空间太阳阵表面静电放电特性实验研究

　　空间太阳阵表面静电放电问题日益受到关注。本文利用电子束流辐照太阳阵样品，模拟表面静电放电过程，通过测量充电电压、放电电流以及放电次数，分析静电放电特性。实验表明，太阳阵表面充电静电能是产生静电放电的放电源，当太阳阵盖片表面充电电位相对于太阳阵结构超过阈值电压时产生静电放电，不同充电模式下太阳阵样品表面产生介质放电和金属放电。空间太阳阵表面静电放电特性与空间带电环境、太阳阵材料、结构以及温度等因素相关。

　　空间环境中静电放电是导致卫星产生故障的主要原因之一。1973~1997年由空间环境引发的卫星在轨故障成因统计表明，静电放电占54.2%。空间太阳阵作为卫星的一次能源系统，由于完全暴露在空间带电环境中，容易受其影响而产生表面静电放电问题。空间太阳阵结构相对比较复杂，其表面包括盖片，太阳电池，金属互连片和金属汇流条，基底，基板结构(铝蜂窝)等不同材料和组件。在空间带电环境中，太阳阵不同材料和组件之间会产生不等量充电过程，当充电形成的电压达到临界值时触发静电放电。本文从实验上模拟了空间太阳阵表面静电放电过程，通过测量充电电压、放电电流以及放电次数，分析了太阳阵静电放电特性。

　　1、实验

　　空间太阳阵表面充电是由于受到磁层中能量范围为几千电子伏至几十千电子伏入射电子作用而引起的静电荷积累效应，太阳阵表面一般充负电位。地磁亚暴期间，在高能电子(能量大于十几千电子伏)作用下，高电阻率的盖片表面相对于太阳阵结构(包括金属互连)充更高负电位，形成负充电模式;当卫星离开地影进入太阳光照区时，受二次电子发射和光电子发射的影响，盖片表面相对于太阳阵结构充正电位，形成正充电模式。实验中利用电子枪产生不同能量的电子束辐照太阳阵样品表面，模拟不同充电模式下的静电放电过程。

　　1.1、负充电模式

　　由电子枪产生电子能量16keV，束流密度2.0nA/cm2的高能电子束辐照太阳阵样品表面对其充电，实验电路原理见图1所示，金属互连与太阳阵基板结构(铝蜂窝)相连并接地。实验表明，盖片表面平均充电电位为-1450V，在盖片和金属互连之间产生静电放电，放电电流波形如图2所示。

　　通过逐渐提高太阳阵样品基板温度来确定静电放电次数与温度的关系。随着样品基板温度的升高，其表面静电放电发生频次有减小的趋势。在保持样品基板温度基本不变情况下，其表面放电频次相对变化不大，见图3所示。

图1 太阳阵负充电实验电路

图2 负充电模式下样品表面放电电流波形

图3 不同温度条件下样品表面静电放电次数

　　3、结论

　　实验表明，空间带电环境中太阳阵表面不同充电模式下产生介质放电和金属放电，当盖片表面充电电位相对于太阳阵结构为负并超过阈值电压时(一般大于-1000V)产生介质放电;当盖片表面充电电位相对于太阳阵结构为正并超过+500V时产生金属放电。静电放电过程是太阳阵表面充电静电能的释放过程，充电电荷释放越多则放电电流幅度越大，金属放电产生的放电电流幅度一般比介质放电大，其危害也较为严重。实验表明，太阳阵温度与静电放电频次相关，温度越高，太阳阵表面发生静电放电次数相对减少。因此，在开展空间太阳阵静电放电防护设计时，应该同时考虑空间带电环境、太阳阵材料、结构以及温度对其充放电性能的影响。