太陽電池陣表面充電反向電位梯度的地面模擬

劉業(yè)楠，朱立穎，王志浩，張永泰，王思展，趙瑜馨，郭佳麗，王 璐，徐焱林，劉宇明，田東波

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2. 北京空間飛行器總體設(shè)計部：北京 100094）

0 引言

在軌航天器的絕緣表面（通常是熱控多層及太陽電池陣正面等）會與空間等離子體發(fā)生相互作用，產(chǎn)生靜電電荷的累積。當(dāng)累積電荷建立的電場超過絕緣材料擊穿閾值，就有可能發(fā)生表面靜電放電，從而產(chǎn)生電磁干擾影響航天器的運(yùn)行；還可能在太陽電池陣等電源系統(tǒng)上引起電弧放電，導(dǎo)致航天器電源系統(tǒng)的使用壽命縮減甚至系統(tǒng)失效。為充分了解在軌航天產(chǎn)品對表面充放電效應(yīng)的防護(hù)效能，需要在地面模擬空間等離子體環(huán)境與航天器相互作用引起的表面帶電效應(yīng)，從而對其影響進(jìn)行系統(tǒng)的測試和評估。其中，對于太陽電池陣等表面具有高二次電子發(fā)射及光電子發(fā)射特性的外露組件，在軌典型的表面充電情況以反向電位梯度（inverted potential gradient, IPG）為主，尤其是太陽電池陣等電源系統(tǒng)組件，靜電放電特性與其誘發(fā)的二次電弧密切相關(guān)，對靜電放電閾值的準(zhǔn)確測試及評估可以用于二次電弧試驗中靜電放電的等效縮比模擬，因此利用靜電放電閾值建立的靜電放電脈沖特性是關(guān)鍵的試驗參數(shù)。本文重點(diǎn)以當(dāng)前表面充放電效應(yīng)較為突出的太陽電池陣為研究對象，提出IPG 的地面模擬試驗方法。

1 等離子體環(huán)境及典型表面充電效應(yīng)

1.1 各個軌道的等離子體環(huán)境

文獻(xiàn)[1-4]詳細(xì)介紹了軌道上的等離子體環(huán)境。一般而言，在地球同步軌道（GEO）環(huán)境存在大量能量大于1 keV 的電子。在亞暴期間，大量熱等離子體注入會導(dǎo)致航天器結(jié)構(gòu)在非光照區(qū)電子充電束流急劇增加，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的不等量帶電，由于航天器上同時具有大面積介質(zhì)、（半）導(dǎo)體的關(guān)鍵組件，所以太陽電池陣表面發(fā)生靜電放電的危險程度就會增加。

低地球軌道（LEO）環(huán)境有能量低且稠密的電離層等離子體，其中相對航天器能量在0.1～0.2 eV的電子束流占了大部分比例。航天器結(jié)構(gòu)電位在太陽電池陣發(fā)電電壓范圍內(nèi)相對于電離層等離子體電位浮動。當(dāng)太陽電池陣母線電壓較高時，航天器結(jié)構(gòu)體的懸浮負(fù)電位就會相對較高，其結(jié)構(gòu)與表面介質(zhì)間的不等量帶電情況就會變得嚴(yán)重。

極地地球軌道（PEO）的特點(diǎn)在于能量大于1 keV 的極光電子及與其共存的低能電離層等離子體。在高緯度地區(qū)，極光電子由于其能量較高所以更容易在航天器背風(fēng)面的尾流區(qū)沉積，從而形成尾區(qū)帶電效應(yīng)，此時航天器表面充電情況與在GEO等離子體環(huán)境下類似；在低緯度地區(qū)，由于沒有極光電子的作用，航天器表面充電情況則與在LEO軌道等離子體環(huán)境下類似。

1.2 中高軌道等離子體環(huán)境下的表面充電效應(yīng)

在亞暴期間高能電子使太陽電池陣充電的電位分布取決于航天器的結(jié)構(gòu)及太陽電池上的玻璃蓋片的情況。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時，一個航天器通常充電到一個相對空間等離子體為負(fù)的電位，除非有大量的光電子發(fā)射至表面。太陽電池上的玻璃蓋片則直接暴露于日照下，由玻璃蓋片上發(fā)射的光電子使其負(fù)電位相對于航天器結(jié)構(gòu)要低一些（如圖1 所示），形成“反向梯度”電位分布。在很多應(yīng)用中，使用的MgF的抗反射涂層是沉積在玻璃蓋片上的。而MgF擁有非常高的二次電子產(chǎn)額，甚至在缺乏日照的情況下，由MgF涂層產(chǎn)生的二次電子也可以充分維持反向梯度電位分布。如圖2 所示，玻璃蓋片表面的二次電子發(fā)射系數(shù)最大可達(dá)到8，且在很寬的入射電子能量范圍內(nèi)均大于1。因此，玻璃蓋片上覆有MgF涂層的太陽電池陣的充電會通常體現(xiàn)出“反向梯度”電位分布，甚至于在日蝕期間及玻璃蓋片處于陰影區(qū)時也不例外。

圖1 高軌等離子體環(huán)境中反向梯度充電示意Fig. 1 IPG charging in high Earth orbit plasma environment

圖2 幾種典型星用表面材料的二次電子發(fā)射系數(shù)Fig. 2 Secondary electron emission yields of typical satellites’ surface materials

至于玻璃蓋片上沒有覆蓋MgF涂層或玻璃蓋片被污染（這樣二次電子產(chǎn)量受到污染的控制）的情況，在蓋片沒有暴露在日照下時將會被亞暴產(chǎn)生的電子充電至相對航天器結(jié)構(gòu)更負(fù)的電位。該電位分布結(jié)果就是所謂的正常梯度布局（normal potential gradient, NPG），如圖3 所示。

圖3 高軌等離子體環(huán)境中正常梯度充電示意Fig. 3 NPG charging in high earth orbit plasma environment

1.3 低軌道等離子體環(huán)境下的表面充電效應(yīng)

由于LEO 處于電離層等離子體環(huán)境，等離子體的溫度很低，所以等離子體環(huán)境中的電子很難將航天器充電至較負(fù)的電位。根據(jù)一般的仿真分析或在軌探測可知，通常LEO 的表面充電電位約為-1 V。在稠密等離子體里，由于太陽電池陣的負(fù)接地作用，使得航天器結(jié)構(gòu)地相對等離子體具有一個負(fù)電位，此時太陽電池陣玻璃蓋片表面仍然可以建立反向梯度電位，如圖4 所示。根據(jù)上述原理可知，在LEO反向梯度電位也是表面充電效應(yīng)的標(biāo)稱狀態(tài)。

圖4 低軌冷稠等離子體環(huán)境中反向梯度充電示意Fig. 4 IPG charging in low earth orbit plasma environment

2 表面充電IPG 的試驗?zāi)M方法

2.1 表面充電IPG 模擬的必要性

由上節(jié)可知，以表面充電過程電位梯度建立的差別將其分為IPG 充電及NPG 充電。對于中高軌道的熱等離子體環(huán)境，IPG 過程主要由電池玻璃蓋片表面的光電子及二次電子作用產(chǎn)生；對于低軌道的冷稠等離子體環(huán)境，則是靠航天器太陽電池陣負(fù)接地引起的負(fù)懸浮電位與電池玻璃蓋片表面近等離子體電位的差所產(chǎn)生。這些反向的電位梯度最終會在介質(zhì)和導(dǎo)體交接的邊緣——即“三結(jié)合處”建立較強(qiáng)的電場并產(chǎn)生靜電放電。太陽電池陣的絕緣基底也有產(chǎn)生表面充電的可能，但由于基底材料通常采用的聚酰亞胺在中高軌道環(huán)境中二次電子發(fā)射特性并不如玻璃蓋片表面的MgF顯著，在低軌道其缺乏形成場致增強(qiáng)電子發(fā)射的三結(jié)合處構(gòu)型，所以并不是IPG 誘發(fā)靜電放電的典型部位。

根據(jù)表面充電原理可知，IPG 與NPG 的放電回路有所差別：IPG 引起的放電是徑向產(chǎn)生較強(qiáng)電場并擊穿形成，因此對于較薄的介質(zhì)材料更容易發(fā)生放電，放電電流流經(jīng)航天器結(jié)構(gòu)，中和不等量帶電電荷并釋放能量；NPG 引起的放電主要由表面形成的高電位差導(dǎo)致，因此放電電流主要在表面擴(kuò)散并中和介質(zhì)表面的不等量帶電電荷。對于航天器太陽電池陣等大面積介質(zhì)表面，靜電放電可能會在電池片被光照時誘發(fā)二次電弧，將電池串的輸出轉(zhuǎn)化為電弧。

二次電弧效應(yīng)對于航天器太陽電池陣影響較大，可能會引起電池串的短路、功率下降甚至燒毀，因此需要在地面開展環(huán)境效應(yīng)模擬試驗，以獲取太陽電池陣產(chǎn)生的靜電放電及二次電弧特性參數(shù)，并評估在其工作條件下是否具有二次電弧發(fā)生的風(fēng)險。對于二次電弧試驗，需要獲得由于靜電放電誘發(fā)的二次電弧閾值、持續(xù)時間等特征參數(shù)，因此準(zhǔn)確模擬誘發(fā)二次電弧的靜電放電特性至關(guān)重要。而通過上述充電特性可知，IPG 引起的靜電放電具有更典型、閾值更低、放電能量可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，因此IPG 是太陽電池陣二次電弧評價試驗中典型的靜電放電觸發(fā)方式。

2.2 中高軌道等離子體環(huán)境IPG 的模擬

由于模擬試驗中的電子束能量通常都是單能，而在軌環(huán)境是近似麥克斯韋分布的能譜，所以難以在環(huán)境模擬上保持一致，此時較為準(zhǔn)確的方式是以誘發(fā)靜電放電的效應(yīng)作為等效模擬標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上述機(jī)理，在試驗室模擬中高軌道的IPG 電位分布，可以采用高偏壓法對試樣的結(jié)構(gòu)施加一個負(fù)高壓偏壓來模擬電子對結(jié)構(gòu)的充電，同時以誘發(fā)典型IPG 為目的對太陽電池蓋片施加能夠產(chǎn)生二次電子發(fā)射的低能電子束或能夠產(chǎn)生光電子發(fā)射的紫外源（也可以兩者結(jié)合）。在電子束方法中，根據(jù)圖2可知：由于包括玻璃蓋片在內(nèi)的大部分材料在入射電子能量為1 keV 時的二次電子產(chǎn)額高于1，所以可以根據(jù)試驗對象的二次電子發(fā)射特性選擇輻照電子束的能量；對于太陽電池陣的玻璃蓋片，當(dāng)?shù)竭_(dá)蓋片的電子束能量在曲線峰值附近時，會獲得較高的二次電子發(fā)射增益水平，從而蓋片可以更容易地被充電至相對于結(jié)構(gòu)為正的電位，即形成了反向梯度電位分布。對于紫外源輻照，則可以直接依靠打出光電子產(chǎn)生反向電位梯度，并通過基底增加一個負(fù)偏壓源來降低光電子的再次吸收。另外，對于極軌衛(wèi)星在高緯度地區(qū)的模擬，也可以采用上述模擬源與試驗配置。關(guān)于環(huán)境模擬源的束流密度選取，由于試驗?zāi)康臑榈刃M，試樣采用懸浮的方式靠外部補(bǔ)償電容與試驗系統(tǒng)“地”連接，所以束流的大小在一定程度上決定了充電速度的快慢，只要不產(chǎn)生額外的熱效應(yīng)即可。

為保證反向梯度電位數(shù)值測量的準(zhǔn)確性，試驗中通常使用非接觸式電位探頭（TREK 探頭）進(jìn)行測量。為確保測量過程中的遮擋不破壞原有表面充電的電流平衡特性，試樣應(yīng)進(jìn)行懸浮以減少非電子輻照時的電荷泄漏，并提高探頭測量掃描的速度以縮短測量時間。圖5 所示為典型的中高軌道表面充電效應(yīng)試驗中用電子束源模擬IPG。

圖5 中高軌道表面充電IPG 等效模擬Fig. 5 IPG equivalent simulation of surface charging effect in medium and high Earth orbit

2.3 低軌道等離子體環(huán)境IPG 的模擬

LEO 等離子體環(huán)境中航天器表面充電的IPG相對更容易模擬。通常采用冷稠等離子體源（如ECR 源）作為模擬源，同時采用惰性氣體（如Ar）作為工質(zhì)，以保證電離的穩(wěn)定性及減少其他因素的影響。冷稠等離子體源的主要參數(shù)包括等離子體的溫度與密度。通常模擬源的等離子體溫度需要低于5 eV；而等離子體密度會在一定程度上影響放電閾值，因此選取時盡量采用產(chǎn)品實際飛行軌道上的最大值或平均值所在數(shù)量級進(jìn)行模擬。在稠密等離子體環(huán)境中，介質(zhì)材料的電位相對比較接近等離子體環(huán)境電位，此時對試樣結(jié)構(gòu)施加一個負(fù)高壓偏壓就可以模擬航天器結(jié)構(gòu)的懸浮電位充電，即在太陽電池玻璃蓋片的表面建立了相對更正的反向電位梯度。此時高壓偏壓電源的電壓數(shù)值可以近似認(rèn)為等于玻璃蓋片上下表面間的電位差。圖6 為典型的低軌道表面充電效應(yīng)試驗IPG 等離子體源模擬示意圖。

圖6 低地球軌道表面充電IPG 等效模擬Fig. 6 IPG equivalent simulation of surface charging effect in low Earth orbit

3 表面充電IPG 模擬試樣的縮比試驗技術(shù)

按照上述IPG 模擬方法可以在地面建立與在軌類似的表面充電效應(yīng)特性，但由于試驗可能會對試件造成微損傷，所以通常采用子樣或等效試驗件代替正式的飛行產(chǎn)品進(jìn)行試驗。雖然子樣或等效試驗件的技術(shù)狀態(tài)和工藝可以與飛行產(chǎn)品保持一致，但是其尺寸難以表現(xiàn)在軌實際的靜電放電風(fēng)險。法國、日本等開展了一些全尺寸太陽電池陣一次放電和二次電弧研究實驗，并得到了靜電放電等離子體傳播速度及積累電荷的寶貴經(jīng)驗，并將相關(guān)研究結(jié)果納入歐洲ECSS 標(biāo)準(zhǔn)及ISO 標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上利用縮比小尺度太陽電池陣樣品開展了靜電放電效應(yīng)評估試驗且進(jìn)一步完善了理論及試驗基礎(chǔ)。受限于靜電放電試驗過程并非無損，同時確保大尺度下環(huán)境模擬源的均勻性也是一個難題，因此很難采用真實尺寸的太陽電池陣來驗證空間環(huán)境可能誘發(fā)的靜電放電風(fēng)險。國內(nèi)僅早期開展了少量全尺寸太陽電池陣靜電放電的模擬技術(shù)研究，絕大部分針對低軌及高軌的太陽電池陣靜電放電效應(yīng)模擬試驗均采用小試樣代替完整尺寸試件，因此需要建立可以將縮比模型試驗結(jié)果外推至整塊太陽電池陣的模擬方法，這對試驗評估的有效性非常重要。

對于表面充電效應(yīng)試驗來說，由于反向梯度電位主要是表面介質(zhì)與底層（半）導(dǎo)體間建立的徑向電位梯度，因此小試樣獲得的典型的反向梯度電位充電分布同大試樣是近似相同的?？s比的關(guān)鍵是充電引發(fā)的靜電放電，即小試樣放電特性需要與大尺寸真實產(chǎn)品盡量一致。這是因為試驗用的小試樣與真實太陽電池陣通常在徑向結(jié)構(gòu)上保持一致，但在長與寬方向上有較大差別。以放電脈沖電流作為評估標(biāo)準(zhǔn)，放電特性包括了上升沿、峰值電流和持續(xù)時間。結(jié)合靜電放電的閾值即可對真實太陽電池陣的典型靜電放電電流脈沖情況進(jìn)行估計，估計基于3 個假設(shè)：1）放電激發(fā)的等離子體由放電點(diǎn)向四周勻速擴(kuò)散；2）放電等離子體在擴(kuò)散至其他IPG 充電表面時可以充分中和；3）放電等離子體擴(kuò)散具有有界性。因此，對于太陽電池陣的縮比過程，在上述假設(shè)下可以根據(jù)電池陣表面玻璃蓋片的等效電容率、IPG 的靜電放電閾值、放電等離子體擴(kuò)散速度及有效傳播距離等參數(shù)計算出預(yù)期的放電脈沖電流時域特性。根據(jù)相關(guān)試驗研究結(jié)果可知，存儲在結(jié)構(gòu)電容中的電荷是電流脈沖初始段（約1 μs）形成的原因。對于同樣的結(jié)構(gòu)電容，峰值電流與試樣尺寸無關(guān)，因此可以通過在放電回路中增加特定的電容，來實現(xiàn)靜電放電初始階段的電流脈沖等效。而在反向梯度放電中，釋放的電荷多半（＞90%）來自蓋片存儲電荷中合時產(chǎn)生的電流，因此可以確定放電電流的補(bǔ)償回路位置。脈沖電流的寬度與等離子體到試樣邊緣的傳播時間基本成比例，因此可以假定一個基本的IPG 放電等離子體傳播速度，并以其來估計縮比補(bǔ)償電流的脈沖寬度。根據(jù)上述對GEO 與LEO 等離子體環(huán)境下反向梯度充電的特性綜合分析，可給出通用的IPG 型表面充電縮比補(bǔ)償方法。圖7 所示即是一種典型的模擬補(bǔ)償電路方式，根據(jù)IPG 電場建立的部位及放電回路的特點(diǎn)可按圖中方式進(jìn)行布置：通過保護(hù)電阻限制高壓偏置電源的電流；并聯(lián)補(bǔ)償電路用于調(diào)整放電ESD 的波形，包括電流和時間寬度。補(bǔ)償電路為集總電路，通過其中的補(bǔ)償電容控制放電的能量，通過電阻和電感控制放電脈沖的寬度和上升沿。對于這些參數(shù)如何估計，文獻(xiàn)[18-19]給出了一些具體的方法。通過上述模擬方法，可以利用縮比試樣達(dá)到全尺寸試件的模擬效果，力求模擬效應(yīng)與實際情況等效。

圖7 表面充電效應(yīng)模擬試驗縮比補(bǔ)償電路位置Fig. 7 Scaling compensation for surface charging test in ground simulation

4 典型試驗?zāi)M過程及結(jié)果

本研究開展了利用電子槍模擬高軌太陽電池IPG 情況下靜電放電損傷試驗。如圖8 所示，將電池陣試樣的PN 兩極引出短接后接入負(fù)偏壓模擬空間等離子體環(huán)境產(chǎn)生的帶電效應(yīng)；負(fù)偏壓的選擇根據(jù)電子槍發(fā)射電子束能量來確定，以保證到達(dá)試樣表面的電子處于表面材料二次電子發(fā)射系數(shù)大于1 的能量區(qū)間；利用補(bǔ)償電容等器件補(bǔ)償放電能量，使放電脈沖盡量接近真實尺寸產(chǎn)品的放電特性。在本次試驗中，偏置電壓選取為-1.6 kV，電子槍發(fā)射的電子能量為2.4 keV，束流密度約為1 nA/cm，根據(jù)太陽電池陣尺寸及靜電放電等離子體傳播特性，要求脈沖電流10 A，脈寬200 μs，設(shè)計的補(bǔ)償電路根據(jù)之前開展的靜電放電閾值試驗獲取的閾值與脈沖電流特性要求聯(lián)合獲取得到，計算方法參見文獻(xiàn)[19]。

圖8 某太陽電池陣試驗配置Fig. 8 Configuration for ground simulation of typical solar array IPG effect

試驗中，結(jié)合懸浮電容的情況構(gòu)建合適的保護(hù)電阻，使電位探頭測量試樣時電荷泄漏盡量小；同時采用移動機(jī)構(gòu)帶動非接觸電位探頭，快速對試樣表面區(qū)域進(jìn)行蛇形掃描獲取表面充電電位分布。圖9 所示為太陽電池陣在靜電放電發(fā)生前、后的表面電位分布情況以及該次靜電放電監(jiān)測的電流脈沖波形。

圖9 某太陽電池陣產(chǎn)生的IPG 放電前后的電位分布及典型ESD 波形Fig. 9 Typical IPG surface potential distributions and ESD waveform

從圖9 可看出：在靜電放電發(fā)生之前，太陽電池陣中部充電電位約為-800 V；在放電（電荷中和）后，電位約-1000 V；從電流脈沖波形可看出脈沖峰值約10 A，上升沿約50 μs，脈寬約200 μs，與試驗設(shè)計的放電脈沖能量基本一致。這表明放電前此部位建立了反向梯度電位（表面電位高于背面電位），地面模擬了IPG 的充電和放電過程，放電脈沖較好地釋放了補(bǔ)償電路中的能量，達(dá)到了縮比試驗的效果。

另外，針對利用等離子體源模擬低軌太陽電池IPG 試驗的一些典型模擬過程，可參見文獻(xiàn)[9]。

5 結(jié)束語

空間等離子體環(huán)境引起的表面帶電效應(yīng)是影響在軌航天器的重要空間環(huán)境效應(yīng)之一。對于高二次電子發(fā)射或光電子發(fā)射的表面材料，等離子體環(huán)境下表面帶電效應(yīng)以IPG（反向電位梯度）充電為典型充電情況，實際在地面模擬時應(yīng)盡量覆蓋IPG 充電誘發(fā)的靜電放電效應(yīng)。推薦中高軌利用電子槍或紫外源，低軌道利用冷稠等離子體源模擬IPG 充電過程；模擬過程中為了建立IPG，試樣基底導(dǎo)電部位需要懸浮且有直流負(fù)偏壓電源驅(qū)動。此外，模擬IPG 時需要針對試樣尺度進(jìn)行縮比補(bǔ)償，本文給出了一種適用于GEO 與LEO 的IPG 靜電放電試樣縮比補(bǔ)償方法。上述全套模擬方法可用于一般太陽電池陣或其他在軌會產(chǎn)生IPG 充電的試樣開展地面模擬及靜電放電防護(hù)性能評價試驗。