【摘　要】　論述了引發(fā)太陽(yáng)電池電弧放電的空間環(huán)境因素特點(diǎn)。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(duì)太陽(yáng)電池的作用，以及高電壓和低電壓太陽(yáng)電池的電弧放電行為。
??? 關(guān)鍵詞：空間環(huán)境，太陽(yáng)電池，電弧放電

1　引　言

　　自七十年代起，美國(guó)和原蘇聯(lián)在同步軌道上的許多衛(wèi)星發(fā)生異常現(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(cuò)，通訊中斷等等。如1973年6月2日美國(guó)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(duì)這些故障，各國(guó)專家們?cè)隽舜罅康难芯亢驮囼?yàn)工作。在1972年以后，連續(xù)觀測(cè)到衛(wèi)星的異常與地磁亞爆的出現(xiàn)在時(shí)間上和空間上有著準(zhǔn)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(duì)空間用太陽(yáng)電池進(jìn)行的大量研究工作，主要還在高能粒子輻照對(duì)太陽(yáng)電池?fù)p傷方面。由于各方面條件的制約，所進(jìn)行的研究大部分是模擬單一空間環(huán)境因素對(duì)太陽(yáng)電池的影響，而忽略了在實(shí)際空間環(huán)境中對(duì)太陽(yáng)電池陣乃至整個(gè)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(yàn)，對(duì)于保證太陽(yáng)電池及太陽(yáng)電池陣長(zhǎng)期可靠地工作、保證按計(jì)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(yáng)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(yáng)電池表面電弧放電的特性，從而為同步軌道上的長(zhǎng)壽命衛(wèi)星、太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星和太空站的設(shè)計(jì)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(wèn)題的有效方法。

2　空間環(huán)境特點(diǎn)

　　衛(wèi)星在地球同步軌道上運(yùn)行會(huì)遭遇等離子體轟擊而引起衛(wèi)星表面充電，等離子體可來(lái)自以下四個(gè)區(qū)域：
　　（1）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(gè)粒子，等離子體溫度為幾個(gè)電子伏。如ATS－6衛(wèi)星的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為：等離子體溫度為4eV，等離子體密度為6個(gè)／厘米3。但在磁球?qū)觼啽陂g，等離子層明顯地向地球移動(dòng)，而在同步軌道上再也觀測(cè)不到這些低能等離子體成份。
　　（2）環(huán)電流是溫度較高，而密度與等離子體層頂同量級(jí)的電子和離子區(qū)域。它的特征是密度為1個(gè)／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。
　　（3）捕獲邊界是能捕獲40keV電子的穩(wěn)態(tài)捕獲粒子區(qū)域。可以認(rèn)為，捕獲邊界是地球磁場(chǎng)作用下，粒子劇烈運(yùn)動(dòng)的區(qū)域和粒子動(dòng)能為控制因素區(qū)域之間的分界線。
　　（4）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(dòng)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(yùn)動(dòng)，使在同步軌道上沒(méi)有低能量的粒子存在。這種綜合效應(yīng)會(huì)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(yáng)電池表面充電效應(yīng)

　　當(dāng)衛(wèi)星離開地球陰影區(qū)進(jìn)入太陽(yáng)光照區(qū)域時(shí)，即處于所謂的半陰影狀態(tài)，由于光子對(duì)太陽(yáng)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(gè)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(yáng)電池表面的某個(gè)部分產(chǎn)生放電現(xiàn)象。圖1所示為模擬從陰影區(qū)進(jìn)入太陽(yáng)光照區(qū)時(shí)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(jìn)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(yáng)電池表面會(huì)被充電到幾千伏甚至幾萬(wàn)伏的電位，從而導(dǎo)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(duì)太陽(yáng)電池的要求不斷提高。隨著太陽(yáng)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(yáng)電池工作電壓的升高，發(fā)生電弧放電的危險(xiǎn)性也就相對(duì)增加，從而使航天器使用壽命降低。低電壓和高電壓太陽(yáng)電池的放電機(jī)理有所不同。高電壓太陽(yáng)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(dǎo)致了各種各樣的放電和電物理學(xué)過(guò)程〔5－9〕。在近地軌道上高電壓太陽(yáng)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(yáng)電池表面，使太陽(yáng)電池相對(duì)于周圍等離子體層處于負(fù)電位而產(chǎn)生電弧放電。放電強(qiáng)度與太陽(yáng)電池的工作電壓有著密切的關(guān)系，從暴露試驗(yàn)和飛行數(shù)據(jù)可知，在飛行條件下測(cè)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(yàn)測(cè)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(yáng)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(diǎn)材料（Ag或Cu）及太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)有關(guān)〔13〕，如圖3所示。

　　大量的觀測(cè)與研究表明〔10，11，12〕，由軌控發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)太陽(yáng)電池、熱控涂層、光學(xué)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(xué)反應(yīng)，甚至在輻照的作用下導(dǎo)致特征氣團(tuán)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(gè)輔助因素。從太陽(yáng)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(qiáng)度主要取決于周圍水蒸汽的壓強(qiáng)，隨著周圍水蒸汽壓強(qiáng)的不斷增大，放電的強(qiáng)度和頻率也不斷增高，如圖5所示。

　　對(duì)于低電壓太陽(yáng)電池的放電過(guò)程，前蘇聯(lián)學(xué)者ЛетинВ．А等人〔13〕曾用30～50keV的電子輻照太陽(yáng)電池部件和電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料表面，來(lái)模擬磁層干擾的瞬間太陽(yáng)電池的電弧放電過(guò)程。通過(guò)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(duì)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(duì)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(huì)對(duì)晶體產(chǎn)生損傷，但會(huì)在硅的基體中形成高密度位錯(cuò)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(shí)間t＝1～5μs的情況下，放電的電流值不大于50A。電子輻照太陽(yáng)電池蓋片表面產(chǎn)生瞬間放電時(shí)，同時(shí)伴有閃光現(xiàn)象，蓋片表面電勢(shì)發(fā)生明顯變化，見圖6。實(shí)驗(yàn)證明，同導(dǎo)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(shì)，而促使了電弧放電的發(fā)生。

4　結(jié)束語(yǔ)

　　綜上所述，研究空間環(huán)境引起太陽(yáng)電池表面電弧放電時(shí)，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(yáng)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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