Плазменный метод обнаружения дефектов изоляции в бортовой аппаратуре космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Физика»

Решетнеескцие чтения. 2015

5. Аржанов В. В., Шурыгин Ю. А., Шиняков Ю. А., Аржанов К. В. Минимизация энергопотребления электроприводами в фотоэлектрической энергетической установке // Известия Томск. политехн. ун-та. 2013. Т. 322, № 4. С. 146-150.

References

1. Arzhanov K. V. Avtomaticheskoe upravlenie fotojelektricheskoj jenergeticheskoj ustanovkoj // Materialy 10 Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Jelektronnye sredstva i sistemy upravlenija». Tomsk: Izd-vo V-Spektr, 2014, s. 190-192.

2. Solnechnoe fotojelektricheskoe ustrojstvo: pat. № 128781 U1 Ros. Federacija. № 2012153448; zajavl. 11.12.12; opubl. 27.05.2013 v bjul. № 15; il.

3. Programmnoe obespechenie dvuhkoordinatnoj sistemy navedenija solnechnyh batarej na Solnce. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii programmy dlja JeVM №2014616456. Data postuplenija 29.04.2014. Data gosudarstvennoj registracii v Reestre programm dlja JeVM 24.06.2014.

4. Datchik polozhenija Solnca: pat. № 135126 U1 Ros. Federacija. № 2013117198; zajavl. 15.04.2013; opubl. 27.11.2013 v bjul. № 33; il.

5 Аrzhanov V. V., Shurygin Ju. A., Shinjakov Ju. A., Arzhanov K. V. Minimizacija jenergopotreblenija jelektroprivodami v fotojelektricheskoj jenergeticheskoj ustanovke // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. 2013. T. 322. № 4. S. 146-150.

© Аржанов К. В., 2015

УДК 537.525

ПЛАЗМЕННЫЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ИЗОЛЯЦИИ В БОРТОВОЙ АППАРАТУРЕ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

А. В. Батраков*, С. А. Попов, Е. В. Нефёдцев, Е. Л. Дубровская, А. В. Шнайдер

Институт сильноточной электроники СО РАН Российская Федерация, 634055, г. Томск, просп. Академический, 2/3. E-mail: *[email protected]

Представлен анализ концепции метода обнаружения дефектов защитного изоляционного покрытия на печатных платах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) космических аппаратов (КА).

Ключевые слова: защита космических аппаратов от дугообразования.

PLASMA METHOD FOR DETECTING INSULATION DEFECTS IN ON-BOARD EQUIPMENT

OF SPACECRAFTS

A. V. Batrakov*, S. A. Popov, E. V. Nefyodtsev, E. L. Dubrovskaya, A. V. Schneider

Institute of High Current Electronics SB RAS 2/3, Akademichesky Av., Tomsk, 634055, Russian Federation. E-mail: *[email protected]

The research analyses the concept of the method for detecting defects in a protective insulating coating above printed circuit boards of electronic equipment of spacecrafts.

Keywords: protection of spacecrafts from arcing.

Введение

В условиях космического пространства КА находится в потоке высокоэнергетических частиц, что приводит к накоплению избыточного заряда, электростатическим разрядам (ЭСР) и дуге. Проблема ЭСР особенно актуальна для солнечных батарей и другого внешнего оборудования КА [1; 2]. Во внутреннем пространстве бортовой аппаратуры ЭСР, как правило, не возникает, но риск вторичного дугообразования есть, например, вследствие выхода из строя и испарения электрорадиоизделия (ЭРИ) с зажиганием первичного разряда. Наиболее разрушительным последствием первичной дуги является зажигание вторичных дуг. Процесс вторичного дугообразования приме-

нительно к РЭА КА экспериментально исследован в [3]. Теоретический анализ вторичного дугообразования применительно к РЭА КА, выполнен в [4] для различных геометрий электродов при наличии в математической модели дефектов диэлектрического покрытия печатных плат. Показано [4], что для напряжения 100 В при давлениях, соответствующих минимумам кривых Пашена, инициирование вторичной дуги происходит только при наличии дефекта сплошности защитного диэлектрического покрытия. Это делает актуальным разработку метода диагностики диэлектрических покрытий печатных плат с установленными ЭРИ на предмет наличия дефектов сплошности на финальной стадии производства модулей РЭА.

*Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, № RFMEFI60714X0008.

Космическое и специальное электронное приборостроение

Площадь дефекта, Sp, доступная для регистрации, при различных значениях электронной

концентрации плазмы

ne (см-3), jes (А/см2)

1010 см-3 , 0,04 А/см2 1011 см-3 , 0,4 А/см2 1012 см-3 , 4 А/см2

10-6 см 2 (10x10 мкм2) 0,04 мкА 0,4 мкА 4 мкА

10-4 см 2 (0.1x0.1 мм2) 4 мкА 40 мкА 0,4 мА

10-2 см 2 (1x1 мм2) 0,4 мА 4 мА 40 мА

Схематическое представление пространственного слоя объемного заряда вблизи дефекта покрытия

Анализ метода диагностики

В основе метода лежит регистрация электронного тока насыщения из плазмы на дефектные участки платы в условиях погружения платы в плазму при испытании всей платы целиком или при сканировании поверхности платы источником плазменной струи с целью поиска дефектного участка. Дефект при этом играет роль ленгмюровского зонда [5]. Для регистрации дефекта используется электронная ветвь зондовой характеристики [5], что обеспечивает более высокую чувствительность метода по сравнению с регистрацией ионного тока и исключает зажигание катодного пятна на объекте испытания, находящемся под положительным потенциалом при регистрации электронного тока.

Плотность электронного тока насыщения из плазмы на зонд вычисляется как

jes = ^ e ne ve , (1)

где e - заряд электрона; ne - электронная концентрация плазмы; ve - хаотическая (тепловая) скорость электронов. Для оценок можно полагать ve = 108 см/с. Плотность тока при различных концентрациях плазмы и полный электронный ток насыщения при различной площади собирающей поверхности зонда приведены в таблице.

Особенностью процессов при функционировании ленгмюровского зонда в плазме является образование слоя пространственного электрического заряда в области между эмиссионной границей квазинейтральной плазмы и поверхностью зонда. Поскольку в некоторых случаях толщина слоя может накладывать ограничение на пространственное разрешение и даже ставить под сомнение саму корректность зондового метода, оценим толщину слоя при различной концентрации плазмы. Эти оценки можно сделать, пользуясь законом Чайлда-Ленгмюра (законом степени «трех вторых»). Для плоского случая он имеет вид [5]

j = 2,334х10"6 U 3/2/dth 2 , (2)

где j - плотность тока, А/см2; dth - толщина слоя, см; U - напряжение, В. Полагая j = jes и принимая U = 20 В, для электронной концентрации плазмы ne = 1010, 1011 и 1012 см-3 (j = 0,04, 0,4 и 4 А/см2) получаем толщину слоя dth = 0,72, 0,23 и 0,072 мм, соответственно.

В условиях, когда dth существенно превышает размер дефекта (в случае трещины, например, такая ситуация будет иметь место всегда), эмиссионная граница плазмы исказится, её поверхность станет вогнутой (см. рисунок), увеличивая тем самым ток на зонд. Таким образом, величины токов на зонды малой площади в таблице представляют собой оценку снизу. Вместе с тем в этом случае алгоритм оценки площади дефекта по величине тока, очевидно, представляется более сложным.

Заключение

Выполненные оценки чувствительности метода определяют требования к источнику плазмы, необходимые для достижения определённой чувствительно -сти метода с точки зрения минимального размера дефекта, доступного для регистрации.

Библиографические ссылки

1. Hastings D., Garrett H. B. Spacecraft-Environment Interactions. Atmospheric and Space Science Series / ed. A. J. Dessler. England: Cambridge University Press, 1996. 292 p.

2. Space engineering. Spacecraft charging. ECSS -European Cooperation for Space Standardization, Secretariat ESA-ESTEC, Standard No. ECSS-E-ST-20-06C, 2008. 120 p.

3. Физическое моделирование вторичного дугооб-разования в диапазоне давлений окружающей среды от атмосферного уровня до уровня вакуума / А. В. Батраков, Е. Л. Дубровская, К. В. Карлик и др. // Известия вузов. Физика. 2014. Т. 57. № 11. С. 7-11.

Решетнееские чтения. 2015

4. Theoretical Simulation of a Gas Breakdown Initiated by External Plasma Source in the Gap With Combined Metal-Dielectric Electrodes / A. V. Kozyrev, V. Yu. Kozhevnikov, N. S. Semeniuk et al. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2015. Vol. 43. Issue 8. P. 2294-2298.

5. Козлов О. В. Электрический зонд в плазме. М. : Атомиздат, 1969. 293 с.

References

1. Hastings D. and Garrett H. B. Spacecraft-Environment Interactions. Atmospheric and Space Science Series ed. A. J. Dessler. England: Cambridge University Press, 1996. 292 p.

2. Space engineering. Spacecraft charging. ECSS -European Cooperation for Space Standardization,

Secretariat ESA-ESTEC, Standard No. ECSS-E-ST-20-06C, 2008. 120 p.

3. Physical Modeling of Secondary Arcing at Environmental Pressures in the Range from Atmospheric to Vacuum / A. V. Batrakov, E. L. Dubrovskaya, K. V. Karlik et al. // Russian Physics Journal. 2015. Vol. 57. No. 11. P. 1459-1463.

4. Theoretical Simulation of a Gas Breakdown Initiated by External Plasma Source in the Gap With Combined Metal-Dielectric Electrodes / A. V. Kozyrev, V. Yu. Kozhevnikov, N. S. Semeniuk et al. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2015. vol. 43. Issue 8. P. 2294-2298.

5. O. V. Kozlov, Electric Probe in Plasma. M: Atomizdat, 1969. 293 p. (In Russ).

© Батраков А. В., Попов С. А., Нефёдцев Е. В., Дубровская Е. Л., Шнайдер А. В., 2015

УДК 338.246

ИОНИСТОРЫ

В. И. Гриц, Т. В. Дубовой, И. Я. Шестаков

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассмотрено понятие ионистора, их виды, преимущества и недостатки, применение, перспективы использования.

Ключевые слова: ионистор, конденсатор, двойной электрический слой, применение ионисторов.

ULTRACAPASITORS

V. I. Grits, T. V. Dubovoy, I. Ya. Shestakov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation. E-mail: [email protected]

This article examines the concept of electric double layer capacitors, their types, advantages and disadvantages of their use, as well as the intended way to develop its own electric double layer capacitors.

Keywords: ionistor, capacitor, electric double layer, supercapacitors use.

Ионистор (суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор, англ. EDLC, Electric double-layer capacitor) - электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока [1].

В связи с тем, что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) крайне мала, запасённая ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же, использование двойного электрического слоя вместо обычного ди-

электрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода.

Типичная ёмкость ионистора - несколько фарад, при номинальном напряжении 2-10 вольт. Ионисторы бывают следующих видов:

1) ионисторы с идеально поляризуемыми углеродными электродами («идеальный» ионистор, ионный конденсатор). Не используют электрохимических реакций, работают за счет ионного переноса между электродами;

2) ионисторы с идеально поляризуемым углеродным электродом и неполяризуемыми или слабо поляризуемыми катодом или анодом («гибридные» иони-сторы). На одном электроде происходит электрохимическая реакция;