专利名称：一种介质材料电导率的测试方法
技术领域：
本发明涉及一种介质材料充放电测试方法，特别涉及一种真空环境下介质材料表 面电位测试系统，属于测试领域。
背景技术：
为减轻发射重量和满足航天器电、热、力学等性能要求，航天器要用到大量有机介 质材料。空间辐射环境中，高能粒子、等离子体容易在航天器外围的介质材料内部或者穿过 航天器屏蔽层在其内部的介质材料上沉积。当这些介质材料表面与周围其他部件电位差或 者沉积电荷产生的电场超过一定阈值时会发生放电现象，高能量放电则会直接造成敏感电 子元器件击穿或有机介质击穿，这将会干扰航天器上电子仪器的正常工作，严重时使航天 器发生故障。介质材料电导率是影响卫星充电电位的重要材料参数，它决定了介质材料充电过 程中电荷泄漏的快慢。目前，我国介质材料电导率的测量一般采用三电极法进行。由于星用 介质材料的电导率极小，通常需要采用专门的弱电流测试设备进行测量。但是在样品所处 环境条件(如温度、湿度、真空度)、样品状态(如纯度、表面清洁程度、样品厚度和大小)、 测试条件(如施加电压大小、测试时间以及夹具设计)等因素的影响下，该测量结果会随着 测试条件的不同而产生2个数量级的变化。因此迫切需要开发稳定、可靠的适合于测试空 间带电问题的样品电导率的方法和装置。常规的电导率测量方法并不完全适合于空间带电环境，常规方法不适于空间条件 的主要原因有(1)电荷注入方法不同，所形成的带电电荷密度曲线和电场也有本质上的 不同常规三电极法电压是通过电源提供的，而介质带电表面电位是电荷注入形成的；(2) 电极数目不同常规三电极法在介质两侧都有电极，而介质内带电仅有一侧是电极，而另一 侧则是电荷注入面；(3)研究目的不同常规三电极法电导率测量与电源功率在介质中的 损失有关，而不考虑电荷注入后的储存时间和数量；(4)泄漏电流测量时间不同常规三电 极法的测量时间或读数时间为数分钟，而空间介质充电或衰减周期可达数月之久，介质电 导率的变化在较长时间才会显现出来。

发明内容
本发明目的提供一种介质材料充放电测试方法，本发明中电导率的测试方法选用 电荷衰减法——利用电子注入、非接触式表面电位测量法获取介质材料电导率。利用中低 能电子枪辐照介质样品使其表面达到一定的电位(通常接近放电危险电位)，之后停止照 射使样品保存在真空室。本发明中的测试设备，包括真空系统、充放电系统、电位测试系统。其中真空系统 包括真空罐、机械泵、扩散泵、多级旋片泵、阀门、密封管路和工作台；充放电系统由电子枪 和样品安装系统组成；电位测试系统包括电位计和微电流计。本系统的连接关系为真空罐安置于工作台上，通过一路密封管路经挡板阀与机械泵连接，通过另一路密封管路经挡板阀和扩散泵连接，机械泵、罗茨泵、扩散泵组成真空 系统中的抽气机组；电子枪位于真空室内顶端中轴线处；样品安装于真空室下部的中心位 置的铜板上，铜板与电子枪同轴，样品和铜板之间用块体聚四氟乙烯隔离；真空计位于真空 罐内部的顶端，处于不影响其他顶端元器件的任意位置；样品表面的充电电位和衰减电位 由电位计测试，电子枪的束流由法拉第杯测试，电位计和法拉第杯的移动由驱动机构控制， 可在二维的平面内移动；微电流计接在样品的背电极上，主要测试对象为样品在充电时的 泄露电流。本测试系统工作流程为第一步，测试前准备，检查循环水，真空系统和电子枪、电位计、微电流计等用电设 备的电路，探测器的信号线路；第二步，对样品进行干燥处理；按

图1中的电路连线，将电位探头位于样品上方零 电位点处；确定样品安放位置，用探头驱动机构确定电位测量点的位置坐标。第二步，关闭真空罐，抽真空使系统真空至5. ^10_4pa以下，打开电子枪电源，将 电子能量设置为14Kev，用法拉第杯测试使样品由2. OnA/cm2的电子辐照，样品表面的充电 电位由电位计TREK 341HV配合电位计探头TREK 3450E进行测试。每隔10分钟将电位计 探头迅速下降至距样品前表面2cm处，进行感应式非接触测量；微电流计和电位探头测得 的数据在正负0.5%内波动，即认为样品充电饱和，之后关闭电子枪。第三步，关闭电子枪后，利用样品内部电荷Q的泄放呈指数形式衰减类似的过程， 来测量样品的电位衰减过程，具体为每隔30分钟将探头迅速下降至距样品前表面2cm处， 进行感应式非接触测量，将测得的数据录入测试软件，计算样品的电导率。具体计算公式 为Vs=Vsm.: Iτ = ε ρ其中Vs-表面电压、VsO-初始表面充电电压、P-体电阻率、ε-介电常数、t_衰 减时间、τ-时间衰减常数；总之，利用表面电位探针测量样品表面电位随时间的衰减关系，根据测量到的不 同时间的样品表面衰减电位可推算出样品的电导率。第四步，当试验结束后，关闭试验装置的电源，打开通气阀门，打开真空罐，取出试 验样品。本发明的优点为介质电导率越高越不利于沉积电荷的泄放，若采用传统方法测 量的电阻率结果来评估航天器部件的深层充电过程，将过低估计介质材料中的沉积电荷， 进而可能低估了放电风险而造成不必要的损失。表1列出了该测试方法和传统测试方法用 于测试典型介质材料体电阻率的结果，查表显而易见。本发明中电导率测试方法适宜于深 层充电危害评估，可以为深层充放电效应的防护提供有价值的工程数据。电荷衰减法——利用电子注入、非接触式表面电位测量法获取介质材料电导率。 这种测试方法高精度、高可靠，其更适合于空间带电环境下介质材料电导率的测量。本发明 的测试装置提高了试验自动化程度、控制精度、试验效率。该方法在一般情况下比传统的方 法高一个或一个以上的量级。表一本发明测试方法和传统测试介质材料体电阻率测试结果的比较
权利要求
1.一种介质材料充放电测试方法，其测试设备，包括真空系统、充放电系统、电位测试 系统；其中真空系统包括真空罐、机械泵、扩散泵、多级旋片泵、阀门、密封管路和工作台； 充放电系统由电子枪和样品安装系统组成；电位测试系统包括电位计和微电流计；其特征在于 本测试系统工作流程为第一步，测试前准备，检查循环水，真空系统和电子枪、电位计、微电流计等用电设备的 电路，探测器的信号线路；第二步，将电位探头位于样品上方零电位点处；确定样品安放位置，用探头驱动机构确 定电位测量点的位置坐标；第二步，关闭真空罐，抽真空使系统真空至5. 4xlO-4Pa以下，打开电子枪电源，将电子 能量设置为14Kev，用法拉第杯测试使样品由2. OnA/cm2的电子辐照，样品表面的充电电位 由电位计TREK 341HV配合电位计探头TREK 3450E进行感应式非接触测量；直到样品充电 饱和，之后关闭电子枪；第三步，关闭电子枪后，利用样品内部电荷Q的泄放呈指数形式衰减类似的过程，来测 量样品的电位衰减过程，并将测得的数据录入测试软件，计算样品的电导率；具体计算公式 为Vs= Vs0- exp(—^τ = ε ρ其中Vs_表面电压、VsO-初始表面充电电压、P-体电阻率、ε-介电常数、t-衰减时 间、τ-时间衰减常数；第四步，当试验结束后，关闭试验装置的电源，打开通气阀门，打开真空罐，取出试验样Pm ；总之，利用表面电位探针测量样品表面电位随时间的衰减关系，根据测量到的不同时 间的样品表面衰减电位可推算出样品的电导率。
2.根据权利要求1所述的一种介质材料充放电测试方法，其特征在于在步骤二中，每 隔10分钟将电位计探头迅速下降至距样品前表面2cm处，进行感应式非接触测量。
3.根据权利要求1所述的一种介质材料充放电测试方法，其特征在于在步骤二中，微 电流计和电位探头测得的数据在正负0. 5%内波动，即认为样品充电饱和。
4.根据权利要求1所述的一种介质材料充放电测试方法，其特征在于在步骤三中，每 隔30分钟将探头迅速下降至距样品前表面2cm处，进行感应式非接触测量，将测得的数据 录入测试软件。
全文摘要
本发明公开了一种介质材料充放电测试方法，具体为测试前准备完成后；将电位探头位于样品上方零电位点处；确定样品安放位置，用探头驱动机构确定电位测量点的位置坐标，然后，关闭真空罐，打开电子枪电源，用法拉第杯测试使样品进行电子辐照；每隔10分钟将电位计探头迅速下降至距样品前表面处，进行感应式非接触测量；微电流计和电位探头测得的数据在正负0.5％内波动，即认为样品充电饱和，关闭电子枪，利用样品内部电荷Q的泄放呈指数形式衰减类似的过程，来测量样品的电位衰减过程，总之，利用表面电位探针测量样品表面电位随时间的衰减关系，根据测量到的不同时间的样品表面衰减电位可推算出样品的电导率。本发明中电导率测试设备适宜于深层充电危害评估，可以为深层充放电效应的防护提供有价值的工程数据。
文档编号G01R27/02GK102128985SQ20101062460
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者史亮, 李存惠, 柳青, 秦晓刚, 马亚莉 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所