充放电的建立条件，表面充放电条件

1.表面充放电条件

运行于等离子体环境的空间系统，通过表面充电过程，使航天器与周围等离子体达到电平衡，即整个航天系统和独立的绝缘表面净电流为零。该平衡条件决定了航天器相对于周围等离子体的表面电压。航天器表面由导体和（或）绝缘材料组成。对导电表面而言，使整体达到电平衡；而对于绝缘材料，局部达到电平衡。表面充电电流如图3-7 所示。

当电子和正离子撞击在绝缘材料上时，会产生二次电子、反向散射电子。在太阳光照条件下，还会发射光电子。电流平衡公式如下［4］：

图3-7　表面充电电流［3］

式中：V 为相对于等离子体的表面电压，所有电流都是表面电压的函数；INET为航天器表面总电流；IE 为入射电子流；II 为入射离子流；ISE 为电子产生的二次发射电子流；ISI 为离子产生的二次发射电子流；IBSE 为电子产生的反向散射电子流；IPH 为太阳光照产生的光电子流；IAC 为主动控制发射电流。II、ISE、ISI、IBSE、IPH 为由离开表面的电子或入射离子产生的正电流；IE 为入射表面的电子产生的负电流，IAC 为主动控制发射电流，正负均可。

平衡条件下，净电流INET （V）为零。当平衡时，充电过程停止，航天器达到平衡充电水平，也称“漂浮电位”。当然，平衡是动态的，当入射离子能量和通量改变时，漂浮电位也随着变化。在空间环境中，电子和正离子密度几乎相等。但电子质量远小于离子，电子比离子运动速度快得多，电子流占主导作用，负电流远大于正电流。因此，一般情况下，航天器表面电位为负值，且负电位近似于电子温度。

2.深层充放电条件(www.xing528.com)

当航天器遭受长时间、持续、高通量的高能电子注入，能量大于100 keV时，在航天器介质材料内部就会沉积大量电荷，如果电荷的沉积速率大于泄放速率，材料内部场强就有可能达到材料的击穿电压阈值，随之深层放电就会发生。因此产生深层充放电效应的必要条件包括以下两个。

（1）轨道空间电子必须具备高通量、高能量、持续时间长三个要素，才会发生深层充电效应。目前可参考的定量标准有两个［2］。

①美国空军实验室（USAF）推荐预报和警报高能电子引发深层充电效应的判据如下。

卫星轨道上有能量E＞2 MeV 的高能电子，并且电子通量Φ 满足下列条件之一：

②NASA （美国国家航空航天局）于1999 年公布的设计手册“NASAHDBK-4002：Avoiding Problems Cause By Spacecraft On-orbit Internal Charging Effects”推荐的可能发生高能电子深层充电的判据为：故障前连续10 h 之内，E＞2 MeV 电子累计注量大于2×1010 e/cm2（电子电流＞0.1 pA/cm2）。

（2）介质材料的电荷沉积条件，主要包括材料电阻率、材料电容等。深层充电效应的产生，是由于电荷在介质材料中的沉积所致，并非只要存在上述的高能电子环境，就一定会产生内带电效应。深层充电效应是否产生及危害大小，还与产生效应的对象，即介质材料对电荷的沉积特性具有重要关系。

材料电阻率：任何物质，都具有一定电导率。由于电导率的存在，沉积到介质材料中的电荷，将具有一定的泄放速率，因此对电荷的沉积过程起到决定性作用，电导率越大，电荷沉积越困难；电导率越小，电荷沉积越容易，更容易产生内带电效应。介质材料的电子入射电流与泄放电流相等时，介质材料的充电过程达到平衡，也就是达到充电的最终状态。通常，真空环境下，当介质材料的电阻率小于1012 Ω·cm 量级时，便可使沉积电荷得到及时泄放，材料中局部电场难以达到105～106 V/cm 的击穿阈值，就可以有效降低内带电程度并抑制放电的发生。

材料电容：直接决定放电能量，也就决定了危害性大小。应用于高绝缘介质上的悬浮导体，当面积较大时，通常具有较大的电容。减小卫星上未接地的悬浮导体的面积，也就降低了其电容，对抑制悬浮导体的放电能量（也就是放电的危害程度）具有重要作用。