脉冲激光辐照充电材料诱导放电特性研究

陈一夫， 常 浩， 周伟静， 于程浩

（航天工程大学 宇航科学与技术系 激光推进及应用国家重点实验室， 北京 101400）

0 引言

航天器运行在空间环境复杂的外太空环境， 容易受到空间带电粒子辐射造成损伤[1]。空间带电粒子不断聚集在航天器表面，由于材料和形状的不同，不同位置充电速度不同，容易形成电位差，当电位差达到一定阈值时便会产生异常放电现象[2]。

Payan 提出了电势差放电理论[3]，研究认为当太阳能电池绝缘材料充电到正电势而导体材料充电到负电势时，形成放电梯度，当电势差达到一定阈值时，材料表面电子在电场的作用下会导致放电的产生。 在理论研究基础上，国内外学者也展开了一系列实验模拟研究。 Kazuhiro Toyoda 通过电子枪向太阳能电池表面喷射带电粒子模拟太空环境诱导放电的产生， 实验发现放电多发生在电池边沿， 多次放电会导致太阳能电池输出功率下降[4]。此外，超高速空间碎片撞击产生的等离子体也会导致充电材料放电的产生。 国内的唐恩凌研究了高速碰撞太阳能电池阵产生等离子体诱发放电的碰撞实验研究， 验证了真空环境下速度介于2.4～2.6km/s 之间的高速碎片碰撞会导致放电的产生[5]。 由于放电是由于不同部位差异带电以及外部诱发等离子体引起， 李宏伟通过搭建模拟航天器太阳电池材料表面不均匀充电状态的实验装置验证了激光诱导等离子体会在不同电势差的材料之间引起放电[6]。

现有研究表明空间等离子体环境和碎片超高速撞击产生的等离子体极易诱导充电材料放电的产生。 本文通过脉冲激光诱导等离子体研究充电材料的放电特性，通过实验研究回答不同电势差、 不同激光诱导能量导致的放电特性异同， 从而为等离子体诱导放电研究提供一种新的分析方法。

1 实验设计

空间航天器充电材料如太阳能电池由于表面的不均匀充电累积电荷形成电势差容易在表面形成放电， 研究此类放电现象，一般可使用电子枪，本实验参考文献[6]使用的梳妆电极结构，开展了相互间距为1mm 的金属电极在激光诱导等离子体下的放电实验， 通过高压直流电源为电容进行充电，由互相隔离的电极连接在电容器两端，由此来模拟航天器充电材料在轨道上由于不均匀充电导致的差异带电情况。 实验中利用脉冲激光器辐照电极之间诱导产生等离子体形成放电通道诱发放电。 实验采用Nd：YAG 激 光 器， 激 光 波 长1064nm， 光 斑 直 径 约 为500μm，脉冲宽度8ns，最大输出能量可达100mJ。

实验设计如图1 所示，梳妆电极之间相互隔离，电容的两端分别连接在梳妆电极两端。在脉冲激光辐照前，先对电容进行充电， 充电完成后电容两端电压保持开路状态，电荷分别累积在电极两端。 当脉冲激光辐照过后，激光诱导电极与基板产生的等离子体在自身膨胀及电场作用下移动，等离子体属于带电粒子存在导电性，导致电极之间形成瞬间放电通道， 累积在电极上的电荷以及脉冲激光诱导产生的等离子体通过放电通道在电路中被消耗掉，放电产生的电流会在电阻两端产生瞬间的电压变化，通过高速数字示波器触发模式捕捉存储电阻两端的电压变化情况，然后根据欧姆定律即可换算得到电流变化。

图1 实验原理图

2 实验结果分析

2.1 激光能量对电流影响

放电电流的大小主要受到电极间差异电压大小、脉冲激光能量大小的影响，为了研究电极电压、和放电电流之间的关系， 首先在电压一定的条件下通过改变脉冲激光能量大小来进行一系列的研究， 实验结果如图2 所示所示。

实验结果发现， 放电电流峰值会随着激光能量的升高而升高，且存在一个能量阈值，低于这个能量的脉冲激光能量无法诱导形成放电。 当脉冲激光能量达到4.55mJ时电极两端开始形成放电，峰值仅为0.06A 左右。 进一步升高脉冲激光能量为9.48mJ， 放电电流峰值达到1.06A，43.55mJ 激光能量条件下电流峰值达到1.52A， 继续升高到60.45mJ 激光能量时电流峰值几乎保持不变， 放电持续时间越来越长。

在电极电压保持在80V 的条件下， 不同脉冲激光能量诱导形成的放电情况不同。随着脉冲激光能量的升高，超过阈值时实验开始产生放电， 并且放电电流的电流峰值和放电时间随着激光能量的升高而升高， 随着激光能量达到一定水平，放电峰值开始放缓增长趋势，峰值基本相同，但放电电流峰值保持持续增长。

以上的结果说明脉冲激光辐照诱导充电材料放电存在脉冲激光能量阈值，这个阈值在4.25mJ 左右。 当脉冲激光的能量超过能量阈值才会产生放电， 随着脉冲激光能量的升高， 产生的放电电流峰值和持续时间随之而增加，当脉冲激光能量继续升高超过一定水平后，随着激光能量的升高，电流峰值几乎保持不变，电流峰值持续时间增加。

分析原因是因为当脉冲激光产生的等离子体在电极间形成后会在电极间电场作用下和自身膨胀下形成放电通道， 当等离子体浓度足以形成稳定的放电通道后由于电极间的电压、相对位置均保持不变，所以放电电流峰值基本相同，由于脉冲激光能量的升高产生更多等离子体，形成的放电通道持续时间增长。

图2 电极电压80V 不同激光能量下的放电电流波形

2.2 电压对放电电流影响

放电电流主要受到电极间电压以及激光诱导等离子体浓度影响，为了研究电压大小对脉冲激光诱导放电影响，设计4组不同电压，同一激光能量下情况下的实验。实验结果如图3 所示。

在激光能量保持为60.45mJ 一定的条件下，电极电压由20V增加到80V 的过程中，放电电流峰值会随着脉冲激光能量的升高而升高，放电时间保持不变，都维持在20μs 左右。当电极电压为20V 时产生的放电峰值仅为0.36A，随着激光能量进一步的增加会导致放电电流峰值的增加，当电极间电压达到80V 时，放电电流峰值达到1.58A。

图3 不同电压条件下放电电流波形

分析原因是因为当脉冲激光产生的等离子体在电极间生成后， 由于等离子体的运动主要受到电场的作用以及等离子体的自身膨胀，而电极间电压越高，意味着累积在电极两端的电荷量越多， 在充足的等离子体形成放电通道后会导致放电产生的电流值越大， 而放电时间保持不变说明了电极之间电场的作用对等离子体诱导放电的持续时间影响很小。

3 结论

综合实验结果分析，得出以下结论：脉冲激光辐照带电电极会诱导放电的产生， 且存在产生放电的激光能量阈值，实验中的放电阈值在4.25mJ 左右，放电电流峰值和持续时间会随着激光能量的升高而升高； 脉冲激光辐照带电电极诱导形成放电的电流峰值主要受到电极之间累积的电荷量影响，电荷累积越多产生的电流峰值越大。放电电流持续时间主要受到脉冲激光能量的影响， 能量越高形成的等离子体浓度和持续时间越长导致形成的放电通道持续时间越长，从而导致放电时间越长。