太阳电池阵表面充电反向电位梯度的地面模拟

刘业楠，朱立颖，王志浩，张永泰，王思展，赵瑜馨，郭佳丽，王 璐，徐焱林，刘宇明，田东波

（1. 北京卫星环境工程研究所； 2. 北京空间飞行器总体设计部：北京 100094）

0 引言

在轨航天器的绝缘表面（通常是热控多层及太阳电池阵正面等）会与空间等离子体发生相互作用，产生静电电荷的累积。当累积电荷建立的电场超过绝缘材料击穿阈值，就有可能发生表面静电放电，从而产生电磁干扰影响航天器的运行；还可能在太阳电池阵等电源系统上引起电弧放电，导致航天器电源系统的使用寿命缩减甚至系统失效。为充分了解在轨航天产品对表面充放电效应的防护效能，需要在地面模拟空间等离子体环境与航天器相互作用引起的表面带电效应，从而对其影响进行系统的测试和评估。其中，对于太阳电池阵等表面具有高二次电子发射及光电子发射特性的外露组件，在轨典型的表面充电情况以反向电位梯度（inverted potential gradient, IPG）为主，尤其是太阳电池阵等电源系统组件，静电放电特性与其诱发的二次电弧密切相关，对静电放电阈值的准确测试及评估可以用于二次电弧试验中静电放电的等效缩比模拟，因此利用静电放电阈值建立的静电放电脉冲特性是关键的试验参数。本文重点以当前表面充放电效应较为突出的太阳电池阵为研究对象，提出IPG 的地面模拟试验方法。

1 等离子体环境及典型表面充电效应

1.1 各个轨道的等离子体环境

文献[1-4]详细介绍了轨道上的等离子体环境。一般而言，在地球同步轨道（GEO）环境存在大量能量大于1 keV 的电子。在亚暴期间，大量热等离子体注入会导致航天器结构在非光照区电子充电束流急剧增加，从而产生严重的不等量带电，由于航天器上同时具有大面积介质、（半）导体的关键组件，所以太阳电池阵表面发生静电放电的危险程度就会增加。

低地球轨道（LEO）环境有能量低且稠密的电离层等离子体，其中相对航天器能量在0.1～0.2 eV的电子束流占了大部分比例。航天器结构电位在太阳电池阵发电电压范围内相对于电离层等离子体电位浮动。当太阳电池阵母线电压较高时，航天器结构体的悬浮负电位就会相对较高，其结构与表面介质间的不等量带电情况就会变得严重。

极地地球轨道（PEO）的特点在于能量大于1 keV 的极光电子及与其共存的低能电离层等离子体。在高纬度地区，极光电子由于其能量较高所以更容易在航天器背风面的尾流区沉积，从而形成尾区带电效应，此时航天器表面充电情况与在GEO等离子体环境下类似；在低纬度地区，由于没有极光电子的作用，航天器表面充电情况则与在LEO轨道等离子体环境下类似。

1.2 中高轨道等离子体环境下的表面充电效应

在亚暴期间高能电子使太阳电池阵充电的电位分布取决于航天器的结构及太阳电池上的玻璃盖片的情况。在标准状态运转时，一个航天器通常充电到一个相对空间等离子体为负的电位，除非有大量的光电子发射至表面。太阳电池上的玻璃盖片则直接暴露于日照下，由玻璃盖片上发射的光电子使其负电位相对于航天器结构要低一些（如图1 所示），形成“反向梯度”电位分布。在很多应用中，使用的MgF的抗反射涂层是沉积在玻璃盖片上的。而MgF拥有非常高的二次电子产额，甚至在缺乏日照的情况下，由MgF涂层产生的二次电子也可以充分维持反向梯度电位分布。如图2 所示，玻璃盖片表面的二次电子发射系数最大可达到8，且在很宽的入射电子能量范围内均大于1。因此，玻璃盖片上覆有MgF涂层的太阳电池阵的充电会通常体现出“反向梯度”电位分布，甚至于在日蚀期间及玻璃盖片处于阴影区时也不例外。

图1 高轨等离子体环境中反向梯度充电示意Fig. 1 IPG charging in high Earth orbit plasma environment

图2 几种典型星用表面材料的二次电子发射系数Fig. 2 Secondary electron emission yields of typical satellites’ surface materials

至于玻璃盖片上没有覆盖MgF涂层或玻璃盖片被污染（这样二次电子产量受到污染的控制）的情况，在盖片没有暴露在日照下时将会被亚暴产生的电子充电至相对航天器结构更负的电位。该电位分布结果就是所谓的正常梯度布局（normal potential gradient, NPG），如图3 所示。

图3 高轨等离子体环境中正常梯度充电示意Fig. 3 NPG charging in high earth orbit plasma environment

1.3 低轨道等离子体环境下的表面充电效应

由于LEO 处于电离层等离子体环境，等离子体的温度很低，所以等离子体环境中的电子很难将航天器充电至较负的电位。根据一般的仿真分析或在轨探测可知，通常LEO 的表面充电电位约为-1 V。在稠密等离子体里，由于太阳电池阵的负接地作用，使得航天器结构地相对等离子体具有一个负电位，此时太阳电池阵玻璃盖片表面仍然可以建立反向梯度电位，如图4 所示。根据上述原理可知，在LEO反向梯度电位也是表面充电效应的标称状态。

图4 低轨冷稠等离子体环境中反向梯度充电示意Fig. 4 IPG charging in low earth orbit plasma environment

2 表面充电IPG 的试验模拟方法

2.1 表面充电IPG 模拟的必要性

由上节可知，以表面充电过程电位梯度建立的差别将其分为IPG 充电及NPG 充电。对于中高轨道的热等离子体环境，IPG 过程主要由电池玻璃盖片表面的光电子及二次电子作用产生；对于低轨道的冷稠等离子体环境，则是靠航天器太阳电池阵负接地引起的负悬浮电位与电池玻璃盖片表面近等离子体电位的差所产生。这些反向的电位梯度最终会在介质和导体交接的边缘——即“三结合处”建立较强的电场并产生静电放电。太阳电池阵的绝缘基底也有产生表面充电的可能，但由于基底材料通常采用的聚酰亚胺在中高轨道环境中二次电子发射特性并不如玻璃盖片表面的MgF显著，在低轨道其缺乏形成场致增强电子发射的三结合处构型，所以并不是IPG 诱发静电放电的典型部位。

根据表面充电原理可知，IPG 与NPG 的放电回路有所差别：IPG 引起的放电是径向产生较强电场并击穿形成，因此对于较薄的介质材料更容易发生放电，放电电流流经航天器结构，中和不等量带电电荷并释放能量；NPG 引起的放电主要由表面形成的高电位差导致，因此放电电流主要在表面扩散并中和介质表面的不等量带电电荷。对于航天器太阳电池阵等大面积介质表面，静电放电可能会在电池片被光照时诱发二次电弧，将电池串的输出转化为电弧。

二次电弧效应对于航天器太阳电池阵影响较大，可能会引起电池串的短路、功率下降甚至烧毁，因此需要在地面开展环境效应模拟试验，以获取太阳电池阵产生的静电放电及二次电弧特性参数，并评估在其工作条件下是否具有二次电弧发生的风险。对于二次电弧试验，需要获得由于静电放电诱发的二次电弧阈值、持续时间等特征参数，因此准确模拟诱发二次电弧的静电放电特性至关重要。而通过上述充电特性可知，IPG 引起的静电放电具有更典型、阈值更低、放电能量可调控等优点，因此IPG 是太阳电池阵二次电弧评价试验中典型的静电放电触发方式。

2.2 中高轨道等离子体环境IPG 的模拟

由于模拟试验中的电子束能量通常都是单能，而在轨环境是近似麦克斯韦分布的能谱，所以难以在环境模拟上保持一致，此时较为准确的方式是以诱发静电放电的效应作为等效模拟标准。根据上述机理，在试验室模拟中高轨道的IPG 电位分布，可以采用高偏压法对试样的结构施加一个负高压偏压来模拟电子对结构的充电，同时以诱发典型IPG 为目的对太阳电池盖片施加能够产生二次电子发射的低能电子束或能够产生光电子发射的紫外源（也可以两者结合）。在电子束方法中，根据图2可知：由于包括玻璃盖片在内的大部分材料在入射电子能量为1 keV 时的二次电子产额高于1，所以可以根据试验对象的二次电子发射特性选择辐照电子束的能量；对于太阳电池阵的玻璃盖片，当到达盖片的电子束能量在曲线峰值附近时，会获得较高的二次电子发射增益水平，从而盖片可以更容易地被充电至相对于结构为正的电位，即形成了反向梯度电位分布。对于紫外源辐照，则可以直接依靠打出光电子产生反向电位梯度，并通过基底增加一个负偏压源来降低光电子的再次吸收。另外，对于极轨卫星在高纬度地区的模拟，也可以采用上述模拟源与试验配置。关于环境模拟源的束流密度选取，由于试验目的为等效模拟，试样采用悬浮的方式靠外部补偿电容与试验系统“地”连接，所以束流的大小在一定程度上决定了充电速度的快慢，只要不产生额外的热效应即可。

为保证反向梯度电位数值测量的准确性，试验中通常使用非接触式电位探头（TREK 探头）进行测量。为确保测量过程中的遮挡不破坏原有表面充电的电流平衡特性，试样应进行悬浮以减少非电子辐照时的电荷泄漏，并提高探头测量扫描的速度以缩短测量时间。图5 所示为典型的中高轨道表面充电效应试验中用电子束源模拟IPG。

图5 中高轨道表面充电IPG 等效模拟Fig. 5 IPG equivalent simulation of surface charging effect in medium and high Earth orbit

2.3 低轨道等离子体环境IPG 的模拟

LEO 等离子体环境中航天器表面充电的IPG相对更容易模拟。通常采用冷稠等离子体源（如ECR 源）作为模拟源，同时采用惰性气体（如Ar）作为工质，以保证电离的稳定性及减少其他因素的影响。冷稠等离子体源的主要参数包括等离子体的温度与密度。通常模拟源的等离子体温度需要低于5 eV；而等离子体密度会在一定程度上影响放电阈值，因此选取时尽量采用产品实际飞行轨道上的最大值或平均值所在数量级进行模拟。在稠密等离子体环境中，介质材料的电位相对比较接近等离子体环境电位，此时对试样结构施加一个负高压偏压就可以模拟航天器结构的悬浮电位充电，即在太阳电池玻璃盖片的表面建立了相对更正的反向电位梯度。此时高压偏压电源的电压数值可以近似认为等于玻璃盖片上下表面间的电位差。图6 为典型的低轨道表面充电效应试验IPG 等离子体源模拟示意图。

图6 低地球轨道表面充电IPG 等效模拟Fig. 6 IPG equivalent simulation of surface charging effect in low Earth orbit

3 表面充电IPG 模拟试样的缩比试验技术

按照上述IPG 模拟方法可以在地面建立与在轨类似的表面充电效应特性，但由于试验可能会对试件造成微损伤，所以通常采用子样或等效试验件代替正式的飞行产品进行试验。虽然子样或等效试验件的技术状态和工艺可以与飞行产品保持一致，但是其尺寸难以表现在轨实际的静电放电风险。法国、日本等开展了一些全尺寸太阳电池阵一次放电和二次电弧研究实验，并得到了静电放电等离子体传播速度及积累电荷的宝贵经验，并将相关研究结果纳入欧洲ECSS 标准及ISO 标准，在此基础上利用缩比小尺度太阳电池阵样品开展了静电放电效应评估试验且进一步完善了理论及试验基础。受限于静电放电试验过程并非无损，同时确保大尺度下环境模拟源的均匀性也是一个难题，因此很难采用真实尺寸的太阳电池阵来验证空间环境可能诱发的静电放电风险。国内仅早期开展了少量全尺寸太阳电池阵静电放电的模拟技术研究，绝大部分针对低轨及高轨的太阳电池阵静电放电效应模拟试验均采用小试样代替完整尺寸试件，因此需要建立可以将缩比模型试验结果外推至整块太阳电池阵的模拟方法，这对试验评估的有效性非常重要。

对于表面充电效应试验来说，由于反向梯度电位主要是表面介质与底层（半）导体间建立的径向电位梯度，因此小试样获得的典型的反向梯度电位充电分布同大试样是近似相同的。缩比的关键是充电引发的静电放电，即小试样放电特性需要与大尺寸真实产品尽量一致。这是因为试验用的小试样与真实太阳电池阵通常在径向结构上保持一致，但在长与宽方向上有较大差别。以放电脉冲电流作为评估标准，放电特性包括了上升沿、峰值电流和持续时间。结合静电放电的阈值即可对真实太阳电池阵的典型静电放电电流脉冲情况进行估计，估计基于3 个假设：1）放电激发的等离子体由放电点向四周匀速扩散；2）放电等离子体在扩散至其他IPG 充电表面时可以充分中和；3）放电等离子体扩散具有有界性。因此，对于太阳电池阵的缩比过程，在上述假设下可以根据电池阵表面玻璃盖片的等效电容率、IPG 的静电放电阈值、放电等离子体扩散速度及有效传播距离等参数计算出预期的放电脉冲电流时域特性。根据相关试验研究结果可知，存储在结构电容中的电荷是电流脉冲初始段（约1 μs）形成的原因。对于同样的结构电容，峰值电流与试样尺寸无关，因此可以通过在放电回路中增加特定的电容，来实现静电放电初始阶段的电流脉冲等效。而在反向梯度放电中，释放的电荷多半（＞90%）来自盖片存储电荷中合时产生的电流，因此可以确定放电电流的补偿回路位置。脉冲电流的宽度与等离子体到试样边缘的传播时间基本成比例，因此可以假定一个基本的IPG 放电等离子体传播速度，并以其来估计缩比补偿电流的脉冲宽度。根据上述对GEO 与LEO 等离子体环境下反向梯度充电的特性综合分析，可给出通用的IPG 型表面充电缩比补偿方法。图7 所示即是一种典型的模拟补偿电路方式，根据IPG 电场建立的部位及放电回路的特点可按图中方式进行布置：通过保护电阻限制高压偏置电源的电流；并联补偿电路用于调整放电ESD 的波形，包括电流和时间宽度。补偿电路为集总电路，通过其中的补偿电容控制放电的能量，通过电阻和电感控制放电脉冲的宽度和上升沿。对于这些参数如何估计，文献[18-19]给出了一些具体的方法。通过上述模拟方法，可以利用缩比试样达到全尺寸试件的模拟效果，力求模拟效应与实际情况等效。

图7 表面充电效应模拟试验缩比补偿电路位置Fig. 7 Scaling compensation for surface charging test in ground simulation

4 典型试验模拟过程及结果

本研究开展了利用电子枪模拟高轨太阳电池IPG 情况下静电放电损伤试验。如图8 所示，将电池阵试样的PN 两极引出短接后接入负偏压模拟空间等离子体环境产生的带电效应；负偏压的选择根据电子枪发射电子束能量来确定，以保证到达试样表面的电子处于表面材料二次电子发射系数大于1 的能量区间；利用补偿电容等器件补偿放电能量，使放电脉冲尽量接近真实尺寸产品的放电特性。在本次试验中，偏置电压选取为-1.6 kV，电子枪发射的电子能量为2.4 keV，束流密度约为1 nA/cm，根据太阳电池阵尺寸及静电放电等离子体传播特性，要求脉冲电流10 A，脉宽200 μs，设计的补偿电路根据之前开展的静电放电阈值试验获取的阈值与脉冲电流特性要求联合获取得到，计算方法参见文献[19]。

图8 某太阳电池阵试验配置Fig. 8 Configuration for ground simulation of typical solar array IPG effect

试验中，结合悬浮电容的情况构建合适的保护电阻，使电位探头测量试样时电荷泄漏尽量小；同时采用移动机构带动非接触电位探头，快速对试样表面区域进行蛇形扫描获取表面充电电位分布。图9 所示为太阳电池阵在静电放电发生前、后的表面电位分布情况以及该次静电放电监测的电流脉冲波形。

图9 某太阳电池阵产生的IPG 放电前后的电位分布及典型ESD 波形Fig. 9 Typical IPG surface potential distributions and ESD waveform

从图9 可看出：在静电放电发生之前，太阳电池阵中部充电电位约为-800 V；在放电（电荷中和）后，电位约-1000 V；从电流脉冲波形可看出脉冲峰值约10 A，上升沿约50 μs，脉宽约200 μs，与试验设计的放电脉冲能量基本一致。这表明放电前此部位建立了反向梯度电位（表面电位高于背面电位），地面模拟了IPG 的充电和放电过程，放电脉冲较好地释放了补偿电路中的能量，达到了缩比试验的效果。

另外，针对利用等离子体源模拟低轨太阳电池IPG 试验的一些典型模拟过程，可参见文献[9]。

5 结束语

空间等离子体环境引起的表面带电效应是影响在轨航天器的重要空间环境效应之一。对于高二次电子发射或光电子发射的表面材料，等离子体环境下表面带电效应以IPG（反向电位梯度）充电为典型充电情况，实际在地面模拟时应尽量覆盖IPG 充电诱发的静电放电效应。推荐中高轨利用电子枪或紫外源，低轨道利用冷稠等离子体源模拟IPG 充电过程；模拟过程中为了建立IPG，试样基底导电部位需要悬浮且有直流负偏压电源驱动。此外，模拟IPG 时需要针对试样尺度进行缩比补偿，本文给出了一种适用于GEO 与LEO 的IPG 静电放电试样缩比补偿方法。上述全套模拟方法可用于一般太阳电池阵或其他在轨会产生IPG 充电的试样开展地面模拟及静电放电防护性能评价试验。