溫度對GEO 軌道太陽電池陣靜電放電影響規(guī)律研究

胡小鋒，陳洪雨，范亞杰，王強(qiáng)，季啟政，彭浩，謝喜寧，張權(quán)

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003；2.石家莊科林電氣股份有限公司，石家莊 050003；3.北京東方計(jì)量測試研究所，北京 100083；4.中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050003）

運(yùn)行于地球同步軌道（GEO）的航天器，會面臨惡劣的空間等離子體、高能電子等環(huán)境，這些環(huán)境因素會對航天器表面裸露的太陽電池陣形成充放電效應(yīng)[1-2]。當(dāng)航天器太陽電池陣受到高能電子撞擊，相對于周圍的等離子體環(huán)境表面充負(fù)電。各部分的材料由于具有不同的介電特性和二次電子發(fā)射特性，導(dǎo)致它們的充電速率也不盡相同，玻璃蓋片與互連片之間，玻璃蓋片與聚酰亞胺薄膜之間，聚酰亞胺薄膜與互連片之間極易形成不等量充電。當(dāng)它們之間的電位差超過靜電放電閾值時(shí)，將會發(fā)生靜電放電事件，對航天器造成靜電危害[3-5]。因此，研究航天器太陽電池陣的充放電效應(yīng)及其靜電防護(hù)技術(shù)對提升航天器的在軌安全性和可靠性具有重要意義。文中所涉及到的試驗(yàn)均為“靜態(tài)試驗(yàn)”，即太陽電池片沒有處于“光電工作狀態(tài)”。

國內(nèi)外從20 世紀(jì)80 年代開始對太陽電池陣充放電效應(yīng)開展研究，取得了重要研究成果。在20 世紀(jì)90 年代，國際空間站運(yùn)行之初出現(xiàn)過很嚴(yán)重的充放電事件，其采用的160 V 高壓太陽電池陣懸浮電位可達(dá)-140 V。Guidice 等人專門對此開展了相關(guān)的地面模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明太陽電池陣玻璃蓋片充電后形成的電位勢壘使得太陽電池陣收集電子電流能力降低，結(jié)構(gòu)體電位低于預(yù)期水平[6]。2006 年，安裝于國際空間站上的懸浮電位探針觀測到空間站出影時(shí)會發(fā)生快速充電事件，F(xiàn)erguson 等人進(jìn)行了機(jī)理分析，并認(rèn)為這是出影瞬間光照作用下電池陣迅速啟動(dòng)造成的[7]。

高壓太陽電池陣靜電放電是太陽電池陣“三結(jié)合處”（真空-互連片-介質(zhì)材料形成區(qū)域）在正常電勢梯度或者反向電勢梯度等特殊條件下產(chǎn)生的脈沖放電現(xiàn)象。Cho 和Hastings 等人提出在反向電位梯度下，互連片和玻璃蓋片之間由于電位差的不同形成了方向朝向前者的畸變電場，該電場致使互連片場致發(fā)射電子，電子入射到玻璃蓋片激發(fā)出更多的二次電子，增強(qiáng)了玻璃蓋片上的正電位，進(jìn)一步加強(qiáng)了畸變電場的場強(qiáng)，直到放電發(fā)生[8]。隨后，Cho 和Hastings 等人建立了高壓太陽電池陣放電的基本理論和評價(jià)方法[9]，為高壓太陽電池陣靜電放電后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。NASA 的馬歇爾/格林飛行中心與Ohio航空航天研究所共同研究了放電對于太陽電池陣的損傷效應(yīng)[10]，測得了高壓太陽電池陣靜電放電和二次放電閾值。

法國ONERA 于第十屆航天器帶電技術(shù)會議中發(fā)表了《ESD 引起的太陽電池性能退化》，文中提出靜電放電會引起高壓太陽電池陣輸出性能的衰減，具體的衰減區(qū)域位于太陽電池片[11]；另外法國CEES 和ONERA 兩家機(jī)構(gòu)經(jīng)過合作發(fā)現(xiàn)，一次放電和二次放電對飛弧測量和試驗(yàn)系統(tǒng)電弧發(fā)生頻度有一定影響，并且用不同面積的電池陣得出了不同的結(jié)論，用不同的外圍線路和環(huán)境設(shè)備也得出了不同的結(jié)論[11]。

國內(nèi)主要有蘭州空間技術(shù)物理研究所和北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所兩家單位對高壓太陽電池陣靜電放電的問題開展研究。航天510 研究所與電子科技集團(tuán)第十八研究所合作，主要針對GEO 電子輻照下高壓太陽電池陣靜電放電進(jìn)行研究。崔新宇、孫彥錚等人進(jìn)行了高壓太陽電池陣防靜電措施評價(jià)試驗(yàn)，提出了電子輻照環(huán)境下靜電放電試驗(yàn)方法[12]；李凱、李得天等人對高壓太陽電池陣靜電放電特性研究發(fā)現(xiàn)，靜電放電與空間電子環(huán)境、溫度以及太陽電池陣結(jié)構(gòu)有關(guān)[13]；李凱、謝二慶等人對高壓太陽電池陣一次放電及誘發(fā)二次放電進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了相關(guān)靜電放電相關(guān)防護(hù)方法[13]；李存慧，柳青等人對太陽電池陣靜電放電產(chǎn)生的脈沖信號特性進(jìn)行了相關(guān)研究，為在軌靜電放電測試儀的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)[13]。

北京衛(wèi)星工程研究所主要針對低地球軌道等離子體環(huán)境下高壓太陽電池陣靜電放電進(jìn)行了研究。童靖宇、孫立臣等人研究了針對空間等離子體環(huán)境太陽電池陣靜電放電的地面試驗(yàn)技術(shù)，提出了相關(guān)試驗(yàn)方法[10]；朱立穎、劉業(yè)楠、賈瑞金等人通過地面模擬試驗(yàn)，測得了不同等離子體濃度、不同電池片間隙條件下一次放電和二次放電閾值電壓[10]；馮偉泉等人發(fā)表在第十屆航天器帶電學(xué)術(shù)會議上的論文，提出太陽電池陣試件及外圍線路應(yīng)盡量與真實(shí)產(chǎn)品保持一致，構(gòu)建了高壓太陽電池陣整板級充放電試驗(yàn)設(shè)備，提出了相關(guān)試驗(yàn)方法[12]。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，在航天器太陽電池陣靜電放電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，存在考慮因素不夠全面的問題，對環(huán)境溫度、電子能量和束流密度等因素對充放電效應(yīng)的影響沒有系統(tǒng)研究，對某些高壓部件帶電機(jī)理認(rèn)識不清，規(guī)律掌握不全。筆者在對太陽電池陣機(jī)理和研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了太陽電池陣靜電放電試驗(yàn)電路，確定了太陽電池陣靜電放電實(shí)驗(yàn)參數(shù)與試驗(yàn)程序，重點(diǎn)開展了一定電子能量和束流密度條件下環(huán)境溫度因素對太陽電池陣靜電放電特性試驗(yàn)研究，獲得了環(huán)境因素對太陽電池陣靜電放電的影響規(guī)律，研究成果可為航天器靜電放電效應(yīng)分析和防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 太陽電池陣靜電放電試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

太陽電池靜電放電試驗(yàn)在低氣壓環(huán)境電子輻照試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)配置如圖1 所示。試驗(yàn)樣品為天津電子科技集團(tuán)第十八研究所提供的疊層GaAs 太陽電池陣，單塊電池的尺寸為30 mm×40 mm，總共6 塊電池以2×3 的結(jié)構(gòu)組成電路，電池間隙為1 mm。太陽電池陣樣品實(shí)物如圖2 所示。試驗(yàn)中，太陽電池陣樣品鋁蜂窩基板接地，并用聚四氟乙烯材料將樣品與真空罐溫控板電氣絕緣；真空系統(tǒng)可為試驗(yàn)樣品提供優(yōu)于10-4Pa 的低氣壓環(huán)境；制冷加熱控溫系統(tǒng)可提供263~343 K（此溫度是太陽電池陣工作時(shí)的溫度范圍）的環(huán)境溫度；電子槍用于模擬地磁亞爆發(fā)生時(shí)GEO 惡劣的等離子體環(huán)境，電子能量可由改變電子槍加速電壓進(jìn)行調(diào)整，束流密度由自制的法拉第杯和6485 皮安表配合測得。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration structure diagram of the test system

圖2 太陽電池陣樣品Fig.2 Solar array sample

采用等效電路法，設(shè)計(jì)如圖3 所示的太陽電池陣靜電放電電路。太陽電池陣樣品通過100 nf 的補(bǔ)償電容C 接地，補(bǔ)償電容C 根據(jù)太陽電池陣的大小與航天器的尺寸決定，模擬太陽電池陣與空間等離子體環(huán)境間的分布電容，從而為太陽電池陣靜電放電提供足夠的能量[12]；Tektronix CT-1 電流探頭（帶寬25 kHz~1 GHz，伏安輸出特性5 mV/1 mA）連接示波器配合使用，可用于監(jiān)測太陽電池陣靜電放電的脈沖電流。

圖3 太陽電池陣靜電放電原理Fig.3 Schematic diagram of solar array electrostatic discharge

2 太陽電池陣靜電放電實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇與試驗(yàn)程序

試驗(yàn)采用天津電子科技集團(tuán)第十八研究所研制的疊層GaAs 太陽電池陣，該樣品工作溫度范圍是263~343 K，所以試驗(yàn)中的溫度間隔是10 K，選擇263、273、283、293、303、313、323、333、343 K 九個(gè)溫度點(diǎn)來研究溫度對太陽電池陣靜電放電的影響。由表1可知，惡劣GEO 地磁亞暴等離子體環(huán)境的電子溫度為12.0 keV，電子束流密度為0.33 nA/cm2[10-13]。但是考慮到航天器靜電危害防護(hù)與靜電危害評估以及各大科研機(jī)構(gòu)的通用做法，通常試驗(yàn)條件設(shè)置要比空間真實(shí)的電子環(huán)境還要惡劣，所以電子能量設(shè)置為20 keV，束流密度調(diào)試為1 nA/cm2和2 nA/cm2。由于文中氣壓并不作為研究重點(diǎn)，故試驗(yàn)均在真空度優(yōu)于10-4Pa 時(shí)開展。

表1 惡劣GEO 地磁亞暴等離子體環(huán)境Tab.1 Harsh GEO geomagnetic substorm plasma environment

整個(gè)試驗(yàn)過程包括試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)試、正式試驗(yàn)和補(bǔ)充試驗(yàn)等內(nèi)容，試驗(yàn)流程如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)流程Fig.4 Experimental flow chart

具體步驟如下：

1）試驗(yàn)開始前確認(rèn)低氣壓環(huán)境電子輻照試驗(yàn)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)、CT-1 和示波器都能夠正常工作；

2）調(diào)試電子槍束流密度；

3）真空室放氣，取出法拉第杯，放入GaAs 太陽電池陣樣品，參考圖3 連接其放電電路；

4）再次關(guān)閉真空室進(jìn)行抽真空操作，當(dāng)真空度優(yōu)于10-4Pa 時(shí)，開啟制冷加熱控溫系統(tǒng)，將環(huán)境溫度調(diào)整至預(yù)設(shè)值；

5）待溫度穩(wěn)定后，開啟電子槍預(yù)熱15 min；

6）再次調(diào)整電子槍參數(shù)，確定電子能量和束流密度；

7）開始進(jìn)行試驗(yàn)，通過連接CT-1 的示波器觀測太陽電池陣的放電情況，記錄放電脈沖電流波形和放電次數(shù)；

8）關(guān)閉電子槍，真空罐放氣。

3 環(huán)境溫度對太陽電池陣靜電放電影響結(jié)果分析

3.1 溫度對于靜電放電頻率的影響

由試驗(yàn)得到的兩種電子束流密度輻照下不同溫度時(shí)太陽電池陣樣品靜電放電頻率如圖5、圖6所示。

當(dāng)試驗(yàn)樣品受到20 keV、1 nA/cm2的電子輻照，溫度為283 K 時(shí)，放電頻率達(dá)到2.5 次/min，為所有溫度范圍內(nèi)最高值。溫度逐漸升高，放電頻率逐漸降低，當(dāng)溫度升高至343 K 時(shí)，放電頻率降為0.3 次/min，為所有溫度范圍內(nèi)的最低值。當(dāng)試驗(yàn)樣品受到20 keV、0.2 nA/cm2電子輻照，溫度為283 K 時(shí)，放電頻率達(dá)到0.633 次/min，同樣為所有溫度范圍內(nèi)最高值。溫度升高，放電頻率降低，當(dāng)溫度升高為343 K 時(shí)，放電頻率降為0.133 次/min。由此可見，電子輻照下的太陽電池陣樣品靜電放電頻率與環(huán)境溫度有關(guān)，隨著溫度的升高，靜電放電頻率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。

圖5 20 keV、1 nA/cm2 時(shí)不同溫度下太陽電池陣樣品放電頻率Fig.5 Discharge frequencies of solar array samples at different temperatures at 20 keV and 1 nA/cm2

圖6 20 keV、0.2 nA/cm2 時(shí)不同溫度下太陽電池陣樣品放電頻率Fig.6 Discharge frequencies of solar array samples at different temperatures at 20 keV and 0.2 nA/cm2

3.2 溫度對于靜電放電脈沖電流的影響

調(diào)節(jié)電子槍電子能量為 20 keV、束流密度為1 nA/cm2，將制冷加熱控溫系統(tǒng)的預(yù)設(shè)溫度分別調(diào)整至263、273、283、293、303、313、323、333、343 K。利用圖3 中CT-1 電流探頭相連的濾波器，監(jiān)測太陽電池陣樣品放電電流并記錄電流波形；同時(shí)對電流波形進(jìn)行快速傅里葉變換，得到脈沖電流頻域的幅度譜。由試驗(yàn)得到的不同溫度下太陽電池陣靜電放電波形及頻域幅度譜如圖7-圖15 所示。靜電放電特性見表2，不同溫度下靜電放電電流幅值如圖16 所示。

圖7 263 K 時(shí)太陽電池陣靜電放電電流波形及頻域幅度譜Fig.7 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 263 K

圖8 273 K 時(shí)太陽電池陣靜電放電電流波形及頻域幅度譜Fig.8 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 273 K

圖9 283 K 時(shí)太陽電池陣靜電放電電流波形及頻域幅度譜Fig.9 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 283 K

圖10 293 K 時(shí)太陽電池陣靜電放電電流波形及頻域幅度譜Fig.10 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 293 K

圖11 303 K 時(shí)太陽電池陣靜電放電電流波形及頻域幅度譜Fig.11 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 303 K

圖12 313 K 時(shí)太陽電池陣靜電放電電流波形及頻域幅度譜Fig.12 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 313 K

圖13 323 K 時(shí)太陽電池陣靜電放電電流波形及頻域幅度譜Fig.13 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 323 K

圖14 333 K 時(shí)太陽電池陣靜電放電電流波形及頻域幅度譜Fig.14 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 333 K

圖15 343 K 時(shí)太陽電池陣靜電放電電流波形及頻域幅度譜Fig.15 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 343 K

表2 太陽電池陣靜電放電特性數(shù)據(jù)Tab.2 Characteristics data of solar array electrostatic discharge

圖16 不同溫度下靜電放電電流幅值Fig.16 Electrostatic discharge current amplitude at different temperatures

當(dāng)試驗(yàn)樣品受到20 keV 電子輻照，環(huán)境溫度為263 K 時(shí)，靜電放電電流為4.43 A，隨著溫度不斷升高，放電電流幅值逐漸減小。由脈沖電流頻域的幅度譜可知，靜電放電的能量主要集中在低頻段，分布在10 MHz 以下。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過太陽電池陣樣品靜電放電地面模擬試驗(yàn)，在一定電子能量和束流密度條件下，獲得不同溫度下太陽電池陣放電頻率和放電波形，得到以下試驗(yàn)結(jié)果：1）太陽電池陣放電頻率與環(huán)境溫度相關(guān)，溫度越高，放電頻率越??；2）太陽電池陣放電脈沖電流幅值和電流波形有所差別，電流幅值與環(huán)境溫度相關(guān)，隨著溫度升高，放電電流幅值相應(yīng)減??；3）放電電流經(jīng)過快速傅里葉變換得到其在頻域上的幅度譜，圖譜顯示放電電流主要能量集中在10 MHz 以下頻段。出現(xiàn)這些規(guī)律的主要原因分析如下。

根據(jù)太陽電池陣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和靜電放電的特征[11,12]分析，太陽電池陣靜電放電的產(chǎn)生離不開溫度效應(yīng)的影響。在不同的溫度下，介質(zhì)材料電導(dǎo)率會發(fā)生相應(yīng)的變化，見式（1）[7]：

式中：μ 為介質(zhì)材料電導(dǎo)率；μ∞為介質(zhì)材料最大電導(dǎo)率；EA為激活能；k 為玻爾茲曼常數(shù)；T 為溫度。當(dāng)溫度T 升高時(shí)，電導(dǎo)率μ 增大，玻璃蓋片、GaAs和聚酰亞胺材料阻抗降低，電荷泄放加快，表面的充電電位始終低于靜電放電的閾值電壓，不但導(dǎo)致了靜電放電頻率大幅度下降，而且使得放電電流幅值相應(yīng)減少。另一方面，溫度的升高會使介質(zhì)材料中的電子逃逸能升高，使其更容易擺脫深、淺陷阱的束縛，加快沉積電荷的泄放，也造成了放電頻率的下降和放電電流幅值的減小。

4 結(jié)論

在對太陽電池陣機(jī)理和研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了太陽電池陣靜電放電試驗(yàn)電路，確定了太陽電池陣靜電放電試驗(yàn)參數(shù)與試驗(yàn)程序，通過試驗(yàn)研究獲得了環(huán)境溫度因素對GEO 軌道太陽電池陣靜電放電的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）太陽電池陣放電頻率與環(huán)境溫度相關(guān)，溫度越高，放電頻率越??；

2）太陽電池陣放電脈沖電流幅值和電流波形有所差別，電流幅值與環(huán)境溫度相關(guān)，隨著溫度升高，放電電流幅值相應(yīng)減??；

3）放電電流經(jīng)過快速傅里葉變換得到其在頻域上的幅度譜，圖譜顯示放電電流主要能量集中在10 MHz 以下頻段。