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一種電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置及方法，其特點(diǎn)是：利用電子加速器模擬空間帶電環(huán)境的高能電子對(duì)測(cè)試樣品輻照，同時(shí)利用電聲脈沖法原位測(cè)量介質(zhì)材料空間電荷的分布，設(shè)計(jì)完成了一種電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置及方法。其裝置主要包括電子加速器、真空靶室、真空抽氣系統(tǒng)和電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明的裝置可以用于測(cè)量高能電子輻照下的介質(zhì)材料空間電荷分布的功能，為介質(zhì)材料充放電的機(jī)理及其效應(yīng)研究提供重要的材料特性參數(shù)。
【專利說明】一種電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]航天器在GEO軌道運(yùn)行時(shí)暴露在高能電子輻照環(huán)境下，這些高通量高能電子可直接穿透衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和儀器設(shè)備等屏蔽層，進(jìn)入衛(wèi)星內(nèi)部的電路板、導(dǎo)線絕緣層等介質(zhì)材料中，導(dǎo)致絕緣介質(zhì)材料深層電荷沉積，從而導(dǎo)致太陽電池陣玻璃蓋片、熱控材料等介質(zhì)材料會(huì)發(fā)生內(nèi)帶電效應(yīng)，這是引起GEO軌道衛(wèi)星異常現(xiàn)象的重要原因之一。介質(zhì)材料內(nèi)帶電過程主要包括:電荷沉積、電荷輸運(yùn)和電荷泄放，因此，要研究介質(zhì)材料內(nèi)帶電效應(yīng)，首先必須清楚介質(zhì)材料內(nèi)部空間電荷的分布情況。空間電荷的存在、轉(zhuǎn)移和消失會(huì)直接導(dǎo)致電介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)分布的改變，對(duì)介質(zhì)內(nèi)部的局部電場(chǎng)起到削弱或加強(qiáng)作用。國(guó)際上目前已經(jīng)普遍公認(rèn)，由于空間電荷對(duì)電場(chǎng)的這種畸變作用，空間電荷對(duì)介質(zhì)材料的電導(dǎo)率、擊穿破壞、老化等各方面電性能都有明顯的影響。因此，研究介質(zhì)材料的空間電荷分布在研究?jī)?nèi)帶電效應(yīng)的物理機(jī)制中起重要作用。
[0003]伴隨著我國(guó)衛(wèi)星技術(shù)的不斷進(jìn)步，為了滿足導(dǎo)航衛(wèi)星組網(wǎng)的需求，越來越多的衛(wèi)星將運(yùn)行在高軌道，所以必須對(duì)內(nèi)帶電效應(yīng)進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。由于在地面的模擬試驗(yàn)中，沒有開展過介質(zhì)材料空間電荷分布的原位測(cè)量試驗(yàn)，導(dǎo)致無法模擬出空間電荷的沉積、輸運(yùn)和泄放過程，從而對(duì)航天器由于內(nèi)帶電引起的故障也無從評(píng)價(jià)。因此，亟需開展在不同能量和劑量率高能電子輻照下的材料空間電荷原位測(cè)量，它是介質(zhì)材料內(nèi)帶電效應(yīng)研究和分析中必不可少的一項(xiàng)重要內(nèi)容。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供一種電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置及方法，模擬介質(zhì)材料受到空間高能電子輻照的影響，通過屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決測(cè)試過程中涉及弱信號(hào)測(cè)試和抗干擾等問題，原位測(cè)得介質(zhì)材料空間電荷分布情況。
[0005]一種電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置，它由真空靶室、所發(fā)射電子能量和束流密度可調(diào)的電子加速器、真空抽氣系統(tǒng)、示波器、電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)、樣品臺(tái)、脈沖發(fā)生器組成；其中，電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)包括:脈沖信號(hào)輸入接口、鋁屏蔽殼、保護(hù)電阻、鋁電極、上電極、信號(hào)輸出接口、信號(hào)輸出電路、絕緣墊、壓電傳感器和下電極；
[0006]鋁電極、上電極、介質(zhì)材料樣品、下電極、壓電傳感器和絕緣墊自上而下疊放連接后置于鋁屏蔽殼內(nèi)部；下電極和壓電傳感器之間涂抹導(dǎo)電硅脂，上電極和下電極是通過蒸鍍法在介質(zhì)材料樣品兩面鍍上的金屬薄膜；鋁屏蔽殼具有上開口，鋁電極中間部分通過所述上開口暴露在鋁屏蔽殼之外，且所述上開口與鋁電極緊密貼合；鋁屏蔽殼的殼體上設(shè)有脈沖信號(hào)輸入接口和信號(hào)輸出接口，脈沖信號(hào)輸入接口通過保護(hù)電阻連接鋁電極，壓電傳感器通過信號(hào)輸出電路連接信號(hào)輸出接口；
[0007]真空靶室與真空抽氣系統(tǒng)連通，電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)放在真空靶室內(nèi)的樣品臺(tái)上，電子加速器位于樣品臺(tái)上方，脈沖發(fā)生器和示波器置于真空靶室之外，脈沖發(fā)生器與電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)的脈沖信號(hào)輸入接口相連，示波器與電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)輸出接口相連。
[0008]優(yōu)選地，所述鋁電極的上開口為喇叭口。
[0009]一種使用電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括下列步驟:
[0010]步驟1、將介質(zhì)材料樣品安裝在電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)中，然后放置于真空靶室中的樣品臺(tái)上，關(guān)閉真空靶室；
[0011]步驟2、開啟真空抽氣系統(tǒng)給真空靶室抽真空；
[0012]步驟3、開啟電子加速器輻照介質(zhì)材料樣品，以模擬空間環(huán)境的高能電子；
[0013]步驟4、輻照設(shè)定時(shí)間后，關(guān)閉電子加速器；
[0014]步驟5、開啟脈沖發(fā)生器，通過鋁電極產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖電壓；
[0015]步驟6、脈沖電壓作用于介質(zhì)材料樣品后產(chǎn)生聲脈沖信號(hào)，聲脈沖信號(hào)通過壓電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)輸出電路的放大處理后，經(jīng)過信號(hào)輸出接口由示波器獲得介質(zhì)材料樣品的空間電荷分布特性；
[0016]步驟7、調(diào)整電子加速器所發(fā)射電子的能量和束流密度，重復(fù)步驟3?6。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0018](I)采用電子加速器能較好的模擬空間帶電環(huán)境的高能電子；
[0019](2)設(shè)計(jì)采用鋁殼一體屏蔽，能消除電子輻照對(duì)脈沖信號(hào)電路和微弱信號(hào)測(cè)量電路的影響，實(shí)現(xiàn)在輻照后介質(zhì)材料空間電荷分布的原位測(cè)量；
[0020](3)鋁屏蔽殼的上開口較佳形式為喇叭口，從而盡量減少開口側(cè)面對(duì)入射高能電子的反射，減少二次電子的影響。
[0021](4)上下電極是通過蒸鍍法鍍?cè)诮橘|(zhì)材料樣品表面的，這種金屬薄膜電極足夠薄，能夠減小對(duì)入射電子能量的影響，而且能夠保證與介質(zhì)材料樣品接觸的均勻性和電脈沖傳導(dǎo)的均勻性，防止脈沖信號(hào)發(fā)生畸變。
[0022](5)此介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置及方法可操作性強(qiáng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，適用于測(cè)量在不同能量高能電子輻照下的介質(zhì)材料空間電荷分布。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0024]圖中:1-真空靶室、2-電子加速器、3-真空抽氣系統(tǒng)、4-示波器、5-介質(zhì)材料樣品、6-電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)、7-樣品臺(tái)、8-脈沖發(fā)生器。
[0025]圖2是本發(fā)明的電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖中:601-脈沖信號(hào)輸入接口、602-鋁屏蔽殼、603-保護(hù)電阻、604-鋁電極、606-上電極、5-介質(zhì)材料樣品、607-信號(hào)輸出接口、608-信號(hào)輸出電路、609-絕緣墊、610-壓電傳感器、611-下電極。

【具體實(shí)施方式】
[0027]如圖1所示，為本發(fā)明的電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置，它由真空靶室1、電子加速器2、真空抽氣系統(tǒng)3、示波器4、電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)6、樣品臺(tái)7、脈沖發(fā)生器8組成。其中，電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)6主要由脈沖信號(hào)輸入接口 601、鋁屏蔽殼602、保護(hù)電阻603、鋁電極604、上電極606、信號(hào)輸出接口 607、信號(hào)輸出電路608、絕緣墊609、壓電傳感器610和下電極611組成。
[0028]招電極604、上電極605、介質(zhì)材料樣品5、下電極611、壓電傳感器610和絕緣墊609自上而下疊放連接后置于鋁屏蔽殼602內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)弱信號(hào)的保護(hù)。下電極611和壓電傳感器610之間涂抹導(dǎo)電硅脂，確保信號(hào)能被準(zhǔn)確測(cè)量到。上電極605和下電極611是通過蒸鍍法在介質(zhì)材料樣品5兩面鍍上的金屬薄膜，金屬薄膜的厚度可以為ΙΟΟμπι?300 μ m,這種金屬薄膜電極足夠薄，能夠減小對(duì)入射電子能量的影響，而且能夠保證與介質(zhì)材料樣品5接觸的均勻性和電脈沖傳導(dǎo)的均勻性，防止脈沖信號(hào)發(fā)生畸變。在上電極605上增加鋁電極604，其一方面提供了組裝的支撐，另一方便為脈沖信號(hào)進(jìn)入上電極提供通道。
[0029]鋁屏蔽殼602具有上開口，鋁電極604中間部分通過所述上開口暴露在鋁屏蔽殼602之外，從而保證電子加速器2產(chǎn)生的高能電子能夠通過鋁電極604和上電極606的傳遞到達(dá)介質(zhì)材料樣品5內(nèi)部。且上開口較佳的形式為喇叭口，從而盡量減少開口側(cè)面對(duì)入射高能電子的反射，減少二次電子的影響。所述上開口與鋁電極604緊密貼合，以防高能電子通過縫隙進(jìn)入，影響到真空靶室I內(nèi)部的其他被防護(hù)組件。鋁屏蔽殼602的殼體上設(shè)有脈沖信號(hào)輸入接口 601和信號(hào)輸出接口 607，脈沖信號(hào)輸入接口 601通過保護(hù)電阻603連接鋁電極604，壓電傳感器610通過信號(hào)輸出電路608連接信號(hào)輸出接口 607。
[0030]真空靶室I與真空抽氣系統(tǒng)3連通，電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)6放在真空靶室I內(nèi)的樣品臺(tái)7上，電子加速器2位于樣品臺(tái)7上方，脈沖發(fā)生器8和示波器4置于真空靶室I之夕卜，脈沖發(fā)生器8與電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)6的脈沖信號(hào)輸入接口 601相連,不波器4與電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)6的信號(hào)輸出接口 607相連。
[0031]電聲脈沖法所能夠測(cè)量材料的厚度與壓電傳感器的性能相關(guān)，采用常規(guī)性能的壓電傳感器時(shí)，不能將被測(cè)材料樣品設(shè)置的太夠，這里設(shè)置介質(zhì)材料樣品5的厚度在1_以下。
[0032]為了實(shí)現(xiàn)不同束流密度下，介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量，電子加速器2選擇高能電子能量和束流密度均可調(diào)的電子加速器，較佳地，電子加速器2能夠提供高能電子的能量范圍在0.8?2.3MeV內(nèi)可調(diào)，束流密度范圍在I?25nA/cm2內(nèi)可調(diào)，從而滿足各種測(cè)量需要。
[0033]基于上述介質(zhì)材料電導(dǎo)率測(cè)量裝置的測(cè)量方法的具體實(shí)施步驟如下:
[0034](I)將介質(zhì)材料樣品5安裝在電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)6中，然后放置于真空靶室I中的樣品臺(tái)7上，按照附圖1要求依次把脈沖發(fā)生器8和電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)6中的脈沖信號(hào)輸入接口 601連接，把示波器4和電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)6中的信號(hào)輸出接口 607連接，關(guān)閉真空靶室。
[0035](2)開啟真空抽氣系統(tǒng)3給真空靶室I抽真空，使真空度優(yōu)于5.0X 10 —3Pa。
[0036](3)開啟電子加速器2模擬空間環(huán)境的高能電子，本次測(cè)量中，電子能量調(diào)節(jié)為
1.5MeV，束流密度調(diào)節(jié)為InA/cm2。
[0037](4)輻照I小時(shí)后，關(guān)閉電子加速器2。
[0038](5)開啟脈沖發(fā)生器8，產(chǎn)生寬度為30ns，幅值為IkeV的脈沖信號(hào)，通過鋁電極604產(chǎn)生相應(yīng)的壓力波脈沖。
[0039](6)壓力脈沖波作用于介質(zhì)材料樣品5后產(chǎn)生聲脈沖信號(hào),聲脈沖信號(hào)通過壓電傳感器610轉(zhuǎn)換為電信號(hào),通過信號(hào)輸出電路608的放大處理后,經(jīng)過信號(hào)輸出接口 607由示波器4獲得介質(zhì)材料樣品的空間電荷分布特性。
[0040]步驟7、調(diào)整電子加速器(2)所發(fā)射電子的能量和束流密度，重復(fù)步驟3?6。
[0041]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置，其特征在于，它由真空靶室(I)、所發(fā)射電子能量和束流密度可調(diào)的電子加速器(2)、真空抽氣系統(tǒng)(3)、示波器(4)、電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)(6)、樣品臺(tái)(7)、脈沖發(fā)生器(8)組成；其中，電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)(6)包括:脈沖信號(hào)輸入接口(601)、鋁屏蔽殼(602)、保護(hù)電阻(603)、鋁電極(604)、上電極(606)、信號(hào)輸出接口(607)、信號(hào)輸出電路(608)、絕緣墊(609)、壓電傳感器(610)和下電極(611)； 招電極(604)、上電極(605)、介質(zhì)材料樣品(5)、下電極(611)、壓電傳感器(610)和絕緣墊(609)自上而下疊放連接后置于鋁屏蔽殼(602)內(nèi)部；下電極(611)和壓電傳感器(610)之間涂抹導(dǎo)電硅脂，上電極(605)和下電極(611)是通過蒸鍍法在介質(zhì)材料樣品(5)兩面鍍上的金屬薄膜；鋁屏蔽殼(602)具有上開口，鋁電極(604)中間部分通過所述上開口暴露在鋁屏蔽殼(602)之外，且所述上開口與鋁電極(604)緊密貼合；鋁屏蔽殼(602)的殼體上設(shè)有脈沖信號(hào)輸入接口(601)和信號(hào)輸出接口 ￠07)，脈沖信號(hào)輸入接口(601)通過保護(hù)電阻(603)連接鋁電極￠04)，壓電傳感器(610)通過信號(hào)輸出電路(608)連接信號(hào)輸出接口 (607)； 真空靶室(I)與真空抽氣系統(tǒng)(3)連通，電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)(6)放在真空靶室(I)內(nèi)的樣品臺(tái)(7)上，電子加速器(2)位于樣品臺(tái)(7)上方，脈沖發(fā)生器(8)和示波器(4)置于真空靶室(I)之外，脈沖發(fā)生器(8)與電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)(6)的脈沖信號(hào)輸入接口(601)相連，示波器(4)與電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)￠)的信號(hào)輸出接口(607)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置，其特征在于:所述鋁電極(604)的上開口為喇叭口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置，其特征在于:所述的介質(zhì)材料樣品(5)的厚度在Imm以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置，其特征在于:所述的介質(zhì)材料樣品(5)上電極和下電極的厚度為ΙΟΟμπι?300μηι。
5.一種使用權(quán)利要求1的電子輻照下介質(zhì)材料空間電荷原位測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于包括下列步驟: 步驟1、將介質(zhì)材料樣品(5)安裝在電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)(6)中，然后放置于真空靶室(I)中的樣品臺(tái)(7)上，關(guān)閉真空靶室； 步驟2、開啟真空抽氣系統(tǒng)(3)給真空靶室(I)抽真空； 步驟3、開啟電子加速器(2)輻照介質(zhì)材料樣品(5)，以模擬空間環(huán)境的高能電子； 步驟4、輻照設(shè)定時(shí)間后，關(guān)閉電子加速器(2); 步驟5、開啟脈沖發(fā)生器(8)，通過鋁電極(604)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖電壓； 步驟6、脈沖電壓作用于介質(zhì)材料樣品(5)后產(chǎn)生聲脈沖信號(hào)，聲脈沖信號(hào)通過壓電傳感器(610)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)輸出電路(608)的放大處理后，經(jīng)過信號(hào)輸出接口(607)由示波器(4)獲得介質(zhì)材料樣品的空間電荷分布特性； 步驟7、調(diào)整電子加速器(2)所發(fā)射電子的能量和束流密度，重復(fù)步驟3?6。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟4中電子加速器(2)所提供的高能電子能量范圍在0.8?2.3MeV內(nèi)可調(diào)，束流密度范圍在I?25nA/cm2內(nèi)可調(diào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟5中脈沖發(fā)生器(8)產(chǎn)生寬度為30ns、幅值-1kV?2kV的電脈沖。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟2中真空環(huán)境真空度要求優(yōu)于 5.0X10 —3Pa。
【文檔編號(hào)】G01R29/24GK104237659SQ201410445406
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】王俊, 秦曉剛, 陳益峰, 李得天, 楊生勝, 柳青, 史亮, 湯道坦, 趙呈選 申請(qǐng)人:蘭州空間技術(shù)物理研究所