介质带电平衡模式的二次电子发射暂态特性

针对空间微放电效应中介质材料的带电状态对二次电子发射的复杂影响,文章采用数值模拟的方法,首次从带电平衡模式的角度研究了介质材料受电子照射后的二次电子动态发射特性。数值模拟模型结合了蒙特卡罗方法和时域有限差分方法,考虑了弹性和非弹性碰撞的电子散射过程,以及迁移、扩散和捕获等作用的电荷输运过程。通过对带电状态平衡模式的划分,研究了介质二次电子发射及带电状态的暂态变化、微观分布、稳态特性。研究结果表明：介质表面的带电过程可以根据介质表面电流的变化程度分为二次电子平衡模式、泄漏电流平衡模式及共同模式;二次电子平衡模式下样品呈现表面带电状态,而泄漏电流模式下呈现深层带电状态。泄漏电流平衡模式转向二次电子平衡模式过程中,稳态二次电子产额增加,表面负电位增强;总电荷量和平衡时间常数由于平衡模式的改变呈现相反的变化趋势。研究方法和结果有助于介质二次电子的机理研究和微放电效应的工程抑制技术。     

考虑低能电子影响的二次电子修正模型

随着微放电效应研究的不断深入,低能电子影响在微放电过程中越来越不可忽视。当前常用的微放电模型在处理低能电子问题上具有一定的局限性,为了精确模拟这一过程,在深入研究二次电子和背散射电子发射理论的基础上,分别针对材料表面条件不同引起的二次电子发射系数不确定性、低能电子的背散射系数以及电子入射角等问题进行了分析和讨论,并在此基础上建立了一个二次电子发射模型,最后通过数值计算讨论了模型的正确性和适用范围。这一模型同时考虑材料表面条件参数、低能电子的背散射系数以及入射角等因素影响,能够兼容较低能量电子的二次发射,提升微放电数值模拟的精确度和适用性,为微放电数值模拟的发展起到推进作用。     

材料次级电子发射特性对表面充电影响的数值计算研究

表面充电是最早被人们发现的空间环境效应, 是由空间环境引起的航天器异常和故障的主要诱因之一. 采用较精确的金属二次电子发射公式和局部电流平衡模型, 在无光照的情况下, 对不同表面材料及不同几何形体的航天器表面充电电位进行计算, 并绘制了表面材料的充电电位与最大二次电子发射系数之间的关系曲线. 根据数值计算结果及次级电子发射系数和曲线图得知, 航天器阴面充电电位与表面材料的原子序数、最大二次电子发射系数和入射离子引起的次级发射系数均有关. 该计算对航天器表面材料的选取和设计工艺有一定的参考价值.      

电介质材料的二次电子发射动态特性研究

介质材料的动态特性是二次电子发射特性研究中的重要组成部分。通过数值模拟方法建立有效二次电子收集效率模型,可研究多种测量参数对介质动态特性的共同作用。模拟结果表明,空间电场和收集极结构对有效二次电子收集极效率的影响有一定相关性,收集极电位增大能提高有效二次电子收集效率,而动态过程中的半高宽时间则线性增加。另外收集极结构变化能够影响空间电场的作用效果。二者通过直接影响收集效率,间接改变表面电荷积累来引起动态特性的变化。入射束流则可直接影响表面电荷积累速度,使得半高宽时间线性增加或减小。研究结果对于揭示介质材料带电产生的动态过程以及指导实验准确测量二次电子发射系数具有科学意义。     

三维规则形貌影响下的二次电子发射特性研究

通过人工加工出特定的表面形貌来调控材料的二次电子发射特性已在诸多领域得到应用。规则表面形貌易于揭示抑制规律和影响机制对二次电子发射特性的影响，同时采用光刻、等离子刻蚀等工艺可以较好地实现特定设计的规则形貌，因此，在抑制微放电的研究初期或原理性试验验证过程中多采用定制的规则表面形貌。基于提出的电子与表面形貌相互作用的多代模型，以三维圆柱孔为例，采用蒙特卡罗方法系统研究了三维规则表面形貌的深宽比、占空比等参量影响二次电子产额、二次电子能谱以及出射角分布的规律。研究发现：规则形貌的深宽比越大，能谱展宽越强烈，形貌对出射角的选择性越强，二次电子产额的抑制效果越好，但该抑制效果存在饱和效应。在形貌不发生交叠时，增加占空比，可有效降低二次电子产额，由于圆柱孔出射电子占比较少，二次电子能谱与出射角分布接近于平面。所获得的三维规则表面形貌的二次电子发射特性对于全面评估其对微放电效应的影响提供了参考。     

电子环束流对航天器表面电位和等离子体鞘层的影响

采用二维三分量静电粒子模拟程序研究了电子环束流对低轨道磁化等离子体中运行的航天器表面电位和等离子体鞘层结构的影响.当有电子束流平行磁场入射时,航天器表面所带负电位的绝对值将增大.电子束流的速度和密度的增加将使航天器表面负电位绝对值增加很快.与此同时等离子体鞘层的尺度也将增大,形状将由向尾部延伸的“泪滴”状变成向两侧展开的“机翼”状.当电子环束流以相对于磁场成一定角度斜入射时,由于磁场的约束作用,航天器表面负电位的绝对值将随入射角增大而减小.      

航天器介质放电脉冲频谱特征实验研究

空间电子辐射环境下,航天器介质的充放电效应是威胁航天器安全的重要因素.介质放电现象除与材料参数及构型相关外,还与空间电子环境密切相关.本文通过电子枪和Sr90放射源在地面实验装置上模拟空间电子辐照环境,测试了环氧树脂、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等常见空间材料在不同温度、不同电子能量和电子束流强度影响下的放电脉冲,并对放电电流脉冲和电场脉冲进行频谱分析.实验分析结果表明,介质材料的放电电流脉冲频谱具有明显的单峰结构,该峰值与材料厚度和入射电子能量相关,但受材料温度和辐照束流强度影响不大.      

“微放电专刊”寄语

正微放电效应是在真空条件下,电子在外加射频场的加速下,在两金属表面间或介质表面上激发的二次电子发射与倍增效应。航天器有效载荷系统中微波部件一旦发生微放电,造成射频输出功率下降,微波传输系统驻波比增大,反射功率增加,信道阻塞,严重时物理损坏微波部件,所在通道有效载荷寿命缩短,甚至导致击穿使得航天器有效载荷失效。     

一种低能量远焦距电子枪技术

针对可移动非接触式月球表面电位探测器的电位无扰动测量单元对低能远焦电子束的需求，设计了低能远焦电子枪。以平板二极管电子枪为电子源，匹配两个静电聚焦透镜，将电子源引出的发散电子束聚焦为需要的形状，并加速至所需能量。优化电子枪的几何参数以及施加在电极上的电位，电子枪引出的电子束能量在5～500 eV内，并且具有良好的电子光路特性。电子束能量为5 eV时，初始半径r为5 mm，束腰至电子枪出口的距离p约为133 mm。随着能量增加，r逐渐减小至500 eV时的3 mm左右，p逐渐减小至105 mm。电子束经月球表面电场反射被电子收集平极接收，仿真数据和理论分析结果均表明，电子枪的工作距离为400～600 mm，平板接收的电子占发射电子比例在96%以上。电子枪结构质量仅408 g，满足探测器对电子枪的质量需求。     

航天器介质材料深层充放电实验与数值模拟

空间辐射环境中高能电子诱发的介质材料深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一. 本文采用不同束流强度的电子枪电子, 研究了不同厚度的聚酰亚胺薄膜的深层充电过程; 利用Sr90放射源电子模拟GEO轨道高能电子环境, 研究了在其辐照下聚甲醛树脂和聚四氟乙烯材料的表面电位变化; 实验观测了深层放电产生的电流脉冲和电场脉冲. 提出了深层充电模型, 较好地模拟了实验测量结果, 并且分析了深层充电平衡电位和平衡时间随电子束流强度和介质电阻率的变化规律. 实验和数值模拟结果初步揭示了深层充放电效应的特征及规律, 表明深层充电现象随着电子束流强度和介质电阻率的增加而趋于明显, 介质电阻率是影响深层充电平衡电位和平衡时间的主要因素.      

中国空间大功率微波部件微放电抑制表面处理技术最新进展

材料表面的二次电子发射会触发和维持空间高功率射频器件的共振雪崩放电现象,这种现象又被称为微放电效应。微放电效应是限制空间大功率微波部件应用的关键问题之一。从微放电作用的机理出发,首先介绍了两种微放电类型（单表面与双表面）的基本物理机理;然后总结了当前主流的微放电抑制方法并给出各自应用于空间大功率微波部件时的限制。针对空间大功率微波部件微放电抑制的特殊问题,综述了国内近5年来在表面处理法抑制微放电领域的研究成果并预测了微放电抑制技术的发展趋势。     

阈值温度,临界能量与航天器带电特性

采用加权求和方法确定不同能量入射电子对应不同次级(二次发射和反向散射)电子产率公式,用来计算航天材料高压带电的阈值温度T~* 和临界能量E~*,得到了与观测数据较为接近的临界带电特性。文中进一步阐明运用T~* 和E~* 两个概念,可以定性解释航天器带电的复杂特性。     

星载大功率复杂微波部件微放电效应数值模拟

随着航天器有效载荷技术向高功率、小型化持续发展,复杂结构微波部件微放电数值模拟与阈值分析成为影响微放电分析的基础瓶颈问题。基于电磁时域有限差分计算方法与粒子模拟技术,结合二次电子发射模拟,提出了微放电电磁粒子联合仿真方法,数值模型中考虑了真实电子间的库仑力以及电子运动产生的电荷和电流变化对电磁场的影响,解决了复杂结构微波部件微放电三维数值模拟技术难题。实现了在统一的三维空间网格与时间步进行电磁场值演变计算、电子运动状态变化推进计算与二次电子产额与能量分布计算,基于得到的二次电子数目随时间变化趋势实现了微放电阈值预判,通过微放电电子随时间演化获得了微放电过程具体物理图像及放电位置,并与实际器件微放电实验进行了对比验证。结果表明,所提出的三维电磁粒子数值模拟方法可对大功率微波部件微放电效应的物理过程与具体放电位置进行三维描述,预测的阈值与微放电实验测量值吻合良好,误差小于1.2dB,验证了该方法的有效性与准确性,对于深入研究微放电效应微观物理机制、提高大功率微波部件微放电设计与分析水平具有重要意义。     

太阳帆板驱动机构内带电效应试验

太阳帆板驱动机构（Solar Array Drive Assembly,SADA）是长寿命、大功率航天器能源系统的关键部件.在空间高能电子环境下,SADA内部会发生静电放电甚至诱发二次放电,导致航天器丧失能源.利用双束加速器建立试验平台,对SADA进行内带电效应试验.试验中高能电子束的电子能量为2MeV,束流密度为5pA·cm-2,模拟SADA工作电压为50~150V,工作电流为0.5~1.5A.试验样品充电电位在辐照5h后达到平衡,形成的电场约为5×106V·m-1.相同工作电流下的放电次数随工作电压增大而明显增加,说明工作电压形成的电场与高能电子沉积形成的电场叠加会增加SADA发生放电的风险.依据试验结果,提出SADA抗内带电设计方案:一是降低SADA介质盘的体电阻率;二是改进导电环结构体的结构设计,降低导电环间电压在介质盘上形成的电场.      

一种计算金属二次电子发射系数的解析模型

精确的金属材料二次电子发射系数模型对于计算空间大功率微波部件的微放电功率阈值至关重要,而现有的二次电子发射系数模型在准确性和工程应用两方面不能兼顾。通过分析二次电子的逸出几率,结合修正的Bethe能量损失规律,建立了金属材料二次电子发射系数的解析模型。进一步以未清洗的和Ar离子清洗过的Ag材料为例,用解析模型对试验测量值进行了拟合,在获得解析模型中关键参数的基础上建立了Ag材料二次电子发射系数模型。计算结果显示,在不同入射角度下未清洗和清洗Ag 材料的模型计算值与试验值的均方差在4%以内,表明提出的解析模型在减少拟合参数的基础上能够获得具体金属材料精确的二次电子发射系数模型,可用于精确模拟空间大功率微波部件的微放电功率阈值和加速器内部的电子云浓度。     

MPCVD法合成硼掺杂金刚石薄膜的次级发射性能

为解决电子倍增器、场发射阴极和粒子/光子探测器现有阴极材料次级发射系数低且发射不稳定的问题,对微波等离子体化学气相沉积（MicrowavePlasmaChemicalVaporDeposition,MPCVD）法结合H等离子体表面处理工艺制备的不同B₂H₆/CH₄浓度的硼掺杂金刚石薄膜的次级发射能力进行了研究。样品表面扫描电子显微镜和拉曼光谱分析结果显示,硼掺杂金刚石膜表面形貌与未掺杂的金刚石膜相似,样品表面均为高纯度的金刚石相。将置于空气中数日且未经任何表面处理的硼掺杂金刚石样品进行次级电子发射性能测试,结果显示一次电子入射能量为1keV时,得到高达18.3的二次电子发射系数。试验证实这种具有高二次电子发射系数的硼掺杂金刚石膜,暴露空气中由于表面氧化会破坏其表面的负电子亲和势,而真空中加热会使表面重新恢复负电子亲和势,这种负电子亲和势的完整保留,提高了该材料次级发射的稳定性,在器件中具有重要的应用前景。     

空间微波部件内二次电子累积及其与传输特性的关系

针对微放电过程中的电子累积效应,探索二次电子累积对微波部件传输特性的影响,提出二次电子累积“等效介质”的理论模型,通过将电子累积等效为“特殊介质”,从介质的角度探索电子累积对传输特性的影响,推导得到不同电子累积密度所形成不同“等效介质”的相对介电常数。仿真和计算结果表明,微放电过程中,电子累积密度从0增长至10¹⁶/m³数量级时,传输特性基本不发生变化; 但是当电子累积密度达到10¹⁷/m³数量级时,阻抗变换器的通带内回波损耗恶化了15dB;随着电子累积密度继续增大,“等效介质”对电磁波的反射迅速增强,微波部件的传输特性急剧恶化;在电子累积密度达到4×10¹⁷/m³时,电磁波在阻抗变换器中的传输处于完全截止状态。为了进一步探讨导致传输特性恶化的深层原因,发现在电子累积密度达到4×10¹⁷/m³时,在2.5~5GHz的频率范围内,电子累积形成“等效介质”的相对介电常数呈现为负值,电磁波传输截止,“等效介质”表现出单负介电常数超材料的特性,即导致阻抗变换器传输特性恶化的原因是单负介质材料的形成。研究有益于更深入地认识微放电形成过程中的深层物理机理及其对宏观电性能的影响,为寻求更加有效的抑制方法提供理论依据。     

基于ZnO阵列的银表面二次电子发射抑制技术

随着卫星有效载荷的射频功率越来越大,传统的微放电抑制方法已经无法满足大功率卫星有效载荷的需求。降低大功率射频部件内表面的二次电子发射系数是抑制微放电效应的重要方法之一,通过在金属银表面构造纳米量级ZnO阵列,实现了纳米尺度银陷阱结构的制备,研究了晶种制备方式、锌盐浓度对ZnO阵列生长的影响。结果表明,采用紫外照射法制备晶种获得的ZnO阵列在样片表面分布均匀,提高锌盐浓度可改善ZnO阵列的分布均匀性。分析了ZnO阵列排列密度对银膜构筑的影响,发现在低密度的ZnO阵列上更加容易镀覆金属银。因此,获得了镀银表面基于ZnO阵列的陷阱结构制备的工艺技术,实现金属银表面二次电子发射系数最大值降低36.3%。     

航天器微波部件微放电诱导低气压来源分析

航天器微波部件低气压放电效应是威胁航天器电子设备安全运行的一种特殊效应，而部件材料表面吸附气体脱附后为低气压放电提供了必要的条件。首先对比了微放电与低气压放电的区别，阐述了低气压放电破坏效应的产生根源。通过理论分析与计算，对比了热效应和电子轰击效应对不同键能吸附气体的脱附效率。结果发现，热致脱附主要造成低键能物理吸附气体的解吸附，电子轰击效应可造成高键能的化学吸附气体的解吸附。阐明了由二次电子倍增引起的电子诱导解吸附过程是星载微波部件内低气压环境的主要形成原因。最后讨论了通过部件材料表面处理及提高二次电子倍增阈值的低气压放电效应抑制方法。     

典型空间聚合物介质的抗内带电改性技术

消除航天器介质内带电所产生脉冲放电威胁的最佳方式,除有效屏蔽外,就是研制不会产生脉冲放电的介质材料和绝缘结构件.通过对航天器用聚酰亚胺、环氧树脂和聚四氟乙烯等几种典型聚合物的改性研究发现,采用微米级无机粉料对聚合物介质材料进行改性,只要添加剂的电导率显著低于聚合物的电导率,该复合介质材料即可产生显著的非线性电阻率特性,可以实现在介质内带电程度达到放电阈值时迅速以非脉冲电导电流方式释放掉所储存的危险电荷,有可能达到消除脉冲放电的目标;当该添加剂含有微量"施主"杂质时甚至还可以提高介质材料在正常情况下的电阻率.对复合介质非线性电阻特性的产生机理进行了分析.