脈沖激光輻照充電材料誘導(dǎo)放電特性研究

陳一夫， 常 浩， 周偉靜， 于程浩

（航天工程大學(xué) 宇航科學(xué)與技術(shù)系 激光推進(jìn)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 101400）

0 引言

航天器運(yùn)行在空間環(huán)境復(fù)雜的外太空環(huán)境， 容易受到空間帶電粒子輻射造成損傷[1]。空間帶電粒子不斷聚集在航天器表面，由于材料和形狀的不同，不同位置充電速度不同，容易形成電位差，當(dāng)電位差達(dá)到一定閾值時(shí)便會(huì)產(chǎn)生異常放電現(xiàn)象[2]。

Payan 提出了電勢(shì)差放電理論[3]，研究認(rèn)為當(dāng)太陽(yáng)能電池絕緣材料充電到正電勢(shì)而導(dǎo)體材料充電到負(fù)電勢(shì)時(shí)，形成放電梯度，當(dāng)電勢(shì)差達(dá)到一定閾值時(shí)，材料表面電子在電場(chǎng)的作用下會(huì)導(dǎo)致放電的產(chǎn)生。 在理論研究基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也展開了一系列實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究。 Kazuhiro Toyoda 通過電子槍向太陽(yáng)能電池表面噴射帶電粒子模擬太空環(huán)境誘導(dǎo)放電的產(chǎn)生， 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)放電多發(fā)生在電池邊沿， 多次放電會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池輸出功率下降[4]。此外，超高速空間碎片撞擊產(chǎn)生的等離子體也會(huì)導(dǎo)致充電材料放電的產(chǎn)生。 國(guó)內(nèi)的唐恩凌研究了高速碰撞太陽(yáng)能電池陣產(chǎn)生等離子體誘發(fā)放電的碰撞實(shí)驗(yàn)研究， 驗(yàn)證了真空環(huán)境下速度介于2.4～2.6km/s 之間的高速碎片碰撞會(huì)導(dǎo)致放電的產(chǎn)生[5]。 由于放電是由于不同部位差異帶電以及外部誘發(fā)等離子體引起， 李宏偉通過搭建模擬航天器太陽(yáng)電池材料表面不均勻充電狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證了激光誘導(dǎo)等離子體會(huì)在不同電勢(shì)差的材料之間引起放電[6]。

現(xiàn)有研究表明空間等離子體環(huán)境和碎片超高速撞擊產(chǎn)生的等離子體極易誘導(dǎo)充電材料放電的產(chǎn)生。 本文通過脈沖激光誘導(dǎo)等離子體研究充電材料的放電特性，通過實(shí)驗(yàn)研究回答不同電勢(shì)差、 不同激光誘導(dǎo)能量導(dǎo)致的放電特性異同， 從而為等離子體誘導(dǎo)放電研究提供一種新的分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

空間航天器充電材料如太陽(yáng)能電池由于表面的不均勻充電累積電荷形成電勢(shì)差容易在表面形成放電， 研究此類放電現(xiàn)象，一般可使用電子槍，本實(shí)驗(yàn)參考文獻(xiàn)[6]使用的梳妝電極結(jié)構(gòu)，開展了相互間距為1mm 的金屬電極在激光誘導(dǎo)等離子體下的放電實(shí)驗(yàn)， 通過高壓直流電源為電容進(jìn)行充電，由互相隔離的電極連接在電容器兩端，由此來模擬航天器充電材料在軌道上由于不均勻充電導(dǎo)致的差異帶電情況。 實(shí)驗(yàn)中利用脈沖激光器輻照電極之間誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體形成放電通道誘發(fā)放電。 實(shí)驗(yàn)采用Nd：YAG 激 光 器， 激 光 波 長(zhǎng)1064nm， 光 斑 直 徑 約 為500μm，脈沖寬度8ns，最大輸出能量可達(dá)100mJ。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1 所示，梳妝電極之間相互隔離，電容的兩端分別連接在梳妝電極兩端。在脈沖激光輻照前，先對(duì)電容進(jìn)行充電， 充電完成后電容兩端電壓保持開路狀態(tài)，電荷分別累積在電極兩端。 當(dāng)脈沖激光輻照過后，激光誘導(dǎo)電極與基板產(chǎn)生的等離子體在自身膨脹及電場(chǎng)作用下移動(dòng)，等離子體屬于帶電粒子存在導(dǎo)電性，導(dǎo)致電極之間形成瞬間放電通道， 累積在電極上的電荷以及脈沖激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體通過放電通道在電路中被消耗掉，放電產(chǎn)生的電流會(huì)在電阻兩端產(chǎn)生瞬間的電壓變化，通過高速數(shù)字示波器觸發(fā)模式捕捉存儲(chǔ)電阻兩端的電壓變化情況，然后根據(jù)歐姆定律即可換算得到電流變化。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 激光能量對(duì)電流影響

放電電流的大小主要受到電極間差異電壓大小、脈沖激光能量大小的影響，為了研究電極電壓、和放電電流之間的關(guān)系， 首先在電壓一定的條件下通過改變脈沖激光能量大小來進(jìn)行一系列的研究， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 放電電流峰值會(huì)隨著激光能量的升高而升高，且存在一個(gè)能量閾值，低于這個(gè)能量的脈沖激光能量無法誘導(dǎo)形成放電。 當(dāng)脈沖激光能量達(dá)到4.55mJ時(shí)電極兩端開始形成放電，峰值僅為0.06A 左右。 進(jìn)一步升高脈沖激光能量為9.48mJ， 放電電流峰值達(dá)到1.06A，43.55mJ 激光能量條件下電流峰值達(dá)到1.52A， 繼續(xù)升高到60.45mJ 激光能量時(shí)電流峰值幾乎保持不變， 放電持續(xù)時(shí)間越來越長(zhǎng)。

在電極電壓保持在80V 的條件下， 不同脈沖激光能量誘導(dǎo)形成的放電情況不同。隨著脈沖激光能量的升高，超過閾值時(shí)實(shí)驗(yàn)開始產(chǎn)生放電， 并且放電電流的電流峰值和放電時(shí)間隨著激光能量的升高而升高， 隨著激光能量達(dá)到一定水平，放電峰值開始放緩增長(zhǎng)趨勢(shì)，峰值基本相同，但放電電流峰值保持持續(xù)增長(zhǎng)。

以上的結(jié)果說明脈沖激光輻照誘導(dǎo)充電材料放電存在脈沖激光能量閾值，這個(gè)閾值在4.25mJ 左右。 當(dāng)脈沖激光的能量超過能量閾值才會(huì)產(chǎn)生放電， 隨著脈沖激光能量的升高， 產(chǎn)生的放電電流峰值和持續(xù)時(shí)間隨之而增加，當(dāng)脈沖激光能量繼續(xù)升高超過一定水平后，隨著激光能量的升高，電流峰值幾乎保持不變，電流峰值持續(xù)時(shí)間增加。

分析原因是因?yàn)楫?dāng)脈沖激光產(chǎn)生的等離子體在電極間形成后會(huì)在電極間電場(chǎng)作用下和自身膨脹下形成放電通道， 當(dāng)?shù)入x子體濃度足以形成穩(wěn)定的放電通道后由于電極間的電壓、相對(duì)位置均保持不變，所以放電電流峰值基本相同，由于脈沖激光能量的升高產(chǎn)生更多等離子體，形成的放電通道持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)。

圖2 電極電壓80V 不同激光能量下的放電電流波形

2.2 電壓對(duì)放電電流影響

放電電流主要受到電極間電壓以及激光誘導(dǎo)等離子體濃度影響，為了研究電壓大小對(duì)脈沖激光誘導(dǎo)放電影響，設(shè)計(jì)4組不同電壓，同一激光能量下情況下的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

在激光能量保持為60.45mJ 一定的條件下，電極電壓由20V增加到80V 的過程中，放電電流峰值會(huì)隨著脈沖激光能量的升高而升高，放電時(shí)間保持不變，都維持在20μs 左右。當(dāng)電極電壓為20V 時(shí)產(chǎn)生的放電峰值僅為0.36A，隨著激光能量進(jìn)一步的增加會(huì)導(dǎo)致放電電流峰值的增加，當(dāng)電極間電壓達(dá)到80V 時(shí)，放電電流峰值達(dá)到1.58A。

圖3 不同電壓條件下放電電流波形

分析原因是因?yàn)楫?dāng)脈沖激光產(chǎn)生的等離子體在電極間生成后， 由于等離子體的運(yùn)動(dòng)主要受到電場(chǎng)的作用以及等離子體的自身膨脹，而電極間電壓越高，意味著累積在電極兩端的電荷量越多， 在充足的等離子體形成放電通道后會(huì)導(dǎo)致放電產(chǎn)生的電流值越大， 而放電時(shí)間保持不變說明了電極之間電場(chǎng)的作用對(duì)等離子體誘導(dǎo)放電的持續(xù)時(shí)間影響很小。

3 結(jié)論

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：脈沖激光輻照帶電電極會(huì)誘導(dǎo)放電的產(chǎn)生， 且存在產(chǎn)生放電的激光能量閾值，實(shí)驗(yàn)中的放電閾值在4.25mJ 左右，放電電流峰值和持續(xù)時(shí)間會(huì)隨著激光能量的升高而升高； 脈沖激光輻照帶電電極誘導(dǎo)形成放電的電流峰值主要受到電極之間累積的電荷量影響，電荷累積越多產(chǎn)生的電流峰值越大。放電電流持續(xù)時(shí)間主要受到脈沖激光能量的影響， 能量越高形成的等離子體濃度和持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)導(dǎo)致形成的放電通道持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，從而導(dǎo)致放電時(shí)間越長(zhǎng)。