在軌航天器與空間等離子體相互作用，可引起靜電荷在衛星表面積累，產生靜電放電，影響航天器的安全運行。基于靜電電容原理，設計了表面電荷測量裝置，并針對航天器常用的表面介質材料，利用建立的表面電荷測量裝置，開展電子束輻照下表面電荷分布測量研究。研究結果可為表面帶電效應的深入研究提供手段和參考。

1、引言

　　空間等離子體引起的衛星表面充放電效應，對衛星的在軌正常工作和安全運行具有重要影響。衛星在軌運行期間，如果衛星沉浸于具有一定能量和密度的空間等離子體中，衛星表面材料和等離子體相互作用，將使衛星表面材料積累電荷，產生表面材料相對于其他部位的靜電電位。當這個電位達到擊穿閾值時，即以電暈、飛弧、擊穿等方式產生靜電放電，并輻射電磁脈沖，對星上電子系統和材料產生影響，直接威脅衛星安全。

　　衛星表面充放電效應過程是電荷在衛星表面材料積累和泄放的過程。為了充分了解衛星表面充放電效應過程，開展等離子體充電環境下的星用材料的表面電荷密度分布情況研究是重要手段之一。目前，國內外針對脈沖電壓下真空絕緣子的沿面閃絡現象，開展大量的絕緣子表面電荷分布測量研究，但是尚無開展等離子充電環境下的介質表面電荷分布。因此，為了深入研究衛星表面充放電效應，利用基于靜電電容原理自制的表面電荷測量探頭，開展了等離子體充電環境下的介質表面電荷分布測量研究，初步獲得了磁暴等離子體充電環境下典型星用材料表面電荷分布，為深入研究表面充放電效應提供參考。

2、測量原理

　　靜電電容的表面電荷測量方法是利用電容分壓原理，靜電容探頭可近似視作電容分壓器，其結構示意圖和等效電路如下圖1所示。

圖1 靜電電容探針電路測量原理示意圖

4、試驗結果

　　試驗中真空度為8.4×10^-4 Pa，電子槍的發射的電子能量為18 keV，束流密度為1 nA/cm²。Kapton 材料在模擬空間等離子充電環境中，一般在30 min 可達到充電平衡，因此，將待測樣品在電子環境中輻照30 min后，利用測量系統，對樣品中心區域3.5 cm×3.5 cm 范圍進行掃描測量，試驗結果如圖5 所示。圖5 顯示充電30 min 時的樣品表面平均電荷密度為-139.69 uC /m²。

圖5　充電30分鐘樣品表面電荷密度分布

圖6　放電之后樣品表面電荷密度分布

　　繼續對樣品進行輻照充電，直至發生放電，然后迅速關閉電子槍，對樣品進行掃描測量，試驗結果如圖6所示。圖6 顯示放電后的平均電荷密度為-30.33 uC/m²，分布較充電平衡時均勻。通過對比發現，放電后介質表面電荷密度減少到充電平衡時的約1/5 左右，說明發生放電并不能完全消耗了介質表面積累的電荷，存在一定的殘留電荷。

5、結論

　　基于電容分壓原理，研制的表面電荷測量系統線性特性較好，可用于電子輻照下的介質表面電荷分布測量研究。同時，利用建立的表面電荷測量系統對模擬空間充電等離子輻照下的典型星用介質材料表面電荷分布進行了測量。測量結果表明：充電平衡時Kapton 材料的表面電荷平均密度可達-139.69 uC/m²，發生靜電放電后材料表面大約有1/5 左右的殘留電荷。研究結果可對深入研究表面充放電效應提供測試手段和數據。