脈沖激光輻照充電材料誘導放電特性研究

陳一夫， 常 浩， 周偉靜， 于程浩

（航天工程大學 宇航科學與技術系 激光推進及應用國家重點實驗室， 北京 101400）

0 引言

航天器運行在空間環境復雜的外太空環境， 容易受到空間帶電粒子輻射造成損傷[1]。空間帶電粒子不斷聚集在航天器表面，由于材料和形狀的不同，不同位置充電速度不同，容易形成電位差，當電位差達到一定閾值時便會產生異常放電現象[2]。

Payan 提出了電勢差放電理論[3]，研究認為當太陽能電池絕緣材料充電到正電勢而導體材料充電到負電勢時，形成放電梯度，當電勢差達到一定閾值時，材料表面電子在電場的作用下會導致放電的產生。 在理論研究基礎上，國內外學者也展開了一系列實驗模擬研究。 Kazuhiro Toyoda 通過電子槍向太陽能電池表面噴射帶電粒子模擬太空環境誘導放電的產生， 實驗發現放電多發生在電池邊沿， 多次放電會導致太陽能電池輸出功率下降[4]。此外，超高速空間碎片撞擊產生的等離子體也會導致充電材料放電的產生。 國內的唐恩凌研究了高速碰撞太陽能電池陣產生等離子體誘發放電的碰撞實驗研究， 驗證了真空環境下速度介于2.4～2.6km/s 之間的高速碎片碰撞會導致放電的產生[5]。 由于放電是由于不同部位差異帶電以及外部誘發等離子體引起， 李宏偉通過搭建模擬航天器太陽電池材料表面不均勻充電狀態的實驗裝置驗證了激光誘導等離子體會在不同電勢差的材料之間引起放電[6]。

現有研究表明空間等離子體環境和碎片超高速撞擊產生的等離子體極易誘導充電材料放電的產生。 本文通過脈沖激光誘導等離子體研究充電材料的放電特性，通過實驗研究回答不同電勢差、 不同激光誘導能量導致的放電特性異同， 從而為等離子體誘導放電研究提供一種新的分析方法。

1 實驗設計

空間航天器充電材料如太陽能電池由于表面的不均勻充電累積電荷形成電勢差容易在表面形成放電， 研究此類放電現象，一般可使用電子槍，本實驗參考文獻[6]使用的梳妝電極結構，開展了相互間距為1mm 的金屬電極在激光誘導等離子體下的放電實驗， 通過高壓直流電源為電容進行充電，由互相隔離的電極連接在電容器兩端，由此來模擬航天器充電材料在軌道上由于不均勻充電導致的差異帶電情況。 實驗中利用脈沖激光器輻照電極之間誘導產生等離子體形成放電通道誘發放電。 實驗采用Nd：YAG 激 光 器， 激 光 波 長1064nm， 光 斑 直 徑 約 為500μm，脈沖寬度8ns，最大輸出能量可達100mJ。

實驗設計如圖1 所示，梳妝電極之間相互隔離，電容的兩端分別連接在梳妝電極兩端。在脈沖激光輻照前，先對電容進行充電， 充電完成后電容兩端電壓保持開路狀態，電荷分別累積在電極兩端。 當脈沖激光輻照過后，激光誘導電極與基板產生的等離子體在自身膨脹及電場作用下移動，等離子體屬于帶電粒子存在導電性，導致電極之間形成瞬間放電通道， 累積在電極上的電荷以及脈沖激光誘導產生的等離子體通過放電通道在電路中被消耗掉，放電產生的電流會在電阻兩端產生瞬間的電壓變化，通過高速數字示波器觸發模式捕捉存儲電阻兩端的電壓變化情況，然后根據歐姆定律即可換算得到電流變化。

圖1 實驗原理圖

2 實驗結果分析

2.1 激光能量對電流影響

放電電流的大小主要受到電極間差異電壓大小、脈沖激光能量大小的影響，為了研究電極電壓、和放電電流之間的關系， 首先在電壓一定的條件下通過改變脈沖激光能量大小來進行一系列的研究， 實驗結果如圖2 所示所示。

實驗結果發現， 放電電流峰值會隨著激光能量的升高而升高，且存在一個能量閾值，低于這個能量的脈沖激光能量無法誘導形成放電。 當脈沖激光能量達到4.55mJ時電極兩端開始形成放電，峰值僅為0.06A 左右。 進一步升高脈沖激光能量為9.48mJ， 放電電流峰值達到1.06A，43.55mJ 激光能量條件下電流峰值達到1.52A， 繼續升高到60.45mJ 激光能量時電流峰值幾乎保持不變， 放電持續時間越來越長。

在電極電壓保持在80V 的條件下， 不同脈沖激光能量誘導形成的放電情況不同。隨著脈沖激光能量的升高，超過閾值時實驗開始產生放電， 并且放電電流的電流峰值和放電時間隨著激光能量的升高而升高， 隨著激光能量達到一定水平，放電峰值開始放緩增長趨勢，峰值基本相同，但放電電流峰值保持持續增長。

以上的結果說明脈沖激光輻照誘導充電材料放電存在脈沖激光能量閾值，這個閾值在4.25mJ 左右。 當脈沖激光的能量超過能量閾值才會產生放電， 隨著脈沖激光能量的升高， 產生的放電電流峰值和持續時間隨之而增加，當脈沖激光能量繼續升高超過一定水平后，隨著激光能量的升高，電流峰值幾乎保持不變，電流峰值持續時間增加。

分析原因是因為當脈沖激光產生的等離子體在電極間形成后會在電極間電場作用下和自身膨脹下形成放電通道， 當等離子體濃度足以形成穩定的放電通道后由于電極間的電壓、相對位置均保持不變，所以放電電流峰值基本相同，由于脈沖激光能量的升高產生更多等離子體，形成的放電通道持續時間增長。

圖2 電極電壓80V 不同激光能量下的放電電流波形

2.2 電壓對放電電流影響

放電電流主要受到電極間電壓以及激光誘導等離子體濃度影響，為了研究電壓大小對脈沖激光誘導放電影響，設計4組不同電壓，同一激光能量下情況下的實驗。實驗結果如圖3 所示。

在激光能量保持為60.45mJ 一定的條件下，電極電壓由20V增加到80V 的過程中，放電電流峰值會隨著脈沖激光能量的升高而升高，放電時間保持不變，都維持在20μs 左右。當電極電壓為20V 時產生的放電峰值僅為0.36A，隨著激光能量進一步的增加會導致放電電流峰值的增加，當電極間電壓達到80V 時，放電電流峰值達到1.58A。

圖3 不同電壓條件下放電電流波形

分析原因是因為當脈沖激光產生的等離子體在電極間生成后， 由于等離子體的運動主要受到電場的作用以及等離子體的自身膨脹，而電極間電壓越高，意味著累積在電極兩端的電荷量越多， 在充足的等離子體形成放電通道后會導致放電產生的電流值越大， 而放電時間保持不變說明了電極之間電場的作用對等離子體誘導放電的持續時間影響很小。

3 結論

綜合實驗結果分析，得出以下結論：脈沖激光輻照帶電電極會誘導放電的產生， 且存在產生放電的激光能量閾值，實驗中的放電閾值在4.25mJ 左右，放電電流峰值和持續時間會隨著激光能量的升高而升高； 脈沖激光輻照帶電電極誘導形成放電的電流峰值主要受到電極之間累積的電荷量影響，電荷累積越多產生的電流峰值越大。放電電流持續時間主要受到脈沖激光能量的影響， 能量越高形成的等離子體濃度和持續時間越長導致形成的放電通道持續時間越長，從而導致放電時間越長。