[發(fā)明專利]一種衛(wèi)星材料表面充電在軌監(jiān)測的裝置及方法

有效

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• 申請日: 2011-10-20
• 公開（公告）號: CN102507717A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 湯道坦;秦曉剛;薛玉雄;柳青;陳益峰;李存惠
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五一〇研究所
• 主分類號: G01N27/60
• 分類號: G01N27/60
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;李愛英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星材料表面充電在軌監(jiān)測的裝置及方法，屬于空間應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

衛(wèi)星內(nèi)帶電一般是由空間中能量在0.1～10MeV的高能電子射入材料內(nèi)引起的。上述高能電子能夠穿透衛(wèi)星結(jié)構(gòu)(如衛(wèi)星表面材料、電纜護(hù)層等)并沉積電荷于電纜絕緣層、印制電路板、電容器部件、綜合電路包或懸浮導(dǎo)體上。如果介質(zhì)內(nèi)入射電子的沉積速率超過其泄放速率時(shí)，介質(zhì)內(nèi)電荷密度將逐漸增大，電場強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)，當(dāng)內(nèi)建電場強(qiáng)度超過介質(zhì)材料的擊穿強(qiáng)度時(shí)將發(fā)生內(nèi)放電，也稱為電子誘導(dǎo)電磁脈沖(ECEMP)。由放電產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖耦合到航天器電子系統(tǒng)時(shí)，會(huì)引起邏輯開關(guān)異常，電子系統(tǒng)永久性失效或敏感元件性能下降，以致整個(gè)系統(tǒng)的破壞。除產(chǎn)生電子設(shè)備的電磁干擾和損壞外，靜電放電也導(dǎo)致表面材料的損壞或物理性能衰退。由于放電產(chǎn)生了局部熱量并在電弧放電區(qū)產(chǎn)生材料損傷，不但損害航天器的完整性，而且還改變了表面材料的物理特性，從而最終破壞航天器的正常工作。內(nèi)放電通常接近于電子系統(tǒng)從而對衛(wèi)星系統(tǒng)的工作的危害更直接。隨著衛(wèi)星電子系統(tǒng)性能的提高和大量新材料的使用，衛(wèi)星對空間高能電子環(huán)境引起的介質(zhì)材料內(nèi)帶電效應(yīng)問題也越來越敏感，衛(wèi)星內(nèi)帶電防護(hù)技術(shù)成為發(fā)展長壽命應(yīng)用衛(wèi)星所必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。開展衛(wèi)星內(nèi)帶電防護(hù)技術(shù)研究，需要在地面模擬衛(wèi)星內(nèi)帶電，并監(jiān)測內(nèi)放電脈沖，來評價(jià)星用材料的內(nèi)帶電防護(hù)性能。所以衛(wèi)星內(nèi)放電脈沖的監(jiān)測技術(shù)對于衛(wèi)星內(nèi)帶電防護(hù)有著重要的意義。

國內(nèi)外已有的在軌監(jiān)測方法，例如震動(dòng)電容式監(jiān)測技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、音叉制作冗繁的問題，因此需要開發(fā)一種物理結(jié)構(gòu)簡單、可測定多種衛(wèi)星常用表面介質(zhì)材料、易于空間搭載的在軌監(jiān)測裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有在軌監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作冗繁的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種為衛(wèi)星表面充電情況的在軌監(jiān)測的裝置及方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種衛(wèi)星材料表面充電在軌監(jiān)測的方法，所述方法如下：

在真空條件下對衛(wèi)星材料樣品發(fā)射電子模擬空間環(huán)境，測量衛(wèi)星材料樣品表面充電電位V_surface和測量泄漏電流I，衛(wèi)星材料樣品的體電阻ρ已知，根據(jù)公式V_surface∝KρI得到比例關(guān)系系數(shù)K；在實(shí)際在軌監(jiān)測中，通過在軌測量衛(wèi)星材料的泄漏電流I，然后通過已求的比例常數(shù)系數(shù)K和已知的衛(wèi)星材料的體電阻ρ，根據(jù)公式V_surface∝KρI計(jì)算衛(wèi)星材料的表面電位V_surface，以實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星材料表面充電情況的在軌監(jiān)測。

一種衛(wèi)星材料表面充電在軌監(jiān)測的裝置，所述裝置包括電子槍、非接觸式電位計(jì)探頭、三維傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、非接觸式表面電位計(jì)、電子束流密度測量系統(tǒng)、監(jiān)測電極、支撐結(jié)構(gòu)，第一電磁閥，第二電磁閥，擴(kuò)散泵，第三電磁閥，機(jī)械泵，真空箱，真空過壁，測量電路接口和測量電路。

其中，在真空箱內(nèi)部上方安裝電子槍，電子槍發(fā)射端與監(jiān)測電極中心正對；監(jiān)測電極位于真空箱內(nèi)部且與真空箱四圍內(nèi)壁不接觸；樣品放在監(jiān)測電極表面。

非接觸式電位計(jì)探頭位于真空箱內(nèi)部，三維傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于真空箱內(nèi)部側(cè)壁。

非接觸式電位計(jì)探頭與三維傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接；非接觸式表面電位計(jì)位于真空箱外部，非接觸式表面電位計(jì)通過導(dǎo)線穿入真空箱內(nèi)與非接觸式電位計(jì)探頭2連接。

電子束流密度測量系統(tǒng)包括一個(gè)位于真空箱內(nèi)部的法拉第杯和一個(gè)位于真空箱外部的微電流計(jì)；法拉第杯位于電子槍輻射范圍內(nèi)但不在電子槍的正下方，法拉第杯的底部與樣品表面不接觸；微電流計(jì)通過導(dǎo)線穿入真空箱內(nèi)與法拉第杯連接。

真空箱下底面開孔，真空過壁設(shè)置于該孔中。

監(jiān)測電極下部安裝支撐結(jié)構(gòu)；支撐結(jié)構(gòu)位于安放在真空箱底面的支撐架上；監(jiān)測電極下端連接導(dǎo)線，導(dǎo)線依次穿過支撐結(jié)構(gòu)和真空過壁后到真空箱外分為兩根，一根接地，另一根通過測量電路輸入端接口與測量電路連接。

機(jī)械泵、擴(kuò)散泵和第二電磁閥通過管路依次串聯(lián)后通過第一電磁閥與真空箱連接，第三電磁閥并聯(lián)于擴(kuò)散泵和第二電磁閥的兩端，且第三電磁閥一端與第一電磁閥連接，另一端與機(jī)械泵連接。

其中，監(jiān)測電極材料為鋁或銅；支撐結(jié)構(gòu)為絕緣材料，如聚甲醛樹脂或聚四氟乙烯高電阻絕緣材料；測量電路為G歐姆量級輸入阻抗的放大電路。

其中，優(yōu)選電子槍發(fā)射端到樣品表面的距離為20～50cm；非接觸式電位計(jì)探頭到樣品表面的距離為1～2cm。

一種衛(wèi)星材料表面充電在軌監(jiān)測的方法，所述方法使用本發(fā)明所提供的一種衛(wèi)星材料表面充電在軌監(jiān)測的裝置，具體步驟如下：