模拟空间环境下辐射透入复合介质材料中的电荷输运机理研究

High energy electrons injection causes deep charging of the composite dielectric material, which is one of the key factors that affects the reliability of electronic systems of spacecrafts.Because the continuing increasing of electrostatic field will lead to impulsive discharges which is a threat to electronics circuit reliability of spacecrafts, or even breakdown of electronic components and dielectric itself. This project focuses the studing aim on charge transport mechanism in flat and vertical directions of plate samples of composite dielectric materials when high-energy electron beam injected into them under simulated space environment, and also on the influence of composite dielectric material aging caused by high energy electron irradiation in long time to the key parameters, e.g. the charge traps distribution,induced conductivity and so on.On the experimental methods, unique means such as the in-situ measurement of the irradiation induced conductivity and space charge,the measurement of secondary electron emission coefficient and nonlinear conductivity characteristics, combined with the analysis of material microstructure are used. In this project,we will study the influence of electron beam energy,beam current density,injection time, secondary electron emission coefficient of the material,temperature and the material aging on the composite dielectric material deep charged laws systematically.On the theoretical analysis, using flat layered medium model and Monte-Carlo method, we will build up the equations of the charge transport in composite dielectric material, which exposed to vacuum and irradiation environment in longer time.The critical conditions of partial electrostatic breakdown under simulated space environment and its relationship with the aging time will also obtained in the project. The study has great experimental and theoretical significance for the reliability design of spacecraft.

高能电子注入导致介质深层带电是影响航天器电子系统可靠性的关键因素，因为静电场持续上升会引发威胁航天器电力、电子电路可靠性的脉冲放电，甚至直接导致电子器件或材料击穿。本项目研究在模拟空间高能电子束注入下复合介质材料中在纵、横两个方向的电荷输运机理，以及高能电子辐照导致介质老化对关键参数如材料中电荷陷阱分布及诱导电导率等的影响。试验方法上，主要采用诱导电导率和空间电荷原位测量、二次电子发射系数、非线性电导率特性测量等独有研究手段，结合材料微观结构分析，系统研究电子能量、束流密度、注入时间，材料温度、二次电子发射系数、以及材料老化对其深层带电与放电规律的影响。理论分析上，主要通过建立平板分层介质模型和采用Monte-Carlo法，建立真空长时辐照下复合材料中的电荷输运方程，获得平板介质在模拟空间环境下局部静电击穿的临界条件及其与老化时间关系。研究对航天器可靠性设计具有重要试验和理论参考价值。

航天器上介质材料在空间高能电子辐射环境下会产生深层带电/放电现象。放电脉冲严重威胁卫星上的电子设备的正常工作，甚至会导致敏感电子器件击穿或介质材料局部烧毁烧毁，严重影响卫星可靠性。研究介质材料内带电防护性能，对我国航天事业的发展具有深远意义。.本研究包括三个层次：（1）研究最容易引起航天器异常的电路板带静电/放电问题。主要研究电路板纵向/横向电荷输运差异，力图在纵向产生非线性电导，同时在横向“抽取”静电荷，从而从根本上解决电路板带电/放电问题。（2）对电路板带电/放电特性进行仿真分析，弄清电路板静电荷输运机理。（3）航天器材料带电特性检测技术研究。主要研究大于1mm厚度试样的PEA法空间电荷原位检测技术。.研究表明，常规FR4电路板在空间环境产生带电/放电的根本原因是较高的绝缘电阻导致静电荷无法及时释放，静电荷积累超过材料（内部和表面）的局部击穿强度即会引发局部放电，严重干扰电路板上电子系统的正常工作，甚至直接导致敏感电子器件被静电放电击穿损毁。采用含碱玻璃布作为补强材料，不仅可以使电路板获得较为理想的非线性电导特性（即平时呈现高电阻，而在静电荷超过阈值电场时出现暂态低电阻，静电荷释放后迅速恢复高电阻）；而且在电路板横向侧棱边喷涂金属电极则可以作为泄放电路板中静电荷的辅助技术措施并经试验和仿真验证。.PEA（电声脉冲法）是一种测量板状材料中静电荷的常用方法，但受灵敏度和分辨率限制，常规PEA法只能用来测量0.5mm以下的片状介质材料。并且只能在实验室理想情况下施加稳态直流电压情况下进行。本研究开发了一种既可以用于真空高能电子辐射环境下实时测量（无需施加直流高电压）、也可用于实验室加压测量的电极系统，并开发了测量软件。而且将对试样的测量范围提升到1~3mm厚度。实验结果出乎预料的好，其中“双兔耳”界面峰从未在已发表文献中检索到。.最后用仿真分析和等效电路分析对上述结果进行了验证，某些研究达到了出乎意料的较理想结果。