聚四氟乙烯沿面闪络电压规律

由于聚四氟乙烯(PTFE)具有优良的绝缘性、化学稳定性,因此常被用于航天器线缆制作。为了研究聚四氟乙烯材料沿面闪络特性,实验在正常大气压下对聚四氟乙烯材料两端施加直流高压,得到放电电压值以及电压、电流波形。通过整理、对比发现：随着闪络次数的增加,材料放电电压呈先增大后稳定的规律,闪络平均场强呈降低趋势。对实验结果进行分析,认为介质表面粗糙程度的改变、材料表面化学变化是影响聚四氟乙烯沿面闪络电压的重要原因。根据闪络次数对电压的影响提出了较为准确描述PTFE闪络电压的方法。     

聚四氟乙烯沿面闪络电压规律

由于聚四氟乙烯(PTFE)具有优良的绝缘性、化学稳定性，因此常被用于航天器线缆制作。为了研究聚四氟乙烯材料沿面闪络特性，实验在正常大气压下对聚四氟乙烯材料两端施加直流高压，得到放电电压值以及电压、电流波形。通过整理、对比发现:随着闪络次数的增加，材料放电电压呈先增大后稳定的规律，闪络平均场强呈降低趋势。对实验结果进行分析，认为介质表面粗糙程度的改变、材料表面化学变化是影响聚四氟乙烯沿面闪络电压的重要原因。根据闪络次数对电压的影响提出了较为准确描述PTFE闪络电压的方法。     

激光辐照绝缘样品不同位置的沿面闪络性能

绝缘体沿面闪络是制约脉冲功率技术发展的瓶颈之一。为了能对沿面闪络机理有更深的认识,通过在沿面闪络过程中引入激光辐照的作用,考察了绝缘样品上不同的辐照位置对于沿面闪络性能的影响。实验结果表明：辐照位置越靠近闪络起始的地方,对沿面闪络性能的影响越大;在沿面闪络的过程中,不同的阶段如闪络起始阶段及电子倍增阶段在整个闪络过程中所起的作用不同。     

激光辐照绝缘样品不同位置的沿面闪络性能

绝缘体沿面闪络是制约脉冲功率技术发展的瓶颈之一。为了能对沿面闪络机理有更深的认识,通过在沿面闪络过程中引入激光辐照的作用,考察了绝缘样品上不同的辐照位置对于沿面闪络性能的影响。实验结果表明:辐照位置越靠近闪络起始的地方,对沿面闪络性能的影响越大;在沿面闪络的过程中,不同的阶段如闪络起始阶段及电子倍增阶段在整个闪络过程中所起的作用不同。     

真空中聚苯乙烯交联材料的沿面闪络特性

搭建了真空沿面闪络实验平台,在实验平台上对聚苯乙烯交联材料进行了真空沿面闪络性能测试,探讨了材料的真空沿面闪络电压强度与材料结构、材料内部微量杂质的关系。实验结果表明:随着聚苯乙烯材料交联程度的增加,其真空沿面闪络电压强度先增加后减少;聚苯乙烯交联材料分子链结构对其真空沿面闪络电压强度有重要影响;材料的真空沿面闪络电压强度还与交联材料内部异质分子数量有关系,微量异质结构的分子将导致沿面闪络电压强度的下降。     

真空中聚苯乙烯交联材料的沿面闪络特性

搭建了真空沿面闪络实验平台,在实验平台上对聚苯乙烯交联材料进行了真空沿面闪络性能测试,探讨了材料的真空沿面闪络电压强度与材料结构、材料内部微量杂质的关系。实验结果表明:随着聚苯乙烯材料交联程度的增加,其真空沿面闪络电压强度先增加后减少;聚苯乙烯交联材料分子链结构对其真空沿面闪络电压强度有重要影响;材料的真空沿面闪络电压强度还与交联材料内部异质分子数量有关系,微量异质结构的分子将导致沿面闪络电压强度的下降。     

不同E/cB值下同轴绝缘子闪络特性

基于磁场闪络抑制原理,研究了由回路电流产生的同轴自磁场对径向真空固体绝缘界面沿面闪络特性的影响规律。根据同轴结构电场E和磁场B的比值与半径无关、只与电路参数相关的特点,分别设计了E/cB（c为光速）为0.041,0.05,0.056和0.062的四种同轴电极结构,开展了有磁场和无磁场两种条件下电介质的真空沿面闪络实验研究。实验结果表明,在有利于磁场闪络抑制条件的自磁场位形下,真空沿面闪络耐压水平相比无磁场情况有明显提高,且比值E/cB越小闪络电压提高幅度越大。当E/cB比值为0.041时,沿面闪络电压可提高约1.3倍;而当自磁场位形反向时,沿面闪络电压相比于无磁场情况有所降低。     

软X射线辐照对绝缘材料沿面闪络性能的影响

绝缘体真空沿面闪络成为制约脉冲功率技术高电压、大电流和小型化发展应用的主要因素之一。在PTS装置的真空环境中,绝缘材料在受到软X射线辐照的情况下,其绝缘性能受到很大影响。因此为了提高PTS中交联聚苯乙烯的绝缘性能,同时更深刻地认识沿面闪络的机理,通过研究软X射线对于交联聚苯乙烯的辐照作用,观测到了不同辐照次数对于沿面闪络性能的影响。实验表明:未受到辐照的样品其真空沿面闪络性能高于软X射线辐照过的样品,而受14次钨丝阵辐照的样品其真空沿面闪络性能略高于受2次铝丝阵辐照的样品。同时,从软X射线对于绝缘体表面的辐照机理很好地解释了这种实验现象。     

软X射线辐照对绝缘材料沿面闪络性能的影响

绝缘体真空沿面闪络成为制约脉冲功率技术高电压、大电流和小型化发展应用的主要因素之一。在PTS装置的真空环境中,绝缘材料在受到软X射线辐照的情况下,其绝缘性能受到很大影响。因此为了提高PTS中交联聚苯乙烯的绝缘性能,同时更深刻地认识沿面闪络的机理,通过研究软X射线对于交联聚苯乙烯的辐照作用,观测到了不同辐照次数对于沿面闪络性能的影响。实验表明：未受到辐照的样品其真空沿面闪络性能高于软X射线辐照过的样品,而受14次钨丝阵辐照的样品其真空沿面闪络性能略高于受2次铝丝阵辐照的样品。同时,从软X射线对于绝缘体表面的辐照机理很好地解释了这种实验现象。     

纳秒脉冲下真空中绝缘子表面带电特性

 实验研究了前沿50 ns、脉宽350 ns和3 μs正负极性的4种脉冲电压作用下,真空中绝缘材料的各种局部放电现象以及由此引起的表面带电。结果表明:在脉冲电压作用下,绝缘材料沿面闪络发生前会发生各种局部放电现象,局部放电是纳秒脉冲下绝缘材料表面带电的根本原因。只要发生局部放电,绝缘材料表面就会出现正极性的电荷,并且在阴极附近的电荷密度略大于阳极附近的电荷密度,但由于材料陷阱的分布,也会有局部突变。有机玻璃比聚乙烯容易发生局部放电和积聚电荷,沿面闪络电压值更低。局部放电引起表面带电的物理机制是二次电子发射形成过程中的电子碰撞电离和材料陷阱捕获电荷共同作用。     

不同微槽结构绝缘子真空沿面闪络特性

针对单极性脉冲电压下不同微槽结构绝缘子真空沿面闪络特性开展实验研究。根据二次电子运动特性, 设计了多种微槽宽度, 对比了微槽结构和平面结构的绝缘子耐压特性差异。槽宽为1 mm的微槽样品耐压水平与平面结构样品耐压水平相当, 槽宽小于1 mm的样品组耐压水平均高于平面结构样品, 最高电压提高倍数约为1.4, 说明一定尺寸范围内的微槽设计将提高绝缘子真空耐压水平。通过电场强度计算分析微槽结构对二次电子运动的影响过程可知, 较大的微槽宽度可使电子限制在槽内运动, 较小的微槽宽度将抑制初始电子的发展, 最终二者都能达到抑制闪络的目的。通过显微镜观测各组样品表面特征, 材料表面微观缺陷将可能降低材料耐压水平。     

On the surface trapping parameters of polytetrafluoroethylene block

Surface flashover phenomena under high electric field are closely related to the surface characteristics of a solid insulating material between energized electrodes. Based on measuring the surface potential decaying curve of polytetrafluoroethylene (PTFE) block charged by a needle-plane corona discharge, its surface trapping parameters are calculated with the isothermal current theory, and the correlative curve between the surface trap density and its energy level is obtained. The maximum density of electron traps and hole traps in the surface layer of PTFE presents a similar value of ∼2.7 × 10¹⁷ eV⁻¹ m⁻³, and the energy level of its electron and hole traps is of about 0.85-1.0 eV and 0.80-0.90 eV, respectively. Via the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) technique, the F, C, K and O elements are detected on the surface of PTFE samples, and F shows a remarkable atom proportion of ∼73.3%, quite different from the intrinsic distribution corresponding to its chemical formula. The electron traps are attributed to quantities of F atoms existing on the surface of PTFE due to its molecular chain with C atoms surrounded by F atoms spirally. It is considered that the distortions of chemical and electronic structure on solid surface are responsible for the flashover phenomena occurring at a low applied voltage.     

不同微槽结构绝缘子真空沿面闪络特性

针对单极性脉冲电压下不同微槽结构绝缘子真空沿面闪络特性开展实验研究。根据二次电子运动特性,设计了多种微槽宽度,对比了微槽结构和平面结构的绝缘子耐压特性差异。槽宽为1mm的微槽样品耐压水平与平面结构样品耐压水平相当,槽宽小于1mm的样品组耐压水平均高于平面结构样品,最高电压提高倍数约为1.4,说明一定尺寸范围内的微槽设计将提高绝缘子真空耐压水平。通过电场强度计算分析微槽结构对二次电子运动的影响过程可知,较大的微槽宽度可使电子限制在槽内运动,较小的微槽宽度将抑制初始电子的发展,最终二者都能达到抑制闪络的目的。通过显微镜观测各组样品表面特征,材料表面微观缺陷将可能降低材料耐压水平。     

高功率微波沿面闪络击穿机制粒子模拟

针对高功率微波介质沿面闪络击穿物理过程,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、二次电子发射, 以及电子与气体分子蒙特卡罗碰撞模型、电子碰撞介质表面退吸附气体分子机制;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别针对真空二次电子倍增、高气压体电离击穿和低气压面电离击穿过程,运用该程序仔细研究了电子和离子随时间演化关系、电子运动轨迹、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、碰撞电子平均能量、碰撞电子数目随时间演化关系、电子能量分布函数、平均二次电子发射率以及能量转换关系。研究结果表明:真空二次电子倍增引发的介质表面沉积功率只能达到入射微波功率1%左右的水平,不足以击穿;气体碰撞电离主导的高气压体电离击穿,是由低能电子（eV量级）数目指数增长到一定程度导致的,形成位置远离介质表面,形成时间为s量级;低气压下的介质沿面闪络击穿,是在二次电子倍增和气体碰撞电离共同作用下,由于数目持续增长的高能电子（keV量级）碰撞介质沿面导致沉积功率激增而引发的,形成位置贴近介质沿面,形成时间在ns量级。     

高功率微波沿面闪络击穿机制粒子模拟

针对高功率微波介质沿面闪络击穿物理过程,首先建立了理论模型,包括：动力学方程、粒子模拟算法、二次电子发射, 以及电子与气体分子蒙特卡罗碰撞模型、电子碰撞介质表面退吸附气体分子机制;其次,基于理论模型,编制了1D3V PIC-MCC程序,分别针对真空二次电子倍增、高气压体电离击穿和低气压面电离击穿过程,运用该程序仔细研究了电子和离子随时间演化关系、电子运动轨迹、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、碰撞电子平均能量、碰撞电子数目随时间演化关系、电子能量分布函数、平均二次电子发射率以及能量转换关系。研究结果表明：真空二次电子倍增引发的介质表面沉积功率只能达到入射微波功率1%左右的水平,不足以击穿;气体碰撞电离主导的高气压体电离击穿,是由低能电子（eV量级）数目指数增长到一定程度导致的,形成位置远离介质表面,形成时间为s量级;低气压下的介质沿面闪络击穿,是在二次电子倍增和气体碰撞电离共同作用下,由于数目持续增长的高能电子（keV量级）碰撞介质沿面导致沉积功率激增而引发的,形成位置贴近介质沿面,形成时间在ns量级。     

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.     

空气中激光触发沿面闪络的蒙特卡罗仿真

搭建了空气中脉冲电压下激光触发沿面闪络试验平台,在试验平台上进行了尼龙介质的激光触发沿面闪络特性试验,应用蒙特卡罗方法对尼龙在空气中激光触发沿面闪络过程进行仿真。建立了激光触发沿面闪络的蒙特卡罗仿真模型,对蒙特卡罗算法的实现过程进行了描述,得出激光能量密度不同时的闪络时延。仿真结果显示,随着激光能量密度的上升,激光触发沿面闪络时延下降,这表示激光能量密度增加,在介质表面上产生的电子数增多,使沿面闪络的时延减小,仿真结果与试验结果趋势一致,初步验证了空气中脉冲电压下激光触发沿面闪络机理。     

入射电子能量对低密度聚乙烯深层充电特性的影响

高能带电粒子与航天器介质材料相互作用引起的深层带电现象, 一直是威胁航天器安全运行的重要因素之一. 考虑入射电子在介质中的电荷沉积、能量沉积分布以及介质中的非线性暗电导和辐射诱导电导, 建立了介质深层充电的单极性电荷输运物理模型. 通过求解电荷连续性方程和泊松方程, 可以得出不同能量 (0.1–0.5 MeV) 电子辐射下, 低密度聚乙烯 (厚度为1 mm) 介质中的电荷输运特性. 计算结果表明, 不同能量的电子辐射下, 介质充电达到平衡时, 最大电场随入射能量的增加而减小; 同一能量辐射下, 最大电场随束流密度的增大而增加. 入射电子能量较低时 (≤ 0.3 MeV) , 最大电场随束流密度的变化趋势基本相同. 具体表现为: 当束流密度大于3× 10^-9 A/m²时, 最大场强超过击穿阈值2×10⁷ V/m, 发生静电放电 (ESD) 的可能性较大. 随着入射电子能量的增加, 发生静电放电 (ESD) 的临界束流密度增大, 在能量为0.4 MeV时, 临界束流密度为6×10^-8 A/m². 当能量大于等于0.5 MeV时, 在束流密度为10^-9–10^-6 A/m²的范围内, 均不会发生静电放电 (ESD) . 该物理模型对于深入研究深层充放电效应、评估航天器在空间环境下 深层带电程度及防护设计具有重要的意义. 关键词： 高能电子辐射 低密度聚乙烯(LDPE) 介质深层充电 电导特性