航天器太阳电池阵驱动机构导电滑环真空充放电实验研究

经贵如，沈 亮，王学强，王艳芬，李长江，李 伟

（上海宇航系统工程研究所，上海 201100）

0 引言

空间环境中的高能电子易在航天器外围的介质材料或者穿过航天器屏蔽层在其内部的介质材料上沉积，当这些介质材料表面与周围其他部件间的电位差或者沉积电荷产生的电场超过一定阈值时会发生放电现象，即表面和深层充放电效应[1-3]。深层放电会影响材料的绝缘性能，产生的放电脉冲会干扰航天器上电子仪器的正常工作，甚至使航天器发生故障[4]。

太阳电池阵驱动机构是航天器太阳电池阵对日定向的执行装置，部分暴露在航天器舱体外部，工作在高电压、大电流和运动的状态下，同时通过内部导电滑环传输电功率，为航天器供电。在太阳活动期间，地球中高轨道的外辐射带高能电子通量将显著增大[5]，这些高能电子会穿透屏蔽层进入太阳电池阵驱动机构内部，在导电滑环绝缘介质或孤立导体上沉积并建立电场，如果充电导致介质内建电场的强度达到击穿阈值，或相邻结构间出现较高的电位差，便会产生静电放电（electrostatic discharge,ESD），严重的会引起导电滑环二次放电，危及航天器安全，故有必要对导电滑环充放电风险进行评估，并采取必要的防护措施[6]。

根据NASA-HDBK-4002A 给出的数据，地球同步轨道（GEO）恶劣情况下的高能电子通量约为2 pA/cm2；通过MULASSIS 软件计算，若此时增设1.5 mm 厚铝板防护，则电子通量可下降至约0.1 pA/cm2[7]。因此，本实验设置极端恶劣环境下高能电子通量为2.4 pA/cm2和增加铝板防护后电子通量为0.1 pA/cm2的2 种工况，对导电滑环的充放电效应进行研究，并通过滑环表面状态及性能监测结果判断滑环受损程度。

1 实验设置

本实验在中国科学院国家空间科学中心的航天器充放电模拟装置（见图1）上完成，该装置真空罐内径为1.0 m、长1.4 m，真空度可优于5.0×10-4Pa，可利用90Sr-90Y β 放射源模拟地球外辐射带的高能电子环境。90Sr-90Y 是纯β 源，具有出射电子能量高（Emax=2.28 MeV）、半衰期长（T1/2=28.8 a）的特点，适于作为内部充电的模拟辐照源。与另外一种辐照源——电子加速器相比：90Sr-90Y 源的β 衰变具有连续能谱，且电子能谱接近GEO 最恶劣情况下的电子能谱[8]（如图2 所示）；电子通量容易控制在与空间相仿的pA 量级；辐照场稳定，可进行长时间持续辐照实验；实验过程中的电磁干扰少，有利于准确测量充放电参数。

图 1 航天器充放电模拟装置Fig. 1 Spacecraft charge and discharge simulator

图 2 90Sr-90Y β 放射源电子能谱与GEO 最恶劣情况下的电子能谱比较Fig. 2 Comparison of electron spectrum between 90Sr-90Y beta source and the worst case in GEO

导电滑环内部充放电模拟实验原理见图3。

图 3 充放电地面模拟实验原理Fig. 3 Schematic diagram of charge and discharge ground simulation test

试件为聚酰亚胺基材盘片与电刷配对形成的组件，实验过程中对试件通5 A 电流，并利用罐外测试系统进行性能监测；放射源对试件辐照一定时间后，用Trek341B 型电位计测量其表面电位，用2 个Pearson 6595 型罗氏线圈分别测量漏电流脉冲和耦合入信号回路的放电脉冲，用Keithley 6517A 型电流计测量漏电流[9]，用电场脉冲仪测量放电电磁场脉冲信号。电场脉冲仪较为灵敏，实验中均以电场脉冲仪作为触发信号，触发电平通常设为几十mV。

2 实验结果

在辐照过程和测量过程中，观测到的放电可分为表面放电和击穿放电，表面放电幅值较小（几十到几百mV），持续时间较短（几十到几百ns），电流计无法探测到放电电流波形；而击穿放电幅值较大（几百到几千mV），持续时间为几百到几千ns，电流计可以记录到放电电流波形。

2.1 极端恶劣环境下充放电实验

用2.4 pA/cm2电子通量模拟极端恶劣环境下导电滑环充放电效应，即导电滑环直接暴露在辐照场中连续辐照120 h 的表面电位，典型数据如表1所示。表面电位随辐照时间上升曲线如图4 所示，辐照初始阶段电位上升较快，最后平衡电位约为-3600 V，停止辐照后表面电位迅速下降，大约600 min后趋于平衡，最终残留约-200 V 电位。

表 1 2.4 pA/cm2 电子通量辐照下导电滑环表面电位Table 1 Surface potential of slip ring versus the radiation time under electron flux of 2.4 pA/cm2

图 4 2.4 pA/cm2 电子通量辐照下导电滑环表面电位增长曲线Fig. 4 Surface potential of slip ring versus the radiation time under electron flux of 2.4 pA/cm2

表1 中，表面电位在ESD17 时反而比ESD16时有所降低，主要因为放电瞬间会泄放部分电荷，导致电位下降；但是在长时间辐照下，电位总体呈上升趋势，最终达到一个平衡电位。导电滑环盘片的主要材料为聚酰亚胺，用文献[10]提供的模型粗略计算时间常数τ和平衡电位Vs：

式(1)、(2)中：ε=ε0εr，聚酰亚胺的相对介电常数εr为3.4；导电滑环2 个盘片总厚度D为10 mm；聚酰亚胺的辐射诱发电导率σric为9.12×10-17Ω·cm-1[11]；放射源是连续谱，其平均能量为0.9 MeV，在聚酰亚胺介质中的平均射程L约为5 mm[12]；入射电流密度J0为2.4 pA/cm2。经计算得到，τ=1.83 h，Vs=-2630 V。理论值与实验值相差较大，主要原因是盘片表面和导体结构相对复杂，用简单的平板模型只能作近似估算。

实验过程中观测到多次放电，典型数据如表2所示。辐照初始阶段，放电发生比较频繁，其脉冲幅值为几十mV，持续时间为几百ns，为表面放电，主要原因是导电滑环结构复杂，各部分不等量带电，导致金属环与介质盘面、盘面与线缆、线缆与线缆之间很快形成较大电位差；辐照中后阶段，电位升高到一定程度，放电幅值从几百mV 到上千mV，持续时间超过300 ns，为深层击穿放电。从能量角度考虑，击穿放电更容易对器件造成损伤。

表 2 2.4 pA/cm2 电子通量辐照下的ESD 数据Table 2 ESD data under electron flux of 2.4 pA/cm2

电流计在整个实验过程中实时测量漏电流，提取到ESD16 和ESD17 的漏电流脉冲波形如图5 所示，漏电流最大脉冲幅值为123.5 pA 和127.0 pA，持续时间为4.0 s 和4.8 s。漏电流数据中未发现其他放电的脉冲波形，以此判断ESD1～ESD15 均为表面放电。

文献[9]提供了一个针对平板材料、入射电子为单能电子的充电模型，但由于本实验中试件为导电滑环，几何结构复杂，并且放射源发出的是连续能谱电子，无法使用此类简单模型进行理论分析。因此，实验中对应每次放电发生的时间，提取了滑环的电压降数据，结果显示各回路电压降稳定在0.3 V 左右，为正常值；实验结束后对试件表面进行仔细检查，未发现毁坏。

图 5 击穿放电漏电流脉冲波形Fig. 5 Wave form of punch-through ESD

2.2 防护后的充放电实验

一次辐照实验之后将试件静置较长时间，再用0.1 pA/cm2电子通量模拟增加铝板防护后导电滑环的充放电效应。连续辐照86 h，记录表面电位和放电数据。表面电位典型数据如表3 所示，约50 h 辐照之后，试件达到平衡电位-300 V，比2.4 pA/cm2电子通量辐照下低1 个数量级，且电位上升缓慢，表明增加防护之后，试件充电电位低，降低了放电风险。

表 3 0.1 pA/cm2 电子通量辐照下导电滑环表面电位Table 3 Surface potential versus the radiation time under electron flux of 0.1 pA/cm2

本次实验中监测到较多放电脉冲，主要对漏电流脉冲幅值和持续时间进行记录，典型数据如表4所示，信号通道和电场脉冲仪通道幅值比较小，约几十mV，持续时间约几十到一两百ns。大多数ESD发生在电位测量过程中，而且幅值较大，持续时间为几百ns，以击穿放电为主；也有辐照过程中发生的放电和辐照结束之后发生的放电。

表 4 0.1 pA/cm2辐照下ESD 数据Table 4 ESD data under electron flux of 0.1 pA/cm2

与表2 中数据对比可以得出以下结论：经大剂量辐照之后的试件内部结构已经发生改变，有可能形成了固定放电通道[13]，导致即使低通量辐照下，在较低电位时试件也会发生频繁的击穿放电；而且这种击穿放电基本不会降低材料电位，分析放电漏电流波形可以看到每次放电量较少，因此停止辐照之后仍频繁发生放电，说明航天器在寿命后期更容易发生放电，这对航天器来说非常危险。

本次实验中ESD26 的漏电流波形如图6(a)所示，最大幅值为-2.16 pA，持续时间为4.0 s；ESD32 发生在辐照结束之后，其漏电流脉冲波形如图6(b)所示，最大幅值为-1.82 pA，持续时间为4.2 s。与ESD16和ESD17 的漏电流波形相比，ESD26 和ESD32 的幅值要小2 个数量级，持续时间均为几s，放电量非常少，对电位影响不大。ESD26 和ESD32 没有翻转电流，跟试件材料在大剂量辐照后的结构改变有关，其物理机制值得深入研究。

图 6 击穿放电漏电流脉冲波形Fig. 6 Wave form of punch-through ESD

虽然此次实验中导电滑环发生了多次击穿放电，各回路电压降仍稳定在0.3 V 左右，为正常值。实 验结束后对试件表面进行仔细检查，未发现损坏。

2.3 小结

实验结果表明，在相同辐照通量下，辐照初始阶段发生幅值较小的放电，多数为表面放电；随着电位升高，深层充电导致材料内部积累大量电子，超过一定阈值之后，发生击穿放电；另外在大剂量长时间照射后，导电滑环结构材料内部可能形成固定放电通道，导致其在较低电位也会频繁发生击穿放电。

导电滑环结构在2.4 pA/cm2通量电子辐照下充电平衡电位达到-3600 V，风险较大；而在0.1 pA/cm2通量电子辐照下平衡电位仅为-300 V，风险较小。因此，可通过增加3 mm 厚防护铝板的措施来降低高能电子通量，预防导电滑环在轨因充放电造成故障。

实验前后，导电滑环各回路电压降测试值均在0.3 V 左右，性能保持正常稳定，同时试件表面未发现损坏迹象。

3 结束语

通过实验研究了复杂结构体导电滑环的真空充放电效应，得到不同高能电子辐照通量下滑环的充放电特性，包括充电平衡电压、放电频率、放电脉冲幅值、放电持续时间等，可为驱动机构导电滑环的安全性设计提供必要的依据。

实验过程中导电滑环的性能测试数据均正常，说明目前导电滑环的设计状态具有一定的抗充放电效应能力。但本实验只能说明在短时间辐照中发生的放电对滑环工作性能没有影响，在轨长时间充放电对导电滑环的影响，以及导电滑环在轨工作中存在的磨屑、非金属挥发物等对充放电效应的影响值得进一步研究。