陳益峰,王金曉,馮 娜,秦曉剛,楊生勝,季啟政,韓炎暉,柳 青

(1. 許昌學(xué)院 表面微納米材料研究所, 河南 許昌 461000; 2. 北京東方計(jì)量測(cè)試研究所, 北京 100086;3. 蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)

地磁亞暴期間,運(yùn)行于地球同步軌道(geosynchronous earth orbit, GEO)的衛(wèi)星將遭遇大通量的高能等離子體,導(dǎo)致衛(wèi)星表面產(chǎn)生數(shù)千甚至上萬(wàn)伏的充電電位[1-4],誘發(fā)的靜電放電不僅造成衛(wèi)星表面功能材料的損傷,同時(shí)放電脈沖還將耦合干擾器件與電路的正常工作,造成衛(wèi)星電子系統(tǒng)的異常與故障[5-8]。

柔性熱控薄膜材料常用于衛(wèi)星的外表面,可有效將衛(wèi)星內(nèi)部溫度環(huán)境與空間差異巨大的熱環(huán)境相隔離,保障衛(wèi)星系統(tǒng)的正常運(yùn)行,因此其空間環(huán)境的適應(yīng)性和性能的穩(wěn)定性對(duì)于衛(wèi)星在軌安全至關(guān)重要[9-12]。由于柔性熱控薄膜材料功能的特殊性,一般由多層的不同材料復(fù)合而成。kapton(聚酰亞胺)基二次表面鏡薄膜是應(yīng)用較為廣泛的柔性熱控薄膜材料,其包含三層結(jié)構(gòu):最外層的氧化銦錫(indium tin oxides, ITO)具有較好導(dǎo)電型,其厚度為數(shù)百納米,可將空間電子在其表面沉積的電荷均勻化;kapton材料由于較好的穩(wěn)定性而作為中間基底層,厚度約為數(shù)十微米;最內(nèi)層為鋁或金材料,主要作為太陽(yáng)輻射的反射層,其厚度為數(shù)百納米[13]。

目前,國(guó)內(nèi)外航天機(jī)構(gòu)建立的GEO表面帶電效應(yīng)模擬試驗(yàn)方法中通常采用能量為12 KeV的電子模擬空間輻射環(huán)境[14-16],但由于kapton基二次表面鏡薄膜材料最外層的ITO材料具有數(shù)百納米的厚度,導(dǎo)致12 KeV電子很難穿透ITO并到達(dá)易發(fā)生充放電效應(yīng)的kapton層[17-18],可能造成試驗(yàn)中柔性熱控薄膜材料的充放電效應(yīng)不明顯。

然而,地磁亞暴發(fā)生時(shí)GEO的等離子體具有較高能量,美國(guó)宇航局(national aeronautics and space administration, NASA)建議的GEO雙麥等離子體環(huán)境模型中將電子的峰值能量設(shè)置為27.5 KeV[1-2, 19]。由此可知:僅采用能量較低電子輻照的試驗(yàn)方法是無(wú)法全面復(fù)現(xiàn)柔性熱控薄膜材料充放電效應(yīng)的在軌真實(shí)狀態(tài)[20]。因此,亟須研究輻照電子能量對(duì)柔性熱控薄膜材料充放電效應(yīng)的影響規(guī)律,為建立適用于多層薄膜類(lèi)材料的充放電效應(yīng)模擬試驗(yàn)方法奠定基礎(chǔ)。

本文針對(duì)kapton基二次表面鏡薄膜材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用不同能量電子輻照的方法開(kāi)展二次表面鏡薄膜材料充放電效應(yīng)的測(cè)試試驗(yàn),并完成其充放電特性研究,分析輻照電子能量對(duì)充放電效應(yīng)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

本項(xiàng)試驗(yàn)的測(cè)試裝置示意圖如圖1所示,采用電子槍產(chǎn)生的輻照電子模擬空間高能電子環(huán)境,為研究電子能量對(duì)柔性熱控薄膜材料充放電效應(yīng)的影響規(guī)律,試驗(yàn)中輻照電子的能量分別設(shè)置為10 KeV、25 KeV、40 KeV、55 KeV和70 KeV,不同能量電子的輻照時(shí)間均為120 min;并利用法拉第筒與靜電計(jì)6517A監(jiān)測(cè)輻照電子的束流密度,試驗(yàn)中輻照電子的束流密度均設(shè)置為1 nA/cm2。

圖1 測(cè)試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

試驗(yàn)中的測(cè)試樣品采用蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的kapton基防靜電鍍鋁柔性二次表面鏡薄膜,主要包括ITO、kapton、鋁三層結(jié)構(gòu)。ITO層主要用于表面電荷均勻化,但憑ITO材料密度(7.2 g/cm3)遠(yuǎn)大于kapton材料密度(1.4 g/cm3),增加ITO層厚度將直接增大薄膜材料的質(zhì)量,降低衛(wèi)星效能,同時(shí)考慮到薄膜材料采用的大面積磁控濺射加工工藝以及ITO材料的光學(xué)性能(可見(jiàn)光透過(guò)率為85%),增加ITO厚度將增大薄膜制備難度并降低熱控效果,因此工程應(yīng)用中僅鍍敷一層極薄的ITO材料,厚度約為200 nm[21]。

kapton材料憑借優(yōu)異的耐高低溫性能和柔韌性成為廣泛使用的基底材料,目前GEO衛(wèi)星通常采用kapton 層厚度為50 μm的熱控薄膜。反射層材料一般選取金屬,由于鋁具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和附著性能,因此成為常用的反射材料,層厚一般為200 nm[13]。

試驗(yàn)中測(cè)試參數(shù)主要有表面充電電位和靜電放電脈沖頻次。樣品表面電位采用非接觸式表面電位測(cè)量?jī)x(Terk341A)測(cè)試,將表面電位探頭放置于三維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上,測(cè)試時(shí)通過(guò)三維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將探頭移至樣品表面,測(cè)試完成后將探頭移出電子輻照區(qū)域。在電子輻照前40 min內(nèi)每間隔5 min測(cè)試一次,之后每間隔20 min測(cè)試一次。

靜電放電脈沖則用電流探頭(Tektronix CT-2)和數(shù)字示波器(Terk DPO4104)測(cè)試,試驗(yàn)過(guò)程中始終保持監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

靜電放電脈沖頻次F用式(1)計(jì)算:

F=N/T

(1)

式中:T為統(tǒng)計(jì)時(shí)間,本試驗(yàn)中每30 min統(tǒng)計(jì)一次;N為在統(tǒng)計(jì)時(shí)間T內(nèi)共觀測(cè)到的靜電放電次數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本項(xiàng)研究針對(duì)柔性熱控薄膜材料樣品,采用不同能量電子輻照的方法,測(cè)試kapton基二次表面鏡薄膜的表面充電電位和靜電放電頻次等充放電特性參數(shù),從而研究其充放電效應(yīng)規(guī)律。圖2是不同能量電子輻照下,kapton基二次表面鏡薄膜樣品的表面充電電位隨輻照時(shí)間的變化規(guī)律,并在圖中標(biāo)出了25 KeV和40 KeV電子輻照時(shí)薄膜樣品發(fā)生靜電放電的時(shí)間位置。

圖2 不同能量電子輻照下kapton基二次表面鏡薄膜 材料的表面充電電位隨輻照時(shí)間的變化規(guī)律,以及 25 KeV和40 KeV電子輻照時(shí)薄膜發(fā)生靜電放電的時(shí)間Fig.2 Variation of surface charging potential of kapton- based secondary surface mirror film material with irradiation time under different energy electron irradiation, and time of electrostatic discharge of the film under 25 KeV and 40 KeV electron irradiation

從圖2可以看出:在10～70 KeV的電子輻照下,kapton基二次表面鏡薄膜材料表面充電電位的幅值均隨輻照時(shí)間增加而升高;當(dāng)輻照時(shí)間為20 min左右時(shí),不同能量電子輻照下的薄膜材料的表面充電電位都達(dá)到了平衡狀態(tài)。

同時(shí),隨著輻照電子能量的升高,材料平衡電位的幅值呈先增加后下降的趨勢(shì)。當(dāng)輻照電子能量為10 KeV時(shí),其平衡電位僅為-1 100 V左右;而當(dāng)輻照電子能量增加至25 KeV時(shí),平衡電位約為-1 250 V。這主要是由于輻照電子將在材料表面產(chǎn)生負(fù)電荷積累,從而對(duì)后續(xù)輻照的電子產(chǎn)生阻擋效應(yīng),使得能量較低的電子無(wú)法到達(dá)材料表面,而能量高的電子能夠突破阻擋作用,并在材料表面進(jìn)一步積累,導(dǎo)致表面充電電位的幅值更高。

隨著輻照電子能量的進(jìn)一步增加,kapton基二次表面鏡薄膜材料表面平衡電位呈下降趨勢(shì)。當(dāng)輻照電子能量增加至40 KeV時(shí),平衡電位約為-1 000 V;當(dāng)電子能量為55 KeV時(shí),平衡電位約為-800 V;當(dāng)電子能量為70 KeV時(shí),平衡電位約為-500 V。

為分析這一試驗(yàn)現(xiàn)象,本項(xiàng)研究采用多層屏蔽仿真程序軟件(multi-layered shielding simulation software, MULASSIS)模擬了不同能量電子在kapton基二次表面鏡薄膜材料中的輸運(yùn)軌跡,結(jié)果如圖3所示。MULASSIS由歐洲宇航局(European space agency, ESA)開(kāi)發(fā),是基于蒙特卡羅輸運(yùn)軟件Geant4的一維多層輻射屏蔽仿真程序,已廣泛應(yīng)用于空間輻射粒子與材料作用過(guò)程的仿真分析[22]。仿真計(jì)算中設(shè)置的kapton基二次表面鏡薄膜各層材料的特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖3 不同能量電子在kapton基二次表面 鏡薄膜材料中的輸運(yùn)軌跡模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of transport trajectories in kapton-based secondary surface mirror film materials with different energy election

表1 kapton基二次表面鏡薄膜各層材料 的特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Properties and structural parameters of each layer of kapton-based secondary surface mirror film material

從圖3可以看出,隨著輻照電子能量的增加,電子在薄膜材料中kapton層的穿透深度越大,則沉積在kapton層的電荷越靠近Al層,而Al層為接地狀態(tài),大量電荷將通過(guò)Al層泄漏;當(dāng)輻照電子能量增加至70 KeV時(shí),有部分電子直接穿透kapton層,并從Al層中直接泄露。因此,當(dāng)輻照電子能量越大時(shí),在二次表面鏡薄膜材料內(nèi)部沉積電荷量卻隨之減少,導(dǎo)致表面充電電位的幅值下降。

同時(shí),從圖2可以看出,當(dāng)表面充電電位達(dá)到平衡后,10 KeV、55 KeV和70 KeV電子輻照下樣品的表面充電電位變化不大,而25 KeV和40 KeV電子輻照下樣品的表面充電電位出現(xiàn)多次的波動(dòng)。對(duì)照薄膜樣品發(fā)生靜電放電發(fā)生的時(shí)間可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)表面充電電位發(fā)生較大波動(dòng)時(shí),電位測(cè)試前薄膜樣品均發(fā)生多次且連續(xù)的靜電放電,如25 KeV電子輻照時(shí),第25 min和第40 min的電位測(cè)試前數(shù)分鐘內(nèi)薄膜發(fā)生了3～4次靜電放電,且間隔時(shí)間很短,同樣的情況發(fā)生在40 KeV電子輻照的第35 min、第100 min等時(shí)間的電位測(cè)試。

因此,在25 KeV和40 KeV電子輻照時(shí)表面充電電位的波動(dòng)應(yīng)是由kapton基二次表面鏡薄膜材料在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生多次靜電放電造成的。當(dāng)薄膜樣品發(fā)生多次且連續(xù)的靜電擊穿時(shí),材料內(nèi)部沉積電荷將被大量的泄漏,導(dǎo)致表面充電電位幅值減小,從而使得測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)表面充電電位波動(dòng)。

為進(jìn)一步研究輻照電子能量對(duì)薄膜材料靜電放電規(guī)律的影響,圖4給出了kapton基二次表面鏡薄膜材料樣品分別在10 KeV、25 KeV、40 KeV、55 KeV和70 KeV電子輻照下的靜電放電頻次的測(cè)試結(jié)果。

圖4 不同能量電子輻照下,kapton基二次表面 鏡薄膜材料樣品靜電放電頻次的測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of electrostatic discharge frequency of Kapton-based secondary surface mirror film materials under different electron election irradiation

從圖4可以看出,當(dāng)輻照電子能量為10 KeV時(shí),kapton基二次表面鏡薄膜樣品放電頻次很小,整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中僅發(fā)生一次放電,這主要是由于電子能量較低,絕大部分電子主要在ITO層中,而ITO具有很好的導(dǎo)電型,使得表面電荷均勻化,很難誘發(fā)靜電擊穿。

隨著能量的增加,將有更多的輻照電子穿透ITO層而沉積在kapton層,而kapton層是薄膜材料中易發(fā)生靜電放電的部位,因此當(dāng)輻照電子的能量為25 KeV時(shí),薄膜樣品的放電率明顯增加,達(dá)到了0.15～0.35次/min。當(dāng)輻照電子能量進(jìn)一步增加時(shí),薄膜材料樣品放電頻次反而減小,能量為40 KeV時(shí)放電頻次為0.13～0.23次/min;能量為55 KeV時(shí)放電頻次為0.10～0.16次/min;能量為70 KeV時(shí)放電頻次為0～0.06次/min。這主要是由于隨著輻照電子能量的增加,更多的電子將穿透kapton層到達(dá)金屬Al層,造成kapton層中沉積電荷量減少,從而導(dǎo)致靜電放電的頻次降低。

同時(shí),在電子輻照介質(zhì)材料的過(guò)程中將產(chǎn)生輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率[23],且能量越高的電子產(chǎn)生的輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率越大,導(dǎo)致更大的電流泄漏,使得材料內(nèi)部沉積的電荷量越少。表2是不同電子輻照環(huán)境下,薄膜材料中kapton層內(nèi)的輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率的計(jì)算結(jié)果。

表2 不同電子輻照環(huán)境下,kapton基二次表面鏡薄膜材料中kapton層內(nèi)的輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率計(jì)算結(jié)果

表2中劑量率D由MULASSIS計(jì)算獲得。輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率σ(D)由式(2)[24]計(jì)算給出:

σ(D)=σ0+k·DΔ

(2)

式中,k為輻射誘導(dǎo)系數(shù),Δ為劑量率系數(shù)。對(duì)于kapton材料,σ0取10-15Ω-1·m-1,k取10-13Ω-1·cm-1·rad-1·s,Δ取0.6。

從表2中可以看出:當(dāng)輻照電子能量為10 KeV時(shí),由于電子未能穿透kapton基二次表面鏡薄膜中的ITO層,因此在kapton層中的劑量率為0,材料的電導(dǎo)率未發(fā)生變化;隨著輻照電子能量的增加,kapton層內(nèi)的劑量率和輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率均呈不斷增加的趨勢(shì),且比無(wú)輻照時(shí)材料的電導(dǎo)率大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上,同時(shí)當(dāng)電子能量從25 KeV增加至70 KeV時(shí),材料的電導(dǎo)率從2.29×10-12Ω-1·cm-1上升至5.89×10-12Ω-1·cm-1,此時(shí)kapton層的導(dǎo)電性能增加了近3倍,導(dǎo)致更多的電荷能夠泄漏,從而使得kapton基二次表面鏡薄膜材料靜電放電的頻次減小。

3 結(jié)論

本文針對(duì)空間柔性熱控薄膜材料的組成與結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以kapton基二次表面鏡薄膜材料為試驗(yàn)對(duì)象,采用能量為10～70 KeV的電子輻照的方法,并利用非接觸式表面電位測(cè)量?jī)x和靜電放電監(jiān)測(cè)裝置分別測(cè)試表面充電電位和靜電放電脈沖,完成了不同能量電子輻照下kapton基二次表面鏡薄膜材料充放電效應(yīng)模擬試驗(yàn),獲得了表面充電電位、靜電放電頻次等關(guān)鍵參數(shù),并分析研究了輻照電子在多層薄膜材料內(nèi)的輸運(yùn)規(guī)律,為空間薄膜功能材料的空間環(huán)境適用性分析和空間應(yīng)用提供了有效的環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

研究結(jié)果表明隨著輻照電子能量的增加,kapton基二次表面鏡薄膜材料的表面充電電位幅值與靜電放電頻次均呈先上升后下降的規(guī)律,并在輻照電子能量為25 KeV時(shí)充放電效應(yīng)最為顯著,其中表面充電電位約為-1 250 V,靜電放電頻次最大為0.35次/min,這主要是當(dāng)能量較低時(shí),輻照電子沒(méi)法穿透ITO層,導(dǎo)致薄膜材料充放電效應(yīng)不明顯,而能量更高的輻照電子將直接穿透kapton層而不在其中沉積,同時(shí)產(chǎn)生更大的輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率,導(dǎo)致材料內(nèi)部沉積電荷更容易泄漏,因此表面電位幅值和放電頻次也隨之下降。