电子束辐射和直流电压耦合作用下聚酰亚胺真空沿面闪络机理的研究

The DC surface flashover voltage of dielectric material irradiated by electron-beam is much lower than that in vacuum or gaseous atmosphere, which is the key scientific issue for developing high-voltage and high-power spacecraft technology. However, the surface flashover characteristics and mechanism of dielectric material irradiated by electron-beam in vacuum are unclear until now. This project will break through the conventional understanding of just focusing on the effect of deposited electrons on dielectric discharge, proposing a novel research way of considering the synergistic effect of incident kinetic electrons and deposited electrons. Polyimide is used as the typical dielectric material. The DC surface flashover characteristics of dielectric material in vacuum are investigated under different conditions of deposited and kinetic electrons. We will adjust the energy, flux and radiating time of the vertical electron-beam to change the depth and quantity of deposited electrons in the dielectric material surface layer; and adjust the incident angle, energy and flux of the electron-beam to change the energy, density and trajectory of the kinetic electrons moving towards the dielectric material. Adopting the charge transport model of dielectric material, we will study the deposition and dissipation law of electrons in the dielectric material surface layer radiated by electron-beam. The synergistic effect of applied electric field and the counteractive electric field formed by deposited electrons in the dielectric material surface layer will be further researched to reveal the surface flashover mechanism of dielectric material radiated by electron-beam in vacuum. This project will provide theoretical foundation and experimental basis to improve the surface flashover performance of dielectric material in space environment.

电子束辐射下绝缘介质直流沿面闪络电压远低于其在真空或气体中的闪络电压，是发展高电压、大功率航天器技术的关键科学问题。然而电子束辐射下真空沿面闪络特性和机理尚不清楚。本项目突破仅关注沉积电子对介质放电影响的传统认识，提出同时考虑辐射运动电子和沉积电子协同作用的研究思路。以聚酰亚胺为典型绝缘介质，通过控制垂直电子束辐射的能量、束流和时间，改变介质表层沉积电子的深度和数量；通过控制电子束辐射的入射角、能量和束流，改变向介质表面辐射的运动电子能量、密度和轨迹，研究不同电子沉积和电子运动条件下，绝缘介质的真空直流沿面闪络特性。采用介质电荷输运模型研究电子束辐射下绝缘介质表层电子沉积和消散规律，进一步研究绝缘介质表层沉积电子形成的反作用电场和外施直流电场对运动电子的协同作用机制，揭示电子束辐射和直流电压耦合作用下绝缘介质的真空沿面闪络机理。为空间环境下绝缘介质沿面闪络性能的提高提供理论基础和实验依据。

电子束辐射下航天器介质的真空直流沿面闪络严重威胁航天器的安全、可靠运行，制约了航天器工作电压的提高，限制了高电压大功率航天器的发展。然而，电子束辐射下固体绝缘介质的真空直流沿面闪络特性和机理尚不清楚。本项目首次提出同时考虑辐射运动电子和沉积电子协同作用的研究思路，深入研究电子束辐射对绝缘介质沿面闪络特性和机理的影响。.首先，分析了电子束能量和二次电子发射对表面电位的决定作用，并分别从等效电路模型和单极性电荷输运模型来描述电子束辐射下绝缘介质的表面电荷沉积动力学过程，通过聚酰亚胺的表面电位测试对表面电荷沉积动力学过程进行了验证。从表面电荷沉积动力学的角度考虑，发现如果认为表面带电是由二次电子发射造成的，则会产生超带电现象。指出目前理论对沿面闪络过程中的带电现象解释存在缺陷。.再次，建立了表面附近运动电子轨迹仿真模型，研究发现阴极三结合点发射的场致发射电子的运动电子轨迹受外施电场和沉积电荷反作用电场的共同作用。当表面电荷为零或者为正时，阴极附近绝缘表面的法向电场分量由绝缘介质指向真空，场致发射电子将返回介质表面，并轰击产生二次电子；但是当电子运动到阳极附近时，由于法向电场分量从真空指向绝缘介质，使得电子远离绝缘表面。随着表面沉积负电荷的增加，阴极附近的电场减小甚至反向增大，法向电场分量也变为从真空指向绝缘，削弱了阴极三结合点的场致发射，阻碍了沿面闪络的起始，从而提高闪络电压。.最后，考虑电极注入电荷和电子束注入介质产生的电子空穴对在表层的输运过程，阐明了介质表层电荷输运对沿面闪络过程的影响。在前文基础上建立了真空直流沿面闪络模型，揭示了电子束辐射和直流电压耦合作用下聚酰亚胺的真空沿面闪络机理。解释了电子束辐射后，沿面闪络电压随着电子束能量、辐射时间和束流密度的变化；电子束辐射期间，沿面闪络电压随着入射角度、电子束能量和束流密度的变化。