溫度對GEO 軌道太陽電池陣靜電放電影響規律研究

胡小鋒，陳洪雨，范亞杰，王強，季啟政，彭浩，謝喜寧，張權

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

運行于地球同步軌道（GEO）的航天器，會面臨惡劣的空間等離子體、高能電子等環境，這些環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[1-2]。當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境表面充負電。各部分的材料由于具有不同的介電特性和二次電子發射特性，導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。當它們之間的電位差超過靜電放電閾值時，將會發生靜電放電事件，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及其靜電防護技術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均為“靜態試驗”，即太陽電池片沒有處于“光電工作狀態”。

國內外從20 世紀80 年代開始對太陽電池陣充放電效應開展研究，取得了重要研究成果。在20 世紀90 年代，國際空間站運行之初出現過很嚴重的充放電事件，其采用的160 V 高壓太陽電池陣懸浮電位可達-140 V。Guidice 等人專門對此開展了相關的地面模擬試驗，試驗結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，結構體電位低于預期水平[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會發生快速充電事件，Ferguson 等人進行了機理分析，并認為這是出影瞬間光照作用下電池陣迅速啟動造成的[7]。

高壓太陽電池陣靜電放電是太陽電池陣“三結合處”（真空-互連片-介質材料形成區域）在正常電勢梯度或者反向電勢梯度等特殊條件下產生的脈沖放電現象。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射電子，電子入射到玻璃蓋片激發出更多的二次電子，增強了玻璃蓋片上的正電位，進一步加強了畸變電場的場強，直到放電發生[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方法[9]，為高壓太陽電池陣靜電放電后續研究奠定了基礎。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[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會議中發表了《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，具體的衰減區域位于太陽電池片[11]；另外法國CEES 和ONERA 兩家機構經過合作發現，一次放電和二次放電對飛弧測量和試驗系統電弧發生頻度有一定影響，并且用不同面積的電池陣得出了不同的結論，用不同的外圍線路和環境設備也得出了不同的結論[11]。

國內主要有蘭州空間技術物理研究所和北京衛星環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行研究。崔新宇、孫彥錚等人進行了高壓太陽電池陣防靜電措施評價試驗，提出了電子輻照環境下靜電放電試驗方法[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現，靜電放電與空間電子環境、溫度以及太陽電池陣結構有關[13]；李凱、謝二慶等人對高壓太陽電池陣一次放電及誘發二次放電進行了模擬實驗研究，驗證了相關靜電放電相關防護方法[13]；李存慧，柳青等人對太陽電池陣靜電放電產生的脈沖信號特性進行了相關研究，為在軌靜電放電測試儀的設計奠定了基礎[13]。

北京衛星工程研究所主要針對低地球軌道等離子體環境下高壓太陽電池陣靜電放電進行了研究。童靖宇、孫立臣等人研究了針對空間等離子體環境太陽電池陣靜電放電的地面試驗技術，提出了相關試驗方法[10]；朱立穎、劉業楠、賈瑞金等人通過地面模擬試驗，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]；馮偉泉等人發表在第十屆航天器帶電學術會議上的論文，提出太陽電池陣試件及外圍線路應盡量與真實產品保持一致，構建了高壓太陽電池陣整板級充放電試驗設備，提出了相關試驗方法[12]。

從國內外研究現狀看，在航天器太陽電池陣靜電放電效應實驗中，存在考慮因素不夠全面的問題，對環境溫度、電子能量和束流密度等因素對充放電效應的影響沒有系統研究，對某些高壓部件帶電機理認識不清，規律掌握不全。筆者在對太陽電池陣機理和研究現狀進行分析的基礎上，設計了太陽電池陣靜電放電試驗電路，確定了太陽電池陣靜電放電實驗參數與試驗程序，重點開展了一定電子能量和束流密度條件下環境溫度因素對太陽電池陣靜電放電特性試驗研究，獲得了環境因素對太陽電池陣靜電放電的影響規律，研究成果可為航天器靜電放電效應分析和防護設計提供參考。

1 太陽電池陣靜電放電試驗電路設計

太陽電池靜電放電試驗在低氣壓環境電子輻照試驗系統中進行，試驗系統配置如圖1 所示。試驗樣品為天津電子科技集團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 的結構組成電路，電池間隙為1 mm。太陽電池陣樣品實物如圖2 所示。試驗中，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；真空系統可為試驗樣品提供優于10-4Pa 的低氣壓環境；制冷加熱控溫系統可提供263~343 K（此溫度是太陽電池陣工作時的溫度范圍）的環境溫度；電子槍用于模擬地磁亞爆發生時GEO 惡劣的等離子體環境，電子能量可由改變電子槍加速電壓進行調整，束流密度由自制的法拉第杯和6485 皮安表配合測得。

圖1 試驗系統配置結構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，設計如圖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 的補償電容C 接地，補償電容C 根據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驗參數選擇與試驗程序

試驗采用天津電子科技集團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，所以試驗中的溫度間隔是10 K，選擇263、273、283、293、303、313、323、333、343 K 九個溫度點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與靜電危害評估以及各大科研機構的通用做法，通常試驗條件設置要比空間真實的電子環境還要惡劣，所以電子能量設置為20 keV，束流密度調試為1 nA/cm2和2 nA/cm2。由于文中氣壓并不作為研究重點，故試驗均在真空度優于10-4Pa 時開展。

表1 惡劣GEO 地磁亞暴等離子體環境Tab.1 Harsh GEO geomagnetic substorm plasma environment

整個試驗過程包括試驗系統參數的調試、正式試驗和補充試驗等內容，試驗流程如圖4 所示。

圖4 試驗流程Fig.4 Experimental flow chart

具體步驟如下：

1）試驗開始前確認低氣壓環境電子輻照試驗系統及其子系統、CT-1 和示波器都能夠正常工作；

2）調試電子槍束流密度；

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）再次關閉真空室進行抽真空操作，當真空度優于10-4Pa 時，開啟制冷加熱控溫系統，將環境溫度調整至預設值；

5）待溫度穩定后，開啟電子槍預熱15 min；

6）再次調整電子槍參數，確定電子能量和束流密度；

7）開始進行試驗，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；

8）關閉電子槍，真空罐放氣。

3 環境溫度對太陽電池陣靜電放電影響結果分析

3.1 溫度對于靜電放電頻率的影響

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

當試驗樣品受到20 keV、1 nA/cm2的電子輻照，溫度為283 K 時，放電頻率達到2.5 次/min，為所有溫度范圍內最高值。溫度逐漸升高，放電頻率逐漸降低，當溫度升高至343 K 時，放電頻率降為0.3 次/min，為所有溫度范圍內的最低值。當試驗樣品受到20 keV、0.2 nA/cm2電子輻照，溫度為283 K 時，放電頻率達到0.633 次/min，同樣為所有溫度范圍內最高值。溫度升高，放電頻率降低，當溫度升高為343 K 時，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境溫度有關，隨著溫度的升高，靜電放電頻率呈現逐漸下降的趨勢。

圖5 20 keV、1 nA/cm2 時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

調節電子槍電子能量為 20 keV、束流密度為1 nA/cm2，將制冷加熱控溫系統的預設溫度分別調整至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，監測太陽電池陣樣品放電電流并記錄電流波形；同時對電流波形進行快速傅里葉變換，得到脈沖電流頻域的幅度譜。由試驗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據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

當試驗樣品受到20 keV 電子輻照，環境溫度為263 K 時，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 試驗結果分析

通過太陽電池陣樣品靜電放電地面模擬試驗，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，得到以下試驗結果：1）太陽電池陣放電頻率與環境溫度相關，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，電流幅值與環境溫度相關，隨著溫度升高，放電電流幅值相應減?。?）放電電流經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。出現這些規律的主要原因分析如下。

根據太陽電池陣結構特點和靜電放電的特征[11,12]分析，太陽電池陣靜電放電的產生離不開溫度效應的影響。在不同的溫度下，介質材料電導率會發生相應的變化，見式（1）[7]：

式中：μ 為介質材料電導率；μ∞為介質材料最大電導率；EA為激活能；k 為玻爾茲曼常數；T 為溫度。當溫度T 升高時，電導率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減少。另一方面，溫度的升高會使介質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 結論

在對太陽電池陣機理和研究現狀進行分析的基礎上，設計了太陽電池陣靜電放電試驗電路，確定了太陽電池陣靜電放電試驗參數與試驗程序，通過試驗研究獲得了環境溫度因素對GEO 軌道太陽電池陣靜電放電的影響規律。主要結論如下：

1）太陽電池陣放電頻率與環境溫度相關，溫度越高，放電頻率越?。?/p>

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

3）放電電流經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。