直流电晕充电下环氧树脂表面电位衰减特性的研究

介质材料表面电荷的积累和衰减行为是制约众多高压直流电力设备研制的关键因素. 薄片状介质试样的表面电荷密度与表面电位近似呈线性关系, 因此常通过表面电位衰减行为研究表面电荷的衰减特性. 基于电晕充电、表面电荷沉积和脱陷、介质体内单极性电荷输运等3个物理过程, 建立表面电位动态响应的物理模型. 通过计算环氧树脂的表面电位衰减行为, 得到栅极电压、相对介电常数和体电导率等对其表面电位衰减特性的影响. 栅极电压越高, 表面电位的衰减速度越快; 环氧树脂材料参数典型值(相对介电常数3.93, 体电导率10^-14 S· m^-1)下, 归一化表面电位的衰减速率随时间变化的曲线可拟合为分段幂函数, 其中, 分段幂函数的特征时间、指数系数与栅极电压分别呈幂函数和线性变化关系. 相对介电常数越大, 表面电位的衰减速度越慢; 环氧树脂相对介电常数典型范围(3–4)内, 表面电位衰减时间常数由1720 s增大到2540 s, 两者呈线性关系. 体电导率越大, 表面电位的衰减速度越快; 环氧树脂体电导率典型范围(10^-15–10^-13 S· m^-1)内, 表面电位衰减时间常数由24760 s 减小到260 s, 两者呈幂函数变化关系.     

天器背面接地介质材料等离子体充电研究

处于等离子体环境中的航天器的介质材料受到带电粒子的作用,表面将产生电位。对背面接地的介质材料,上表面将与接地背面形成电势差。当电势差达到一定阈值时将产生放电,表面充电电位对充放电效应影响至关重要。综合考虑等离子体中粒子的质量、温度及密度,介质材料的二次电子效应,体电流泄漏以及介质材料的运行速度等因素,基于气体动理论,利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中背面接地介质材料表面充电电位一般表达式。讨论了地球同步轨道环境下,表面电位与等离子体环境及材料表面电阻等各个参数的关系,总结出等离子环境背面接地介质材料表面充电规律,为航天器介质材料静电防护设计提供一定的理论基础。     

航天器背面接地介质材料等离子体充电研究北大核心CSCD

处于等离子体环境中的航天器的介质材料受到带电粒子的作用,表面将产生电位。对背面接地的介质材料,上表面将与接地背面形成电势差。当电势差达到一定阈值时将产生放电,表面充电电位对充放电效应影响至关重要。综合考虑等离子体中粒子的质量、温度及密度,介质材料的二次电子效应,体电流泄漏以及介质材料的运行速度等因素,基于气体动理论,利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中背面接地介质材料表面充电电位一般表达式。讨论了地球同步轨道环境下,表面电位与等离子体环境及材料表面电阻等各个参数的关系,总结出等离子环境背面接地介质材料表面充电规律,为航天器介质材料静电防护设计提供一定的理论基础。     

航天器背面接地介质材料等离子体充电研究

处于等离子体环境中的航天器的介质材料受到带电粒子的作用,表面将产生电位。对背面接地的介质材料,上表面将与接地背面形成电势差。当电势差达到一定阈值时将产生放电,表面充电电位对充放电效应影响至关重要。综合考虑等离子体中粒子的质量、温度及密度,介质材料的二次电子效应,体电流泄漏以及介质材料的运行速度等因素,基于气体动理论,利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中背面接地介质材料表面充电电位一般表达式。讨论了地球同步轨道环境下,表面电位与等离子体环境及材料表面电阻等各个参数的关系,总结出等离子环境背面接地介质材料表面充电规律,为航天器介质材料静电防护设计提供一定的理论基础。     

双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面的充电效应

空间等离子体在有些情形下,并非单麦克斯韦分布,而是双麦克斯韦分布。为了研究双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面的充电效应,基于等离子体动理学理论,建立表面充电平衡方程,综合考虑双麦克斯韦分布等离子体的粒子参数、航天器的单位电容、二次电子发射及光照等因素,得出了双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面充电电位的计算表达式,给出了表面充电电位随时间的变化规律。研究结果表明:当等离子体为双麦克斯韦分布时,航天器表面充电电位低于单麦克斯韦分布等离子体环境下的表面充电电位,单麦克斯韦分布的等离子体假设会过高估计航天器表面的充电效应;双麦克斯韦分布的第二分布函数中,对最终的表面充电平衡电位影响较大的主要是离子成分;双麦克斯韦分布等离子体的粒子数密度或温度越高,则表面充电达到平衡所需的时间越长;单位电容仅影响表面充电电位达到稳定所需的时间,对最终的充电平衡电位值影响不大。     

爆炸平面冲击波在金属颗粒介质中的衰减

 分析了颗粒介质在冲击载荷下的加载、卸载本构关系,应用特征线理论对平面一维爆炸冲击波在颗粒介质中的衰减进行了计算。结果表明：组成颗粒的材料、孔隙率及炸药的爆速决定了初始冲击波峰值的大小。炸药爆速越高,介质孔隙率越大,材料本身的冲击阻抗越大,初始压力越高。炸药长度、材料本身的冲击阻抗及介质的孔隙率决定了冲击波的衰减速度。炸药长度越小,材料本身的冲击阻抗越大,介质的孔隙率越高,冲击波衰减越快。     

一种新的航天器外露介质充电模型

为综合考虑高能电子辐射与周围等离子体对航天器外露介质充电的影响,在航天器内带电模型的基础上,通过添加边界充电电流来考虑等离子体与航天器介质表面的相互作用,并统一参考电位为等离子体零电位,建立了航天器外露介质充电模型,给出了新模型的一维稳态解法,并与表面充电模型和深层充电模型进行了对比分析.结果表明:新建模型能够综合考虑表面入射电流、深层沉积电流和传导电流对充电的耦合作用过程,实现外露介质表面和深层耦合充电计算,有利于全面评估航天器外露介质的充电问题.     

电子辐照下聚合物介质内部放电模型研究

空间电子辐照环境中,聚合物介质充放电现象是威胁航天器安全的重要因素. 传统航天器介质充放电模型仅能分析材料充电过程,缺乏对放电前后介质电位残余情况与放电脉冲强弱的评估. 本文通过引入介质放电电导率,在数值积分 充电模型基础上建立同时描述航天器介质内部充电和放电过程的新模型,并将模型计算结果与实验数据进行比较,验证了所构建的模型. 模型分析结果表明,聚合物介质放电残余电位与放电电流脉冲宽度随着样品电阻率的增加而增大,放电电流强度随着临界电场强度和充电时间的增加而增强,其增幅随着辐照电子束流强度的增加而增大. 关键词： 放电模型 内部放电 电子辐照 航天器介质     

空间多能电子辐照聚合物充电过程的稳态特性

空间同步轨道上多能电子辐照聚合物的充电过程及其稳态特性是研究和抑制通信卫星静电放电的基础.在同步电子散射-输运微观模型的基础上,采用具有10—400 keV积分能谱分布的多能电子辐照聚酰亚胺样品,进行了多能电子辐照聚酰亚胺充电过程的数值模拟,获得了空间电荷密度、空间电位、空间电场分布和聚合物样品参数条件下的表面电位和最大场强.结果表明,多能电子与样品发生散射作用并沉积在样品内形成具有高密度的电荷区域分布,同时在迁移和扩散的作用下输运至样品底部形成样品电流;充电达到稳态、电子迁移率较小时(小于10-10cm2·V-1·s-1),表面电位绝对值和充电强度随电子迁移率的降低明显加强,捕获密度较大时(大于1014cm-3),表面电位绝对值和充电强度随捕获密度的增大明显加强;聚合物样品厚度对表面电位和充电强度的影响大于电子迁移率、捕获密度和相对介电常数的影响.研究结果对于揭示空间多能电子辐照聚合物的充电现象及微观机理、提高航天器故障机理研究水平具有重要科学意义和价值.     

介质材料二次电子发射特性对微波击穿的影响

以介质填充的平行板放电结构为例,本文主要研究了介质填充后微波低气压放电和微放电的物理过程.为了探究介质材料特性对微波低气压放电和微放电阈值的影响,本文采用自主研发的二次电子发射特性测量装置,测量了7种常见介质材料的二次电子发射系数和二次电子能谱.依据二次电子发射过程中介质表面正带电的稳定条件,计算了介质材料稳态表面电位与二次电子发射系数以及能谱参数的关系.在放电结构中引入与表面电位相应的等效直流电场后,依据电子扩散模型和微放电中电子谐振条件,分别探讨了介质表面稳态表面电位的大小对微波低气压放电和微放电阈值的影响.结果表明,介质材料的二次电子发射系数以及能谱参数越大,介质材料的稳态表面电位也越大,对应的微波低气压放电和微放电阈值也越大.所得结论对于填充介质的选择有一定的理论指导价值.     

Modeling static charge dissipation on solids: An historical perspective

Gilbert was the first to recognize the specific character of electrics, materials able to attract a needle when rubbed. Four centuries later, the detailed understanding of this experiment remains delicate, even concerning one aspect only: charge dissipation after charging. The double nature of the material, dielectric and allowing charge transport, identified by Faraday, will participate. We examine here both aspects, following an historical perspective. Dielectric absorption, involving slow polarization mechanisms, can be related to a viscoelastic behavior of the material, as long as superposition principle applies. From Kohlrausch to modern spectroscopy, dielectric functions were proposed, and attempts were made to account for the general behavior, involving time power laws and stretched exponentials.Charge transport in insulating solids may be modeled using the concepts of carrier mobility and trapping. In disordered materials, dispersive transport has to be considered, due the broad distribution in trapping energies. This leads also to time power laws in the decay process. Hence both faces of the insulator, dielectric and conductive, often lead to the same dispersion in the time response of the signal. It may be related to intrinsic parameters of the material, like its fractal nature. It has also important practical consequences.     

Comparison between three measurement methods for characterizing the charge state of granular insulating materials

Surface potential decay method has been frequently used to characterize the charge state of insulating materials. The present paper aims at a critical evaluation of this method when used for the characterization of granular plastics, by comparing it with the electric field monitoring by means of non-contact vibrating probes, and with the measurement of the charge induced in a capacitive probe connected to a Coulomb-meter. The experiments were performed on corona-charged polyethylene, polycarbonate, polyamide, and acetyl – butadiene – styrene granular materials. The experimental results show that surface potential decays faster than the electric field or the charge measured with the capacitive probe. The dimensions of the probes and the capacitive coupling between them and the samples, may explain this difference. Part of the potential decay measured by the smaller-size probe of the electrostatic voltmeter is due to the surface conduction, while the measurements made with the larger-size electric field and capacitive probes are less affected by this phenomenon.     

真空中电子辐照下聚四氟乙烯沿面闪络电压特性

为了研究聚四氟乙烯材料(PTFE)在空间粒子环境中放电规律及其影响因素,通过实验获得了高真空低能电子辐照下PTFE高压直流沿面闪络电压,并采用等温电位衰减法测试了PTEE在辐照前及辐照后的陷阱密度,分析了影响PTEE沿面闪络电压的因素。研究结果表明:相比于无辐照时PTFE沿面闪络电压,当辐照电子能量为19~25 keV时,闪络电压明显更高;在电子束流密度不变的情况下,电子能量越高,材料表面正电荷密度越小,陷阱密度与电导率越大,电场畸形程度越小,因此闪络电压升高;当电子能量一定时,束流密度越高,初始电子数量和二次电子数量越多,因此闪络电压降低。     

Surface charge dynamics studied by the temporal evolution of the corona charging current

The decay of surface charges deposited on the dielectric material by the partial discharge (PD) activity has a great impact on the repetition of partial discharges. In this work, the effect of dielectric placed on the surface of ground electrode in a needle-plane configuration on the discharge activity was investigated, with the application of a periodic negative step voltage. The charge decay mechanisms on a corona charged dielectric surface were investigated based on a comparison between experiments and a FEM-based numerical model. The comparison indicates that the surface charges may decay due to different mechanisms depending on the applied stress.     

Surface energy modification by electron beam

We observe a pronounced variation of wettability properties in solid state materials induced by a low-energy electron beam. The phenomenon occurs in several stages characterized by various mechanisms. We show that for low electron doses the irradiation leads to decrease in the wetting of a dielectric surface due to induced surface electric potential. The higher electron charge leads to formation of a chemical monolayer on material’s surface. It has been found that the electron irradiation strongly modifies the surface free energy of SiO₂ by decreasing its total surface free energy value, almost twice. However, electron-induced variations of dispersive and polar components of the surface free energy are quite different and depend of incident electron charge.     

混合电解质溶液中考虑介电饱和度的表面电位评估原理

基于非线性泊松-玻尔兹曼方程，推导了混合电解质溶液中考虑介电饱和度的表面电位的解析表达式. 近似解析解和精确数值解计算出的表面电位在很大范围的电荷密度和离子强度条件下均具有很好的一致性. 当表面电荷密度大于0.30 C/m^{2 时，介电饱和度对表面电位的影响变得尤为重要；当表面电荷密度小于0.30 C/m2时，可忽略介电饱和度的影响，即基于经典泊松-玻尔兹曼方程可获得有效的表面电位解析模型. 因此，0.3 C/m2可作为是否考虑介电饱和度的颗粒临界表面电荷密度值. 在低表面电荷密度时，考虑介质饱和度的表面电位解析模型可自然回归到经典泊松-玻尔兹曼理论的结果，得到的表面电位可以正确地预测一价和二价反离子之间的吸附选择性.}     

介质部分填充平行平板传输线微放电过程分析

本文主要研究了介质填充微波部件微放电随时间演变的过程,重点分析了介质微波部件微放电自熄灭机理.以介质部分填充平行平板传输线为研究对象,忽略空间电荷效应,采用自主研发粒子模拟软件模拟微放电过程,并将模拟结果与金属微波部件结果进行对比.结果表明,在一定功率下,金属微放电过程中电子数目呈指数形式增长,而介质微放电过程经历初始电子倍增后发生自熄灭现象,同时发现在电子数目即将下降为0时,介质表面的平均二次电子发射系数大于1或约等于1.另外,在上述模拟结果的基础上对微放电过程中介质表面积累电荷问题进一步分析,模拟结果表明,如果持续向微波部件内注入电子,介质表面的平均二次电子发射系数最终都约等于1.所得结论对研究复杂介质填充微波部件微放电的机理具有一定的理论指导价值.     

Fast Measurement of Dielectric Conductivity for Space Application by Surface Potential Decay Method

Surface potential decay of polymers for electrical insulation can help to determine the dark conductivity for spacecraft charging analysis. Due to the existence of radiation-induced conductivity, it decays fast in the first few hours after irradiation and exponentially slowly for the remaining time. The measurement of dark conductivity with this method usually takes the slow part and needs a couple of days. Integrating the Fowler formula into the deep dielectric charging equations, we obtain a new expression for the fast decay part. The experimental data of different materials, dose rates and temperatures are fitted by the new expression. Both the dark conductivity and the radiation-induced conductivity are derived and compared with other methods. The result shows a good estimation of dark conductivity and radiation-induced conductivity in high-resistivity polymers, which enables a fast measurement of dielectric conductivity within about 600 min after irradiation.