CN102507717A - 一种卫星材料表面充电在轨监测的装置及方法 - Google Patents

一种卫星材料表面充电在轨监测的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种卫星材料表面充电在轨监测的装置及方法，属于空间应用技术领域。所述装置包括电子枪、非接触式电位计探头、三维传动机构、非接触式表面电位计、电子束流密度测量***、监测电极、支撑结构、第一电磁阀、第二电磁阀、扩散泵、第三电磁阀、真空箱、机械泵、真空过壁、测量电路接口和测量电路。所述测试方法包括真空条件下对监测电极表面的样品发射电子，通过三维传动机构调节非接触式电位计探头的位置，记录样品表面充电电位Vsurface，并通过测量电路测量泄漏电流I，最后通过已知的样品体电阻ρ，根据公式Vsurface∝KρI得到比例关系系数K；本发明通过监测样品在空间环境下的泄漏电流来反演卫星材料的在轨表面充电情况，具有物理结构简单、易于空间搭载的优点。

Description

一种卫星材料表面充电在轨监测的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种卫星材料表面充电在轨监测的装置及方法，属于空间应用技术领域。
背景技术
卫星内带电一般是由空间中能量在0.1～10MeV的高能电子射入材料内引起的。上述高能电子能够穿透卫星结构(如卫星表面材料、电缆护层等)并沉积电荷于电缆绝缘层、印制电路板、电容器部件、综合电路包或悬浮导体上。如果介质内入射电子的沉积速率超过其泄放速率时，介质内电荷密度将逐渐增大，电场强度也随之增强，当内建电场强度超过介质材料的击穿强度时将发生内放电，也称为电子诱导电磁脉冲(ECEMP)。由放电产生的瞬态脉冲耦合到航天器电子***时，会引起逻辑开关异常，电子***永久性失效或敏感元件性能下降，以致整个***的破坏。除产生电子设备的电磁干扰和损坏外，静电放电也导致表面材料的损坏或物理性能衰退。由于放电产生了局部热量并在电弧放电区产生材料损伤，不但损害航天器的完整性，而且还改变了表面材料的物理特性，从而最终破坏航天器的正常工作。内放电通常接近于电子***从而对卫星***的工作的危害更直接。随着卫星电子***性能的提高和大量新材料的使用，卫星对空间高能电子环境引起的介质材料内带电效应问题也越来越敏感，卫星内带电防护技术成为发展长寿命应用卫星所必须解决的关键技术之一。开展卫星内带电防护技术研究，需要在地面模拟卫星内带电，并监测内放电脉冲，来评价星用材料的内带电防护性能。所以卫星内放电脉冲的监测技术对于卫星内带电防护有着重要的意义。
国内外已有的在轨监测方法，例如震动电容式监测技术，具有结构复杂、音叉制作冗繁的问题，因此需要开发一种物理结构简单、可测定多种卫星常用表面介质材料、易于空间搭载的在轨监测装置及方法。
发明内容
针对现有在轨监测装置结构复杂、制作冗繁的缺陷，本发明的目的是提供一种为卫星表面充电情况的在轨监测的装置及方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种卫星材料表面充电在轨监测的方法，所述方法如下：
在真空条件下对卫星材料样品发射电子模拟空间环境，测量卫星材料样品表面充电电位Vsurface和测量泄漏电流I，卫星材料样品的体电阻ρ已知，根据公式Vsurface∝KρI得到比例关系系数K；在实际在轨监测中，通过在轨测量卫星材料的泄漏电流I，然后通过已求的比例常数系数K和已知的卫星材料的体电阻ρ，根据公式Vsurface∝KρI计算卫星材料的表面电位Vsurface，以实现对卫星材料表面充电情况的在轨监测。
一种卫星材料表面充电在轨监测的装置，所述装置包括电子枪、非接触式电位计探头、三维传动机构、非接触式表面电位计、电子束流密度测量***、监测电极、支撑结构，第一电磁阀，第二电磁阀，扩散泵，第三电磁阀，机械泵，真空箱，真空过壁，测量电路接口和测量电路。
其中，在真空箱内部上方安装电子枪，电子枪发射端与监测电极中心正对；监测电极位于真空箱内部且与真空箱四围内壁不接触；样品放在监测电极表面。
非接触式电位计探头位于真空箱内部，三维传动机构安装于真空箱内部侧壁。
非接触式电位计探头与三维传动机构连接；非接触式表面电位计位于真空箱外部，非接触式表面电位计通过导线穿入真空箱内与非接触式电位计探头2连接。
电子束流密度测量***包括一个位于真空箱内部的法拉第杯和一个位于真空箱外部的微电流计；法拉第杯位于电子枪辐射范围内但不在电子枪的正下方，法拉第杯的底部与样品表面不接触；微电流计通过导线穿入真空箱内与法拉第杯连接。
真空箱下底面开孔，真空过壁设置于该孔中。
监测电极下部安装支撑结构；支撑结构位于安放在真空箱底面的支撑架上；监测电极下端连接导线，导线依次穿过支撑结构和真空过壁后到真空箱外分为两根，一根接地，另一根通过测量电路输入端接口与测量电路连接。
机械泵、扩散泵和第二电磁阀通过管路依次串联后通过第一电磁阀与真空箱连接，第三电磁阀并联于扩散泵和第二电磁阀的两端，且第三电磁阀一端与第一电磁阀连接，另一端与机械泵连接。
其中，监测电极材料为铝或铜；支撑结构为绝缘材料，如聚甲醛树脂或聚四氟乙烯高电阻绝缘材料；测量电路为G欧姆量级输入阻抗的放大电路。
其中，优选电子枪发射端到样品表面的距离为20～50cm；非接触式电位计探头到样品表面的距离为1～2cm。
一种卫星材料表面充电在轨监测的方法，所述方法使用本发明所提供的一种卫星材料表面充电在轨监测的装置，具体步骤如下：
步骤一、将样品固定在监测电极表面。
步骤二、打开机械泵，然后打开第一电磁阀和第三电磁阀抽真空，当真空箱内真空度≤10-1Pa时打开扩散泵，关闭第三电磁阀并打开第二电磁阀抽真空至真空箱内真空度≤10-3Pa。
步骤三、打开电子枪发射电子束，电子束的束流密度为0.2～5.0nA/cm2，能量为5～30KeV。
步骤四、通过三维传动机构运动，调节非接触式电位计探头的位置，当对样品表面电位进行测量时使非接触式电位计探头位于样品和监测电极的正上方，当非接触式表面电位计显示读数时，将探头移出电子枪的辐射范围；待非接触式表面电位计显示样品表面电位稳定后，样品表面充电达到平衡，记录样品表面充电电位Vsurface，并通过测量电路测量监测电极的泄漏电流I，最后通过已知的样品的体电阻，根据公式Vsurface∝KρI代入数值，得到样品表面电位和泄漏电流的比例关系系数K；其中，Vsurface为样品的表面电位，K为比例常数系数，ρ为样品的体电阻，I为泄露电流。
步骤五、改变电子枪的束流密度和电子能量，重复步骤四，得到多次K值后求平均值，得到准确的比例常数系数K。
步骤六、在实际在轨监测中，通过在轨测量卫星材料的泄漏电流I，然后通过已求的比例常数系数K和已知的卫星材料的体电阻ρ，计算卫星材料的表面电位Vsurface，实现卫星材料表面充电情况的在轨监测。
其中，所述样品为卫星表面用典型材料，如S13GLO白漆、Z306尿烷橡胶黑漆、Kapton或Teflon，样品厚度为0.5mm～2mm。
有益效果
本发明是以卫星表面用典型材料为样品，通过监测搭载样品在空间充电环境下的泄漏电流来反演卫星表面用典型材料的在轨表面充电情况。本发明具有物理结构简单、可测定多种卫星常用表面介质材料、易于空间搭载的优点。
附图说明
图1为本发明所述的卫星材料表面充电在轨监测装置示意图；
其中，1-电子枪，2-非接触式电位计探头，3-三维传动机构，4-非接触式表面电位计，5-电子束流密度测量***，6-监测电极，7-支撑结构，8-第一电磁阀，9-第二电磁阀，10-扩散泵，11-第三电磁阀，12-机械泵，13-真空箱，14-真空过壁，15-测量电路接口，16-测量电路。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明作进一步说明。
实施例
如图1所示的一种卫星材料表面充电在轨监测的装置，所述装置包括电子枪1、非接触式电位计探头2、三维传动机构3、非接触式表面电位计4、电子束流密度测量***5、监测电极6、支撑结构7，第一电磁阀8，第二电磁阀9，扩散泵10，第三电磁阀11，机械泵12，真空箱13，真空过壁14，测量电路接口15和测量电路16。
其中，在真空箱13内部上方安装电子枪1，电子枪1发射端与监测电极6中心正对；监测电极6位于真空箱13内部且与真空箱13四围内壁不接触；样品放置在监测电极6表面；电子枪1发射端到样品表面的距离为20～50cm。
非接触式电位计探头2位于真空箱13内部，真空箱13侧壁开有上下两个通孔，三维传动机构3安装于真空箱13内部侧壁。
非接触式电位计探头2通过夹具与三维传动机构3连接；非接触式电位计探头2到样品表面的距离为1～2cm；非接触式表面电位计4位于真空箱13外部，非接触式表面电位计4通过导线穿过上通孔与非接触式电位计探头2连接。
电子束流密度测量***5包括一个位于真空箱13内部的法拉第杯和一个位于真空箱13外部的微电流计；微电流计通过导线穿过下通孔与法拉第杯连接；法拉第杯位于电子枪1辐射范围内但不在电子枪1的正下方，法拉第杯的底部与样品表面不接触。
真空箱13下底面开孔，真空过壁14设置于该孔中。
监测电极6下部安装支撑结构7；支撑结构7位于安放在真空箱13底面的支撑架上；监测电极6下端连接导线，导线依次穿过支撑结构7和真空过壁14后到真空箱13外分为两根，一根接地，另一根通过测量电路输入端接口15与测量电路16连接。
机械泵12、扩散泵10和第二电磁阀9通过管路依次串联后通过第一电磁阀8与真空箱13连接，第三电磁阀11并联于扩散泵10和第二电磁阀9的两端，且第三电磁阀11一端与第一电磁阀8连接，另一端与机械泵12连接。
其中，监测电极16为边长5cm，厚0.15cm的正方形铝板；支撑结构17材料为聚四氟乙烯；测量电路13为G欧姆量级输入阻抗的放大电路；非接触式表面电位计4为trek 341A非接触式表面电位计。
一种卫星材料表面充电在轨监测的方法，使用本发明所提供的一种卫星材料表面充电在轨监测的装置，所述方法具体步骤如下：
步骤一、将厚度为1mm的S13GLO白漆作为样品，通过环氧导电胶粘结固定在监测电极6表面。
步骤二、打开机械泵12，然后打开第一电磁阀8和第三电磁阀11抽真空，当真空箱13内真空度为10-1Pa时打开扩散泵10，关闭第三电磁阀11并打开第二电磁阀9抽真空，至真空箱13内真空度为10-3Pa。
步骤三、打开电子枪1发射电子束，调节电子束的束流密度为0.25nA/cm2，电子能量为5KeV；其中电子枪的辐射范围为Φ30cm。
步骤四、通过三维传动机构3运动，调节非接触式电位计探头2的位置，当对样品表面电位进行测量时使非接触式电位计探头2位于样品和监测电极6的正上方，当非接触式表面电位计4显示读数时，将探头2移出电子枪1的辐射范围；待非接触式表面电位计4显示样品表面电位稳定后，样品表面充电达到平衡，记录样品表面充电电位Vsurface，并通过测量电路16测量监测电极6的泄漏电流I，最后通过已知的样品的体电阻，根据公式Vsurface∝KρI代入数值，得到样品表面电位和泄漏电流的比例关系系数K；其中，Vsurface为样品表面电位，K为比例常数系数，ρ为样品的体电阻，I为泄露电流。
步骤五、分别取电子枪1的束流密度为0.5、1.0和2.0nA/cm2，对应的电子能量分别为10、15和20KeV，重复步骤四，得到多次K值后求平均值，得到准确的比例常数系数K。
步骤六、在实际在轨监测中，通过在轨测量卫星材料的泄漏电流I，然后通过已求的比例常数系数K和已知的卫星材料的体电阻ρ，计算卫星材料的表面电位Vsurface，实现卫星材料表面充电情况的在轨监测。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种卫星材料表面充电在轨监测的方法，其特征在于：所述方法如下：
在真空条件下对卫星材料样品发射电子，测量卫星材料样品表面充电电位Vsurface和测量泄漏电流I，卫星材料样品的体电阻ρ已知，根据公式Vsurface∝KρI得到比例关系系数K；在实际在轨监测中，通过在轨测量卫星材料的泄漏电流I，然后通过已求的比例常数系数K和已知的卫星材料的体电阻ρ，根据公式Vsurface∝KρI计算卫星材料的表面电位Vsurface。
2.一种卫星材料表面充电在轨监测的测试装置，其特征在于：所述装置包括电子枪(1)、非接触式电位计探头(2)、三维传动机构(3)、非接触式表面电位计(4)、电子束流密度测量***(5)、监测电极(6)、支撑结构(7)，第一电磁阀(8)，第二电磁阀(9)，扩散泵(10)，第三电磁阀(11)，机械泵(12)，真空箱(13)，真空过壁(14)，测量电路接口(15)和测量电路(16)；
其中，在真空箱(13)内部上方安装电子枪(1)，电子枪(1)发射端与监测电极(6)中心正对；监测电极(6)位于真空箱(13)内部且与真空箱(13)四围内壁不接触；样品放在监测电极(6)表面；
非接触式电位计探头(2)位于真空箱(13)内部，三维传动机构(3)安装于真空箱(13)内部侧壁；
非接触式电位计探头(2)与三维传动机构(3)连接；非接触式表面电位计(4)位于真空箱(13)外部，非接触式表面电位计(4)通过导线穿入真空箱(13)内与非接触式电位计探头(2)连接；
电子束流密度测量***(5)包括一个位于真空箱(13)内部的法拉第杯和一个位于真空箱外部的微电流计；法拉第杯位于电子枪(1)辐射范围内但不在电子枪(1)的正下方，法拉第杯的底部与样品表面不接触；微电流计通过导线穿入真空箱(13)内与法拉第杯连接；
真空箱(13)下底面开孔，真空过壁(14)设置于该孔中；
监测电极(6)下部安装支撑结构(7)；监测电极(6)下端连接导线，导线依次穿过支撑结构(7)和真空过壁(14)后到真空箱(13)外分为两根，一根接地，另一根通过测量电路输入端接口(15)与测量电路(16)连接；
机械泵(12)、扩散泵(10)和第二电磁阀(9)通过管路依次串联后通过第一电磁阀(8)与真空箱(13)连接，第三电磁阀(11)并联于扩散泵(10)和第二电磁阀(9)的两端，且第三电磁阀(11)一端与第一电磁阀(8)连接，另一端与机械泵(12)连接；
其中，监测电极(6)材料为铝或铜；支撑结构(7)为绝缘材料；测量电路(16)为G欧姆量级输入阻抗的放大电路。
3.如权利要求2所述的一种卫星材料表面充电在轨监测装置，其特征在于：电子枪(1)发射端到样品表面的距离为20～50cm。
4.如权利要求2所述的一种卫星材料表面充电在轨监测装置，其特征在于：非接触式电位计探头(2)到样品表面的距离为1～2cm。
5.一种卫星材料表面充电在轨监测的方法，使用如权利要求2所述的一种卫星材料表面充电在轨监测的装置，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
步骤一、将样品固定在监测电极(6)表面；
步骤二、打开机械泵(12)，然后打开第一电磁阀(8)和第三电磁阀(11)抽真空，当真空箱(13)内真空度≤10-1Pa时打开扩散泵(10)，关闭第三电磁阀(11)并打开第二电磁阀(9)，抽真空至真空箱(13)内真空度≤10-3Pa；
步骤三、打开电子枪(1)发射电子束，电子束的束流密度为0.2～5.0nA/cm2，能量为5～30KeV；
步骤四、通过三维传动机构(3)运动，调节非接触式电位计探头(2)的位置，当对样品表面电位进行测量时使非接触式电位计探头(2)位于样品和监测电极(6)的正上方，当非接触式表面电位计(4)显示读数时，将探头(2)移出电子枪(1)的辐射范围；待非接触式表面电位计(4)显示样品表面电位稳定后，样品表面充电达到平衡，记录样品表面充电电位Vsurface，并通过测量电路(16)测量监测电极(6)的泄漏电流I，最后通过已知的样品的体电阻，根据公式Vsurface∝KρI代入数值，得到样品表面电位和泄漏电流的比例关系系数K；其中，Vsurface为样品的表面电位，K为比例常数系数，ρ为样品的体电阻，I为泄露电流；
步骤五、改变电子枪(1)的束流密度和电子能量，重复步骤四，得到多次K值后求平均值，得到准确的比例常数系数K；
步骤六、在实际在轨监测中，通过在轨测量卫星材料的泄漏电流I，然后通过已求的比例常数系数K和已知的卫星材料的体电阻ρ，计算卫星材料的表面电位Vsurface；
其中，所述样品为卫星表面用典型材料。
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