CN101275989A - 高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法 - Google Patents

高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法 Download PDF

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李凯
秦晓刚
王立
柳青
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Abstract

本发明公开了一种高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法，它包括建立模拟试验平台、将高压太阳阵样品置于模拟试验平台中诱发其表面静电放电、监测样品表面静电击穿阈值电压三个步骤；通过将高压太阳阵样品放置在地面模拟的GEO轨道最恶劣电子环境中，诱发高压太阳阵静电击穿现象的发生，确定静电击穿阈值电压和击穿瞬态脉冲波形，本发明利用电子辐照的方法在实验室里实现了静电击穿现象，为开展高压太阳阵样品静电击穿效应的研究提供了一个地面模拟的试验平台，非常适用于各类卫星大功率高压太阳阵静电放电及静电击穿效应的地面模拟试验，成功地解决了地面模拟试验样品小而影响试验结果的问题。

Description

高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法
技术领域
本发明涉及空间应用技术，具体地说是一种高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法。
背景技术
随着对空间能源系统要求的提高，未来航天器太阳电池阵电源系统将朝着大功率，高电压的趋势发展，然而工作电压的提高增加了太阳电池阵与空间带电环境的耦合机会，出现了由于空间静电放电(SESD)引起新的失效模式。鉴于静电放电(ESD)问题对同步轨道卫星产生的异常事件和故障以及造成太阳电池阵输出功率严重损失的情况，美国NASA的JPL、LaRc和LeRc以及欧空局和日本研究机构均投入大量人力、物力开展针对高压太阳电池阵损伤规律及防护技术的研究工作，空间高压太阳阵静电击穿效应是大功率卫星能源系统面临的主要问题。随着我国空间应用技术的不断发展，GEO轨道大功率高电压太阳阵必将被广泛采用，因此由静电击穿事件引起的GEO轨道高压太阳阵功率损失问题将成为我国空间电源设计者必须面对和解决的新课题。目前，我国对大功率卫星高压太阳阵静电击穿效应的认识还不够深入，因此缺乏有效的防护方法和设计手段，大大制约了大功率高压太阳阵在空间等离子体带电环境中的广泛应用。因此从模拟高压太阳阵静电击穿效应入手，开展高压太阳阵样品静电击穿效应地面模拟试验非常必要的，但是模拟试验主要存在着地面不能真实模拟空间等离子体带电环境以及真实尺寸空间高压太阳阵，而且高压太阳阵静电击穿效应是一种快速、随机的过程，很难选用一个正确有效的试验方法来开展高压太阳阵样品静电击穿效应地面模拟试验术研究。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法，它根据高压太阳阵工作原理和空间充电理论以及高压太阳阵的结构特点，利用电子辐照的方法在实验室里实现了静电击穿现象(二次放电现象)，为开展高压太阳阵样品静电击穿效应的研究提供了一个地面模拟的试验平台。
实现本发明目的的技术方案是：一种高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法，特点包括下列步骤：
1、建立模拟试验平台：在一密闭的空间内设有水平台和工作模拟及监测系统，水平台上置有绝缘垫，绝缘垫的上方设有电位计，束流测量探头设置在电位计上，束流测量探头的上方设有摄像头、地磁亚暴电子枪、模拟太阳光源；
2、将高压太阳阵样品放置于上述模拟试验平台中的绝缘垫上，空间抽真空，然后开启地磁亚暴电子枪、模拟太阳光源、工作模拟及监测系统，将空间模拟成GEO轨道最恶劣的电子环境，由电子束辐照样品表面，诱发其表面静电放电；
3、由工作模拟及监测系统监测高压太阳阵样品表面充电电位和放电脉冲电流，以及静电击穿阈值电压和击穿瞬态脉冲波形。
所述空间的真空度≤8.0×10-4Pa。
所述地磁亚暴电子枪的电子束流能量为0KeV～30KeV可调，电子束流密度为0～10.0nA/cm2可调。
所述工作模拟及监测系统包括电源、电流表、摄像头、束流测量探头、电位计、脉冲电流探针，电源的正、负两极分别接高压太阳阵样品的正、负两极，并在电路回路中串接和设置了电流表、接地电容、脉冲电流探针。
所述摄像头、束流测量探头、电位计、脉冲电流探针均由数据线接监视器。
所述电源提供高压太阳阵样品的工作电压为0V～200V可调，电流为0A～4.0A可调。
所述电位计为非接触表面电位计，其电位计量程为0V～±20000V。
本发明采用电子辐照方法，诱导高压太阳阵静电击穿现象的发生，它非常适用于各类卫星大功率高压太阳阵静电放电及静电击穿效应的地面模拟试验，成功地解决了地面模拟试验样品小而影响试验结果的问题。
附图说明
附图为本发明结构示意图
具体实施方式
参阅附图，建立模拟试验平台：在一密闭的空间10内设有水平台6和工作模拟及监测系统13，水平台6上置有绝缘垫5，绝缘垫5的上方设有电位计8，束流测量探头7设置在电位计8的上面，束流测量探头7的上方设有摄像头1、地磁亚暴电子枪2、模拟太阳光源3。工作模拟及监测系统13包括电源11、电流表A、摄像头1、束流测量探头7、非接触式表面电位计8、脉冲电流探针9，电源11的正、负两极分别接高压太阳阵样品4的正、负两极，并在电路回路中串接电流表A和接地的电容C，脉冲电流探针(9)设置在高压太阳阵样品4的电路回路中，摄像头1、束流测量探头7、电位计8、脉冲电流探针9均由数据线接监视器12，电源11为高压太阳阵样品4提供工作电压和电流，其电压为0V～200V可调，电流为0A～4.0A可调，非接触式表面电位计8，其电位计量程为0V～±20000V。将高压太阳阵样品4放置于上述模拟试验平台中的绝缘垫5上，空间10抽真空，使空间10内的真空度≤8.0×10-4Pa，然后开启地磁亚暴电子枪2、模拟太阳光源3以及工作模拟及监测系统13，电子束流密度调整为0.5nA/cm2，电子能量调整为14KeV，使空间10模拟成GEO轨道最恶劣的电子环境后，开始给太阳阵样品4提供工作电流和电压，工作电流设定为2.1A限制模式，工作电压由0V开始，每10分钟增加10V，加至200V，利用电子束辐照高压太阳阵样品4表面，诱发其表面静电放电事件，并由探头7测量太阳阵样品4表面的电子束流密度，非接触式表面电位计8、电流脉冲探针9分别测量高压太阳阵样品4的表面充电电位及表面放电脉冲电流，并由监视器12记录和存储，高压太阳阵样品4的表面放电现象则由CCD摄像头1记录监测，确定静电击穿阈值电压。

Claims (7)

1. 一种高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法，其特征在于包括下列步骤：
a.建立模拟试验平台：在一密闭的空间(10)内设有水平台(6)和工作模拟及监测系统(13)，水平台(6)上置有绝缘垫(5)，绝缘垫(5)的上方设有电位计(8)，束流测量探头(7)设置在电位计(8)上，束流测量探头(7)的上方设有摄像头(1)、地磁亚暴电子枪(2)、模拟太阳光源(3)；
b.将高压太阳阵样品(4)放置于上述模拟试验平台中的绝缘垫(5)上，空间(10)抽真空，然后开启地磁亚暴电子枪(2)、模拟太阳光源(3)、工作模拟及监测系统(13)，将空间(10)模拟成GEO轨道最恶劣的电子环境，由电子束辐照样品表面，诱发其表面静电放电；
c.由工作模拟及监测系统(13)监测高压太阳阵样品表面充电电位和放电脉冲电流，以及静电击穿阈值电压和击穿瞬态脉冲波形。
2. 根据权利要求1所述高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法，其特征在于所述空间(10)的真空度≤8.0×10-4Pa。
3. 根据权利要求1所述高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法，其特征在于所述地磁亚暴电子枪(2)的电子束流能量为0KeV～30KeV可调，电子束流密度为0～10.0nA/cm2可调。
4. 根据权利要求1所述高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法，其特征在于所述工作模拟及监测系统(13)包括电源(11)、电流表A、摄像头(1)、束流测量探头(7)、电位计(8)、脉冲电流探针(9)，电源(11)的正、负两极分别接高压太阳阵样品(4)的正、负两极，并在电路回路中串接和设置了电流表A、接地电容C、脉冲电流探针(9)。
5. 根据权利要求4所述高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法，其特征在于所述摄像头(1)、束流测量探头(7)、电位计(8)、脉冲电流探针(9)均由数据线接监视器。
6. 根据权利要求4所述高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法，其特征在于所述电源(11)提供高压太阳阵样品(4)的工作电压为0V～200V可调，电流为0A～4.0A可调。
7. 根据权利要求4所述高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法，其特征在于所述电位计(8)为非接触表面电位计，其电位计量程为0V～±20000V。
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