隨著時間的增加，表面電位幅值不斷下降，材料內(nèi)部極化逐漸減緩，表面電位衰減的速度趨于緩慢。

基于上述分析，在采用電荷衰減法測試絕緣材料本征電導率過程中，不同能量的輻照電子在材料表面積累不同的充電電位，導致材料內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的極化現(xiàn)象，而式（1）未考慮材料極化對擬合結果的影響。因此，對表面電位衰減數(shù)據(jù)擬合方法進行改進，將衰減時間常數(shù)τ優(yōu)化為本征衰減時間常數(shù)τd和極化衰減時間常數(shù)τp兩部分組成，并考慮了極化現(xiàn)象對材料介電常數(shù)的影響，則式（1）可改寫為式（4），而絕緣材料的本征電導率則為式（5）。

采用式（4）對不同能量電子輻照后PI材料的表面電位數(shù)據(jù)進行擬合，即可獲得本征衰減時間常數(shù)τd和極化衰減時間常數(shù)τp，擬合結果如圖5所示。從圖5可以看出，雖然測試PI材料本征電導率采用了不同能量的電子輻照，但利用式（4）擬合獲得本征衰減時間常數(shù)τd數(shù)值范圍為28 200～28 800 s，其數(shù)值基本一致。進一步利用式（5）計算，分別采用5、10、15、20 keV電子輻照測試獲得的PI材料本征電導率為3.11×10-16、3.13×10-16、3.07×10-16、3.07×10-16Ω-1·m-1，測試結果基本一致。這也符合本征電導率是絕緣材料固有參數(shù)的認識。

圖5 不同能量電子輻照后PI材料表面電位隨時間的衰減規(guī)律及采用式（4）的擬合結果Fig.5 The decay law of the surface potential of PI with time after different energy electron irradiation and the fitting results of formula(4)

同時，隨著輻照電子能量的升高，材料極化衰減時間常數(shù)τp呈增加趨勢，當輻照電子能量從5 keV增加至20 keV時，τp也由1 800 s增至16 800 s。這是由于能量越高的電子輻照將在材料產(chǎn)生更為嚴重的電離效應，導致聚合物介質(zhì)內(nèi)部的陷阱密度和能級均增加[24]，使得入陷電荷的數(shù)量和陷阱對電荷的束縛能力隨之增大；同時電子輻照能量越高，表面充電電位幅值越高，且電位作用時間更長，導致入陷的電荷數(shù)量越多，因此所需的極化衰減時間也更長，這也驗證了該數(shù)據(jù)擬合方法的合理性。

3 結論

（1）在不同能量電子的輻照下，PI材料表面將產(chǎn)生-2 000 V至-11 000 V的充電平衡電位，導致材料內(nèi)部產(chǎn)生極化效應，且表面電位幅值越大，材料內(nèi)部極化越嚴重，從而影響本征電導率的測試分析結果。

（2）改進后的處理方法擬合獲得不同能量電子輻照下本征電導率的測試結果基本一致，而極化衰減時間常數(shù)隨著輻照電子能量的增加而增加，符合表面電位對絕緣材料內(nèi)部極化程度的影響規(guī)律，驗證了該數(shù)據(jù)處理方法的正確性。