太陽電池陣表面充電反向電位梯度的地面模擬

劉業楠，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. 北京衛星環境工程研究所； 2. 北京空間飛行器總體設計部：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生相互作用，產生靜電電荷的累積。當累積電荷建立的電場超過絕緣材料擊穿閾值，就有可能發生表面靜電放電，從而產生電磁干擾影響航天器的運行；還可能在太陽電池陣等電源系統上引起電弧放電，導致航天器電源系統的使用壽命縮減甚至系統失效。為充分了解在軌航天產品對表面充放電效應的防護效能，需要在地面模擬空間等離子體環境與航天器相互作用引起的表面帶電效應，從而對其影響進行系統的測試和評估。其中，對于太陽電池陣等表面具有高二次電子發射及光電子發射特性的外露組件，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組件，靜電放電特性與其誘發的二次電弧密切相關，對靜電放電閾值的準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鍵的試驗參數。本文重點以當前表面充放電效應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 等離子體環境及典型表面充電效應

1.1 各個軌道的等離子體環境

文獻[1-4]詳細介紹了軌道上的等離子體環境。一般而言，在地球同步軌道（GEO）環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致航天器結構在非光照區電子充電束流急劇增加，從而產生嚴重的不等量帶電，由于航天器上同時具有大面積介質、（半）導體的關鍵組件，所以太陽電池陣表面發生靜電放電的危險程度就會增加。

低地球軌道（LEO）環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。航天器結構電位在太陽電池陣發電電壓范圍內相對于電離層等離子體電位浮動。當太陽電池陣母線電壓較高時，航天器結構體的懸浮負電位就會相對較高，其結構與表面介質間的不等量帶電情況就會變得嚴重。

極地地球軌道（PEO）的特點在于能量大于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，極光電子由于其能量較高所以更容易在航天器背風面的尾流區沉積，從而形成尾區帶電效應，此時航天器表面充電情況與在GEO等離子體環境下類似；在低緯度地區，由于沒有極光電子的作用，航天器表面充電情況則與在LEO軌道等離子體環境下類似。

1.2 中高軌道等離子體環境下的表面充電效應

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構及太陽電池上的玻璃蓋片的情況。在標準狀態運轉時，一個航天器通常充電到一個相對空間等離子體為負的電位，除非有大量的光電子發射至表面。太陽電池上的玻璃蓋片則直接暴露于日照下，由玻璃蓋片上發射的光電子使其負電位相對于航天器結構要低一些（如圖1 所示），形成“反向梯度”電位分布。在很多應用中，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額，甚至在缺乏日照的情況下，由MgF涂層產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射系數最大可達到8，且在很寬的入射電子能量范圍內均大于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時也不例外。

圖1 高軌等離子體環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射系數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生的電子充電至相對航天器結構更負的電位。該電位分布結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 低軌道等離子體環境下的表面充電效應

由于LEO 處于電離層等離子體環境，等離子體的溫度很低，所以等離子體環境中的電子很難將航天器充電至較負的電位。根據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接地作用，使得航天器結構地相對等離子體具有一個負電位，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。根據上述原理可知，在LEO反向梯度電位也是表面充電效應的標稱狀態。

圖4 低軌冷稠等離子體環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 的試驗模擬方法

2.1 表面充電IPG 模擬的必要性

由上節可知，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生；對于低軌道的冷稠等離子體環境，則是靠航天器太陽電池陣負接地引起的負懸浮電位與電池玻璃蓋片表面近等離子體電位的差所產生。這些反向的電位梯度最終會在介質和導體交接的邊緣——即“三結合處”建立較強的電場并產生靜電放電。太陽電池陣的絕緣基底也有產生表面充電的可能，但由于基底材料通常采用的聚酰亞胺在中高軌道環境中二次電子發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電子發射的三結合處構型，所以并不是IPG 誘發靜電放電的典型部位。

根據表面充電原理可知，IPG 與NPG 的放電回路有所差別：IPG 引起的放電是徑向產生較強電場并擊穿形成，因此對于較薄的介質材料更容易發生放電，放電電流流經航天器結構，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致，因此放電電流主要在表面擴散并中和介質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表面，靜電放電可能會在電池片被光照時誘發二次電弧，將電池串的輸出轉化為電弧。

二次電弧效應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境效應模擬試驗，以獲取太陽電池陣產生的靜電放電及二次電弧特性參數，并評估在其工作條件下是否具有二次電弧發生的風險。對于二次電弧試驗，需要獲得由于靜電放電誘發的二次電弧閾值、持續時間等特征參數，因此準確模擬誘發二次電弧的靜電放電特性至關重要。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、放電能量可調控等優點，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方式。

2.2 中高軌道等離子體環境IPG 的模擬

由于模擬試驗中的電子束能量通常都是單能，而在軌環境是近似麥克斯韋分布的能譜，所以難以在環境模擬上保持一致，此時較為準確的方式是以誘發靜電放電的效應作為等效模擬標準。根據上述機理，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構施加一個負高壓偏壓來模擬電子對結構的充電，同時以誘發典型IPG 為目的對太陽電池蓋片施加能夠產生二次電子發射的低能電子束或能夠產生光電子發射的紫外源（也可以兩者結合）。在電子束方法中，根據圖2可知：由于包括玻璃蓋片在內的大部分材料在入射電子能量為1 keV 時的二次電子產額高于1，所以可以根據試驗對象的二次電子發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，當到達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射增益水平，從而蓋片可以更容易地被充電至相對于結構為正的電位，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生反向電位梯度，并通過基底增加一個負偏壓源來降低光電子的再次吸收。另外，對于極軌衛星在高緯度地區的模擬，也可以采用上述模擬源與試驗配置。關于環境模擬源的束流密度選取，由于試驗目的為等效模擬，試樣采用懸浮的方式靠外部補償電容與試驗系統“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，只要不產生額外的熱效應即可。

為保證反向梯度電位數值測量的準確性，試驗中通常使用非接觸式電位探頭（TREK 探頭）進行測量。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，試樣應進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 低軌道等離子體環境IPG 的模擬

LEO 等離子體環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，以保證電離的穩定性及減少其他因素的影響。冷稠等離子體源的主要參數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品實際飛行軌道上的最大值或平均值所在數量級進行模擬。在稠密等離子體環境中，介質材料的電位相對比較接近等離子體環境電位，此時對試樣結構施加一個負高壓偏壓就可以模擬航天器結構的懸浮電位充電，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值可以近似認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

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品進行試驗。雖然子樣或等效試驗件的技術狀態和工藝可以與飛行產品保持一致，但是其尺寸難以表現在軌實際的靜電放電風險。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驗，并將相關研究結果納入歐洲ECSS 標準及ISO 標準，在此基礎上利用縮比小尺度太陽電池陣樣品開展了靜電放電效應評估試驗且進一步完善了理論及試驗基礎。受限于靜電放電試驗過程并非無損，同時確保大尺度下環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境可能誘發的靜電放電風險。國內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。

對于表面充電效應試驗來說，由于反向梯度電位主要是表面介質與底層（半）導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。縮比的關鍵是充電引發的靜電放電，即小試樣放電特性需要與大尺寸真實產品盡量一致。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構上保持一致，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準，放電特性包括了上升沿、峰值電流和持續時間。結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行估計，估計基于3 個假設：1）放電激發的等離子體由放電點向四周勻速擴散；2）放電等離子體在擴散至其他IPG 充電表面時可以充分中和；3）放電等離子體擴散具有有界性。因此，對于太陽電池陣的縮比過程，在上述假設下可以根據電池陣表面玻璃蓋片的等效電容率、IPG 的靜電放電閾值、放電等離子體擴散速度及有效傳播距離等參數計算出預期的放電脈沖電流時域特性。根據相關試驗研究結果可知，存儲在結構電容中的電荷是電流脈沖初始段（約1 μs）形成的原因。對于同樣的結構電容，峰值電流與試樣尺寸無關，因此可以通過在放電回路中增加特定的電容，來實現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生的電流，因此可以確定放電電流的補償回路位置。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償電流的脈沖寬度。根據上述對GEO 與LEO 等離子體環境下反向梯度充電的特性綜合分析，可給出通用的IPG 型表面充電縮比補償方法。圖7 所示即是一種典型的模擬補償電路方式，根據IPG 電場建立的部位及放電回路的特點可按圖中方式進行布置：通過保護電阻限制高壓偏置電源的電流；并聯補償電路用于調整放電ESD 的波形，包括電流和時間寬度。補償電路為集總電路，通過其中的補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。對于這些參數如何估計，文獻[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到全尺寸試件的模擬效果，力求模擬效應與實際情況等效。

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

4 典型試驗模擬過程及結果

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偏壓模擬空間等離子體環境產生的帶電效應；負偏壓的選擇根據電子槍發射電子束能量來確定，以保證到達試樣表面的電子處于表面材料二次電子發射系數大于1 的能量區間；利用補償電容等器件補償放電能量，使放電脈沖盡量接近真實尺寸產品的放電特性。在本次試驗中，偏置電壓選取為-1.6 kV，電子槍發射的電子能量為2.4 keV，束流密度約為1 nA/cm，根據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，設計的補償電路根據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合獲取得到，計算方法參見文獻[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，結合懸浮電容的情況構建合適的保護電阻，使電位探頭測量試樣時電荷泄漏盡量小；同時采用移動機構帶動非接觸電位探頭，快速對試樣表面區域進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生前、后的表面電位分布情況以及該次靜電放電監測的電流脈沖波形。

圖9 某太陽電池陣產生的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償電路中的能量，達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[9]。

5 結束語

空間等離子體環境引起的表面帶電效應是影響在軌航天器的重要空間環境效應之一。對于高二次電子發射或光電子發射的表面材料，等離子體環境下表面帶電效應以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盡量覆蓋IPG 充電誘發的靜電放電效應。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，試樣基底導電部位需要懸浮且有直流負偏壓電源驅動。此外，模擬IPG 時需要針對試樣尺度進行縮比補償，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生IPG 充電的試樣開展地面模擬及靜電放電防護性能評價試驗。