电子辐照介质表面电荷分布测量研究

　　在轨航天器与空间等离子体相互作用，可引起静电荷在卫星表面积累，产生静电放电，影响航天器的安全运行。基于静电电容原理，设计了表面电荷测量装置，并针对航天器常用的表面介质材料，利用建立的表面电荷测量装置，开展电子束辐照下表面电荷分布测量研究。研究结果可为表面带电效应的深入研究提供手段和参考。

1、引言

　　空间等离子体引起的卫星表面充放电效应，对卫星的在轨正常工作和安全运行具有重要影响。卫星在轨运行期间，如果卫星沉浸于具有一定能量和密度的空间等离子体中，卫星表面材料和等离子体相互作用，将使卫星表面材料积累电荷，产生表面材料相对于其他部位的静电电位。当这个电位达到击穿阈值时，即以电晕、飞弧、击穿等方式产生静电放电，并辐射电磁脉冲，对星上电子系统和材料产生影响，直接威胁卫星安全。

　　卫星表面充放电效应过程是电荷在卫星表面材料积累和泄放的过程。为了充分了解卫星表面充放电效应过程，开展等离子体充电环境下的星用材料的表面电荷密度分布情况研究是重要手段之一。目前，国内外针对脉冲电压下真空绝缘子的沿面闪络现象，开展大量的绝缘子表面电荷分布测量研究，但是尚无开展等离子充电环境下的介质表面电荷分布。因此，为了深入研究卫星表面充放电效应，利用基于静电电容原理自制的表面电荷测量探头，开展了等离子体充电环境下的介质表面电荷分布测量研究，初步获得了磁暴等离子体充电环境下典型星用材料表面电荷分布，为深入研究表面充放电效应提供参考。

2、测量原理

　　静电电容的表面电荷测量方法是利用电容分压原理，静电容探头可近似视作电容分压器，其结构示意图和等效电路如下图1所示。

图1 静电电容探针电路测量原理示意图

4、试验结果

　　试验中真空度为8.4×10^-4 Pa，电子枪的发射的电子能量为18 keV，束流密度为1 nA/cm²。Kapton 材料在模拟空间等离子充电环境中，一般在30 min 可达到充电平衡，因此，将待测样品在电子环境中辐照30 min后，利用测量系统，对样品中心区域3.5 cm×3.5 cm 范围进行扫描测量，试验结果如图5 所示。图5 显示充电30 min 时的样品表面平均电荷密度为-139.69 uC /m²。

图5　充电30分钟样品表面电荷密度分布

图6　放电之后样品表面电荷密度分布

　　继续对样品进行辐照充电，直至发生放电，然后迅速关闭电子枪，对样品进行扫描测量，试验结果如图6所示。图6 显示放电后的平均电荷密度为-30.33 uC/m²，分布较充电平衡时均匀。通过对比发现，放电后介质表面电荷密度减少到充电平衡时的约1/5 左右，说明发生放电并不能完全消耗了介质表面积累的电荷，存在一定的残留电荷。

5、结论

　　基于电容分压原理，研制的表面电荷测量系统线性特性较好，可用于电子辐照下的介质表面电荷分布测量研究。同时，利用建立的表面电荷测量系统对模拟空间充电等离子辐照下的典型星用介质材料表面电荷分布进行了测量。测量结果表明：充电平衡时Kapton 材料的表面电荷平均密度可达-139.69 uC/m²，发生静电放电后材料表面大约有1/5 左右的残留电荷。研究结果可对深入研究表面充放电效应提供测试手段和数据。