專(zhuān)利名稱(chēng)：一種監(jiān)測(cè)航天器內(nèi)帶電電位的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)測(cè)航天器內(nèi)帶電電位的方法，屬于抗輻射加固技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
航天器介質(zhì)深層帶電又稱(chēng)之為航天器內(nèi)部介質(zhì)充電，是指空間高能帶電粒子穿過(guò)航天器表面，在航天器構(gòu)件的電介質(zhì)材料內(nèi)部傳輸并沉積從而建立電場(chǎng)的過(guò)程，當(dāng)介質(zhì)深層充電產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)介質(zhì)材料的擊穿閾值時(shí)，就會(huì)發(fā)生放電，放電所產(chǎn)生的電磁脈沖干擾可能破壞航天器內(nèi)電子學(xué)系統(tǒng)的正常工作。由于航天器電子學(xué)系統(tǒng)采用了集成度較高的大規(guī)模/超大規(guī)模微電子器件，電子學(xué)系統(tǒng)的性能提高的同時(shí)也變得對(duì)空間環(huán)境更為敏感，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)航天器失效。 目前已經(jīng)搭載過(guò)的航天器深層介質(zhì)充電監(jiān)測(cè)儀通過(guò)直接測(cè)量導(dǎo)致深層介質(zhì)帶電的電子通量，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷航天器的充電程度，但是不能直接精確測(cè)量深層介質(zhì)充電電位值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種監(jiān)測(cè)航天器內(nèi)帶電電位的方法，所述方法采用多層電路板結(jié)構(gòu)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)介質(zhì)層內(nèi)部各點(diǎn)的電位，所述方法采用的屏蔽外殼可以阻止能量200keV以下的電子，這樣可以只監(jiān)測(cè)內(nèi)帶電而排除表面充電的影響。本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種監(jiān)測(cè)航天器內(nèi)帶電電位的方法，所述方法步驟如下(I)制作內(nèi)帶電探頭所述內(nèi)帶電探頭采用多層電路板結(jié)構(gòu)，內(nèi)帶電探頭包括屏蔽外殼、多層電路板、電阻、靜電計(jì)；其中，所述屏蔽外殼為上端開(kāi)口的鋁質(zhì)殼體，屏蔽外殼側(cè)壁設(shè)有通孔用于穿過(guò)導(dǎo)線(xiàn)；所述多層電路板包括基板、介質(zhì)層和銅膜層，基板置于最底層，介質(zhì)層置于基板上方，介質(zhì)層和銅膜層分別有十層，交叉疊放；電阻和靜電計(jì)均為九個(gè)；將多層電路板封裝并固定于屏蔽外殼內(nèi)，多層電路板上表面與屏蔽外殼的上端開(kāi)口相對(duì)，且多層電路板上、下表面均接地；多層電路板中的除最上層銅膜層以外的每層銅膜層均對(duì)應(yīng)一個(gè)電阻和一個(gè)靜電計(jì)，即每層銅膜層與一個(gè)電阻和一個(gè)靜電計(jì)依次相連，九個(gè)靜電計(jì)均接地，且靜電計(jì)置于屏蔽外殼外部，電阻置于屏蔽外殼內(nèi)部；其中，所述銅膜層采用濺射鍍膜的方法鍍到介質(zhì)層表面；所述介質(zhì)層材料為聚四氟乙烯或聚酰亞胺，厚度為60μπι;所述銅膜層厚度為IOym;所述屏蔽外殼材料為鋁，厚度為O. 2mm;(2)進(jìn)行電子束輻照試驗(yàn)利用能量為IMeV，電流密度為65pA/cm2的電子束進(jìn)行輻照，電子束置于步驟(I)所述探頭上方，使入射電子從屏蔽外殼上端開(kāi)口處垂直入射到多層電路板內(nèi)部，通過(guò)測(cè)量銅膜層上引出導(dǎo)線(xiàn)上的電位測(cè)量多層電路板介質(zhì)內(nèi)部不同深度處的電位，利用靜電計(jì)測(cè)得9根導(dǎo)線(xiàn)上的電壓；分別給出輻照10分鐘、20分鐘、30分鐘、I小時(shí)之后9根導(dǎo)線(xiàn)上的電壓。有益效果(I)本發(fā)明所述的監(jiān)測(cè)航天器內(nèi)帶電電位的方法，采用多層電路板結(jié)構(gòu)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)介質(zhì)層內(nèi)部各點(diǎn)的電位；介質(zhì)內(nèi)帶電主要是由200keV的電子造成的，所述方法采用的屏蔽外殼可以阻止能量200keV以下的電子，這樣可以只監(jiān)測(cè)內(nèi)帶電而排除表面充電的影響。(2)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明采用所述方法檢測(cè)介質(zhì)層內(nèi)部個(gè)點(diǎn)電位所得的結(jié)果是可靠的，證明了所述方法用于監(jiān)測(cè)航天器內(nèi)帶電電位的可行性。這對(duì)于航天器內(nèi)帶電在軌機(jī)理研究并最終形成航天器防護(hù)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)航天器安全運(yùn)營(yíng)維護(hù)都將大有裨益。


圖I為本發(fā)明所述方法中探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所述方法測(cè)得介質(zhì)內(nèi)部電位分布示意圖；圖3為仿真模擬計(jì)算得到的介質(zhì)內(nèi)部電位分布示意圖；其中，圖I中，1-1屏蔽外殼、1-2入射電子、1-3銅膜層、1-4介質(zhì)層、1-5電阻、1_6靜電計(jì)；圖2中橫坐標(biāo)為深度(單位μ m)，縱坐標(biāo)為電壓(單位V)，2-l、2-2、2-3、2-4分別為輻照時(shí)間I小時(shí)、30分鐘、20分鐘、10分鐘的電位分布曲線(xiàn)；圖3中橫坐標(biāo)為深度(單位μ m)，縱坐標(biāo)為電壓(單位V)，3-l、3-2、3-3、3-4分別為輻照時(shí)間I小時(shí)、30分鐘、20分鐘、10分鐘的電位分布曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來(lái)詳述本發(fā)明，但不限于此。實(shí)施例I—種監(jiān)測(cè)航天器內(nèi)帶電電位的方法，所述方法步驟如下(I)制作內(nèi)帶電探頭如圖I所示，所述內(nèi)帶電探頭采用多層電路板結(jié)構(gòu)，內(nèi)帶電探頭包括屏蔽外殼1-1、多層電路板、電阻1-5、靜電計(jì)1-6 ;其中，所述屏蔽外殼1-1為上端開(kāi)口的長(zhǎng)方體鋁質(zhì)殼體，屏蔽外殼1-1側(cè)壁設(shè)有通孔用于穿過(guò)導(dǎo)線(xiàn)；所述多層電路板包括基板、介質(zhì)層1-4和銅膜層1-3，基板置于最底層，介質(zhì)層1-4置于基板上方，介質(zhì)層1-4和銅膜層1-3分別有十層，交叉疊放；電阻1-5和靜電計(jì)1-6均為九個(gè)；將多層電路板封裝并固定于屏蔽外殼1-1內(nèi)，多層電路板上表面與屏蔽外殼1-1的上端開(kāi)口相對(duì)，且多層電路板上、下表面均接地；多層電路板中的除最上層銅膜層1-3以外的每層銅膜層1-3均對(duì)應(yīng)一個(gè)電阻1-5和一個(gè)靜電計(jì)1-6,即每層銅膜層1-3與一個(gè)電阻1-5和一個(gè)靜電計(jì)1-6依次相連，九個(gè)靜電計(jì)1-6均接地，且靜電計(jì)1-6置于屏蔽外殼1-1外部，電阻1_5置于屏蔽外殼1-1內(nèi)部；其中，所述銅膜層1-3采用濺射鍍膜的方法鍍到介質(zhì)層1-4表面；所述介質(zhì)層1-4材料為聚四氟乙烯或聚酰亞胺，厚度為60 μ m ;
所述銅膜層1-3厚度為IOym;所述屏蔽外殼1-1材料為鋁，厚度為O. 2mm，可以阻止能量200keV以下的電子，這樣可以只監(jiān)測(cè)內(nèi)帶電而排除表面充電的影響。( 2 )進(jìn)行電子束輻照試驗(yàn)利用能量為IMeV，電流密度為65pA/cm2的電子束進(jìn)行輻照，電子束置于步驟(I)所述探頭上方，使入射電子1-2從屏蔽外殼1-1上端開(kāi)口處垂直入射到多層電路板內(nèi)部，通過(guò)測(cè)量銅膜層1-3上引出導(dǎo)線(xiàn)上的電位測(cè)量多層電路板介質(zhì)內(nèi)部不同深度處的電位，利用靜電計(jì)1-6測(cè)得9根導(dǎo)線(xiàn)上的電壓；分別給出輻照10分鐘、20分鐘、30分鐘、I小時(shí)之后9根導(dǎo)線(xiàn)上的電壓。所述靜電計(jì)1-6可為Keithley6517B靜電計(jì)1_6，為了獲得準(zhǔn)確的測(cè)量電壓，可采用Keithley562210-通道掃描儀和Keithley6517B靜電計(jì)1_6聯(lián)合使用，測(cè)得9根導(dǎo)線(xiàn)上的電壓隨著時(shí)間的變化圖像，分別給出輻照10分鐘、20分鐘、30分鐘、I小時(shí)之后的9根導(dǎo)·線(xiàn)上的電壓，如圖2中曲線(xiàn)2-4、2-3、2-2、2-1所示。利用GEANT4軟件定義入射電子1_2為均勻分布的平面電子源，與步驟(2)中的輻照源能量和密度一致，垂直入射到多層電路板上，建立多層電路板的幾何模型，且多層電路板雙面接地，由此計(jì)算獲得介質(zhì)內(nèi)部各點(diǎn)的入射粒子通量，再結(jié)合介質(zhì)深層帶電輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率(RIC)模型即電流連續(xù)性方程、泊松方程和深層俘獲方程獲得介質(zhì)內(nèi)部各點(diǎn)的電位sdE(x,t) + σ(χ) + μρ (χ，ο] ￡(χ，ο + J (χ) = Jq ( )
(λιL^_JJg 必(，t、二 ρ (jc，t) + ρ (χ, t)
αχ 1
dP (Χ, O P (x,t)f P (χ, )、~￡-=—- I——￡-
dtτρ
Vm J其中ε為材料的介電常數(shù)5. 6X8. 85X10_12F/m，μ為自由電荷遷移率，取為0，τ為自由電荷俘獲時(shí)間常數(shù)范圍取10s，Pm為最大俘獲點(diǎn)和密度，取為4mC/cm3。E(x，t)、Pf(x, t)和Pt(x，t)分別是介質(zhì)內(nèi)t時(shí)刻χ處的電場(chǎng)、自由電荷密度和俘獲電荷密度，Jf(X)是χ處入射粒子能量，通過(guò)GEANT4模擬獲得，JtlU)是電子輻射注入電流密度，65pA/cm2。σ (χ)為材料在χ處的電導(dǎo)率，在輻射條件下，與劑量率相關(guān)，可表示為σ-σ +σ = σ + Id·)、
rd其中od為暗電導(dǎo)率，取I. OX 1(Γ16/ (Ω · m)，k為輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率系數(shù)
2.IX 10_15s/(Ω · m · rad),指數(shù)Δ取為I。σ r為福射誘導(dǎo)電導(dǎo)率分別給出輻照10分鐘、20分鐘、30分鐘、I小時(shí)之后介質(zhì)內(nèi)部各點(diǎn)的電位分布，如圖3中曲線(xiàn)3-4、3-3、3-2、3-1所示。并且與步驟(2)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者差別不大，從而證明了該方法是可行的，可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)航天器介質(zhì)內(nèi)部不同位置的電位。本發(fā)明包括但不限于以上實(shí)施例，凡是在本發(fā)明精神的原則之下進(jìn)行的任何等同替換或局部改進(jìn)，都將視為在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)測(cè)航天器內(nèi)帶電電位的方法，其特征在于所述方法步驟如下 (1)制作內(nèi)帶電探頭 所述內(nèi)帶電探頭采用多層電路板結(jié)構(gòu)，內(nèi)帶電探頭包括屏蔽外殼(1-1)、多層電路板、電阻(1-5)、靜電計(jì)(1-6);其中，所述屏蔽外殼(1-1)為上端開(kāi)口的鋁質(zhì)殼體，屏蔽外殼(1-1)側(cè)壁設(shè)有通孔用于穿過(guò)導(dǎo)線(xiàn)；所述多層電路板包括基板、介質(zhì)層(1-4)和銅膜層(1-3)，基板置于最底層，介質(zhì)層(1-4)置于基板上方，介質(zhì)層(1-4)和銅膜層(1-3)分別有十層，交叉疊放；電阻(1-5)和靜電計(jì)(1-6)均為九個(gè)； 將多層電路板封裝并固定于屏蔽外殼(1-1)內(nèi)，多層電路板上表面與屏蔽外殼(1-1)的上端開(kāi)口相對(duì)，且多層電路板上、下表面均接地；多層電路板中的除最上層銅膜層(1-3)以外的每層銅膜層(1-3)均對(duì)應(yīng)一個(gè)電阻(1-5)和一個(gè)靜電計(jì)(1-6)，即每層銅膜層(1-3)與一個(gè)電阻(1-5)和一個(gè)靜電計(jì)(1-6)依次相連，九個(gè)靜電計(jì)(1-6)均接地，且靜電計(jì)(1-6)置于屏蔽外殼(1_1)外部，電阻(1-5)置于屏蔽外殼(1-1)內(nèi)部； (2)進(jìn)行電子束輻照試驗(yàn) 利用能量為IMeV，電流密度為65pA/cm2的電子束進(jìn)行輻照，電子束置于步驟(I)所述探頭上方，使入射電子(1-2)從屏蔽外殼(1-1)上端開(kāi)口處垂直入射到多層電路板內(nèi)部，通過(guò)測(cè)量銅膜層(1-3)上引出導(dǎo)線(xiàn)上的電位測(cè)量多層電路板介質(zhì)內(nèi)部不同深度處的電位，利用靜電計(jì)(1-6)測(cè)得9根導(dǎo)線(xiàn)上的電壓；分別給出輻照10分鐘、20分鐘、30分鐘、I小時(shí)之后9根導(dǎo)線(xiàn)上的電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種監(jiān)測(cè)航天器內(nèi)帶電電位的方法，其特征在于所述銅膜層(1-3)采用濺射鍍膜的方法鍍到介質(zhì)層(1-4)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種監(jiān)測(cè)航天器內(nèi)帶電電位的方法，其特征在于所述介質(zhì)層(1-4)材料為聚四氟乙烯或聚酰亞胺，厚度為60 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種監(jiān)測(cè)航天器內(nèi)帶電電位的方法，其特征在于所述銅膜層(1-3)厚度為IOym0
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種監(jiān)測(cè)航天器內(nèi)帶電電位的方法，其特征在于所述屏蔽外殼(1-1)材料為鋁，厚度為O. 2mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種監(jiān)測(cè)航天器內(nèi)帶電電位的方法，屬于抗輻射加固技術(shù)領(lǐng)域。所述方法步驟如下(1)制作內(nèi)帶電探頭所述內(nèi)帶電探頭采用多層電路板結(jié)構(gòu)，內(nèi)帶電探頭包括屏蔽外殼、多層電路板、電阻、靜電計(jì)；所述多層電路板包括基板、介質(zhì)層和銅膜層，基板置于最底層，介質(zhì)層置于基板上方，介質(zhì)層和銅膜層分別有十層，交叉疊放；(2)進(jìn)行電子束輻照試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量銅膜層上引出導(dǎo)線(xiàn)上的電位測(cè)量多層電路板介質(zhì)內(nèi)部不同深度處的電位。所述方法可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)介質(zhì)層內(nèi)部各點(diǎn)的電位，且可以阻止能量200keV以下的電子，這樣可以只監(jiān)測(cè)內(nèi)帶電而排除表面充電的影響。
文檔編號(hào)G01R19/00GK102944722SQ20121049170
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者石紅, 楊生勝, 薛玉雄, 秦曉剛, 田愷, 柳青, 安恒, 楊青, 李存惠, 湯道坦 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五一〇研究所