航天器太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)導電滑環(huán)真空充放電實驗研究

經(jīng)貴如，沈 亮，王學強，王艷芬，李長江，李 偉

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201100）

0 引言

空間環(huán)境中的高能電子易在航天器外圍的介質(zhì)材料或者穿過航天器屏蔽層在其內(nèi)部的介質(zhì)材料上沉積，當這些介質(zhì)材料表面與周圍其他部件間的電位差或者沉積電荷產(chǎn)生的電場超過一定閾值時會發(fā)生放電現(xiàn)象，即表面和深層充放電效應[1-3]。深層放電會影響材料的絕緣性能，產(chǎn)生的放電脈沖會干擾航天器上電子儀器的正常工作，甚至使航天器發(fā)生故障[4]。

太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)是航天器太陽電池陣對日定向的執(zhí)行裝置，部分暴露在航天器艙體外部，工作在高電壓、大電流和運動的狀態(tài)下，同時通過內(nèi)部導電滑環(huán)傳輸電功率，為航天器供電。在太陽活動期間，地球中高軌道的外輻射帶高能電子通量將顯著增大[5]，這些高能電子會穿透屏蔽層進入太陽電池陣驅(qū)動機構(gòu)內(nèi)部，在導電滑環(huán)絕緣介質(zhì)或孤立導體上沉積并建立電場，如果充電導致介質(zhì)內(nèi)建電場的強度達到擊穿閾值，或相鄰結(jié)構(gòu)間出現(xiàn)較高的電位差，便會產(chǎn)生靜電放電（electrostatic discharge,ESD），嚴重的會引起導電滑環(huán)二次放電，危及航天器安全，故有必要對導電滑環(huán)充放電風險進行評估，并采取必要的防護措施[6]。

根據(jù)NASA-HDBK-4002A 給出的數(shù)據(jù)，地球同步軌道（GEO）惡劣情況下的高能電子通量約為2 pA/cm2；通過MULASSIS 軟件計算，若此時增設(shè)1.5 mm 厚鋁板防護，則電子通量可下降至約0.1 pA/cm2[7]。因此，本實驗設(shè)置極端惡劣環(huán)境下高能電子通量為2.4 pA/cm2和增加鋁板防護后電子通量為0.1 pA/cm2的2 種工況，對導電滑環(huán)的充放電效應進行研究，并通過滑環(huán)表面狀態(tài)及性能監(jiān)測結(jié)果判斷滑環(huán)受損程度。

1 實驗設(shè)置

本實驗在中國科學院國家空間科學中心的航天器充放電模擬裝置（見圖1）上完成，該裝置真空罐內(nèi)徑為1.0 m、長1.4 m，真空度可優(yōu)于5.0×10-4Pa，可利用90Sr-90Y β 放射源模擬地球外輻射帶的高能電子環(huán)境。90Sr-90Y 是純β 源，具有出射電子能量高（Emax=2.28 MeV）、半衰期長（T1/2=28.8 a）的特點，適于作為內(nèi)部充電的模擬輻照源。與另外一種輻照源——電子加速器相比：90Sr-90Y 源的β 衰變具有連續(xù)能譜，且電子能譜接近GEO 最惡劣情況下的電子能譜[8]（如圖2 所示）；電子通量容易控制在與空間相仿的pA 量級；輻照場穩(wěn)定，可進行長時間持續(xù)輻照實驗；實驗過程中的電磁干擾少，有利于準確測量充放電參數(shù)。

圖 1 航天器充放電模擬裝置Fig. 1 Spacecraft charge and discharge simulator

圖 2 90Sr-90Y β 放射源電子能譜與GEO 最惡劣情況下的電子能譜比較Fig. 2 Comparison of electron spectrum between 90Sr-90Y beta source and the worst case in GEO

導電滑環(huán)內(nèi)部充放電模擬實驗原理見圖3。

圖 3 充放電地面模擬實驗原理Fig. 3 Schematic diagram of charge and discharge ground simulation test

試件為聚酰亞胺基材盤片與電刷配對形成的組件，實驗過程中對試件通5 A 電流，并利用罐外測試系統(tǒng)進行性能監(jiān)測；放射源對試件輻照一定時間后，用Trek341B 型電位計測量其表面電位，用2 個Pearson 6595 型羅氏線圈分別測量漏電流脈沖和耦合入信號回路的放電脈沖，用Keithley 6517A 型電流計測量漏電流[9]，用電場脈沖儀測量放電電磁場脈沖信號。電場脈沖儀較為靈敏，實驗中均以電場脈沖儀作為觸發(fā)信號，觸發(fā)電平通常設(shè)為幾十mV。

2 實驗結(jié)果

在輻照過程和測量過程中，觀測到的放電可分為表面放電和擊穿放電，表面放電幅值較?。◣资綆装賛V），持續(xù)時間較短（幾十到幾百ns），電流計無法探測到放電電流波形；而擊穿放電幅值較大（幾百到幾千mV），持續(xù)時間為幾百到幾千ns，電流計可以記錄到放電電流波形。

2.1 極端惡劣環(huán)境下充放電實驗

用2.4 pA/cm2電子通量模擬極端惡劣環(huán)境下導電滑環(huán)充放電效應，即導電滑環(huán)直接暴露在輻照場中連續(xù)輻照120 h 的表面電位，典型數(shù)據(jù)如表1所示。表面電位隨輻照時間上升曲線如圖4 所示，輻照初始階段電位上升較快，最后平衡電位約為-3600 V，停止輻照后表面電位迅速下降，大約600 min后趨于平衡，最終殘留約-200 V 電位。

表 1 2.4 pA/cm2 電子通量輻照下導電滑環(huán)表面電位Table 1 Surface potential of slip ring versus the radiation time under electron flux of 2.4 pA/cm2

圖 4 2.4 pA/cm2 電子通量輻照下導電滑環(huán)表面電位增長曲線Fig. 4 Surface potential of slip ring versus the radiation time under electron flux of 2.4 pA/cm2

表1 中，表面電位在ESD17 時反而比ESD16時有所降低，主要因為放電瞬間會泄放部分電荷，導致電位下降；但是在長時間輻照下，電位總體呈上升趨勢，最終達到一個平衡電位。導電滑環(huán)盤片的主要材料為聚酰亞胺，用文獻[10]提供的模型粗略計算時間常數(shù)τ和平衡電位Vs：

式(1)、(2)中：ε=ε0εr，聚酰亞胺的相對介電常數(shù)εr為3.4；導電滑環(huán)2 個盤片總厚度D為10 mm；聚酰亞胺的輻射誘發(fā)電導率σric為9.12×10-17Ω·cm-1[11]；放射源是連續(xù)譜，其平均能量為0.9 MeV，在聚酰亞胺介質(zhì)中的平均射程L約為5 mm[12]；入射電流密度J0為2.4 pA/cm2。經(jīng)計算得到，τ=1.83 h，Vs=-2630 V。理論值與實驗值相差較大，主要原因是盤片表面和導體結(jié)構(gòu)相對復雜，用簡單的平板模型只能作近似估算。

實驗過程中觀測到多次放電，典型數(shù)據(jù)如表2所示。輻照初始階段，放電發(fā)生比較頻繁，其脈沖幅值為幾十mV，持續(xù)時間為幾百ns，為表面放電，主要原因是導電滑環(huán)結(jié)構(gòu)復雜，各部分不等量帶電，導致金屬環(huán)與介質(zhì)盤面、盤面與線纜、線纜與線纜之間很快形成較大電位差；輻照中后階段，電位升高到一定程度，放電幅值從幾百mV 到上千mV，持續(xù)時間超過300 ns，為深層擊穿放電。從能量角度考慮，擊穿放電更容易對器件造成損傷。

表 2 2.4 pA/cm2 電子通量輻照下的ESD 數(shù)據(jù)Table 2 ESD data under electron flux of 2.4 pA/cm2

電流計在整個實驗過程中實時測量漏電流，提取到ESD16 和ESD17 的漏電流脈沖波形如圖5 所示，漏電流最大脈沖幅值為123.5 pA 和127.0 pA，持續(xù)時間為4.0 s 和4.8 s。漏電流數(shù)據(jù)中未發(fā)現(xiàn)其他放電的脈沖波形，以此判斷ESD1～ESD15 均為表面放電。

文獻[9]提供了一個針對平板材料、入射電子為單能電子的充電模型，但由于本實驗中試件為導電滑環(huán)，幾何結(jié)構(gòu)復雜，并且放射源發(fā)出的是連續(xù)能譜電子，無法使用此類簡單模型進行理論分析。因此，實驗中對應每次放電發(fā)生的時間，提取了滑環(huán)的電壓降數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示各回路電壓降穩(wěn)定在0.3 V 左右，為正常值；實驗結(jié)束后對試件表面進行仔細檢查，未發(fā)現(xiàn)毀壞。

圖 5 擊穿放電漏電流脈沖波形Fig. 5 Wave form of punch-through ESD

2.2 防護后的充放電實驗

一次輻照實驗之后將試件靜置較長時間，再用0.1 pA/cm2電子通量模擬增加鋁板防護后導電滑環(huán)的充放電效應。連續(xù)輻照86 h，記錄表面電位和放電數(shù)據(jù)。表面電位典型數(shù)據(jù)如表3 所示，約50 h 輻照之后，試件達到平衡電位-300 V，比2.4 pA/cm2電子通量輻照下低1 個數(shù)量級，且電位上升緩慢，表明增加防護之后，試件充電電位低，降低了放電風險。

表 3 0.1 pA/cm2 電子通量輻照下導電滑環(huán)表面電位Table 3 Surface potential versus the radiation time under electron flux of 0.1 pA/cm2

本次實驗中監(jiān)測到較多放電脈沖，主要對漏電流脈沖幅值和持續(xù)時間進行記錄，典型數(shù)據(jù)如表4所示，信號通道和電場脈沖儀通道幅值比較小，約幾十mV，持續(xù)時間約幾十到一兩百ns。大多數(shù)ESD發(fā)生在電位測量過程中，而且幅值較大，持續(xù)時間為幾百ns，以擊穿放電為主；也有輻照過程中發(fā)生的放電和輻照結(jié)束之后發(fā)生的放電。

表 4 0.1 pA/cm2輻照下ESD 數(shù)據(jù)Table 4 ESD data under electron flux of 0.1 pA/cm2

與表2 中數(shù)據(jù)對比可以得出以下結(jié)論：經(jīng)大劑量輻照之后的試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生改變，有可能形成了固定放電通道[13]，導致即使低通量輻照下，在較低電位時試件也會發(fā)生頻繁的擊穿放電；而且這種擊穿放電基本不會降低材料電位，分析放電漏電流波形可以看到每次放電量較少，因此停止輻照之后仍頻繁發(fā)生放電，說明航天器在壽命后期更容易發(fā)生放電，這對航天器來說非常危險。

本次實驗中ESD26 的漏電流波形如圖6(a)所示，最大幅值為-2.16 pA，持續(xù)時間為4.0 s；ESD32 發(fā)生在輻照結(jié)束之后，其漏電流脈沖波形如圖6(b)所示，最大幅值為-1.82 pA，持續(xù)時間為4.2 s。與ESD16和ESD17 的漏電流波形相比，ESD26 和ESD32 的幅值要小2 個數(shù)量級，持續(xù)時間均為幾s，放電量非常少，對電位影響不大。ESD26 和ESD32 沒有翻轉(zhuǎn)電流，跟試件材料在大劑量輻照后的結(jié)構(gòu)改變有關(guān)，其物理機制值得深入研究。

圖 6 擊穿放電漏電流脈沖波形Fig. 6 Wave form of punch-through ESD

雖然此次實驗中導電滑環(huán)發(fā)生了多次擊穿放電，各回路電壓降仍穩(wěn)定在0.3 V 左右，為正常值。實 驗結(jié)束后對試件表面進行仔細檢查，未發(fā)現(xiàn)損壞。

2.3 小結(jié)

實驗結(jié)果表明，在相同輻照通量下，輻照初始階段發(fā)生幅值較小的放電，多數(shù)為表面放電；隨著電位升高，深層充電導致材料內(nèi)部積累大量電子，超過一定閾值之后，發(fā)生擊穿放電；另外在大劑量長時間照射后，導電滑環(huán)結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部可能形成固定放電通道，導致其在較低電位也會頻繁發(fā)生擊穿放電。

導電滑環(huán)結(jié)構(gòu)在2.4 pA/cm2通量電子輻照下充電平衡電位達到-3600 V，風險較大；而在0.1 pA/cm2通量電子輻照下平衡電位僅為-300 V，風險較小。因此，可通過增加3 mm 厚防護鋁板的措施來降低高能電子通量，預防導電滑環(huán)在軌因充放電造成故障。

實驗前后，導電滑環(huán)各回路電壓降測試值均在0.3 V 左右，性能保持正常穩(wěn)定，同時試件表面未發(fā)現(xiàn)損壞跡象。

3 結(jié)束語

通過實驗研究了復雜結(jié)構(gòu)體導電滑環(huán)的真空充放電效應，得到不同高能電子輻照通量下滑環(huán)的充放電特性，包括充電平衡電壓、放電頻率、放電脈沖幅值、放電持續(xù)時間等，可為驅(qū)動機構(gòu)導電滑環(huán)的安全性設(shè)計提供必要的依據(jù)。

實驗過程中導電滑環(huán)的性能測試數(shù)據(jù)均正常，說明目前導電滑環(huán)的設(shè)計狀態(tài)具有一定的抗充放電效應能力。但本實驗只能說明在短時間輻照中發(fā)生的放電對滑環(huán)工作性能沒有影響，在軌長時間充放電對導電滑環(huán)的影響，以及導電滑環(huán)在軌工作中存在的磨屑、非金屬揮發(fā)物等對充放電效應的影響值得進一步研究。