温度对GEO 轨道太阳电池阵静电放电影响规律研究

胡小锋，陈洪雨，范亚杰，王强，季启政，彭浩，谢喜宁，张权

（1.陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003；2.石家庄科林电气股份有限公司，石家庄 050003；3.北京东方计量测试研究所，北京 100083；4.中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050003）

运行于地球同步轨道（GEO）的航天器，会面临恶劣的空间等离子体、高能电子等环境，这些环境因素会对航天器表面裸露的太阳电池阵形成充放电效应[1-2]。当航天器太阳电池阵受到高能电子撞击，相对于周围的等离子体环境表面充负电。各部分的材料由于具有不同的介电特性和二次电子发射特性，导致它们的充电速率也不尽相同，玻璃盖片与互连片之间，玻璃盖片与聚酰亚胺薄膜之间，聚酰亚胺薄膜与互连片之间极易形成不等量充电。当它们之间的电位差超过静电放电阈值时，将会发生静电放电事件，对航天器造成静电危害[3-5]。因此，研究航天器太阳电池阵的充放电效应及其静电防护技术对提升航天器的在轨安全性和可靠性具有重要意义。文中所涉及到的试验均为“静态试验”，即太阳电池片没有处于“光电工作状态”。

国内外从20 世纪80 年代开始对太阳电池阵充放电效应开展研究，取得了重要研究成果。在20 世纪90 年代，国际空间站运行之初出现过很严重的充放电事件，其采用的160 V 高压太阳电池阵悬浮电位可达-140 V。Guidice 等人专门对此开展了相关的地面模拟试验，试验结果表明太阳电池阵玻璃盖片充电后形成的电位势垒使得太阳电池阵收集电子电流能力降低，结构体电位低于预期水平[6]。2006 年，安装于国际空间站上的悬浮电位探针观测到空间站出影时会发生快速充电事件，Ferguson 等人进行了机理分析，并认为这是出影瞬间光照作用下电池阵迅速启动造成的[7]。

高压太阳电池阵静电放电是太阳电池阵“三结合处”（真空-互连片-介质材料形成区域）在正常电势梯度或者反向电势梯度等特殊条件下产生的脉冲放电现象。Cho 和Hastings 等人提出在反向电位梯度下，互连片和玻璃盖片之间由于电位差的不同形成了方向朝向前者的畸变电场，该电场致使互连片场致发射电子，电子入射到玻璃盖片激发出更多的二次电子，增强了玻璃盖片上的正电位，进一步加强了畸变电场的场强，直到放电发生[8]。随后，Cho 和Hastings 等人建立了高压太阳电池阵放电的基本理论和评价方法[9]，为高压太阳电池阵静电放电后续研究奠定了基础。NASA 的马歇尔/格林飞行中心与Ohio航空航天研究所共同研究了放电对于太阳电池阵的损伤效应[10]，测得了高压太阳电池阵静电放电和二次放电阈值。

法国ONERA 于第十届航天器带电技术会议中发表了《ESD 引起的太阳电池性能退化》，文中提出静电放电会引起高压太阳电池阵输出性能的衰减，具体的衰减区域位于太阳电池片[11]；另外法国CEES 和ONERA 两家机构经过合作发现，一次放电和二次放电对飞弧测量和试验系统电弧发生频度有一定影响，并且用不同面积的电池阵得出了不同的结论，用不同的外围线路和环境设备也得出了不同的结论[11]。

国内主要有兰州空间技术物理研究所和北京卫星环境工程研究所两家单位对高压太阳电池阵静电放电的问题开展研究。航天510 研究所与电子科技集团第十八研究所合作，主要针对GEO 电子辐照下高压太阳电池阵静电放电进行研究。崔新宇、孙彦铮等人进行了高压太阳电池阵防静电措施评价试验，提出了电子辐照环境下静电放电试验方法[12]；李凯、李得天等人对高压太阳电池阵静电放电特性研究发现，静电放电与空间电子环境、温度以及太阳电池阵结构有关[13]；李凯、谢二庆等人对高压太阳电池阵一次放电及诱发二次放电进行了模拟实验研究，验证了相关静电放电相关防护方法[13]；李存慧，柳青等人对太阳电池阵静电放电产生的脉冲信号特性进行了相关研究，为在轨静电放电测试仪的设计奠定了基础[13]。

北京卫星工程研究所主要针对低地球轨道等离子体环境下高压太阳电池阵静电放电进行了研究。童靖宇、孙立臣等人研究了针对空间等离子体环境太阳电池阵静电放电的地面试验技术，提出了相关试验方法[10]；朱立颖、刘业楠、贾瑞金等人通过地面模拟试验，测得了不同等离子体浓度、不同电池片间隙条件下一次放电和二次放电阈值电压[10]；冯伟泉等人发表在第十届航天器带电学术会议上的论文，提出太阳电池阵试件及外围线路应尽量与真实产品保持一致，构建了高压太阳电池阵整板级充放电试验设备，提出了相关试验方法[12]。

从国内外研究现状看，在航天器太阳电池阵静电放电效应实验中，存在考虑因素不够全面的问题，对环境温度、电子能量和束流密度等因素对充放电效应的影响没有系统研究，对某些高压部件带电机理认识不清，规律掌握不全。笔者在对太阳电池阵机理和研究现状进行分析的基础上，设计了太阳电池阵静电放电试验电路，确定了太阳电池阵静电放电实验参数与试验程序，重点开展了一定电子能量和束流密度条件下环境温度因素对太阳电池阵静电放电特性试验研究，获得了环境因素对太阳电池阵静电放电的影响规律，研究成果可为航天器静电放电效应分析和防护设计提供参考。

1 太阳电池阵静电放电试验电路设计

太阳电池静电放电试验在低气压环境电子辐照试验系统中进行，试验系统配置如图1 所示。试验样品为天津电子科技集团第十八研究所提供的叠层GaAs 太阳电池阵，单块电池的尺寸为30 mm×40 mm，总共6 块电池以2×3 的结构组成电路，电池间隙为1 mm。太阳电池阵样品实物如图2 所示。试验中，太阳电池阵样品铝蜂窝基板接地，并用聚四氟乙烯材料将样品与真空罐温控板电气绝缘；真空系统可为试验样品提供优于10-4Pa 的低气压环境；制冷加热控温系统可提供263~343 K（此温度是太阳电池阵工作时的温度范围）的环境温度；电子枪用于模拟地磁亚爆发生时GEO 恶劣的等离子体环境，电子能量可由改变电子枪加速电压进行调整，束流密度由自制的法拉第杯和6485 皮安表配合测得。

图1 试验系统配置结构Fig.1 Configuration structure diagram of the test system

图2 太阳电池阵样品Fig.2 Solar array sample

采用等效电路法，设计如图3 所示的太阳电池阵静电放电电路。太阳电池阵样品通过100 nf 的补偿电容C 接地，补偿电容C 根据太阳电池阵的大小与航天器的尺寸决定，模拟太阳电池阵与空间等离子体环境间的分布电容，从而为太阳电池阵静电放电提供足够的能量[12]；Tektronix CT-1 电流探头（带宽25 kHz~1 GHz，伏安输出特性5 mV/1 mA）连接示波器配合使用，可用于监测太阳电池阵静电放电的脉冲电流。

图3 太阳电池阵静电放电原理Fig.3 Schematic diagram of solar array electrostatic discharge

2 太阳电池阵静电放电实验参数选择与试验程序

试验采用天津电子科技集团第十八研究所研制的叠层GaAs 太阳电池阵，该样品工作温度范围是263~343 K，所以试验中的温度间隔是10 K，选择263、273、283、293、303、313、323、333、343 K 九个温度点来研究温度对太阳电池阵静电放电的影响。由表1可知，恶劣GEO 地磁亚暴等离子体环境的电子温度为12.0 keV，电子束流密度为0.33 nA/cm2[10-13]。但是考虑到航天器静电危害防护与静电危害评估以及各大科研机构的通用做法，通常试验条件设置要比空间真实的电子环境还要恶劣，所以电子能量设置为20 keV，束流密度调试为1 nA/cm2和2 nA/cm2。由于文中气压并不作为研究重点，故试验均在真空度优于10-4Pa 时开展。

表1 恶劣GEO 地磁亚暴等离子体环境Tab.1 Harsh GEO geomagnetic substorm plasma environment

整个试验过程包括试验系统参数的调试、正式试验和补充试验等内容，试验流程如图4 所示。

图4 试验流程Fig.4 Experimental flow chart

具体步骤如下：

1）试验开始前确认低气压环境电子辐照试验系统及其子系统、CT-1 和示波器都能够正常工作；

2）调试电子枪束流密度；

3）真空室放气，取出法拉第杯，放入GaAs 太阳电池阵样品，参考图3 连接其放电电路；

4）再次关闭真空室进行抽真空操作，当真空度优于10-4Pa 时，开启制冷加热控温系统，将环境温度调整至预设值；

5）待温度稳定后，开启电子枪预热15 min；

6）再次调整电子枪参数，确定电子能量和束流密度；

7）开始进行试验，通过连接CT-1 的示波器观测太阳电池阵的放电情况，记录放电脉冲电流波形和放电次数；

8）关闭电子枪，真空罐放气。

3 环境温度对太阳电池阵静电放电影响结果分析

3.1 温度对于静电放电频率的影响

由试验得到的两种电子束流密度辐照下不同温度时太阳电池阵样品静电放电频率如图5、图6所示。

当试验样品受到20 keV、1 nA/cm2的电子辐照，温度为283 K 时，放电频率达到2.5 次/min，为所有温度范围内最高值。温度逐渐升高，放电频率逐渐降低，当温度升高至343 K 时，放电频率降为0.3 次/min，为所有温度范围内的最低值。当试验样品受到20 keV、0.2 nA/cm2电子辐照，温度为283 K 时，放电频率达到0.633 次/min，同样为所有温度范围内最高值。温度升高，放电频率降低，当温度升高为343 K 时，放电频率降为0.133 次/min。由此可见，电子辐照下的太阳电池阵样品静电放电频率与环境温度有关，随着温度的升高，静电放电频率呈现逐渐下降的趋势。

图5 20 keV、1 nA/cm2 时不同温度下太阳电池阵样品放电频率Fig.5 Discharge frequencies of solar array samples at different temperatures at 20 keV and 1 nA/cm2

图6 20 keV、0.2 nA/cm2 时不同温度下太阳电池阵样品放电频率Fig.6 Discharge frequencies of solar array samples at different temperatures at 20 keV and 0.2 nA/cm2

3.2 温度对于静电放电脉冲电流的影响

调节电子枪电子能量为 20 keV、束流密度为1 nA/cm2，将制冷加热控温系统的预设温度分别调整至263、273、283、293、303、313、323、333、343 K。利用图3 中CT-1 电流探头相连的滤波器，监测太阳电池阵样品放电电流并记录电流波形；同时对电流波形进行快速傅里叶变换，得到脉冲电流频域的幅度谱。由试验得到的不同温度下太阳电池阵静电放电波形及频域幅度谱如图7-图15 所示。静电放电特性见表2，不同温度下静电放电电流幅值如图16 所示。

图7 263 K 时太阳电池阵静电放电电流波形及频域幅度谱Fig.7 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 263 K

图8 273 K 时太阳电池阵静电放电电流波形及频域幅度谱Fig.8 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 273 K

图9 283 K 时太阳电池阵静电放电电流波形及频域幅度谱Fig.9 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 283 K

图10 293 K 时太阳电池阵静电放电电流波形及频域幅度谱Fig.10 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 293 K

图11 303 K 时太阳电池阵静电放电电流波形及频域幅度谱Fig.11 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 303 K

图12 313 K 时太阳电池阵静电放电电流波形及频域幅度谱Fig.12 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 313 K

图13 323 K 时太阳电池阵静电放电电流波形及频域幅度谱Fig.13 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 323 K

图14 333 K 时太阳电池阵静电放电电流波形及频域幅度谱Fig.14 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 333 K

图15 343 K 时太阳电池阵静电放电电流波形及频域幅度谱Fig.15 Current waveform (a) and frequency amplitude spectrum (b) of solar array electrostatic discharge at 343 K

表2 太阳电池阵静电放电特性数据Tab.2 Characteristics data of solar array electrostatic discharge

图16 不同温度下静电放电电流幅值Fig.16 Electrostatic discharge current amplitude at different temperatures

当试验样品受到20 keV 电子辐照，环境温度为263 K 时，静电放电电流为4.43 A，随着温度不断升高，放电电流幅值逐渐减小。由脉冲电流频域的幅度谱可知，静电放电的能量主要集中在低频段，分布在10 MHz 以下。

3.3 试验结果分析

通过太阳电池阵样品静电放电地面模拟试验，在一定电子能量和束流密度条件下，获得不同温度下太阳电池阵放电频率和放电波形，得到以下试验结果：1）太阳电池阵放电频率与环境温度相关，温度越高，放电频率越小；2）太阳电池阵放电脉冲电流幅值和电流波形有所差别，电流幅值与环境温度相关，随着温度升高，放电电流幅值相应减小；3）放电电流经过快速傅里叶变换得到其在频域上的幅度谱，图谱显示放电电流主要能量集中在10 MHz 以下频段。出现这些规律的主要原因分析如下。

根据太阳电池阵结构特点和静电放电的特征[11,12]分析，太阳电池阵静电放电的产生离不开温度效应的影响。在不同的温度下，介质材料电导率会发生相应的变化，见式（1）[7]：

式中：μ 为介质材料电导率；μ∞为介质材料最大电导率；EA为激活能；k 为玻尔兹曼常数；T 为温度。当温度T 升高时，电导率μ 增大，玻璃盖片、GaAs和聚酰亚胺材料阻抗降低，电荷泄放加快，表面的充电电位始终低于静电放电的阈值电压，不但导致了静电放电频率大幅度下降，而且使得放电电流幅值相应减少。另一方面，温度的升高会使介质材料中的电子逃逸能升高，使其更容易摆脱深、浅陷阱的束缚，加快沉积电荷的泄放，也造成了放电频率的下降和放电电流幅值的减小。

4 结论

在对太阳电池阵机理和研究现状进行分析的基础上，设计了太阳电池阵静电放电试验电路，确定了太阳电池阵静电放电试验参数与试验程序，通过试验研究获得了环境温度因素对GEO 轨道太阳电池阵静电放电的影响规律。主要结论如下：

1）太阳电池阵放电频率与环境温度相关，温度越高，放电频率越小；

2）太阳电池阵放电脉冲电流幅值和电流波形有所差别，电流幅值与环境温度相关，随着温度升高，放电电流幅值相应减小；

3）放电电流经过快速傅里叶变换得到其在频域上的幅度谱，图谱显示放电电流主要能量集中在10 MHz 以下频段。