专利名称：一种电子辐照下介质材料表面电荷密度的测试方法
技术领域：
本发明涉及一种电子辐照下介质材料表面电荷密度的测试方法，属于测试领域。
背景技术：
空间等离子体会对飞行器表面充电，从而引起飞行器的表面电荷积累。随着表面电荷积累量增加，其产生的电场强度也随之增强。当电场强度达到表面材料的击穿阈值时， 电荷发生转移从而引起表面空间静电放电。由空间静电放电产生的瞬态脉冲耦合到飞行器电子系统时，会引起逻辑开关异常、电子系统故障或敏感元件性能下降，以致整个系统的破坏。除产生电子设备的电磁干扰和损坏外，空间静电放电也导致表面材料的损坏或物理性能衰退，从而影响飞行器的正常工作。
测量材料的表面电荷分布是研究介质表面充放电效应的重要手段和内容，介质表面电荷直接与介质表面的电场分布相关，决定介质材料表面放电的特性。目前，文献 “Tenbohlem S, Schrocher G. The influence of surface charge on lightingimpulse breakdown of spacer in SF6. IEEE Trans on EI, 2000. 7 (2) :241.，，已建立了基于静电电容原理的适用于测量高压绝缘子表面电荷分布的测试系统。但是这种常规的表面电荷分布测量方法并不完全适合于空间带电环境，常规方法不适于电子辐照条件的主要原因有 (I)测试环境不同地面建立的测试系统是用于测量施加了直流高压的绝缘子表面电荷产生的感应电荷，而该系统是测量在能量电子辐照下介质材料产生的沉积电荷；因此，测量需要屏蔽能量电子的辐照效应。(2)测量精度要求不同常规的介质表面电荷测量范围为 μ C/m2量级，而本系统测量的表面电荷将小于常规测量至少一个数量级。因此，该系统需要设计具有更高精度的静电电容探头。发明内容
为克服现有常规的高压绝缘子表面电荷密度分布测量方法的不足之处，本发明提供一种高精度、抗电子辐照的介质表面电荷测试方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
—种介质材料表面电荷密度的测试系统，所述系统包括电子枪、三维传动机构、真空屏蔽过壁、高阻计、静电电容探头、真空室、抽真空系统；
其中，在真空室内部，电子枪安装在真空室顶部；在真空室底部设有支撑架，在支撑架上放置介质样品材料；在真空室侧壁安装有真空屏蔽过壁，三维传动机构一端与静电电容探头连接，另一端安装在真空屏蔽过壁中，实现静电电容探头在介质样品材料表面的移动；屏蔽信号线一端与静电电容探头连接，另一端通过真空屏蔽过壁与真空室外的高阻计连接；
优选所述静电电容探头包括感应电极、屏蔽信号线、绝缘套、屏蔽外壳；其中，感应电极位于静电电容探头的中心轴线上，感应电极外部依次包覆有绝缘套和屏蔽外壳；屏蔽信号线一端与感应电极连接，另一端穿过真空屏蔽过壁与高阻计连接；
优选感应电极材料为紫铜，绝缘套材料为聚四氟乙烯或陶瓷，屏蔽外壳材料为招;优选感应电极和绝缘套的接触面为环扣式结构，目的是为了减少感应电极和绝缘套的接触面积，提高感应电极的灵敏度；优选感应电极为直径为2mm，长为60mm的圆柱体；绝缘套为下部开口，长度为70mm、内半径为6mm、外半径为IOmm的圆筒；屏蔽外壳为下部开口，长度77mm,内径为16mm,外径为20mm的圆筒。优选屏蔽信号线使用RG142U型号的屏蔽线，并在全部屏蔽信号线包覆在一层接地的铝箔中，所述铝箔厚度为O. Olmm ； 一种介质材料表面电荷密度的测试方法，所述方法在所述介质材料表面电荷密度的测试系统上进行，步骤如下步骤一、静电电容探头的标度将金属导体放置在支撑架上，位于静电电容探头正下方3飞mm处；通过-10(T-20000V的直流高压电源对导体施加直流电压，施加电压从-100V开始，电压增加步长为10(T400V，通过高阻计得到静电电容探头在不同施加电压下的感应电压，并作出静电电容探头感应电压与施加直流电压的关系曲线，利用式(I)获得静电电容探头的灵敏度和施加电压的线性关系。
QU2 —"I.····..................................... (I)
C1 + C1式中的C1为静电电容探头与金属导体之间的电容，C2为静电电容探头及测试线对地的电容，C1, C2均为常数。U1为金属导体表面的电压，即直流高压电源对导体施加的直流电压；U2为静电电容探头的感应电压。如果Up U2满足线性关系，接步骤二 ；步骤二、将介质样品材料放置在支撑架上表面，静电电容探头距介质样品材料表面3 5_，开启抽真空系统抽真空，使真空室内的真空度彡8. OXKT4Pa ；步骤三、开启电子枪模拟静止地球轨道(GEO)电子环境，对介质样品材料进行辐照；利用三维传动机构对介质样品材料表面进行扫描测量，通过高阻计和静电电容探头得到介质样品材料表面的电位分布；步骤四、结合静电电容原理，利用静电电容探头测量电压与介质样品材料表面电荷之间的关系式(2)，计算出介质样品材料的表面电荷分布。σ =...................................... (2)式中C1为静电电容探头及测试线对地的电容，A为静电电容探头的感应面积，U2为静电电容探头的测量电压。优选步骤三中，电子枪发射的电子束流密度为O. 5nA/cm2,电子能量为14KeV。有益效果I.本发明提供了一种高灵敏度静电电容探头，基于静电电容原理，所述探头包括感应电极、绝缘套、屏蔽外壳。其中将紫铜棒作为感应电极，聚四氟乙烯绝缘套用于放置感应电极并使其与测量系统其他部分绝缘，在聚四氟乙烯绝缘套的外部加工一个O. 5mm厚的铝屏蔽外壳，屏蔽20keV能量的电子辐照。此外，探头的环扣式设计减少了自身电容，提高了探头的分辨率；2.本发明提供了一种电子辐照下介质材料表面电荷密度的测试系方法，所述方法首先使用金属导体代替介质样品材料，利用直流高压源对导体施加不同的直流高压电压，得到探头感应电压和施加的直流高压之间的关系，利用关系曲线拟合得出静电电容的灵敏度和施加电压的线性关系。3.在所述方法使用的测试系统中，屏蔽信号线使用RG142U型号的屏蔽线，并将全部屏蔽信号线外部包覆在一层接地的O. Olmm铝箔中，其作用是屏蔽电子辐照效应。感应电压弱信号通过Keithley 6517AA高阻计测量，实现了弱信号测量及电子辐照屏蔽设计。整个测试系统利用铝屏蔽消除了电子辐照效应，使其适应与电子辐照环境下的测试工作。
·图I为本发明所述的电子辐照下介质材料表面电荷密度的测试系统的结构示意图。图2为本发明所述的静电电容探头的结构示意图。图3为实施例得到的静电电容探头的灵敏度和施加电压的线性关系图。图中1为电子枪，2为三维传动机构，3为真空屏蔽过壁，4为高阻计，5为静电电容探头，6为介质样品材料，7为真空室，8为抽真空系统，9为感应电极，10为屏蔽信号线，11为绝缘套，12为屏蔽外壳。
具体实施例方式下面通过实施例，对本发明作进一步说明。实施例如图I所不的一种介质材料表面电荷密度的测试系统,所述系统包括电子枪I、三维传动机构2、真空屏蔽过壁3、高阻计4、静电电容探头5、真空室7、抽真空系统8 ；其中，在真空室7内部，电子枪I安装在真空室7顶部；在真空室7底部设有支撑架，在支撑架上放置介质样品材料6 ;在真空室7侧壁安装有真空屏蔽过壁3，三维传动机构2 一端与静电电容探头5连接，另一端安装在真空屏蔽过壁3中，实现静电电容探头5在介质样品材料6表面的移动；屏蔽信号线10 —端与静电电容探头5连接，另一端通过真空屏蔽过壁3与真空室7外的高阻计4连接；所述高阻计4为Keithley 6517A高阻计；所述静电电容探头5包括感应电极9、屏蔽信号线10、绝缘套11、屏蔽外壳12 ;其中，感应电极9位于静电电容探头5的中心轴线上,感应电极9外部依次包覆有绝缘套11和屏蔽外壳12 ;屏蔽信号线10 —端与感应电极9连接，另一端穿过真空屏蔽过壁3与高阻计4连接；感应电极9材料为紫铜，绝缘套11材料为聚四氟乙烯或陶瓷，屏蔽外壳12材料为招;感应电极9和绝缘套11的接触面为环扣式结构，目的是为了减少感应电极9和绝缘套11的接触面积，提高感应电极9的灵敏度；感应电极9为直径为2mm，长为60mm的圆柱体；绝缘套11为下部开口，长度为70mm、内半径为6mm、夕卜半径为IOmm的圆筒；屏蔽外壳12为下部开口，长度77mm,内径为16mm,夕卜径为20_的圆筒。屏蔽信号线10使用RG142U型号的屏蔽线，并将全部屏蔽信号线10包覆在一层接地的铝箔中，所述铝箔厚度为O. Olmm ；一种介质材料表面电荷密度的测试方法，所述方法在所述介质材料表面电荷密度的测试系统上进行，步骤如下步骤一、静电电容探头5的标度将金属导体放置在支撑架上，位于静电电容探头5正下方T5mm处；通过(T-20000V的直流高压电源对导体施加直流电压，施加电压从OV开始，电压增加步长为200V，通过高阻计4得到静电电容探头5在不同施加电压下的感应电压，并作出静电电容探头5感应电压与施加直流电压的关系曲线，利用式(I)获得静电电容探头5的灵敏度和施加电压的线性关系，如图3所示。
权利要求
1.一种介质材料表面电荷密度的测试系统,其特征在于所述系统包括电子枪(I)、三维传动机构(2)、真空屏蔽过壁(3)、高阻计(4)、静电电容探头(5)、真空室(7)、抽真空系统(8)；其中，在真空室(7)内部，电子枪(I)安装在真空室(7)顶部；在真空室(7)底部设有支撑架，在支撑架上放置介质样品材料(6);在真空室(7)侧壁安装有真空屏蔽过壁(3)，三维传动机构(2 ) —端与静电电容探头(5 )连接，另一端安装在真空屏蔽过壁(3 )中，实现静电电容探头(5)在介质样品材料(6)表面的移动；屏蔽信号线(10) —端与静电电容探头(5) 连接，另一端通过真空屏蔽过壁(3)与真空室(7)外的高阻计(4)连接。
2.根据权利要求I所述的一种介质材料表面电荷密度的测试系统，其特征在于所述静电电容探头(5)包括感应电极(9)、屏蔽信号线(10)、绝缘套(11)、屏蔽外壳(12);其中， 感应电极(9)位于静电电容探头(5)的中心轴线上,感应电极(9)外部依次包覆有绝缘套(11)和屏蔽外壳(12);屏蔽信号线(10) 一端与感应电极(9)连接，另一端穿过真空屏蔽过壁(3)与高阻计(4)连接。
3.根据权利要求2所述的一种介质材料表面电荷密度的测试系统，其特征在于感应电极(9)材料为紫铜，绝缘套(11)材料为聚四氟乙烯或陶瓷，屏蔽外壳(12)材料为铝。
4.根据权利要求2所述的一种介质材料表面电荷密度的测试系统，其特征在于感应电极(9)和绝缘套(11)的接触面为环扣式结构。
5.根据权利要求2所述的一种介质材料表面电荷密度的测试系统，其特征在于感应电极(9)为直径为2mm,长为60mm的圆柱体；绝缘套(11)为下部开口，长度为70mm、内半径为6mm、外半径为IOmm的圆筒；屏蔽外壳(12)为下部开口，长度77mm,内径为16mm,外径为 20mm的圆筒。
6.根据权利要求2所述的一种介质材料表面电荷密度的测试系统，其特征在于屏蔽信号线(10)使用RG142U型号的屏蔽线，并将全部屏蔽信号线(10)包覆在一层接地的铝箔中。
7.一种介质材料表面电荷密度的测试方法，其特征在于所述方法在如权利要求I至6 任一项所述的测试系统上进行，所述方法步骤如下步骤一、静电电容探头(5)的标度将金属导体放置在支撑架上，位于静电电容探头(5)正下方T5mm处；通过-10(T-20000V的直流高压电源对导体施加直流电压，施加电压从-100V开始，电压增加步长为10(T400V，通过高阻计(4)得到静电电容探头(5)在不同施加电压下的感应电压，并作出静电电容探头(5)感应电压与施加直流电压的关系曲线，利用式I获得静电电容探头(5)的灵敏度和施加电压的线性关系；
8.根据权利要求7所述的一种介质材料表面电荷密度的测试方法，其特征在于步骤三中，电子枪(I)发射的电子束流密度为O. 5nA/cm2,电子能量为14KeV。
全文摘要
本发明涉及一种电子辐照下介质材料表面电荷密度的测试方法，属于测试领域。所述方法步骤包括静电电容探头的标度，将介质样品材料放置在支撑架上表面，开启抽真空系统抽真空，开启电子枪模拟静止地球轨道(GEO)电子环境，对介质样品材料进行辐照；利用三维传动机构对介质样品材料表面进行扫描测量，通过高阻计和静电电容探头得到介质样品材料表面的电位分布；结合静电电容原理，利用静电电容探头测量电压与介质样品材料表面电荷之间的关系式，计算出介质样品材料的表面电荷分布。所述方法能够拟合得出静电电容的灵敏度和施加电压的线性关系，消除了电子辐照效应，使其适应与电子辐照环境下的测试工作。
文档编号G01R29/24GK102937673SQ201210484898
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月25日 优先权日2012年11月25日
发明者汤道坦, 李得天, 李存惠, 秦晓刚, 柳青, 杨生胜 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所