【摘　要】　論述了引發(fā)太陽電池電弧放電的空間環(huán)境因素特點。綜述了等離子體中的質(zhì)子、電子和航天器周圍的特征氣體環(huán)境對太陽電池的作用，以及高電壓和低電壓太陽電池的電弧放電行為。
??? 關(guān)鍵詞：空間環(huán)境，太陽電池，電弧放電

1　引　言

　　自七十年代起，美國和原蘇聯(lián)在同步軌道上的許多衛(wèi)星發(fā)生異?，F(xiàn)象，包括：電源損壞，未得到指令；電子系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)發(fā)生變化，姿態(tài)控制系統(tǒng)出錯，通訊中斷等等。如1973年6月2日美國同步軌道上一顆衛(wèi)星出了一次災(zāi)難性的電源事故，使其主要分系統(tǒng)失敗。針對這些故障，各國專家們曾做了大量的研究和試驗工作。在1972年以后，連續(xù)觀測到衛(wèi)星的異常與地磁亞爆的出現(xiàn)在時間上和空間上有著準確的聯(lián)系，從而得出地磁亞爆可能引起衛(wèi)星出現(xiàn)故障的初步結(jié)論。
　　目前為止，人們對空間用太陽電池進行的大量研究工作，主要還在高能粒子輻照對太陽電池損傷方面。由于各方面條件的制約，所進行的研究大部分是模擬單一空間環(huán)境因素對太陽電池的影響，而忽略了在實際空間環(huán)境中對太陽電池陣乃至整個衛(wèi)星的作用是綜合協(xié)作效應(yīng)的結(jié)果。采取正確的地面模擬試驗，對于保證太陽電池及太陽電池陣長期可靠地工作、保證按計劃提供衛(wèi)星需要的能源是至關(guān)重要的。
　　本文從帶電粒子輻照、衛(wèi)星特征氣體環(huán)境和太陽電池結(jié)構(gòu)與電性能等幾方面，闡述結(jié)合環(huán)境效應(yīng)引起太陽電池表面電弧放電的特性，從而為同步軌道上的長壽命衛(wèi)星、太陽能發(fā)電衛(wèi)星和太空站的設(shè)計與研究提供一定的依據(jù)，以尋求解決衛(wèi)星表面充電、電弧放電問題的有效方法。

2　空間環(huán)境特點

　　衛(wèi)星在地球同步軌道上運行會遭遇等離子體轟擊而引起衛(wèi)星表面充電，等離子體可來自以下四個區(qū)域：
　?。?）等離子體層是低能量和高密度的等離子體區(qū)域，它在磁球?qū)拥慕貐^(qū)域內(nèi)占主要地位，它的外邊界是等離子層頂。等離子體層的特征是，等離子體密度為每立方厘米幾個粒子，等離子體溫度為幾個電子伏。如ATS－6衛(wèi)星的實測數(shù)據(jù)為：等離子體溫度為4eV，等離子體密度為6個／厘米3。但在磁球?qū)觼啽陂g，等離子層明顯地向地球移動，而在同步軌道上再也觀測不到這些低能等離子體成份。
　?。?）環(huán)電流是溫度較高，而密度與等離子體層頂同量級的電子和離子區(qū)域。它的特征是密度為1個／厘米3，溫度為20～40keV。這種等離子體成分幾乎總存在于同步軌道上。
　?。?）捕獲邊界是能捕獲40keV電子的穩(wěn)態(tài)捕獲粒子區(qū)域?？梢哉J為，捕獲邊界是地球磁場作用下，粒子劇烈運動的區(qū)域和粒子動能為控制因素區(qū)域之間的分界線。
　?。?）等離子體片是地球磁尾上的高溫等離子體區(qū)域，等離子體片的粒子溫度約幾千電子伏。在磁擾動區(qū)間，幾千電子伏的等離子體注入到同步軌道中形成環(huán)電流，并伴隨著等離子體層頂向內(nèi)運動，使在同步軌道上沒有低能量的粒子存在。這種綜合效應(yīng)會使衛(wèi)星表面被充電到幾千電子伏的電位。等離子體片內(nèi)，平均質(zhì)子能量比平均電子能量大六倍。

3　空間環(huán)境引起的太陽電池表面充電效應(yīng)

　　當衛(wèi)星離開地球陰影區(qū)進入太陽光照區(qū)域時，即處于所謂的半陰影狀態(tài)，由于光子對太陽電池表面的轟擊，從起初的中性原子中激發(fā)出光電子從而使原子變成質(zhì)子。雖然被激發(fā)出的光電子只有幾個電子伏的能量，但其速率通常大于等離子體的速率并且數(shù)量大，從而使太陽電池表面的某個部分產(chǎn)生放電現(xiàn)象。圖1所示為模擬從陰影區(qū)進入太陽光照區(qū)時輻照充電的電介質(zhì)材料被加溫并釋放在陰影區(qū)積累的電荷，造成表面放電。所用的粒子是能量為2MeV的電子，在77K的溫度下進行輻照。另外，在地磁亞爆期間，在同步軌道熱等離子體的作用下，太陽電池表面會被充電到幾千伏甚至幾萬伏的電位，從而導致電弧放電現(xiàn)象的發(fā)生〔1，2〕。

　　由于航天器功能和發(fā)展的需要，對太陽電池的要求不斷提高。隨著太陽電池功率的增加，要求合理提高工作電壓，從而降低歐姆消耗和電纜的重量。但是隨著太陽電池工作電壓的升高，發(fā)生電弧放電的危險性也就相對增加，從而使航天器使用壽命降低。低電壓和高電壓太陽電池的放電機理有所不同。高電壓太陽電池通常應(yīng)用在近地球或火星軌道，由于這些星際空間的帶電粒子的作用導致了各種各樣的放電和電物理學過程〔5－9〕。在近地軌道上高電壓太陽電池的電弧放電現(xiàn)象，主要是等離子體區(qū)的正離子轟擊太陽電池表面，使太陽電池相對于周圍等離子體層處于負電位而產(chǎn)生電弧放電。放電強度與太陽電池的工作電壓有著密切的關(guān)系，從暴露試驗和飛行數(shù)據(jù)可知，在飛行條件下測得的放電域值電壓比模擬條件下所獲得的要低，如圖2所示，模擬試驗測得的放電域值電壓偏離的原因，同在真空室內(nèi)壁出現(xiàn)的第二次電子放射現(xiàn)象有關(guān)。從日本發(fā)射的人造地球衛(wèi)星PIX－Ⅰ和PIX－Ⅱ所提供的資料可以看到，200伏左右的太陽電池表面電弧放電的域值電壓，取決于等離子體層的密度，并和觸點材料（Ag或Cu）及太陽電池的結(jié)構(gòu)有關(guān)〔13〕，如圖3所示。

　　大量的觀測與研究表明〔10，11，12〕，由軌控發(fā)動機的排出物、材料解析析氣產(chǎn)物等揮發(fā)性氣體成份所構(gòu)成航天器特征氣體環(huán)境，不僅可對太陽電池、熱控涂層、光學鏡頭等造成沉積污染，還可在輻照的作用下與材料表面產(chǎn)生輻照化學反應(yīng)，甚至在輻照的作用下導致特征氣團的氣體分子電離，不但誘發(fā)熒光效應(yīng)，而且還是造成航天器表面輻照帶電的一個輔助因素。從太陽電池表面電弧放電的發(fā)射光譜可以看到，航天器特征氣體環(huán)境中的水蒸汽起著極其重要的作用，如圖4所示。而放電的強度主要取決于周圍水蒸汽的壓強，隨著周圍水蒸汽壓強的不斷增大，放電的強度和頻率也不斷增高，如圖5所示。

　　對于低電壓太陽電池的放電過程，前蘇聯(lián)學者ЛетинВ．А等人〔13〕曾用30～50keV的電子輻照太陽電池部件和電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料表面，來模擬磁層干擾的瞬間太陽電池的電弧放電過程。通過電鏡和X射線衍射等分析手段得出電池蓋片表面的電弧放電對電池硅片有雙重作用。首先，由于連續(xù)放電使電池蓋片遭到破壞，從而對硅片的p－n結(jié)造成損傷。其次，在電弧放電的情況下，在電池蓋片正面產(chǎn)生的沖擊波不會對晶體產(chǎn)生損傷，但會在硅的基體中形成高密度位錯變形區(qū)。眾所周知，輻照充電的電解質(zhì)表面（S）放電脈沖電流和它的壽命正比于S1／2。在時間t＝1～5μs的情況下，放電的電流值不大于50A。電子輻照太陽電池蓋片表面產(chǎn)生瞬間放電時，同時伴有閃光現(xiàn)象，蓋片表面電勢發(fā)生明顯變化，見圖6。實驗證明，同導體接觸的電介質(zhì)由于在其局部表面自由電荷的沉積和較高的電勢，而促使了電弧放電的發(fā)生。

4　結(jié)束語

　　綜上所述，研究空間環(huán)境引起太陽電池表面電弧放電時，除了考慮空間環(huán)境因素直接的影響外，還應(yīng)注意到它同航天器特征氣體環(huán)境、自身設(shè)備所發(fā)射的高頻電磁波、太陽電池的工作電壓及其自身結(jié)構(gòu)等多方面因素所造成的綜合協(xié)作效應(yīng)的影響。 1　АкпшпнА．И，ТютринЮ．И，Цепляев Л．И． Электрораз－рядный механизм повреждения солнечных? батарейприэлектронном．облученнии．1996：56－60
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