一种导电塑料膜电位器辐照试验研究

张 强，崔赪旻，于国庆

（1.北京控制工程研究所；2.空间智能控制技术重点试验室；3.精密转动和传动机构长寿命技术重点试验室：北京 100094）

一种导电塑料膜电位器辐照试验研究

张 强1-3，崔赪旻1-3，于国庆1-3

（1.北京控制工程研究所；2.空间智能控制技术重点试验室；3.精密转动和传动机构长寿命技术重点试验室：北京 100094）

导电塑料膜电位器是一种空间应用较为广泛的测角装置，但国内空间应用经验较少。尤其是针对其空间耐辐照特性还没有开展过相关试验研究，这是该种电位器能否用于空间长寿命机构中的核心问题之一。文章给出了针对电位器进行辐照试验的试验方法和原理，并对电位器辐照前后的性能进行了对比。试验结果表明该电位器的辐照性能满足型号需求，为其后续应用于空间长寿命机构提供了参考。

导电塑料膜；电位器；辐照试验

0 引言

电位器具有体积小、重量轻、适应能力强等优点，是一种空间应用较为广泛的角度测量装置。自20世纪60年代在轨作为测角装置应用以来，至今一直在大量使用。据统计，欧美每颗高轨道通信卫星上平均使用电位器数量在10个以上，主要用在天线驱动机构[1]、展开机构和太阳电池阵驱动机构[2]上。

电位器主要包括线绕电位器、导电塑料膜电位器和金属陶瓷电位器等几种类型，其中导电塑料膜电位器应用较多[3-5]。电位器在空间应用面临空间辐射问题。卫星的空间辐射环境包括地球辐射带、太阳宇宙射线、银河宇宙射线等，地球辐射带中的质子和电子、太阳耀斑质子都会引发电离总剂量效应。应用在空间长寿命机构中的电位器容易受到总剂量辐射损伤，因此需要对电位器内部的电阻基体进行地面总剂量辐照试验，对其抗辐射性能进行测定，验证其是否满足星上应用的抗辐射要求，为产品设计提供参考依据。

针对导电塑料膜电位器的耐辐照特性在国内开展的相关试验研究工作还很少。根据应用卫星型号低轨空间环境分析和3年的在轨需求，考虑星体遮挡，同时取辐射设计余量RDM值为2。电位器的耐辐射总剂量值要求大于1.27×105rad(Si)，塑料基片的耐辐照总剂量值要求大于4.16×105rad(Si)。辐照试验前后，电位器和导电塑料基材的各性能指标变化不能超过5%。

本文给出某导电塑料膜电位器耐辐照试验的方法和原理，并对试验前后电位器的性能进行对比。

1 试验原理

本试验根据效应等效的原理，采用γ射线源来模拟近地空间的高能带电粒子电离辐射环境效应，对空间应用的电子元器件和材料进行电离辐射总剂量效应的地面模拟试验。试验原理是根据电离辐射效应与材料吸收的电离总剂量有关，使试验中材料吸收的电离总剂量与空间辐射环境中辐射粒子在材料中沉积的电离总剂量相当[6]。

试验中，将各试验样品置于γ源辐射场中进行辐照，在样品接受到一定的辐射剂量值时，取出样品，检测并记录样品重要性能参数的漂移和退化情况，并判断其是否受到辐射损伤，从而了解试验样品的抗总剂量辐射能力和水平。

2 试验条件

2.1 放射源

试验在中国原子能科学研究院核技术应用研究所辐照中心（下称辐照中心）进行。辐照试验采用的60Co γ射线放射源由若干根60Co源棒组成，所有源棒排列成圆柱状如图1所示，活度为 1.11× 1016Bq。

图1 60Co放射源Fig.1 60Co radiation source

图2 为60Co源辐照中心立体示意，放射源位于圆形屏蔽室的中心，测试工作在测试大厅进行。

图2 辐照装置布局图Fig.2 The irradiation device layout

60Co放射源不工作时，将其下降置于放射源室中心处地下的一个储存井内，井内装满用于屏蔽辐射的水。需要进行辐照时，在封闭放射源室并确保人员等安全后，利用机械装置将60Co源从储存井下提升到放射源室中心位置。

2.2 总剂量和剂量率

试验剂量加载方案见表1。按由小到大选取不同剂量率量值（以实测为准），相同的辐照时间，从而获得不同的总剂量辐照。辐照后，在剂量点处取出相应的测试样品组，进行性能测试。

表1 样品剂量加载方案Table 1 Irradiation dose load plan for the samples

2.3 剂量率测量

样品在辐射场中的位置，决定了其试验中所接收的剂量率。根据放射源管理单位（辐照中心）对60Co放射源的定标结果，确定辐射场中不同剂量率的位置。由于定标时，放射源室内不存在其他物品，而本次试验时放射源室内堆放有其他各种受辐照物品存在，使得辐射场的实际剂量率与先前定标结果之间具有一定差异；同时考虑60Co放射源存在持续的辐射衰变，因此，在本次试验中对样品放置处的剂量率采取实测手段，在试验板上的试验样品周围布置若干剂量计，测定样品接收的剂量率。

3 试验样品与测试要求

3.1 试验样品规格及数量

试验样品包括电位器、导电塑料基材。

由于对试验样品无法进行试验现场原位或移位的就近测试，只能送到专业部门检测，为避免到达测试剂量点时中断辐射、材料送检、材料送回、恢复辐射过程太长而导致退火使得样品辐射损伤状态发生改变，造成试验结果的偏差和无效，本次试验为每个测试剂量点单独设置试验样品，这些样品分别辐照到所需的测试剂量点，然后进行各样品的性能检测。

辐照试验前，各类试验样品都需要进行初始性能测试；辐照试验中，电位器样品在每个测试剂量点的样品数为3个；导电塑料基材样品在每个测试剂量点的样品数为2个。批次及数量如表2所示。所有样品完成初始性能测试后，进行辐照试验，之后再进行性能测试。

表2 样品批次及数量Table 2 The sample batch and quantities

3.2 样品性能测试要求

本试验样品性能测试是从应用角度，针对可能影响器件应用的、在辐射环境下敏感性能的参数变化进行检测。

试验前，对A、B组样品进行一次初始性能测试，所有电位器和塑料基材试验样品的初始性能测试项目[7-9]如表3所示。测试设备主要包括力矩测试仪、万用表、兆欧表、安规仪、电位器精度专用测试设备等。

表3 样品性能测试项目Table 3 The test items for sample performance

辐照后试验样品性能采用离线测试的方式，达到辐照时间后，降辐射源，取出所有的样品，然后在试验室对样品进行性能测试；辐照后样品性能测试项目与辐照试验前相同。为减小样品退火对辐射效应的影响，样品从辐射场取出后，必须尽快进行性能测试。

4 辐照试验结果

根据辐照中心提供的辐照剂量测试报告中的剂量率实测结果，计算各试验样品的辐照剂量。

辐照试验前后分别对样品外观进行了检查，并拍照记录，见图3、图4。图4中0#样品为未辐照的样品。从图4中可以看出，辐照试验前后样品外观无明显变化。

图3 辐照前后电位器整机照片Fig.3 The potentiometer before and after the irradiation

图4 辐照前后导电塑料基材照片Fig.4 The electric plastic film

在辐照试验前后，按照表3中规定的测试项目要求，对试验样品进行了详细测试。测试方法依据企业标准Q/RU 21865.1—2007进行。表4是样品在辐照前后性能测试的结果比对。从表中可以看出，辐照前后样品功能均正常，测试数据变化最大为1.21%，且均满足设计指标要求。另外样品在试验前后外观均正常，目视无形变。结果表明电位器和基片均满足空间辐射下的性能要求。

表4 辐照试验前后样品性能测试数据Table 4 Comparison of sample performance before and after the irradiation

5 试验方法流程

通过对导电塑料膜电位器进行的辐照试验，可以总结出辐照试验方法流程，如图5所示。

图5 辐照试验方法流程图Fig.5 Flow chart of the irradiation test method

6 结束语

本文给出了一种导电塑料膜电位器的辐照试验方法和原理，对试验样品规划和测试过程进行了介绍，并对辐照前后的样品性能进行了测试对比。

试验结果表明：1）电位器耐辐照指标达到1.64×106rad(Si)的辐照总剂量，导电塑料基材耐辐照指标达到1.35×106rad(Si)的辐照总剂量，满足卫星型号应用要求。2）辐照试验前后，样品的性能测试指标均满足设计要求，并且电位器总阻值最大变化量为1.21%，满足小于5%的要求。

本次对导电塑料膜电位器进行的辐照试验为后续该产品在空间的应用奠定了基础，同时给出了辐照试验方法流程图，也为后续类似产品的试验提供了参考。

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[1]BRADLEY A, PIETRO D L, COLIN Francis, et al.Lessons learned from the design and implementation of a potentiometer assembly for an antenna pointing mechanism application[C]∥Proceedings of the 35thAerospace Mechanism Symposium, 2001

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[3]刘震, 付庄, 潘根, 等.一种导塑电位器激光修刻机的设计[J].机电一体化, 2012, 18(4): 63-85 LIU Z, FU Z, PAN G, et al.Design of a laser trimming machine for conductive plastic potentiometer[J].Mechatronics, 2012, 18(4): 63-85

[4]张瑛霞, 陈宝平, 郭锐.多联抽头式导电塑料电位器研制[J].制造与测试, 2013(11): 68-73

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[6]国家国防科技工业局.空间用非金属材料电离辐射效应试验方法: QJ 20289－2014[S]

[7]钟书辉, 王春梅, 陈伟汉.电位器输出平滑性自动测试系统的设计[J].武汉工程大学学报, 2011, 33(1): 104-106 ZHONG S H, WANG C M, CHEN W H.Design of automatic test system for output smoothness of a potentiometer[J].Journal of Wuhan Institute of Technology, 2011, 33(1): 104-106

[8]王良.基于虚拟仪器的舵电位器测试系统设计与实现[D].太原: 中北大学, 2010: 21-32

[9]曹艳波, 孙宁, 张春林, 等.双位置反馈系统精度分析[J].自动化仪表, 2015, 36(3): 97-99 CAO Y B, SUN N, ZHANG C L, et al.Analysis on the accuracy of dual position feedback system[J].Process Automation Instrumentation, 2015, 36(3): 97-99

（编辑：王 洋）

Irradiation test study of the potentiometer with electric plastic film

ZHANG Qiang1-3, CUI Chengmin1-3, YU Guoqing1-3
(1.Beijing Institute of Control Engineering; 2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory; 3.Long Life Technology Key Laboratory of Precision Turning and Transmission Mechanism: Beijing 100094, China)

The potentiometer of electric plastic film is widely used to measure the absolute angle in space, but less so in China, where the irradiation testing and the related research of the potentiometer are very few.But this kind of studies is important if the potentiometer could be applied in a long-life space assembly.This paper presents the method and the principle of the potentiometer irradiation test.The performances of the potentiometer before and after the irradiation are compared.The experimental results show that the performance of the potentiometer can meet the requirements.The research provides a valuable reference for the further application of the potentiometer in spaceborne long-life mechanisms.

electric plastic film; potentiometer; irradiation test

V255

：B

：1673-1379(2016)06-0639-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.011

张 强（1978—），男，博士学位，研究员，目前从事空间指向跟踪机构、操控机构的设计和研究工作。E-mail: zhang007qiang@163.com。

2016-04-05；

: 2016-11-22