高能电子辐照下介质材料内沉积电荷分布试验研究

王金晓，秦晓刚，梅 飞，冯 娜，杨生胜，韩焱晖，柳 青，陈益峰*

（1. 许昌学院 化工与材料学院，许昌 461000；

2. 兰州空间技术物理研究所，兰州 730000；
3. 北京东方计量测试研究所，北京 100086）

航天器在轨运行期间将遭遇严酷的空间辐射环境，引发威胁航天器正常运行和在轨安全的多种辐射效应。地球同步轨道（GEO）和中地球轨道（MEO）空间环境中的高能电子（0.1～10 MeV）具有很强的穿透力，可穿过航天器屏蔽层在介质材料内部沉积；
当沉积电荷诱发的电场强度超过材料的击穿阈值时将产生静电放电：以上称为深层带电效应[1-3]。深层带电效应通常发生在航天器内部，对航天器造成的损伤更为直接和严重，因此又被称为“航天器杀手”[4-6]，长期以来一直是国内外航天机构的研究热点[7-11]。

高能电子诱发的沉积电荷分布特性是深层带电效应的重要考量因素，决定了介质材料内部的充电程度，是静电放电是否发生的判断依据之一。脉冲电声（pulsed electro-acoustic, PEA）法由Takada等于20 世纪80 年代提出[12]；
后来Laurent 团队将经典PEA 装置改进为开放式PEA 装置[13]，使其满足电子辐射环境的测量要求，被广泛应用于星用介质材料内部沉积电荷分布的测试。国内外多个科研团队针对μm 级厚度的薄膜材料开展了电子辐照环境下沉积电荷分布特性的测试，验证了开放式PEA 方法的可行性和有效性[14-16]。当前，PEA 已经成为研究空间电子辐照下星用介质材料深层带电效应机制的重要手段[17]。

目前，沉积电荷分布特性测试主要集中于数十至数百μm 厚度的薄膜类材料，而星用电路板等mm 级厚度的介质材料由于其体电阻更大，积累于其内部的电荷很难得到释放，更容易产生静电放电[18]。现有针对mm 级厚度介质材料沉积电荷分布特性的研究多为仿真分析，试验测试报道较少，使得仿真分析结果得不到有效验证[6,19]。本文采用开放式PEA 方法测试0.3～1.0 MeV 电子辐照下mm 级厚度介质材料的沉积电荷分布特性，揭示高能电子以不同能量和粒子数入射下的介质材料内部电荷分布规律，以助进一步研究深层带电效应的物理机制和验证仿真分析方法，并指导航天器带电防护设计。

PEA 测试的原理[12]为：在介质材料一端施加脉宽很窄的高压脉冲，材料中的沉积电荷在脉冲作用下产生相应的压力波脉冲，再由压电传感器接收和测量介质材料另一端的压力波脉冲；
依据材料内部电荷与压力波脉冲的关系可反向推演得到材料内部电荷分布特性。PEA 测试装置由上/下电极、高压脉冲源、压电传感器和信号放大及测试系统组成，如图1 所示。测试试验中将介质材料样品置于上/下电极之间，施加压力使其与上/下电极紧密贴合，并在样品两端表面涂敷硅油，以增强声耦合。上电极位于高能电子辐照方向，设计为圆环状，使得高能电子直接辐照测试样品。由高压脉冲源产生宽度为30 ns、幅值约为1 kV 的脉冲。由压电传感器将穿过介质材料的声信号转化为电信号，再由信号放大及测试系统进行数据采集和处理。

图1 介质材料沉积电荷分布特性测试装置组成Fig. 1 Device for test of deposited charge distribution characteristics of dielectric materials

本研究中的高能电子由兰州空间技术物理研究所的电子加速器产生。该加速器可产生能量范围为0.1～2.0 MeV 的单能电子，束流密度范围为nA/cm2至pA/cm2量级。在所关注的电子能量范围（0.1～10 MeV），辐照电子能量较低时将主要沉积在靠近上电极端的材料内部，而根据薄膜类材料的测试结果[13-16]，在上电极与测试样品交界面处将产生感应电荷，容易将电荷分布测试信号淹没，因此本研究将辐照电子最低能量设置为0.3 MeV；
当辐照电子能量较大时，将主要沉积在下电极与测试样品交界面处或者直接穿透测试样品，因此本研究将辐照电子最高能量设置为1.0 MeV；
同时，在最低和最高能量之间再选取2 个能量点，最终确定试验中的辐照电子能量分别设置为0.3、0.5、0.7 和1.0 MeV。空间高能电子的束流密度为pA/cm2量级，本研究中为确保被测样品能被充电且不发生静电放电现象，从而获得较为准确的沉积电荷分布结果，将辐照电子的束流密度设置为200 pA/cm2。

试验采用航天器典型介质材料聚酰亚胺（PI）为测试样品，样品尺寸为ϕ60 mm×3 mm。PI 由于其优异的耐高低温及机械性能、良好的化学稳定性和介电性能，以及高绝缘等性能，已应用于航天器的结构和热控等材料中，并在星载印制电路板和电子元件等领域具有广阔的应用前景。PEA 测试装置中，上电极采用开口设计，电极和测试样品接触面积很小，而测试样品为绝缘材料，高压脉冲无法在整个表面上传输，因此在测试样品面向电子辐照的表面溅射10 μm 厚的导电（铝）涂层，使整个表面导电，以实现高压脉冲信号在整个表面上的传输。为消除由于样品表面残存水分或挥发性杂质的污染对高压脉冲信号传输的影响，试验前对测试样品进行烘烤和真空除气处理，烘烤温度85 ℃，烘烤时间48 h，真空度优于1×10-3Pa[17]。

当电子加速器产生的高能电子辐照样品时，由于上电极为开口设计且导电涂层厚度非常薄，高能电子能够直接穿透涂层进入并在介质材料内部沉积电荷。此时，高压脉冲通过上电极和导电涂层从整个表面传输入材料内部，当电脉冲作用于沉积电荷时会感应产生压力波脉冲，压力波脉冲被下电极接收并由压电传感器及后端信号处理电路采集测试。压力波脉冲的压力剖面和材料中沉积电荷的体密度分布相关，因此由测得的压力波脉冲信号反演可得到相应的材料内部沉积电荷分布情况。

2.1 不同入射电子数下介质材料内部沉积电荷分布特性

在高能电子辐照期间，PEA 装置每间隔10 min记录1 次沉积电荷分布特性测试结果。图2 是辐照时间分别为10、20、30 和40 min 时，0.3 MeV 电子辐照下PI 材料内部沉积电荷分布状况。可以看出，当0.3 MeV 电子开始辐照后，在材料0.35 mm 深度的位置出现了负电荷的沉积峰，当辐照时间为10 min 时沉积电荷的最大峰值约为5 μC/cm3，20 min 时约为9 μC/cm3，30 min 时约为11 μC/cm3，40 min 时约为12.5 μC/cm3。由此可知，随着高能电子入射粒子数的不断增加，材料内部的负电荷沉积峰的峰值不断增大。

图2 0.3 MeV 电子辐照不同时间后PI 材料内部沉积电荷分布状况Fig. 2 Deposited charge distributions in PI materials after 0.3MeV electron irradiation for different time durations

随着辐照时间的延长，入射电子数不断增加，而电荷沉积量的增长速率呈不断减小的趋势，材料内部电荷的分布逐渐达到稳定状态。为有效分析这一结果，将辐照电子与材料作用分为3 个区域——辐照区、未辐照区和沉积区，如图3 所示。辐照区指高能电子能与材料发生作用的区域；
未辐照区指高能电子无法到达的区域；
沉积区指高能电子在材料内的主要沉积区域。根据辐射效应理论[20]，电子能量损失沿介质材料深度方向呈先增加后减小的趋势，能量损失的最大值一般出现在运动轨迹的末端，导致高能电子的主要沉积区域集中在辐照区的后端。

图3 辐照电子与材料作用示意Fig. 3 Schematic of interactions between irradiating electrons and materials

电荷的沉积量是由高能电子的注入速率和材料内部电荷的泄漏速率共同决定的，当高能电子的注入速率（束流密度为200 pA/cm2）一定时，由于电子在与材料作用过程中通过电离、激发、散射和轫致辐射等形式将能量转移给材料，使得材料产生辐射诱导电导率，会增大辐照区中沉积电荷的泄漏速率。同时，由于材料内部电荷积累，产生由材料表面指向沉积区的电场，导致材料产生场致电导率，并随着材料内部电荷量的不断增加而增强，使得电荷泄漏速率不断上升。最终高能电子的注入速率和材料的电荷泄漏速率趋于平衡，材料内部沉积电荷量达到稳定状态。

另外，由图2 发现，在材料的0 mm 和3 mm 深度位置均出现了正电荷的峰，其峰值随着材料内部沉积负电荷量的增加而变大。这主要是由上、下电极与测试样品交界面处的感应电荷造成的，随着材料内部累积的电荷量增加，交界面处感应电荷量也越来越多，测得的正电荷峰值也就越大。该现象与薄膜类材料的测试结果是一致的。

2.2 不同辐照电子能量下介质材料内部沉积电荷分布特性

图4 是能量为0.3、0.5、0.7 和1.0 MeV 电子分别辐照40 min 后，PI 材料内部沉积电荷分布特性测试结果。可以看到，不同能量电子辐照下在PI 材料内部不同位置出现了负电荷峰，峰值位置随着辐照电子能量的增大而不断深入材料内部——电子能量为0.3 MeV 时峰值位置为0.40 mm，0.5 MeV时为0.85 mm，0.7 MeV 时为1.51 mm，1.0 MeV 时为2.57 mm。这是由于能量越大电子的初始运动速度越大，可以在能量完全损失前在材料内部穿透更深的距离。

图4 不同能量电子辐照下的PI 材料内部沉积电荷分布特性测试结果Fig. 4 Deposited charge distribution in PI materials irradiated by electrons with various energies

用Weber 公式

能够有效计算电子在材料内部的最大穿透深度，且与蒙特卡罗模拟计算结果的一致性较好[21]。式(1)中：R为入射电子在介质中的最大穿透深度，m；
α、β和γ均为拟合系数，取值分别为0.55 g/(cm2·MeV)、0.984 1、和3 MeV-1；
E0为入射电子的能量，MeV；
ρ为介质的密度，PI 的密度为1.42 g/cm3。

采用Weber 公式计算出不同能量电子的最大穿透深度，并与试验结果进行对比，如表1 所示。表1 中的试验结果从图4 中获得，当介质材料内部电荷密度由峰值变化为0 时，则认为电子无法穿透更远距离，对应位置即最大穿透深度。为方便比较，表1 中试验结果和计算结果均保留小数点后2位有效数值。

表1 不同能量电子的最大穿透深度试验结果与计算结果比较Table 1 Comparison between experimental and calculated results of maximum penetration depth of electrons with different energies

从表1 可以看出：当能量为0.3、0.5 和0.7 MeV时，电子在材料内部的最大穿透深度试验结果与Weber 公式计算结果符合较好；
而能量为1.0 MeV时，试验结果小于计算结果。这可能由于1.0 MeV电子主要沉积在3 mm 厚度PI 材料的后端，受材料表面/下电极交界面处感应的正电荷影响，电子沉积峰的形状未能完整获得，从而造成最大沉积深度的测试偏差。

为进一步分析辐照电子的能量对沉积电荷分布特性的影响，本文以负电荷沉积峰的峰值位置为零点，比较不同能量电子辐照下PI 材料内部沉积电荷峰形，如图5 所示。由于0.3 MeV 和1.0 MeV电子辐照形成的负电荷沉积峰形分别受上、下电极与材料交界面处的感应正电荷的影响，未测试到完整的峰形，所以图5 中仅比较了0.5 MeV 和0.7 MeV辐照电子在PI 材料内部形成的负电荷峰形。

图5 0.5 MeV 和0.7 MeV 辐照电子在PI 材料内部形成的负电荷峰形比较Fig. 5 Comparison of negative charge peaks formed by 0.5 MeV and 0.7 MeV electrons irradiating in PI materials

由图5 可以看到，0.5 MeV 电子在PI 材料内部沉积电荷的峰值约为11 μC/cm3，大于0.7 MeV 电子所形成的峰值（约为9 μC/cm3），但0.5 MeV 电子在材料内部沉积的电荷总量（即电荷峰形所包络的图形面积）小于0.7 MeV 电子在材料内部沉积的电荷总量。这主要是由于0.5 MeV 电子的沉积区域更靠近上电极/材料表面交界面，沉积电荷更容易通过上电极得到泄漏；
而0.7 MeV 电子集中沉积在材料中心区域，电荷泄漏相对困难，故沉积的电荷总量更大。可见，为介质材料内部沉积电荷提供更为便捷的泄漏通道是抑制深层带电效应的有效措施之一。

比较峰值前/后沉积电荷量可以发现，0.5 MeV电子在负电荷峰值前沉积的电荷量略多于峰值后的，但当电子能量增加至0.7 MeV 时，峰值前的沉积电荷量远大于峰值后的。造成这一现象的原因是：电子在辐照过程中将能量转移给辐照区材料，产生辐射诱导电导率，提升材料的导电性能；
由于能量越大的电子在材料内部具有越宽的沉积范围[22]，从而在材料内形成更宽的辐照区，而辐照区的导电性能远优于未辐照区，因此沉积电荷更容易向上电极与测试样品交界面处移动，导致沉积峰值前的电荷量明显多于峰值后的。

本文利用电子加速器分别产生0.3、0.5、0.7 和1.0 MeV 的高能电子，采用PEA 装置完成了3 mm厚PI 材料的内部沉积电荷分布特性测试试验，分析高能电子的入射粒子数以及能量对介质材料内部电荷分布的影响规律。研究表明：随着高能电子入射粒子数的不断增加，材料内部的负电荷沉积峰的峰值不断增加，且峰值位置随着辐照电子能量的增大而不断深入材料内部，当辐照电子能量从0.3 MeV 增加到1.0 MeV 时，在PI 材料内部的电荷最大沉积深度由0.61 mm 增加到2.86 mm；
由于能量越大的电子产生越宽的辐照区，而辐照区的导电性能远优于未辐照区的，所以电荷沉积峰值前的电荷量多于峰值后的，且能量越大的电子辐照该现象越显著。

本文研究为进一步阐明内带电效应的物理机制，验证仿真分析方法提供了数据依据和技术支持。