（凝聚态物理专业论文）聚四氟乙烯的深层带电研究.pdf

兰州大学硕士论文 摘要 空间高能电子所引发的介质深层带电( 或称为介质内带电) 对地球同步轨 道、极轨道飞行器以及各种探测空间复杂带电环境的探测飞行器的工作安全性 和可靠性带来了严重的威胁。许多后果严重的飞行器失效事件都与介质深层带 电后所产生的放电有关。介质深层带电研究受到了国际上的广泛重视，成为当 前空间环境研究和飞行器辐射屏蔽防护研究的熏要前沿课题。 本文首先对当前内带电研究的主要内容进行了总结，对国内外研究现状进 行了概述；其次，对聚四氟乙烯采用”c oy 辐照源辐照，用三电极测试法对其 辐射诱导电导率进行测量。测得的聚四氟乙烯的辐射诱导电导率k p 和数值 分别为k p = 6 1 0 4 x1 0 - 1 9 ，= 0 6 5 1 ；再则，使用内带电分析软件s e n s i t 研 究了t e f l o n 在不同注入剂量率下的空间电荷密度和空间电场强度。同时，研究 了介质材料厚度对内带电的影响，发现低能、高密度电子所产生的空间电荷密 度比高能、低密度电子所产生的更大，空间电场强度更强。介质材料的厚度对 空间电荷密度和空间电场强度有重要的影响。 关键词：电介质深层带电辐射诱导电导率商能电子6 0 c oy 辐照 兰州夫学颂十论史 a b s t r a c t d e e pd i e l e c t r i cc h a r g i n gi n d u c e db yh i g he n e r g ye l e c t r o ni ns p a c eh a v eb r o u g h t s e r i o u st h r e a t e nt ot h e s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y o f s p a c e c r a f t t h a tw o r k i n g i n s y n c h r o n o u se a r t ho r b i t p o l a re a r t ho r b i ta n do t h e rd e t e c ts p a c e c r a f t ，t h a tw o r k i n g i n c o m p l e xc i r c u m s t a n c e t h e r ea r em a n ys p a c e c r a f tf a l i e de v e n tr e l a t et ot h ea r c i n g t l l a ti n d u c e d b y i n t e m a l d i s c h a r g i n g d e e p d i e l e c t r i c c h a r g i n g r e c e i v eb r o a d e m p h a s i z eo v e rt h ew o r l da n db e c a m et h ei m p o r t a n tf o r e t a n di ns d a c ee n v i r o n m e n t r e s e a r c ha n dr a d i a t i o np r o t e c ts h i e l do fs p a c e c m f t t h e r e i n t o ，t h er a d i a t i o ni n d u c e d c o n d u c t i v i t yt e s ta n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s e a r c ha b o u ts p a c ec h a r g ea n ds p a c e f i e l da f t e rd i e l e c t r i cc h a r g i n ga r ei m p o r t a n tc o n t e n to f i n t e r n a l c h a r g i n g i nt h i sp a p e r ，t h em a i nc o n t e n to fi n t e r n a lc h a n g i n gr e s e a r c ha n dd e v e l o p i n gs t a t u so f t h ew o r l da r es u m m a r i z e d ；s e c o n d t h et e f l o n sr a d i a t i o ni n d u c e dc o n d u c t i v i t ya r e t e s tw i t ht r i e l e c t r o d em e t h o db yg a m ar a yt h a tp r o d u c e db y ”c or a d i a t i o ns o u r c e t h ed a t a o f k p a n dao f r a d i a t i o n i n d u c e dc o n d u c t i v i t ya r e k p = 6 1 0 4 1 0 1 ， = 0 6 5 1 ：t h i r d l y , t h ei n t e m a lc h a r g i n ga n a l y s i st o o l ss d q s i t a r eu s e da n ds t u d yt h e d e n s i t yo fs p a c ec h a r g ea n ds p a c e f i e l do ft e t o ni nd i f f e r e n td o s e o nt 1 1 es a m et i m e t h ei n f l u e n c et ot h ei n t e m a lc h a r g i n go fd i e l e c t r i ct h i c k n e s sa r ea n a l y s i sa l s o t h e r e s u l ti n d i c a t e d ，t h e1 0 we n e r g ya n dh i g hd e n s i t ye l e c t r o np r o d u c eh i g h e rs p a c e c h a r g ed e n s i t ya n ds p a c ef i e l di nd i e l e c t r i ct h a nh i g he n e r g ya n dl o wd e n s i t ye l e c t r o n d o s e t h et h i c k n e s so f d i e l e c t r i ch a v eg r e a ti n f l u e n c et ot h es p a c ec h a r g ed e n s i t ya n d s p a c ef i e l d k e yw o r d s ：d i e l e c t r i c ，i n t e r n a lc h a r g i n g ，r a d i a t i o n i n d u c e d c o n d u c t i v i t y , h i g h e n e r g ye l e c t r o n , ”c og a l n ar a d i 砒i o n 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：翌匿翊r 期：皇堕：! ：! 墨 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的沦文及相关的职务作品，知识产权门属兰 州大学。冷人完全j 解兰州人学有灭保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，危许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学n ，以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州人学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：盈厚竭导! j r | j 签名： 蚜日期 二5 口6 - 0 兰卅1 人学硕十论文 第1 章引言 1 1 介质材料深层带电及危害 介质材料深层带电又称为介质材料内带电( i m e m a ld i e l e c t r i cc h a r g i n g ，简 写为i d c ) ，是指高能电子( 1 0 0 k e v - - 1 0 m e v ) 穿过介质材料的表面并在其内部 沉积。如果电子沉积在电阻率很高的介质材料中，由于电子的迁移率很小，电 荷很难泄放，会在材料内积累成为空间电荷，并形成空间电场。当受到大剂量 高能电子注入时，介质材料内电子积累的速率会超过泄放的速率，空问电荷的 密度和空间场强会随注入时间逐渐增加，当空间电场强度超过材料的承受阈值 时，就会发生材料内放电。 通常在地球地面环境中介质材料不会发生内带电现象，但研究介质材料在 空间环境中的内带电具有特别重要的意义。随着人类社会的发展，为满足通讯、 资源探测、气象预报、科学实验等的需要，人类发射了越来越多不同用途的人 造卫星和空间飞行器，这些卫星和空间飞行器的工作环境和地面环境有极大的 不同。例如太阳日冕抛射出的带电粒子受地球磁场和宇宙磁场的作用，在地球 周围形成了一个带电的环境，其中包含有低能电子( 3 0 5 0 k e v ) 和高能电子。 低能电子会引起飞行器的表面带电，而高能的带电粒子则穿过飞行器表面进入 内部，引起介质材料深层带电。介质材料表面带电和深层带电都会引发多种效 应f 2 】，如图1 所示。在空间区域中，电子的分布几率满足麦克斯韦方程，能量大 于1 0 0 k e v 的电子比能量低于1 0 0 k e v 的电子数量要少得多，因此，表面带电对 飞行器运行安全的影响比内带电的影响要更为强烈。在早期的飞行器带电防护 研究中，重点放在了解决表面带电问题。到二十世纪九十年代，通过些防护 措施，表面带电问题已获得了较好的解决，但飞行器放电问题依然存在，特别 是由于放电而产生的介质击穿、电磁脉冲发射等各种次级效应，依然严重影响 着卫星使用的可靠性和安全性。随着研究的深入，人们逐渐认识到介质材料深 层带电的严重危害，尤其是当飞行器穿过地球高能粒子辐射带或当太阳黑子活 兰州大学碳量沦义 动处于剧烈时期以及发生大规模的太阳日冕物质抛射时，一些重大飞行器事故 或失效事件都与飞行器材料的深层带电有关。这些事故和事件促进了对内带电 的研究。 图1 1电子注入介质材料中所引发的箨种效应 当高能电子注入介质材料时，可能导致材料强度下降；对光学系统，会改 变系统中某些敏感光学元件的光学参数，减少飞行器的使用寿命。尤为严重的 是，当介质材料发生内放电时，放电瞬间在材料局部会释放大量能量，可能造 成飞行器某些部件的损坏，最终导致飞行器完全失效。发生内放电时，会产生 电磁波，这些电磁波通过飞行器内部会属连线、天线等耦台进入卫星的内部电 路，会造成数据翻转，产生错误的数据接收和发射。特别是如果产生错误的卫 星控制指令，就可能产生不可预料的后果，例如造成卫星姿态失控或丢失等不 可挽回的严重损失。 为了保障各种飞行器的工作高安全性、可靠性，人们已经花费了大量的人 力、物力和财力，然而由于飞行器带电所引起的各种故障仍然时有发生。据统 计，在l i 行器的各种异常事件中，由于飞行器带电所引发的事件达到了i 3 并 兰州大学硕七论文 且带来了严重的经济损失和社会影响。例如，19 9 8 年5 月1 9 同，美困“g a l a x y 一4 ”通讯卫星失效，使4 5 0 0 万人的传呼业务中断。特别是当发生大规模的太 阳爆发事件、地球磁暴以及同步轨道中的亚暴时，大多数飞行器异常现象都是 由于内带电所引起的。表1 列举了近几年来由于高能电子注入诱发的卫星深层 带电事件。 表1 t 高能电子诱发卫星内部深层带电事件 f时间卫星影响 太阳池受损，输出功率下降一半，卫 j9 i 0 3 2 3美国环境卫星g o e s 一7 星工作寿命缩短2 - 3 年。 i 9 i 0 3 2 5美国地球同步卫星m a r e c s 一1卫星完全受损，停止工作。 9 4 0 1 2 0加拿大通讯卫星i n t e l s a t k 动量轮转动系统受损，姿态控制失灵。 动量轮转动系统受损，姿态控制失灵。 9 4 0 1 2 0加拿大通讯卫星a n i ke l电视、广播、电话和科学探测数据传 输停止数天。 动量轮转动系统受损，姿态失灵，数 9 4 0 l 2 1加拿大通讯卫星a n i ke - 2 月营救后恢复功能，损失数千万美元。 9 6 0 3 2 6加拿大通讯卫星f i n i ke - i动量轮转动系统受损，姿态控制失灵。 9 7 0 i 1l美国通讯卫星t e l s t a r 一4 0 1卫星失控受损，停止工作，报废。 星上在工作的备份计算机芯片发生锁 9 8 0 5 0 1德国科学卫星e q u a t o r s定，直到8 9 年8 月1 7 同仍停止t 作， 卫星受损报废。 卫星控制系统失控，不能正常工作，完 9 8 0 5 1 9美国通讯卫星g a l a x y 一4 全报废。 由表1 1 可以看出，由于介质材料深层带电而引起的各种飞行器事故一般都 很严重，造成的损失巨大，因此飞行器的深层带电被称为飞行器“杀手”。 兰州大学硕士论文 1 2 国内外对介质材料深层带电的研究进展 由于介质材料深层带电会对飞行器安全和使用寿命带来严重威胁，许多国 家都开展了介质材料深层带电研究，包括美国、前苏联以及欧洲的些国家。 我国近几年也开始了介质材料深层带电研究，但由于起步晚，与国外的研究水 平还有一定差距。 内带电研究内容是多方面的，主要可以分为以下几个方向：1 ) 空间高能粒 子环境探测；2 ) 地面模拟试验研究：3 ) 计算机模拟研究；4 ) 材料的屏蔽与防 护。 1 2 1 空间高能带电粒子环境探测 空间高能带电粒子环境探测是进行内带电研究的基础。通过空间高能带电 粒子环境探测，对所采集的数据加以分析和研究后得到的结果，是地面模拟试 验研究和计算机模拟研究的重要参数。在空间环境探测早期，世界各国先后发 射过多颗空间带电环境探测卫星，但所获得的数据大多数是长期平均的结果， 不能反映空间不同区域电荷分布的剧烈变化，特别是缺少高能电子的分布情况。 因此，尽管利用这些数据建立了一些空间电子环境模型( 例如a e 8 电子模型) ， 并且在模拟和解决表面带电以及一些其他问题时获得了令人满意的结果，但这 些模型不适合解决内带电问题，也就是说在二十世纪九十年代之前所获得的数 据作为空间介质材料内带电研究的基础是不能满足实际应用需要的。二十世纪 九十年代，美国和欧洲各国先后发射了多颗空间环境探测卫星，针对空间高能 电子及其分布进行探测，这些探测卫星包括h i p p a r c o s ( 1 9 8 9 ) 、c r r e s ( t 9 9 0 ) 、 s a m p e x ( 1 9 9 2 ) 、s t r v - 1 ( 1 9 9 4 ) 等。以这些探测数据为基础，建立了一系列空l 刈 电子模型，以满足实际需要。我国在2 0 0 4 年分别发射了探测一号和探测二号卫 星，对空间高能电子环境进行探测。随着人类探索空间的范围和深度刁i 断扩大， 在今后若干年内，可以预言还会有一些空间环境探测卫星，包括空间高能电子 环境探测卫星将被发射升空。 兰州大学硕十论文 1 2 2 地面试验研究 在地面试验研究方面，美国国家航天局( n a s a ) 和欧洲空间局( e s a ) 的 研究水平处于国际前列。地面模拟试验研究主要是对具体的介质材料在模拟空 间高能电子环境中所产生的各种效应进行研究，主要包括材料的辐射诱导电导 率与注入剂量率的关系、放电阈值和剂量率及时间的关系、注入能量与注入深 度的关系、材料内建电场大小和注入粒子能量、剂量率的关系、总剂量效应研 究以及延迟电导率研究等。对材料的选择和使用最重要的参数是各种材料的电 导率、辐射诱导电导率、材料的内建电场以及放电阈值。 由于本论文的研究重点对聚四氟乙烯的辐射诱导电导率进行测试，在此对 辐射诱导电导率的研究进展进行比较详细地介绍。 介质材料在电子或y 射线辐照下电导率会发生变化，即产生辐射诱导电导 率( r a d i a t i o ni n d u c e dc o n d u c t i v i t y 简写为r i c ) 。般可采用f o w l e r 方程来描述 这种变化”： 盯= 盯o + 盯，= o - o + k 。d ( 1 1j 其中，o 是材料总的电导率，oo 是暗电导率，o ，是辐射诱导电导率，彭，是与材料有芙 的辐射诱导率系数，a 是无量纲的与材料有关的指数，d 是辐照剂量率。 确定了材料在辐照下的世，和d ，就可以确定该材料的辐射诱导电导率。 在地面环境中，辐射诱导电导率的测量通常是在辐照下，对介质材料外加 电压，测量通过的微b 电流，著计算获得足，和d 。对绝大多数作为绝缘层使用 的介质材料来说，电阻率都非常高，所以流过其体内的电流很小，很容易受到 其他漏电流以及外界干扰等因素的影响，同时还要避免辐射环境对电测量系统 的影响，因此测量的关键包括两个方面： 1 ) 具有抗外界干扰能力的测试系统的建立； 2 ) 在辐照环境中小电流、高电阻的测量。 兰州大学硕十论文 为此，n a s a 和e s a 的一些研究机构都建立了专门的测试设备。但由于 n a s a 和e s a 对辐射诱导率的测量采用了不同的辐射源，他们的测试系统有很 大的不同。 n a s a 在1 9 9 9 年编写了航天器在轨内带电防护指南一4 0 0 2 ) ) ，其中对辐射 诱导电导率的测量装置以及高电阻率介质材料的电阻率测试方法进行了描述和 规范。n a s a 的地面模拟试验采用了电子辐照的方式，电阻率采用了非接触式的 测量方法 4 】，如图1 2 所示。 甜一一一飞 | 真空鳖 ； | 图1 2n a s a 电子辐照介质材料的辐射诱导电导率测量非接触式测试系统 辐照时，测试材料两端的电压是电子辐照在材料内部自身所产生的电压， 通过非接触式电压计测试其表面电位。连接在背电极上的皮安计测量通过材料 的漏电流。保持辐照电子束的能量和电流密度不变，材料的体内电位v * 一会逐 渐增高，漏电流im * 逐渐增大。当体电位增大到一定程度时不再升高，体电流也 达到平衡状态，这时 v # n = i 目r ( 1 2 ) r = p 。h a ( 1 3 ) 兰州人学硕上论文 l p 。= o = o o ，( 卜4 ) 其中，r 是介质材料的体电阻，p ，是介质材料的体电阻率，a 是介质材料的面 积，d 是材料的厚度。 在无辐照时，采用如图1 3 所示的测试原理测量材料的暗电导率。 限流电阻 图1 3n a s a 介质材料暗电导率测试原理图( 非接触式) 当高压开关闭合时，对处在两个极板间的电介质表面充电。当高压丌关打开时 一个极板上所充的电荷只能通过电介质到达另一极板。电荷通过电介质的泄漏 使其表面电位逐渐以指数形式减小。指数衰减的时间常数t 由被测量介质材料 的电阻r 和电容c 决定。若已知介质材料的形状则由电阻r ，可计算出该材料的 暗电导率。介质材料的表面电位随时间的变化如图1 4 所示。 l v o r 01 2345 时闷常藏 f = 辩c i 图1 4 介质材料表面电压衰减曲线与时间常数 ，呻晴吖畦畔姑o 草弑蜡曾 兰州大学硕十论文 t = r c ( 卜6 ) c = * a d ( 1 7 ) 其中，v 。是材料上所加的初始电压，t 是时间常数，c 是材料的电容，e 是材料 的介电常数 = 8o ， e 。是自由空间介电常数，e ，是材料的相对介电常数，a 是样品的面积，d 是样 品厚度 平板形电介质从上表面到下表面的漏电阻为 r = p ，+ d a o 。= 1 p ， ( 卜8 ) ( 1 9 ) e s a 也建立了一整套测量辐射诱导电导率的专门设备，但采用的是v 辐照 源。测试图如1 5 所示【3 j 。 图1 5y 辐照介质材料的辐射诱导电导率测量原理图 兰州大学硕七论文 在待测的平板电介质两端加高压v ，漏电流l * 由皮安计测出。当受到辐照 时，漏电流会发生变化。 v = i “r( 1 1 0 ) r = p ，d a( 1 一l1 ) 1 pv=o=oo + o 。 ( 1 - - 4 ) 其中，r 是介质材料的电阻，d 。介质村料的体电阻率，a 为介质材料的面积，d 为介质材料的厚度 为了消除由介质材料表面的径向电流所产生的干扰，设计了第三个电极， 即采用三电极法进行体电阻率测试。用三电极法测试介质材料电阻率的连接示 意图如1 6 所示。 图16 介质材料采用三电极法测量电阻率的连接示意幽 这时需对上述公式进行修正： 酽鲁r(1-12) 其中，r 是由欧姆定律获得的测量电阻( r = v i ) k v 是测试电极的有效区域。 对于圆形电极 驴万e + 磅，2 ( 1 1 3 ) 这里，d 。是受屏蔽电极的直径，g 是受屏蔽电极和环形电极之间的距离，b 为 兰卅l 大学硕士论文 有效区域系数。 我们对介质材料暗电导率测量使用的是k e i t h l e y6 5 1 7 a 测试电源与8 0 0 9 高 阻测试仪组成的测试系统，其测试原理也是三电极测试法。 1 23 计算机模拟研究 利用空间环境中带电粒子能量分布数据以及材料的一些性能参数，通过计 算机模拟的方法，将计算得到的结果与空间飞行试验和地面模拟试验结果进行 比较，可以对材料的某些性能参数加以修正，同时也可以预测某些飞行器内介 质材料发生内带电的条件和可能性。 一个模拟了空间真实带电环境的内带电分析软件的结构如图1 7 所示。 图1 7 内带电分析软件的结构 边晃条件是指介质材料本身的电阻率、介电常数、击穿电压以及温度、辐 照时间、接地状况、剂量率、屏蔽状况等。在计算机模拟软件的各个单元中， 介质中的电荷传输模型和计算机模拟算法( 常用的如蒙特卡罗算法以及有限元 分析法等) 已经相对成熟。而对于空间环境，由于不同区域磁层以及空间电荷 分布有很大差异，因而有多种空间环境模型。在这些模型中，有以统计数据为 基础建立的经验模型，有以理论分析为基础的物理模型，还有给出空间平均状 态的静态模型以及包括了空间环境变化的动态模型。根据1 9 9 0 年以前所获得的 数据建立的a e 8 电子模型曾被广泛作为各种空间效应分析软件的电子上不境模 型。但后来通过卫星的观测和进步数据积累表明，建立a e 8 模型所使用的数 兰卅i 大学硕上论义 据是长期平均化的结果，对空间电子环境变化起伏较大的区域，特别是在南大 西洋异常区和外区，获得的数据很不准确。即使在比较稳定的区域，也缺乏能 量大于1 0 0 m e v 的电子的分布数据【4 】。c r r e s 和s a m p e x 卫星的探测结果也 证实了辐射带急剧变化的特征。因而，以长期平均数据结果所建立的各种静态 模型不能满足对介质材料深层带电研究以及工程设计方面的需要。 近年来许多国家的研究机构一直致力于建立辐射带动态的模型和标准。比 利时的空间和高层大气物理研究所( b i 鼬蜘a s b ) 引入了前苏联和俄罗斯的辐射 带建模结果，建立了t r e n d 系列模型；美国n a s a 也建立了c r e e s r a d ( 计 算穿过不同厚度的铝半球屏蔽后的卫星总剂量模型) 、c r e e s e l e ( 外辐射带电 子全向通量模型) 等五个模型。e s a 采用指数形式拟合观测数据的方法建立了 f l u m i c 模型1 3 。 在结合空间环境模型、介质电荷传输模型以及算法的基础上，e s a 丌发出 了d i c t a t ( d i e l e c t r i ci n t e r n a lc h a r g et h e a t e ra n a l y s i st 0 0 1 ) 内带电分析软件。图 1 8 是d i c t a t 的运行流程图p 1 。 兰卅l 大学颁士论文 图1 8d i c t a t 程序运行流程图 1 2 4材料的屏蔽与防护 目前预防内带电的发生主要采用屏蔽的方法，即对发生内带电敏感或危险 等级较高的部件，在外部包覆有一定厚度的会属薄板。然而，介质材料发生内 带电受多种因素影响，对介质材料的屏蔽效果要考虑材料具体的性能参数、形 状参数以及接地状况等等。其中特别重要的参数是材料厚度。屏蔽材料太薄可 能不足以达到要求的屏蔽效果，屏蔽材料太厚会额外增加飞行器重：最。因而， 兰州人学硕十论文 必须精心选择屏蔽材料厚度。根据国内外的研究结果通常认为1 5 l ： 1 )在保障材料机械性能的前提下，电介质越薄越好； 2 )对高能电子的屏蔽，屏蔽层厚度的选择要根据材料性质、卫星运行过 程中可能遇到的高能电子分布等因素研究确定。 3 )在保障基本绝缘性能的前提下，尽量使用有较高电导率的介质，包括 高暗电导率、高辐射诱导电导率和高光电导率。 以美国n a s a 和欧洲e s a 为代表的研究机构在内带电研究的各个方面已经 取得了相当的成果，然而，出于技术保密或数据封锁，发表的与内带电相关的 资料很少，既便有大多也是提纲性或原理性的( 如n a s a 编写的航天器在轨 内带电防护指南一4 0 0 2 ) ) ) 。对内带电评价方法、在辐照环境中的内带电在线测试 系统建立细节等具有现实意义的专门资料更少。 国内对辐照诱导电导率的研究还处于起步阶段，尽管已有数家研究所和高 校正在开展材料的内带电效应研究。例如北京空间环境中心、北京大学以及武 汉大学等。受试验条件及以前的工作基础等限制，他们均采用计算机模拟研究 了介质材料的内带电及其防护。在缺乏必要试验数据基础上所建立起来的模拟 软件其可用性会受到很大的限制，研究的范围也集中在对辐射的屏蔽效果。兰 州5 1 0 研究所也对介质材料的内带电展开试验研宽，并且已和相关单位合作编 制了内带电分析软件s e n s i t ，可计算电介质注入后所产生的空间电荷分布以及 空问电场强度等。还将从俄罗斯引进能量达到几兆电子伏的高能电子注入设备 可专门用于高能电子辐照的实验研究。利用兰州菜单位生产用c 0 6 0 y 辐照源， 还可进行相关的y 辐照研究。 1 3 本论文研究的目的和意义 本论文研究的目的是： 1 )建立一套y 辐照介质材料辐射诱导电导率测试系统； 2 )确定聚四氟乙烯的辐照诱导系数k p 和值； 3 )用内带电分析软件研究聚四氟乙烯在辐照后的空间电荷分布以及空嵋j 兰大学硕1 论文 电场强度。 这些研究的意义在于： 1 )探索辐射诱导电导率的测试方法； 2 )为今后开展聚四氟乙烯改性研究打下基础。 1 4 本论文的主要内容 本论文的主要内容包括： 1 )介质材料的内带电过程分析； 2 )讨论电子辐照和y 辐照剂量率的关系： 3 )建立一套y 辐照内带电测量系统； 4 )对聚四氟乙烯进行辐照试验，确定其辐照诱导系数和值： 5 )用内带电分析软件s e n s i t 进行聚四氟乙烯的内建电荷密度和内建电 场强度，并讨论厚度的影响。 兰州人学硕士论文 第2 章空间高能电子环境与介质内带电 2 1 空间高能电子环境 空间高能电子主要来自于太阳日冕物质喷射所形成的太阳风。太阳风耳_ j 包 含了大量不同能量的带电粒子和电子，他们在行星际磁场的限制和约束、地球 磁场起控制作用的一个有限范围内形成了特定的空间电荷分布，如图2 1 所示。 图2 1 地球磁层剖面示意图 下面我们主要讨论三个会发生内带电危险的区域，即范- 艾伦辐射带( v a n a l l e nr a d i a t i o nb e l t s ) 、极尖区( p o l a r c u s p ) 和磁尾区( m a g n e t o t a i l ) 1 6 1 1 7 1 的等离子 体片。 范艾伦辐射带包括两条带电粒子带，内辐射带和外辐射带。内辐射带的 空间范围大致在l = 1 2 - 一2 5 之间( l 值定义为磁赤道上空的某一点到地心的距 离与地球半径之比) ，距地面较近，通常其下边界高度为6 0 0 - - 1 0 0 0 k m ，中心位 置高度为3 0 0 0 - - 5 0 0 0 k m ，纬度范围在南北4 0 0 以内。内辐射带内主要含有高能 质子。外辐射带的空间分布范围较广，l = 3 0 8 0 ，中- i i , 位置高度约为2 0 0 0 0 - - 兰卅l 大学硕士论文 2 5 0 0 0 k m ，厚度约为6 0 0 0 k m ，纬度范围在南北5 5 - - 7 0 0 之间，带内主要含有高 能电子，能量在4 0 k e y 到7 m e v 之间。穿过范艾伦辐射带的飞行器，受带内 高能电子作用，会在很短的时间使介质材料深层带电达到很高电位，引发内放 电。某些中地球轨道( m e d i u me a r t ho r b i t ) 卫星、环境探测卫星以及工作在m o l n i y a 大椭圆轨道的卫星都会穿过该辐射带。 在地球两极附近的区域称为极尖区。它包括了处于外圈环状的极光带和带 内的极盖区。沿磁力线下沉的带电粒子( 称为沉降粒子) 分别由极光带和极盖 区进入地球低纬地区。极光带是一个扰动的环形带，它是极光出现频次最高的 地带，环中心在子夜侧偏离磁极约3 0 ，内环直径约2 5 0 ，带宽6 0 左右，极光带以 能量在1 0 0 k e v 量级的带电粒子进入1 0 0 - - 5 0 0 k m 高度区与中性大气作用引起电 离增强为特征。运行偏角较大的极轨道卫星或飞行器在穿过该区域时会在较短 时间内发生高能带电粒子充电事件，可能引起飞行器介质材料内带电。在极盖 区，沉降粒子能量低于2 0 0 e v ，不会引发内带电事件，在这里不作讨论。 磁尾区等离子片也是产生内带电的重要区域。地球磁场在太阳风的作用下 发生改变，向阳面被压缩，而背阳面向后伸长到很远的地方，磁层的背阳侧称。 为磁尾。位于磁尾赤道面附近地磁场近似为零的弱磁场区的中性片两侧密度较 高等离子体区域即为等离子体片，片厚约1 0 r 葚( r e 为地球半径) ，内边界的地心 距在5 1 0r e 间。在稳定状况下，磁位区域的典型电子能量为l k e v ，此时不会 发生内带电现象。但由于受到太阳风中带电粒子的不断能量注入以及从极盖区 受磁场俘获带电粒子的能量注入作用，最终会发生能量的瞬间释放，将密度较 高、能量较低的等离子体变为密度较低，能量较高的等离子体( 1 0 0 k e v - - 3 m e v ) ， 即发生磁层亚暴( 或简称为亚暴) 。通常驻暴持续约2 3 个小时，且发生的时间 间隔无规律性。工作于地球同步轨道的卫星或飞行器在穿越磁尾区等离子片时， 可能会发生严重的高能粒子充电，引发内带电。 此外，撞击地球太阳风的起伏会引起她磁场的扰动，即发生磁暴。当发生 强烈的地磁扰动时，变化的磁场会对空间带电粒子加速，进而引发严重的内带 兰州大学硕十论文 电。 2 2 介质材料的内带电过程 对介质材料从高能电子注入到放电的发生要经历三个过程：电子的注入与 沉积、内部电场的建立和电介质内放电，下面对这三个过程分别加以阐述。 2 2 1 电子的注入与沉积 高能电子在射入高绝缘介质材料表面后能量逐渐损失。在电子能量很高或 介质材料很薄的情况下，介质材料不足以吸收全部的电子能量，电子可以穿透 材料从背面射出，因此介质材料中不会沉积电子，但该过程会引起到材料的某 些性能发生变化。对具有适当能量的高能电子( 1 0 0 k e v - - 1 0 m e v ) 和几个厘米 至几个毫米厚的介质材料( 飞行器中使用的各种介质材料厚度一般在该范围 内) ，高能电子就有可能沉积在介质材料内部。由于介质材料的电阻率很高，电 荷在其内部的迁移率很小沉积的电子在相当长时间内都会留在材料体内。 电子的注入深度不仅与注入电子的能量和束流密度有关，而且与被注入材 料的密度、原子大小、结构等因素密切相关。电子的注入深度通常用射程r 来 描述。其单位为g e m 2 。射程r 与实际注入深度x 的关系为 r = p x ( 2 一1 ) 其中，p 为材料的密度。 不同学者通过实验获得了电子注入深度与电子入射能量的经验关系式。 r ：0 5 4 2 e 1 13 3e 0 8 g l e n d e n m & c o r y e l l t s l ( 2 2 ) r ：0 4 0 7 e 1 。”e 0 8 i i r ：0 5 2 e o 0 9 f e a t h e r( 2 - 3 ) r ：0 4 1 2 e 1 2 ”o ”5 4 “5 0 e 31 k a t z p e n f o l d 9 l ( 2 4 ) r ：。e o t 。s ， e l p a c m 的环境中，就一定会发生内 带电放电。 兰州入学硕士论文 第三章辐射诱导电导率产生的物理机制 3 1电予辐照产生的辐射诱导电导率 电介质的导电性能主要由其能带特征决定。介质受到电子辐照后产生的辐 射诱导电导率与介质材料的能带结构有密切的关系。例如，在卫星上广泛所使 用的聚四氟乙烯是高分子聚合物，属于非晶体，其原子分布在长程上是无序的， 但在短程上仍是有序排列。因此，由原子有序排列所形成的能带仍然存在，但 是在禁带中存在大量的定域态，这些定域态的存在使电子不能像在晶体中那样 运动。基于这样的考虑，对高分子介质材料我们仍然可以从能带的角度出发， 分析在高能电子辐照时的导电性。 对金属来说，导带处于半满状态，导带中的电子数量比辐照激发出的电子 数量大得多，因此，电子辐照对金属的电学性能影响不大。对于电阻率较高的 电介质来说，导带与价带之间的禁带宽度一般为3 6 苦v 。在温度为2 5 c 时 e s = o 6 e v 的半导体中的本征载流子浓度为1 0 1 2 c m 一，而e g = 5 e v 的绝缘电介质中 的本征载流子浓度为1 0 _ 2 0 c n l - 3 ，凝聚态物质中的原子密度( 10 2 2 c m 。3 ) 是他的1 0 4 2 倍，因而本征载流子浓度非常小。当高能电子注入电介质体内时，会使原子受 到激发而电离，电子从价带跃迁到导带，形成电子一空穴对，其数量会大大超 过本征载流子的数量，使电导率产生显著变化，这是电子辐射产生地辐射诱导 电导率的基本物理机制。根据该机制，下面我们从微观上分析辐射诱导电导率 的产生。 设t l ：* e g 介质的单个电子所能产生的电子一空穴对数目为【1 4 】 脚：r g ( d ) g e( 3 一j ) 脚= 一 t d j ， 1 0 0 其中e 是电子的能量，f 。( d ) 是电子一空穴对产生速率，其大小和注入的电子剂 量率有关，g 称为辐射化学产额，用它表示每吸收l o o e v 的辐射能量所产生地 离子对数目。习惯单位为分子l o o e v ，国际单位是m o l j ，两者地换算关系为 1 分- 子1 0 0 e v = 1 0 3 6 1 0 7 m o l j 兰州人学顿1 ：论文 产生的电子一空穴对在经过平均时间f ，后，又会以几率g f 重新复合。因次 对于注入大小为j 的电子束，在稳态下的辐射诱导电导率可表示为 ：，：jrg(d)ger,gilt+jrg(d)ger,g：itp(3-2grrmjrrgl(3-2)2 7 2 可旷一+ 1 万一 ( 3 2 ) 式考虑了电子和空穴对辐射诱导电导率的贡献，其中心和。分别为 电子和空穴的迁移率。由于电介质中的载流子很少，载流子的复合始终处于不 饱和状态，f ，基本上是常数。 将f 。( d ) 写成指数形式 a r 。( d ) = k d ( 3 - 3 ) 其中，k 为其系数。宏观的辐射诱导电导率为 盯，= k 。d ( 3 - 4 ) 比较( 3 3 ) 和( 3 - 4 ) 式可得 置。：j k g e r , g i + j k g e r , g j a p ( 3 - 5 ) ” 1 0 01 0 0 对大多数介质材料，产生电子一空穴对所需的能量与入射电子的性质无关， 只与材料的禁带宽度成正比。除去把电子激发到导带所需的能量之外，入射电 子的能量还要包括介质晶格所吸收的能量( 主要引起介质温度的升高) 以及韧 致辐射所失去的能量。因此，高能电子与介质分子作用后被吸收的能量通常为 介质禁带宽度的3 倍，约为3 0e v 。 在激发出一个电子空穴对后，电子的剩余能量还相当高，因此，还会不断 地与介质中的原子发生电离作用。当电子达到一定深度后就损失尽能量而停止 运动，成为介质体内的空间电荷。在外界电场以及光、热等的激发作用下，空 间电荷能够克服材料的禁带以及晶界间转移能量的束缚，而发生迁移。由于电 离和激发作用造成电子能量的损失与介质材料的密度、与电子发生作用的原子 兰州人学硕i 论文 的序数、电子的能量等因素有关。考虑到以上因素修正后的电子能量与注入深 度的关系可表示为( 1 3 - 6 ) 式 1 5 1 ( 警) = 0 5 1 1 x 1 0 - 2 4 等j ( 星号坐) ( 志卜引一d m 梳e ， 其中，e 为电子动能，s 为电子在介质中所通过的距离单位为c m ，n z 为电子密 度，而b = v c ，v 为入射电子速度，c 为光速，i 为原予的平均电离和激发势 能，6 为修正的介质密度。 3 2 y 辐照产生的辐射诱导电导率 高能y 射线与介质相互作用，能量通过三种机制被介质原子吸收：光电效 应( 当y 光子与物质中的某个束缚电子作用时，光子的全部能量转移给该电子使 之发射出去，而光子本身消失) 、康普顿散射( y 光子与物质中的电子发生碰撞， 光子被散射从另一方向飞出) 和生成电子对( y 光予在原子核库伦力的作用下转 化为一个正电子和一个负电予) 。 对于不同能量的y 射线以及介质的原子种类不同。上述三种作用机制造成。 的吸收比率差别很大。通常用减弱系数“( 单位为c i l l “) 来描述不同能量的光 子被吸收的程度。在低光子能量和高原子序数的情况下，光电效应占主要地位。 在高光子能量和高原子序数的情况下，生成电子对是主要的。当光子有中等能 量( 约1 m e v ) ，对所有原子来说，康普顿散射成为主要的相互作用。在低能或介 质原子序数较小的情况下，康普顿效应也相当明显。图3 1 是n a i 晶体在受到 不同能量的光子辐照时各种机制相应的减弱系数“。 兰州大学硕 ：论义 图3 1n a i 晶体在不同能量光子作用下的减弱系数 6 0 c oy 辐射源的两个辐射峰能量分别为1 1 7m e v 和1 3 3 m e v ，因此，对6 0 c o y 辐射源通常不必考虑光电效应和电子对产生效应，只霈考虑虑康普顿效应“。 图3 2 康普顿电子产生不慈嘲 如图3 2 所示，康普顿散射中能量为胁的入射光子与原子相互作用后成为 散射光子，以偏转角度0 发射出去，能量减小为 v + ，同时还激发原子核外的一 个电子( 康普顿电子) 。以中角度出射。产生康普顿电子的过程满足动量守恒和 能量守恒，据此可以求得康普顿电子的能量。康普顿电子会与其他原子中的核 外电子相互作用，逐渐损失能量。当电子康普顿电子还没有与其他原子发生作 _ l 连 兰州大学舰j 地文 用时，它所具有的能量( h v h v ) ，通常用比释动能e ( 光子和物质相互作用产 生的电子和离子的初始动能) 来描述。 e ：h v h v ：h v 坠墼( 3 7 ) 1 + a o c o s 目、 其中 a = h v m n c 2 ( 3 - 8 ) 根据( 3 7 ) 公式计算可知，康普顿电子具有很宽的能量分布。入射光子能 量的3 4 是出射光子能量所能达到的最大值，平均光子能量约为最大光子能量 的一半。对6 0 c o 辐射源产生的康普顿电子，最大能量约为0 9 9 8m e v ，平均能 量约为o 6 2 5m e v 。 当y 射线辐照电介质时，y 射线和介质原予的核外电子相互作用，损失部 分能量，使核外的电子受到激发，产生与入射光子能量有关的康普顿电子。这 些康普顿电子与外界注入的高能电子相比，对材料的作用完全相同。康普顿电 子和介质发生相互作用，激发介质原子核外的电子，产生空穴一电子对，当这 些电子的能量足够克服禁带以及晶界问转移能量的束缚时就可以迁移，使电介 质的电导率发生变化。 3 3 两种产生机制的比较 采用电子辐照和y 辐照，都可以产生辐射诱导电导率，这他们各有特点。 表3 1 对这两种激发方式从产生机理、能量注入方式、电平衡状态、发生放电可 能性、穿透深度与激发程度。以及电荷消除方式的多个方面作了比较。 兰州人学倾 ：论义 表3 1电子辐照和y 辅照产生的辐射诱导电导率比较 - 电子辐照y 辐j ! c ( 产生机理 高能电子激发介质原子发生电离，y 射线激发介质原子产生康许顿电 产生电子一空穴对子，康酱顿电子再与介质原子作用， 产生电子一空穴对 能量注入方式 由于电子的注入，发生了能量和质只发生能最注入 量的同时注入 电平衡状态 电子注入后。停留在介质内部，形激发出的高能电子是由介质出部产 成材料中的空间电场，介质材料在生，介质材料在拯体上处于电中性 整体上处于电负性。状态。但由于产生的商能电子发生 了电荷迁移，在微观区域内电荷 处于不平衡状态形成空间电场 发生放电 注入的电子在体内积累，只要达到y 辐照不会从外