空間太陽(yáng)陣表面靜電放電特性實(shí)驗研究

　　空間太陽(yáng)陣表面靜電放電問(wèn)題日益受到關(guān)注。本文利用電子束流輻照太陽(yáng)陣樣品，模擬表面靜電放電過(guò)程，通過(guò)測量充電電壓、放電電流以及放電次數，分析靜電放電特性。實(shí)驗表明，太陽(yáng)陣表面充電靜電能是產(chǎn)生靜電放電的放電源，當太陽(yáng)陣蓋片表面充電電位相對于太陽(yáng)陣結構超過(guò)閾值電壓時(shí)產(chǎn)生靜電放電，不同充電模式下太陽(yáng)陣樣品表面產(chǎn)生介質(zhì)放電和金屬放電�？臻g太陽(yáng)陣表面靜電放電特性與空間帶電環(huán)境、太陽(yáng)陣材料、結構以及溫度等因素相關(guān)。

　　空間環(huán)境中靜電放電是導致衛星產(chǎn)生故障的主要原因之一。1973~1997年由空間環(huán)境引發(fā)的衛星在軌故障成因統計表明，靜電放電占54.2%�？臻g太陽(yáng)陣作為衛星的一次能源系統，由于完全暴露在空間帶電環(huán)境中，容易受其影響而產(chǎn)生表面靜電放電問(wèn)題�？臻g太陽(yáng)陣結構相對比較復雜，其表面包括蓋片，太陽(yáng)電池，金屬互連片和金屬匯流條，基底，基板結構(鋁蜂窩)等不同材料和組件。在空間帶電環(huán)境中，太陽(yáng)陣不同材料和組件之間會(huì )產(chǎn)生不等量充電過(guò)程，當充電形成的電壓達到臨界值時(shí)觸發(fā)靜電放電。本文從實(shí)驗上模擬了空間太陽(yáng)陣表面靜電放電過(guò)程，通過(guò)測量充電電壓、放電電流以及放電次數，分析了太陽(yáng)陣靜電放電特性。

　　1、實(shí)驗

　　空間太陽(yáng)陣表面充電是由于受到磁層中能量范圍為幾千電子伏至幾十千電子伏入射電子作用而引起的靜電荷積累效應，太陽(yáng)陣表面一般充負電位。地磁亞暴期間，在高能電子(能量大于十幾千電子伏)作用下，高電阻率的蓋片表面相對于太陽(yáng)陣結構(包括金屬互連)充更高負電位，形成負充電模式;當衛星離開(kāi)地影進(jìn)入太陽(yáng)光照區時(shí)，受二次電子發(fā)射和光電子發(fā)射的影響，蓋片表面相對于太陽(yáng)陣結構充正電位，形成正充電模式。實(shí)驗中利用電子槍產(chǎn)生不同能量的電子束輻照太陽(yáng)陣樣品表面，模擬不同充電模式下的靜電放電過(guò)程。

　　1.1、負充電模式

　　由電子槍產(chǎn)生電子能量16keV，束流密度2.0nA/cm2的高能電子束輻照太陽(yáng)陣樣品表面對其充電，實(shí)驗電路原理見(jiàn)圖1所示，金屬互連與太陽(yáng)陣基板結構(鋁蜂窩)相連并接地。實(shí)驗表明，蓋片表面平均充電電位為-1450V，在蓋片和金屬互連之間產(chǎn)生靜電放電，放電電流波形如圖2所示。

　　通過(guò)逐漸提高太陽(yáng)陣樣品基板溫度來(lái)確定靜電放電次數與溫度的關(guān)系。隨著(zhù)樣品基板溫度的升高，其表面靜電放電發(fā)生頻次有減小的趨勢。在保持樣品基板溫度基本不變情況下，其表面放電頻次相對變化不大，見(jiàn)圖3所示。

圖1 太陽(yáng)陣負充電實(shí)驗電路

圖2 負充電模式下樣品表面放電電流波形

圖3 不同溫度條件下樣品表面靜電放電次數

　　3、結論

　　實(shí)驗表明，空間帶電環(huán)境中太陽(yáng)陣表面不同充電模式下產(chǎn)生介質(zhì)放電和金屬放電，當蓋片表面充電電位相對于太陽(yáng)陣結構為負并超過(guò)閾值電壓時(shí)(一般大于-1000V)產(chǎn)生介質(zhì)放電;當蓋片表面充電電位相對于太陽(yáng)陣結構為正并超過(guò)+500V時(shí)產(chǎn)生金屬放電。靜電放電過(guò)程是太陽(yáng)陣表面充電靜電能的釋放過(guò)程，充電電荷釋放越多則放電電流幅度越大，金屬放電產(chǎn)生的放電電流幅度一般比介質(zhì)放電大，其危害也較為嚴重。實(shí)驗表明，太陽(yáng)陣溫度與靜電放電頻次相關(guān)，溫度越高，太陽(yáng)陣表面發(fā)生靜電放電次數相對減少。因此，在開(kāi)展空間太陽(yáng)陣靜電放電防護設計時(shí)，應該同時(shí)考慮空間帶電環(huán)境、太陽(yáng)陣材料、結構以及溫度對其充放電性能的影響。