航天器微波部件微放电诱导低气压来源分析.pdf
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1、中国空间科学技术A u g.2 5 2 0 2 3 V o l.4 3 N o.4 3 5-4 2C h i n e s e S p a c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g yI S S N1 0 0 0-7 5 8 X C N1 1-1 8 5 9/Vh t t p:z g k j.c a s t.c nD O I:1 0.1 6 7 0 8/j.c n k i.1 0 0 0-7 5 8 X.2 0 2 3.0 0 5 1航天器微波部件微放电诱导低气压来源分析陈泽煜1,2,王瑞1,崔万照1,*1.中国空间技术研究院西安分院 空间微波技术重点实
2、验室,西安7 1 0 0 0 02.西安交通大学 电子与信息工程学院,西安7 1 0 0 4 9摘 要:航天器微波部件低气压放电效应是威胁航天器电子设备安全运行的一种特殊效应,而部件材料表面吸附气体脱附后为低气压放电提供了必要的条件。首先对比了微放电与低气压放电的区别,阐述了低气压放电破坏效应的产生根源。通过理论分析与计算,对比了热效应和电子轰击效应对不同键能吸附气体的脱附效率。结果发现,热致脱附主要造成低键能物理吸附气体的解吸附,电子轰击效应可造成高键能的化学吸附气体的解吸附。阐明了由二次电子倍增引起的电子诱导解吸附过程是星载微波部件内低气压环境的主要形成原因。最后讨论了通过部件材料表面处理
3、及提高二次电子倍增阈值的低气压放电效应抑制方法。关键词:低气压放电;吸附气体;热脱附;电子诱导脱附;等离子体;微放电中图分类号:T N 1 0 1 文献标识码:A收稿日期:2 0 2 2-0 3-0 2;修回日期:2 0 2 2-0 4-2 0;录用日期:2 0 2 2-0 7-1 0;网络出版时间:2 0 2 2-1 1-1 0 1 3:0 5基金项目:国家自然科学基金(6 1 9 0 1 3 6 1,6 1 8 0 1 3 7 6,6 2 1 0 1 4 3 4)*通信作者.E-m a i l:c u i w a n z h a o 1 2 6.c o m引用格式:陈泽煜,王 瑞,崔 万
4、照.航 天 器 微 波 部 件 微 放 电 诱 导 低 气 压 来 源 分 析 J.中 国 空 间 科 学 技 术,2 0 2 3,4 3(4):3 5-4 2.C HE N Z Y,WAN G R,C U I W Z.S o u r c e a n a l y s i s o f m u l t i p a c t o r-i n d u c e d l o w-p r e s s u r e g a s o f m i c r o w a v e c o m p o n e n t i n s p a c e c r a f tJ.C h i n e s e S p a c e S c i
5、 e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 3(4):3 5-4 2(i n C h i n e s e).S o u r c e a n a l y s i s o f m u l t i p a c t o r-i n d u c e d l o w-p r e s s u r e g a s o f m i c r o w a v e c o m p o n e n t i n s p a c e c r a f tC H E N Z e y u1,2,WA N G R u i1,C U I W a n z h a o1,*1.N a t i
6、 o n a l K e y L a b o r a t o r y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o n S p a c e M i c r o w a v e,C h i n a A c a d e m y o f S p a c e T e c h n o l o g y(X i a n),X i a n 7 1 0 0 0 0,C h i n a2.S c h o o l o f E l e c t r o n i c a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g,X i a
7、 n J i a o t o n g U n i v e r s i t y,X i a n 7 1 0 0 4 9,C h i n aA b s t r a c t:T h e l o w-p r e s s u r e d i s c h a r g e e f f e c t o f m i c r o w a v e c o m p o n e n t s i s a s p e c i a l e f f e c t t h r e a t e n i n g t h e s a f e t y o f s p a c e e l e c t r o n i c c o m p o
8、n e n t s.T h e l o w p r e s s u r e e n v i r o n m e n t i n s i d e t h e c o m p o n e n t a f t e r t h e d e s o r p t i o n o f t h e a d s o r b e d g a s f r o m t h e c o m p o n e n t m a t e r i a l p r o v i d e s t h e n e c e s s a r y c o n d i t i o n s f o r l o w p r e s s u r e
9、d i s c h a r g e.F i r s t l y,t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e m u l t i p a c t o r a n d t h e l o w-p r e s s u r e d i s c h a r g e w a s c o m p a r e d,a n d t h e r o o t c a u s e o f t h e d e s t r u c t i v e e f f e c t o f l o w-p r e s s u r e d i s c h a r g e w a s d
10、e s c r i b e d.T h r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n,t h e d e s o r p t i o n e f f i c i e n c i e s o f t h e r m a l a n d e l e c t r o n b o m b a r d m e n t e f f e c t s o n a d s o r b e d g a s e s w i t h d i f f e r e n t b o n d e n e r g i e
11、s w e r e c o m p a r e d.I t i s f o u n d t h a t t h e r m o g e n i c d e s o r p t i o n m a i n l y c a u s e s t h e d e s o r p t i o n o f p h y s i o s o r b e d g a s e s w i t h l o w b o n d e n e r g y,a n d t h a t t h e e l e c t r o n b o m b a r d m e n t e f f e c t c a n c a u s
12、e t h e d e s o r p t i o n o f c h e m i s o r b e d g a s e s w i t h h i g h b o n d e n e r g y.I t w a s e l u c i d a t e d t h a t e l e c t r o n-i n d u c e d d e s o r p t i o n p r o c e s s e s c a u s e d b y s e c o n d a r y e l e c t r o n m u l t i p l i c a t i o n a r e t h e m a
13、i n r e a s o n f o r t h e f o r m a t i o n o f t h e l o w-p r e s s u r e e n v i r o n m e n t i n s i d e t h e o n-b o a r d m i c r o w a v e c o m p o n e n t s.F i n a l l y,t h e m e t h o d o f s u p p r e s s i n g t h e l o w-p r e s s u r e d i s c h a r g e e f f e c t b y s u r f a
14、c e t r e a t m e n t o f c o m p o n e n t m a t e r i a l s a n d i n c r e a s i n g t h e t h r e s h o l d o f s e c o n d a r y e l e c t r o n m u l t i p l i c a t i o n i s d i s c u s s e d.K e y w o r d s:l o w-p r e s s u r e d i s c h a r g e;a b s o r b e d g a s;t h e r m a l d e s o
15、r p t i o n;e l e c t r o n i n d u c e d d e s o r p t i o n;p l a s m a;m u l t i p a c t o r3 6 中国空间科学技术A u g.2 5 2 0 2 3 V o l.4 3 N o.41 引言低气压放电是星载微波部件在轨工作过程中极易发生的一种现象。当部件内部气压大小及微波电场强度满足一定阈值关系,部件内的气体将会被电离,形成等离子体,并最终导致雪崩击穿的发生1。当放电所形成的等离子体达到一定密度,将会中断微波传输2。更严重的时候,低气压放电所形成的等离子体会对微波部件表面造成烧蚀,导致部件的永久损
16、坏。近年来,随着通信卫星朝着宽带、大功率以及高集成度的方向发展,微波部件内部的功率密度大幅提高,电场强度大幅增加。同时介质部件的大量应用,导致部件内部气体来源增加,更容易达到放电所需的功率-气压阈值。低气压放电已经成为威胁航天器电子设备安全运行的重要因素。因此,近年来得到了广泛的研究3-5。美国A e r o s p a c e公司甚至于2 0 1 5年公开了航天器部件电离击穿预防标准手册6。目前认为,星载微波部件的低气压环境主要有两个来源:一是航天器工作于低气压环境中,如临近空间的气压经历了从1 05P a到0.1P a的跨度,火星大气压为约5 0 0P a;二是微波部件在工作过程中所释放的
17、气体。对于大多数在轨航天器,其工作环境气压已远远低于气体放电所需气压阈值,且为了避免微波部件中残余的空气带来的放电风险,微波部件在设计加工时都留有排气孔,但实际上不乏因低气压放电造成航天器损坏的相关报道。如2 0 0 6年国际空间站S波段射频系统发生的低气压放电事故。这说明,微波部件在工作过程中所产生的气体,也可能在部件内形成低气压环境并造成低气压放电风险。但这一过程尚未得到系统研究,严重阻碍了星载微波部件低气压放电抑制手段的开发。本文将对星载微波部件气体脱附效应进行分析,并根据分析结果提出一种可行的低气压放电抑制措施。2 微放电与低气压放电效应2.1 二次电子倍增与微放电在高真空条件下(气压
18、1 0-3P a以下),自由电子在微波电场的加速下轰击微波部件材料表面,将会造成材料表面二次电子发射。在此气压条件下,电子的平均自由程e将远大于间隙距离。若此时材料的二次电子发射系数1,将导致出射电子数量高于入射电子数量,材料表面将会在微波电场的驱动下发生二次电子倍增现象7-1 0。进一步地,当电子的渡越时间为微波电场半周期的奇数倍时,电子数目将按照微波电场频率增加,并最终导致微放电效应1 1-1 3。对于介质填充型微波部件,介质材料由于其弱导电性,二次电子出射后介质表面将带正电荷。此正电荷的积累将在介质表面形成垂直于介质表面方向的静电场Ed c。随着二次电子倍增的发展,此静电场强度逐渐增强,
19、导致电子难以脱离静电场的束缚,抑制了二次电子倍增过程,并造成倍增饱和现象1 4-1 6。由于饱和倍增不会中断微波传输,当介质面微放电发生时,只有约1%2%的微 波 功 率 通 过 倍 增 电 子 消 耗 在 微 波 部件上1 7。2.2 低气压放电及其等离子体当微波部件内部具有一定气压,间隙中的气体若在射频电场的作用下发生击穿放电,间隙中将会形成等离子体。由于气体分子的电离,使得放电间隙中的电子数量大幅增多1 8-1 9。西北核技术研究所蔡利兵等人通过粒子模拟(p a r t i c l e i n c e l l-m o n t e c a r l o c o l l i s i o n,P
20、 I C-MC C)方法对介质表面微波击穿过程进行了模拟研究,结果发现随着介质表面气压的升高(气体脱附系数的上升),介质表面放电区域中的电子数量大幅上升2 0,如图1所示。等离子体正负电荷之间相互分离但又通过库仑力相互约束,当其内部受到扰动出现局部电荷不平衡时,在库仑力和惯性力的共同作用下,将出现等离子体内部电子和离子的集体振荡。这种振荡是等离子体的固有特性,其振动频率被称为等离子体频率,用p表示。p由等离子体自身特性决定,与外加电磁场无关。其可用如下公式表示2 1:p=e2c00m(1)式中:e为电子电荷量;c0为电子密度;0为真陈泽煜,等:航天器微波部件微放电诱导低气压来源分析3 7 空介
21、电常数;m为电子质量。可见,等离子体频率与外部电磁场情况无关,完全由其内部特性参数所决定。而等离子体对于电磁场会呈现出介电特性。微波场中,等离子体的相对介电常数r为:r=1-2p2(2)式中:为微波角频率。图1 介质表面运动电子数目随介质气体脱附系数变化规律2 0F i g.1 V a r i a t i o n o f t h e n u m b e r o f m o v i n g e l e c t r o n s o n t h e d i e l e c t r i c s u r f a c e w i t h t h e d e s o r p t i o n c o e f
22、f i c i e n t o f d i e l e c t r i c g a s2 0从式(2)可以看出,当等离子体频率与微波频率相同时,等离子体的相对介电常数r将为0,也就是说此时将会出现微波无法传输。这意味着微波部件所传输的微波将会被全反射。对于通信卫星,当其微波部件中出现低气压放电,且随着放电发展等离子体密度达到微波无法传输的临界密度nc,将会造成 卫 星 通 信 的 完 全失效。3 低气压放电所需的表面气体来源 当微波部件内出现导致微波无法传输的低气压放电时,放电等离子体的临界密度nc可由式(1)(2)推得:nc=0m 2e2(3)对于频率为2GH z的微波,可以推算在击穿时刻导
23、致其微波截止的临界等离子体密度为1.2 51 01 6m-3。假设在击穿的临界时刻,等离子体还处于弱电离状态(电离率为1 0-81 0-4)2 1,当电离率取1 0-4时,可以推得此时气隙内气体分子浓度为1.2 51 02 0m-3。假设在击穿前,间隙内的气体已经通过热运动处于均匀分布的状态,那么根据理想气体状态方程,即:P V=n R T(4)式中:P为气压;V为气体体积;n为气体分子的物质的量;R为摩尔气体常数且其值取8.3 1 4 J/(m o lK);T为气体温度,取3 0 0K。可以推得此时击穿间隙的气压为约1P a。事实上,此处在推算击穿临界时刻的气体分子密度时,所取的电离率为弱电
24、离等离子体的上限,因此实际的气压应远高于1P a的大小。这个气压的来源需要进行研究。3.1 脱附气体与低气压条件形成事实上,材料表面会通过物理吸附的方式保留一定量的气体分子。这些气体绝大多数来自于加工和装配过程中的大气环境。根据残余气体成分分析,微波部件材料表面吸附气体成分主要为H2、H2O、C O2、C O等2 2。标准大气压环境下,材料表面通过物理吸附的方式保留有约1 0 0层 的 匀 质 气 体 分 子2 1,而 其 密 度 大 约 为1 01 5c m-2。这些吸附气体一旦解吸附,将会在材料表面形成局部高气压。且由于吸附气体数目与间隙长度无关,这意味着间隙越窄,气体脱附后所形成的气体间
25、隙气压越高。假设平行平板结构的气体间隙宽度为d,单位为c m,且不考虑气体逃逸的情况下,若上下平板材料表面所有吸附气体发生脱附,那么根据式(4)可以推得,间隙中的气压为8 0 0P ac m/d。若仅考虑物理吸附气体的解吸附,对于宽度为1 c m的间隙,如果没有留有排气孔,间隙中的气压将高达8 0 0P a。若部件内部出现极小的间隙,例如当间隙距离为1 0 0m时,物理吸附气体的完全脱附将导致间隙中出现8 0 0 0 0P a的高气压!当然,在实际情况下,气体脱附的过程还伴随着吸附复合过程,因此并不会轻易出现这种极端情况。对于常温下真空抽气过程,只考虑热脱附和吸附复合时,表面吸附气体密度的变化
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