(57)【要約】【課題】この真空アーク放電発生方法は，誘電体の所定の場所に放電を迅速に発生させ，誘電体に与える放電影響，誘電体の放電発生のし易い領域等を検出する。【解決手段】この真空アーク放電発生方法は，真空環境を模擬した真空チャンバ１内に太陽電池セル等の誘導体を模擬したクーポン２を配設し，クーポン２に対して相対移動可能な隔置状態の２本の針電極５を接触させ，針電極５間に高電圧パルスを印加してクーポン２の表面上に沿面放電を発生させ，クーポン２の領域に発生した沿面放電によりプラズマ状態を発生させ，クーポン２に対してプラズマを介して真空アーク放電を誘発させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機器の帯電可能な誘電体に対して真空中でアーク放電を発生させる真空アーク放電発生方法において，
前記誘導体の表面に対して相対移動可能な隔置状態の２本の針電極を配設し，前記誘導体の前記表面に直接又は間接的に接触させ，前記針電極間に高電圧パルスを印加して前記針電極間の前記誘導体表面上に沿面放電を発生させ，前記誘電体に対して前記沿面放電により生じたプラズマを介して真空アーク放電を誘発させることを特徴とする真空アーク放電発生方法。
【請求項２】
前記誘電体と前記針電極との間に，放熱機能を持ち且つ保護機能を有するカバーガラス等の絶縁体を介在させることを特徴とする請求項１に記載の真空アーク放電発生方法。
【請求項３】
前記針電極間に印加する前記高電圧は，昇圧器で高電圧にされた数１０ｋＶであることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空アーク放電発生方法。
【請求項４】
前記電気機器は宇宙環境を模擬した真空チャンバ内に収容された人工衛星に取付け可能な太陽電池アレイの太陽電池セルであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の真空アーク放電発生方法。
【請求項５】
前記針電極間に前記高電圧パルスを印加することにより，前記針電極と前記誘電体又は前記誘電体上のカバーガラスとの間に放電が発生して前記誘電体又は前記カバーガラス上に前記沿面放電が発生し，次いで，前記沿面放電によりプラズマ状態になり，前記プラズマを介して前記誘電体の前記太陽電池セルと前記真空チャンバの壁との間に真空アーク放電が発生することを特徴とする請求項４に記載の真空アーク放電発生方法。
【請求項６】
前記放電状態は，前記真空チャンバの外側に設置した赤外線光の照射で監視範囲を強制的に明るく映し出すＩＲカメラによって，前記真空チャンバに設けた監視用窓を通して撮影できることを特徴とする請求項４又は５に記載の真空アーク放電発生方法。
【請求項７】
前記針電極を前記誘電体に対して相対移動させ，前記誘電体に対して真空アーク放電を発生させるべき予め決められた所定の領域に前記針電極を設定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の真空アーク放電発生方法。
【請求項８】
前記針電極間に前記高電圧パルスを印加して前記誘電体に対して前記真空アーク放電を発生させ，前記誘電体の前記領域における放電影響及び／又は蓄積電荷量を検出することを特徴とする請求項７に記載の真空アーク放電発生方法。
【請求項９】
前記針電極を前記誘電体に対して相対移動させて前記針電極間に前記高電圧パルスを印加して前記誘電体に対して前記真空アーク放電が発生し易い領域を検出することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の真空アーク放電発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は，例えば，宇宙を周回する人工衛星に搭載される太陽電池アレイに発生する放電現象による太陽電池の損傷低減を計るため，太陽電池アレイの表面の放電現象による影響等の情報を検出するための真空アーク放電発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，人工衛星等の宇宙機では，大電力を必要とするようになり，それに伴って使用する電力は高電圧化となってきている。そのため，人工衛星に搭載されている太陽電池アレイにおいて，放電現象が頻繁に起こるようになってきた。太陽電池アレイの放電による事故を防ぐため，現在，宇宙機の打ち上げ前に太陽電池アレイに対して発生する放電現象，その影響等の地上試験を行っている。太陽電池アレイを地上試験する場合に，宇宙機の軌道環境を考慮して，太陽電池アレイの太陽電池セルの誘電体を模擬したクーポンを作製し，該クーポンに対して電子ビーム又はプラズマを用いて帯電放電試験を行っている。電子ビームを用いた帯放電試験では，クーポンに対する放電発生頻度が低いため，放電試験の所要時間が長くなっているのが現状である。また，太陽電池アレイに対する放電は，太陽電池アレイにおける誘電体が帯電している所，即ち，至る所で発生するため任意の場所で放電を発生させることは難しい。誘電体に対してプラズマを用いて放電を発生させる場合には，放電頻度は高くなるが，誘電体の予め決められた所定の位置で放電を発生させる制御は困難である。
【０００３】
一般に，宇宙環境を模擬した真空中での誘電体のクーポンに対する放電試験では，プラズマや電子ビームを用いて誘電体を帯電させる自動的な方法がとられている。能動的な方法としては，細い抵抗線に電流を流し，焼き切れる時に発生するプラズマを用いる方法があるが，１回放電したら抵抗線を交換する必要があった。
【０００４】
従来，宇宙用太陽電池アレイは知られている。該太陽電池アレイは，基板上に設けられたインターコネクタによって接続された多数の太陽電池セルと，これらの太陽電池セル上に接合された透明性を有するカバー部材とを備え，カバー部材の表面を透明性を有する導電膜で被覆し，該導電膜とインターコネクタとを電気的に接続したものである（例えば，特許文献１参照）。
【０００５】
また，三相交流を用いたプラズマ発生装置が知られている。該プラズマ発生装置は，長さが１ｍを越えるフィラメント励起長尺のものであり，安価な電源によって空間的，時間的に一様なプラズマ密度を実現できるものであり，３本１組の３ｍの直線状フィラメントを，組をなす３本のフィラメントが正三角形をなすようにチャンバの長手方向に張り，組をなす３本のフィラメントの一端を三相交流の３つの端子に接続し，他端は纏めてアーク電源に接続したものである（例えば，特許文献２参照）。
【０００６】
また，人工衛星等の宇宙空間飛翔体に搭載する太陽電池電源装置が知られている。該太陽電池電源装置は，太陽フレアに含まれる太陽プロトンによる放射線を検出する複数の放射線検出器と，太陽フレアが発生しない時は太陽電池電源装置の出力に基づいて太陽電池アレイの受光面の向きを放射線の被曝を最小とする方向に駆動する太陽電池アレイ駆動装置とを備えたものである（例えば，特許文献３参照）。
【０００７】
また，処理レートの速い沿面放電を用いた被処理体へのダメージが少ない表面処理装置が知られている。該沿面放電を用いた表面処理装置は，誘電体を挟んで配置された第１の電極及び第２の電極を含む沿面放電用の電極を有する。第１の電極には，交流電源が接続され，接地された第２の電極は開口を有する。開口近傍の領域に沿面放電を誘起して，該沿面放電により生成された活性種により，第２の電極と対向して近接配置された被処理体の表面を処理するものである（例えば，特許文献４参照）。
【特許文献１】特開昭６１−２０２４７５号公報
【特許文献２】特開２０００−１２２８２号公報
【特許文献３】特開平６−８８９４号公報
【特許文献４】特開平９−１８６１３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら，誘電体に対して真空中でアーク放電を発生させる場合に，誘電体を帯電させて，電子ビームやプラズマを用いて偶発的に放電が発生するのを待つ必要があり，誘電体の特定の場所で所定の時間に放電を発生させることができないため，放電試験の効率が悪かった。ところで，放電は，太陽電池アレイ上のあらゆる場所で発生する可能性があるが，太陽電池アレイにおける放電発生場所が太陽電池アレイに与える影響を評価するには，多くの箇所で放電を発生させなければならず，誘電体に多数回の放電をさせるために長期間を要することになり，放電試験の所要期間は長くなるものである。これらを改善するため，太陽電池アレイ等の電気機器に対して，誘電体の予め決められた所定の位置，所定の時間に放電を発生させることができる放電試験装置が望まれている。
【０００９】
この発明の目的は，上記の問題を解決するため，太陽電池アレイ等の電気機器の誘電体に対して真空アーク放電を発生させるために，例えば，電子ビーム銃やプラズマ源といった大がかりな装置を必要とせず，誘電体の予め決められた所定の場所で所定の時間に放電を発生させることができ，それによって誘電体に与える放電影響，誘電体の放電の発生し易い領域，誘電体に対して帯電し易い領域を検出すると共に，放電試験を迅速に短時間で且つ安価に達成でき，また，それらの情報に伴って誘電体の構造を改良する情報を確保することができる真空アーク放電発生方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は，電気機器の帯電可能な誘電体に対して真空中でアーク放電を発生させる真空アーク放電発生方法において，前記誘導体の表面に対して相対移動可能な隔置状態の２本の針電極を配設し，前記誘導体の前記表面に直接又は間接的に接触させ，前記針電極間に高電圧パルスを印加して前記針電極間の前記誘導体表面上に沿面放電を発生させ，前記誘電体に対して前記沿面放電により生じたプラズマを介して真空アーク放電を誘発させることを特徴とする真空アーク放電発生方法に関する。
【００１１】
この真空アーク放電発生方法は，前記誘電体と前記針電極との間に，放熱機能を持ち且つ保護機能を有するカバーガラス等の絶縁体を介在させることができる。
【００１２】
また，この真空アーク放電発生方法において，前記針電極間に印加する前記高電圧は，昇圧器で高電圧にされた数１０ｋＶである。
【００１３】
また，この真空アーク放電発生方法では，前記電気機器は宇宙環境を模擬した真空チャンバ内に収容された人工衛星に取付け可能な太陽電池アレイの太陽電池セルである。
【００１４】
また，この真空アーク放電発生方法は，前記針電極間に前記高電圧パルスを印加することにより，前記針電極と前記誘電体又は前記誘電体上のカバーガラスとの間に放電が発生して前記誘電体又は前記カバーガラス上に前記沿面放電が発生し，次いで，前記沿面放電によりプラズマ状態になり，前記プラズマを介して前記誘電体の前記太陽電池セルと前記真空チャンバの壁との間に真空アーク放電が発生するものである。
【００１５】
また，この真空アーク放電発生方法は，前記針電極を前記誘電体に対して相対移動させ，前記誘電体に対して真空アーク放電を発生させるべき予め決められた所定の領域に前記針電極を設定することができる。更に，この真空アーク放電発生方法は，前記針電極間に前記高電圧パルスを印加して前記誘電体に対して前記真空アーク放電を発生させ，前記誘電体の前記領域における放電影響及び／又は蓄積電荷量を検出することができるものである。
【００１６】
また，この真空アーク放電発生方法は，前記針電極を前記誘電体に対して相対移動させて前記針電極間に前記高電圧パルスを印加して前記誘電体に対して前記真空アーク放電が発生し易い領域を検出することができるものである。
【００１７】
また，この真空アーク放電発生方法において，前記放電状態は，前記真空チャンバの外側に設置した赤外線光の照射で監視範囲を強制的に明るく映し出すＩＲカメラによって，前記真空チャンバに設けた監視用窓を通して撮影できるものである。
【発明の効果】
【００１８】
この真空アーク放電発生方法は，上記のように構成されているので，太陽電池アレイとうの電気機器の誘電体に対して，真空アーク放電を発生させるための電子ビーム，プラズマ銃等の大掛かりな装置を必要とせず，誘電体の予め決められた所定の場所，所定の時間に短時間に且つ安価に真空アーク放電を発生させ，誘電体に与える放電影響等の情報を検出し，その情報に基づいて太陽電池アレイ等の電気機器の改良に寄与させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下，図面を参照して，この発明による真空アーク放電発生方法の実施例について説明する。この発明による真空アーク放電発生方法は，本来，帯電可能な太陽電池アレイ等の電気機器の誘電体として作製したクーポン２に対して，宇宙環境を模擬した真空チャンバ１内にクーポン２を配設し，誘電体のクーポン２に真空中でアーク放電を容易に且つ安価に発生させることを特徴としている。宇宙を飛翔する宇宙器に搭載された太陽電池アレイは，その誘電体に宇宙からの光等が当たると，帯電して太陽電池アレイと電極との間に放電することがあり，太陽電池アレイの破損や故障の原因になっている。そこで，この真空アーク放電発生方法は，太陽電池アレイ等の電気機器に対して，電気機器の誘電体の帯電し易い領域，誘電体が帯電状態或いは無帯電状態で放電した時の放電影響等を検証するのに適用できるものである。太陽電池アレイは，基板上に設けられたインターコネクタによって接続された多数の太陽電池セルから構成されている。
【００２０】
この真空アーク放電発生方法は，主として，真空雰囲気即ち真空環境を模擬した真空チャンバ１内の真空中に，太陽電池アレイ等の電気機器の誘電体として作製した試験試料のクーポン２を配設し，クーポン２に２本の針電極５を間接的／直接的に強制的に接触させ，針電極５間に電源４から供給される電力を昇圧器７によって昇圧した高電圧パルスを印加し，針電極５間に印加された高電圧パルスによって針電極５間にクーポン２の表面に沿って沿面放電を発生させ，該沿面放電によってその領域にプラズマを発生させ，次いで，プラズマを通じてクーポン２と真空チャンバ１の壁との間で短絡させ，誘電体のクーポン２に真空アーク放電を誘発させることを特徴としている。この時に，針電極５は，例えば，その径が０．２ｍｍ程度である。また，２本の針電極５は，予め決められた所定の距離，例えば，０．１ｍｍ程度に隔置状態に保持して針電極５同士が接触しないように設置されている。
【００２１】
また，この真空アーク放電発生方法は，クーポン２と針電極５との間には，放熱機能と保護機能を有するカバーガラス３等の絶縁体を介在させることができる。カバーガラス３を針電極５とクーポン２との間に介在させることによって，不要な光を反射させ，放電に寄与しないようにすることができる。この真空アーク放電発生方法は，クーポン２と針電極５との間にカバーガラス３を介在させた場合には，沿面放電はカバーガラス３の表面に沿って発生することになる。この真空アーク放電発生方法では，クーポン２として，太陽電池アレイにおける太陽電池セルとその両側に配置されている電極（図示せず）から構成したものを使用している。カバーガラス３をクーポン２と針電極５との間に介在させる場合には，カバーガラス３側の電極を櫛歯状に配列させることが好ましい。針電極５は，クーポン２即ち放電対象物にカバーガラス３等の絶縁体が介在している時には，絶縁体上に配置し，絶縁体と針電極５とを一体化した組立体として沿面放電発生装置として使用することができ，放電対象物の放電をさせたい箇所に配置して放電を発生させることができる。カバーガラス３としては，例えば，その板厚が略１００μｍである。太陽電池セルは，その板厚がカバーガラス３と同様に略１００μｍである。
【００２２】
この真空アーク放電発生方法は，針電極５を誘電体のクーポン２に対して相対移動させ，クーポン２に対して真空アーク放電を発生させるべき予め決められた所定の場所を選定できるように構成されている。即ち，この真空アーク放電発生方法は，誘電体のクーポン２に対して放電を発生させたい部位に針電極５を設置するものであり，従って，針電極５はクーポン２の全領域に対して相対移動できるように設置することが必要である。針電極５は，図１に示すように，電極支持棒１０，１１によって支持されている。そこで，電極支持棒１０，１１をクーポン２に対して三次元的に相対移動できるように，従来周知の直動案内軸受，Ｘ−Ｙ−Ｚ軸及び回転軸等からなる位置決め装置等を用いて設置することが好ましいものである。実験室等では，手動で針電極５又はクーポン２を相対移動させればよいことは勿論である。
【００２３】
また，この真空アーク放電発生方法において，針電極５間に印加する高電圧は，例えば，昇圧器７で高圧にされた数１０ｋＶを使用することができる。昇圧器７は，電源４からの電力をスイッチ６の断接で付勢することができる。また，この真空アーク放電発生方法を達成する真空アーク放電発生装置は，宇宙環境を模擬した真空チャンバ１内に収容された太陽電池セルを模擬した試料即ちクーポン２であり，クーポン２と針電極５との間に介在された絶縁体はカバーガラス３を使用したものである。
【００２４】
また，この真空アーク放電発生方法において，放電は，まず，カバーガラス３に接触させた針電極５間が印加されると，カバーガラス３の表面に沿面放電が発生し，次いで，クーポン２とカバーガラス３との間に発生し，その領域がプラズマ状態になり，そこで，プラズマを介して即ち通じて放電が帯電しているクーポン２と真空チャンバ１の壁に達し，真空アーク放電が発生する。即ち，この真空アーク放電発生方法は，沿面放電により生じたプラズマを介してクーポン２に真空アーク放電を誘発することによって，クーポン２即ち太陽電池セルにおける真空アーク放電の発生領域に与える影響等の情報を検出することができることになる。太陽電池セルがアーク放電をする時には，太陽電池セルの外周端面近傍で発生するので，この真空アーク放電発生方法では，針電極５をクーポン２の周端縁に沿って相対移動させ，放電し易い箇所を検出することができ，また，放電による影響を検証することができる。
【００２５】
この真空アーク放電発生方法では，放電は，真空チャンバ１の外側に設置した赤外線光の照射で監視範囲を強制的に明るく映し出すＩＲカメラ９によって真空チャンバ１に設けた監視用窓８を通して撮影できるものであり，ＩＲカメラ９で撮像された情報はコンピュータ／パソコン１３で処理され，例えば，図３に示すように意図的に発生させた放電電流・電圧波形を検出することができる。更に，この真空アーク放電発生方法は，針電極５間に高電圧パルスを印加してクーポン２に対して真空アーク放電を発生させるので，クーポン２に対してその領域における放電影響及び／又は蓄積電荷量を検出することができる。また，この真空アーク放電発生方法は，針電極５をクーポン２に対して相対移動させて針電極５間に高電圧パルスを印加してクーポン２に対して真空アーク放電が発生させるので，クーポン２の真空アーク放電の発生し易い領域を検出することができるものである。
【００２６】
−実験概要−
この真空アーク放電発生方法は，針電極５の高電圧パルスの印加によりカバーガラス３の面が帯電すると，太陽電池セル２とカバーガラス３面で逆電位勾配が発生する。そして，電界放出によりインタコネクタから電子が飛びだし，その電子がカバーガラス３の側面をたたき衝突二次電子と脱ガスを発生させてカバーガラス３の側面が帯電する。これにより電界がさらに強くなり，カバーガラス３とクーポン２の間で絶縁破壊が起き，第一の放電が発生すると考えられている。次いで，第一の放電によって宇宙機と宇宙空間のキャパシタンスに蓄えられていた電荷が放電され，次に，放電箇所以外のカバーガラス３に蓄えられていた電荷も放電することになる。
【００２７】
カバーガラス３とクーポン２の間で起きる第一の放電を発生させることにより，これに続く放電を発生させることができると考えた。そこで，放電を発生させたい場所で意図的にプラズマを発生させ，放電を誘発させる放電発生手法を開発した。その手法として，図１に示すように，針電極５に昇圧器７を用いて高電圧をかけ，カバーガラス３の表面に沿って沿面放電を発生させるようにする。本実験では，真空チャンバ１内に太陽電池クーポン２を設置し，宇宙環境を模擬したものである。図１に示すこの真空アーク放電発生方法を達成させる実験装置では，太陽電池アレイには，至る所に真空アーク放電の電源部１２となる帯電して電荷が蓄積されるので，それを模擬するため，コンデンサＣｅｘｔは，実際の大きさの太陽電池アレイを真空チャンバ１内に入れることはできないため，他のカバーガラス３に蓄えられる電荷を模擬する。また，高電圧電源Ｖｂｉａｓにより周辺プラズマに対する人工衛星の電位を模擬する。放電が発生すると，コンデンサＣｅｘｔから電子が放出され，太陽電池アレイを模擬したクーポン２を通り，放電プラズマを介して真空チャンバ１の壁に達し，グラウンドへ電流が流れる。この電流（ブローオフ電流）を電流プローブで測定し，放電が発生したのを確認する。また，真空チャンバ１内で発生した放電を，ＩＲカメラ９を用いて監視用窓８から撮影した。ＩＲカメラ９で撮影した情報は，コンピュータ／パソコンで処理し，電圧／電流の波形を得ることができる。
【００２８】
太陽電池クーポン２の予め決められた所定の位置即ち任意の位置で放電を発生させるために，２本の針電極５としてタングステンを用い，放電させたい位置にその針電極５を２本の針電極５同士が接触しないように，略０．１ｍｍ程度に隔置状態で設置する。予め決められた時間，即ち，任意の時間に昇圧器７のスイッチ６を入れ，電源４からの電力で高電圧パルスを発生させ，放電を発生させた。
【００２９】
この真空アーク放電発生方法についての実験結果は，実験により取得した放電波形の一例を図３に示す。図３において，横軸に経過時間（μＳ），縦軸に電圧波形（ｋＶ）と電流波形（Ａ）をとり，電圧波形を符号ＶＰの波形で示し，電流波形を符号ＣＰの波形で示しており，特に，符号ＥＤの領域において真空アーク放電が発生した状態を確認することができる。バイアス電圧Ｖｂｉａｓが０Ｖに急激に上がると同時に，ブローオフ電流が流れたことが確認できる。即ち，昇圧器７により高圧をかけることで，宇宙環境を模擬した真空チャンバ１内の真空中で任意の位置，時間で放電を発生させることができた。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
この発明による真空アーク放電発生方法は，例えば，太陽電池アレイの太陽電池セル等の電気機器に対して，沿面放電を発生させてプラズマ状態を発生させ，プラズマを介して真空アーク放電を発生させ，太陽電池セル等の電気機器に対する放電影響等の情報を検出するための放電試験，真空放電に適用して好ましいものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明による真空アーク放電発生方法を達成するための真空アーク放電発生装置の回路図の一実施例を示す説明図である。
【図２】図１の回路図における針電極とカバーガラスの関係を示す説明図である。
【図３】この真空アーク放電発生方法によって得たアーク放電の電圧と電流の波形の一例を示す放電波形図である。
【符号の説明】
【００３２】
１      真空チャンバ
２      太陽電池クーポン
３      カバーガラス
４      電源
５      針電極
６      スイッチ
７      昇圧器
８      監視用窓
９      ＩＲカメラ
１０    電極支持棒
１１    電極支持棒
１２    真空アーク放電の電源部
１３    コンピュータ／パソコン
【図１】
2008210733.tif 000003
【図２】
2008210733.tif 000004
【図３】
2008210733.tif 000005