一種基于電子誘發(fā)的充放電模擬器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬電磁兼容測試領(lǐng)域，主要用于航天器充放電測試，也可用于一般電子產(chǎn) 品的常規(guī)靜電干擾試驗。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天器充放電效應(yīng)包括表面充放電和深層充放電現(xiàn)象，表面充放電效應(yīng)是指在低 能帶電粒子輻射環(huán)境下航天器表面介質(zhì)的帶電與弧光放電現(xiàn)象，由于電子的速率比離子 快，航天器處于熱等離子體環(huán)境中可以充電至負電位，最高達到-IOkV左右，航天器上所帶 負電位可以吸引離子，進而加快航天器表面的老化，當航天器處于太陽光直射時，向陽面由 于光電效應(yīng)帶上正電位，背陽面則保持較高負電位，這樣會形成航天器上不等勢帶電，由此 導(dǎo)致的放電現(xiàn)象可以直接干擾航天器控制系統(tǒng)或燒毀器件。
[0003] 深層充放電效應(yīng)是指，空間輻射環(huán)境中，高能帶電粒子容易在航天器外圍的介質(zhì) 材料內(nèi)部或者穿過航天器屏蔽層在其內(nèi)部的介質(zhì)材料上沉積，當這些介質(zhì)材料表面與周圍 其他部件電位差或者沉積電荷產(chǎn)生的電場超過一定閾值時會發(fā)生放電現(xiàn)象，研究深層放電 的一般方法是用高能電子對樣品進行轟擊，使其放電，高能電子可用電子槍或者放射源實 現(xiàn)。
[0004] 我國中高軌道應(yīng)用衛(wèi)星發(fā)展迅速，空間充放電的威脅日益突出，空間中由帶電子 粒子充放電引起ESD (Electron-induced electrostatic discharge)現(xiàn)象，是已觀測到導(dǎo) 致在軌航天器異常的重要因素，空間ESD脈沖容易耦合入航天器電路或敏感器件中，進而 導(dǎo)致信號干擾或翻轉(zhuǎn)，其耦合方式包括傳導(dǎo)耦合和輻射耦合，因此需要對航天器件進行抗 空間帶電誘發(fā)ESD干擾評估，電子誘發(fā)的充放電模擬器是產(chǎn)生這類ESD的核心部件。
[0005] 地面ESD研究已經(jīng)比較成熟，比如人體放電，器件放電，這些放電的特性及測試實 驗都比較完善，國內(nèi)外很多廠家都能生產(chǎn)相應(yīng)的靜電模擬器，它們基本原理是在阻容套件 上產(chǎn)生高壓，然后觸發(fā)放電，地面靜電干擾試驗用的ESD發(fā)生器都是針對特定類型情況研 制的，其發(fā)生方式和作用方法，以及ESD脈沖波形參數(shù)都不符合空間中由帶電子粒子充放 電引起ESD。
[0006] 空間帶電誘發(fā)ESD放電脈沖波形具有上升時間短、電流強度大、和脈沖持續(xù)時間 長等特點，而一般地面靜電干擾試驗用的ESD發(fā)生器不能滿足需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是設(shè)計一種基于電子誘發(fā)的充放電模擬器，利用帶電子在聚合物樣 品中沉積，當達到擊穿閾值，樣品發(fā)生放電，用這種最接近航天器充放電真實情況的方法來 產(chǎn)生ESD，模擬空間中由帶電子粒子充放電引起ESD，為航天器及其產(chǎn)品測試提供具有上升 時間短、電流強度大、和脈沖持續(xù)時間長等特點的放電脈沖。同時本發(fā)明樣品和電子源均可 調(diào)可選，也可以用于一般電子產(chǎn)品的充放電測試。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于電子誘發(fā)的充放電模擬器，所述模擬器主 要由電子源、真空腔、樣品控制模塊和ESD輸出模塊四部分組成，電子源提供一定能量、通 量的電子，模擬空間軌道電子環(huán)境，真空腔提供充電所需真空環(huán)境，樣品控制模塊控制樣品 大小和位置，ESD輸出模塊將ESD導(dǎo)出，與被測器件連接。
[0009] 如圖1所示，所述模擬器具體包括：電子源（1)、屏蔽體（2)，放電樣品（6)和真空 栗（11)，所述電子源（1)發(fā)射的電子束（3)通過屏蔽體（2)形成的真空腔（4)注入到放電樣 品（6)上，放電樣品（6)-面有背電極（7)，放電傳導(dǎo)電纜（9)穿過屏蔽體（2)與背電極（7) 連接，放電傳導(dǎo)電纜（9)由絕緣層（10)包裹，放電樣品（6)固定在樣品臺（5)上，樣品臺（5) 在控制導(dǎo)軌（8)上可以滑動，控制導(dǎo)軌（8) -端固定在屏蔽體（2)內(nèi)部，屏蔽體（2)外部還 有真空栗（11)和接地線（12)，所有與屏蔽體（2)的連接均為真空密封連接。
[0010] 作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述的電子源（1)包括三類，電子槍，β放射源 和電子加速器，所發(fā)射的電子通量和能量可調(diào)。β放射源通常選擇90Sr-90Y，能較好模擬 同步軌道上的電子環(huán)境。
[0011] 作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述的電子源（1)有兩種工作模式，單能譜和連 續(xù)譜，單能電子可以用電子槍提供，連續(xù)能譜電子由放射源提供，為擴大輻射面，電子槍出 射電子用高頻掃描的方法擴束。
[0012] 作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述的屏蔽體（2)所用材料為鉛或者鋼，形狀為 圓筒形，屏蔽體上的接口均為真空密封接口。
[0013] 作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述的放電樣品（3)材料為航天上常用的聚合 物材料，例如聚酰亞胺，其厚度和大小根據(jù)實驗要求加工調(diào)整，背電極（7)通過噴鍍的方法 鍍在放電樣品（6)-面，電子束（3)注入到另一面，在樣品內(nèi)部形成電場。
[0014] 作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述的樣品臺（5)在控制導(dǎo)軌（8)上滑動以控 制放電樣品（6)與電子源出射電子口距離。
[0015] 作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述的真空栗（11)包括一臺機械栗和一臺分子 栗，保證模擬器在使用過程中真空度達到10 4帕斯卡。
[0016] 作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述的絕緣層（10)能夠承受至少一萬伏高壓。
[0017] 上述基于電子誘發(fā)的充放電模擬器所依據(jù)的電子誘發(fā)ESD產(chǎn) 生模型的基礎(chǔ)是平板充放電模型，如圖2所示，充電樣品為某種厚度為 I面積為j的聚合物材料，入射電子能量為?，電流密度為I，電荷在材料內(nèi)部沉積，形 成電場，當電場強度f超過材料擊穿閾值
時就會發(fā)生放電，產(chǎn)生ESD脈沖。
[0018] 基于CSDA (Continuous Slow Down Approximation)假設(shè)，入射電子能量損失與 入射深度變化為
，并假設(shè)所有電子在厚度ft能量全部耗盡，其附近的電場可由 高斯定理計算：
. (1) 是電位移矢量，,為真空介電常數(shù),?是相對介電常數(shù)，
是包絡(luò)面內(nèi)部的凈電荷，為簡化起見，該模型忽略二次電子發(fā)射和散射電子，因此，電荷量 隨時間的變化關(guān)系為：
(2) 其中是流入地的傳導(dǎo)電流密度： CN 105158617 A VL 貝
(3) 總電導(dǎo)率I由三部分組成，熱激發(fā)電導(dǎo)
，跳變電導(dǎo)
和輻射誘發(fā)電導(dǎo)
室溫情況下
可表示為：
. (4) 是一個比例常數(shù)，I是劑量率，是質(zhì)量密度，_是每電子電荷，_是電 子入射深度：
(5) 對單能電子，由（1)-(5)可以得到電荷層附近電場強度：
(6) 對于放射源9°Sr-9°Y，電子能量范圍處的電場強度可表示為：
(7) 其4
由電子能譜確定，假設(shè)沒有電子穿透樣品，則，
處電場最大：
(8) 當內(nèi)部最大電場滿足條件
，發(fā)生放電，產(chǎn)生ESD脈沖，即電子 誘發(fā)放電，該模型下，在獲_爲|胃區(qū)域電場將保持為一個常數(shù)l，樣品表面電位可對 電場積分得到：
從能量表達式（11)可以看出，在給定能譜給定樣品材料的情況下，電子誘發(fā)ESD的強 度由樣品的面積和厚度決定，總體積越大放電能量越高。 (10) (11)
[0019] 所述的基于電子誘發(fā)的充放電模擬器的模擬步驟為： 步驟1)根據(jù)被測器件或系統(tǒng)及其所使用的空間環(huán)境確定電子源種類，發(fā)射電子能量和 通量，確定放電樣品材料和尺寸； 步驟2)調(diào)整放電樣品與電子源距離，使樣品表面的電子通量與空間環(huán)境電子通量接 近； 步驟3)啟動真空栗； 步驟4)當真空度達到10 4帕斯卡時，開啟電子源，將電子注入到放電樣品中； 步驟5)當放電樣品內(nèi)部最大電場滿足條件
·，發(fā)生放電，產(chǎn)生放 電脈沖，將放電脈沖導(dǎo)出，注入到被測器件或系統(tǒng)。
[0020] 本發(fā)明的一種基于電子誘發(fā)的充放電模擬器的優(yōu)點在于： 本發(fā)明利用不同種類的電子源發(fā)射不同能量和通量的電子，能夠較好地模擬空間軌道 的電子環(huán)境，本發(fā)明利用航天常用的