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。     

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。     

“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。     

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。     

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。     

电子束撞击介质表面引发的带电现象分析

现有关于介质微波部件微放电的相关研究多从谐振条件及出射电子产额方面出发分析微放电发生原因及其抑制方法,而很少分析航天器表面电位对于微放电发生的影响。文章对碰撞电子与介质表面相互作用后二次电子发射特性进行综合分析;重点研究了不同介质表面初始电位情况下,恒定能量的电子束流持续轰击介质表面时介质表面电位及电子束流碰撞能量的变化趋势;并对稳定后的电子束流碰撞能量和介质表面电位进行了理论计算,计算结果表明系统平衡状态时的表面电位受初始电子能量及第二临界能量影响有明显改变。此外,文章探究了单一能量及连续能量入射介质表面时表面带电对于二次电子发射的影响,研究表明：带有电位φ的表面会使临界能量发生偏移量-eφ的相对偏移;对于连续能量的入射电子束,介质表面带电会很大程度上改变入射电子束的能量范围,从而影响微放电发生的风险。     

真空强电磁场环境下铝的二次电子倍增规律

针对卫星表面受强电磁环境的影响导致的充放电问题，采用1D3V的粒子网格（PIC）方法对卫星表面铝材料在空间强电磁环境作用下的二次电子倍增作用规律进行研究。结果表明：星表铝材料在不同微波幅值、不同频率下的二次电子倍增效应存在“最易”倍增区间；二次电子倍增规律表现为在特定频率下，铝的二次电子倍增随着微波电场幅值的增大先增强后降低，表现出最佳倍增区间的效应；在特定幅值下，铝的二次电子倍增效应也会先增强后降低，但是整体表现出低频时倍增强，高频时抑制倍增的效应。     

基于时域有限差分的微放电仿真算法

为克服传统微放电阈值预测方法建模粗糙、精度低的缺点,提高阀值预测精度和效率,研究了基于时域有限差分的精确微放电阀值预测算法。基于时域有限差分算法和粒子追踪算法,通过时空网格自洽互耦实现复杂结构微波器件微放电阈值准确计算。其中,共形和并行算法是提高微放电仿真精度和效率的关键。文章基于空间蛙跳策略实现了基于时域有限差分的微放电仿真算法,利用算法分析了典型微波器件的微放电阈值,仿真与实验结果吻合良好,误差小于0.3dB;同时,并行效率最高可达83%,验证了算法的准确性和高效性。     

微放电效应部件设计研究

分析了影响微放电效应阈值电平的几种因素。对微放电效应部件设计的一般步骤和方法进行了论述 ,给出了具体的设计实例 ,并对微放电效应部件设计中需要注意的问题进行了说明     

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。     

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%。     

电子回旋共振推力器放电室内磁场与微波电磁场分析

电子回旋共振推力器具有寿命长、比冲高、结构简单等特点,适宜用作深空探测器主推进装置。放电室是电子回旋共振推力器的关键部件,其作用是产生电子回旋共振等离子体。放电室内的磁场和微波电磁场分布对于推力器的可靠启动、稳定工作有着重要的影响。为此针对10cm推力器,采用大型有限元分析软件ANSYS建立了三种磁路模型,计算了放电室内的磁场分布,得出三种方案中电子回旋共振面的位置,分析放电室材料不同时磁场分布的变化;最后采用ANSYS有限元分析软件计算了放电室内的电磁场分布。结果表明,在电子回旋共振面上微波能量满足放电所需能量。计算结果可以为电子回旋共振推力器放电室的设计提供帮助。     

基于修正差分进化算法确定周期内多载波微放电等效功率

微放电是空间微波部件设计所必须考虑的失效效应之一,随着空间宽带多载波模式的广泛采用,多载波条件下微波部件微放电问题引起广泛关注。针对周期内多载波微放电等效功率计算所采用传统经验公式的不足,提出了一种基于修正差分进化算法的确定周期内多载波微放电等效功率的全局优化方法。该方法通过对多载波合成信号功率特性进行分析,推导获得了 20个电子渡越时间内信号能量的表达式,采用二次插值法进行局部搜索,采用修正差分进化算法进行全局优化,从而高效、准确获得全局最优解。以幅度相等、频率间隔相等的多载波信号为例,进行了等效功率的确定,与经验公式的预测结果相当,验证了所提出方法的有效性;同时,对幅度不同、频率间隔不等的多载波信号进行了处理,获得了能够指导微波部件微放电设计的最坏状态及其等效功率。所提出方法不仅适用于幅度不同、频率间隔不等的多载波信号情况,并且能够提供微放电最坏状态时的相位分布,为多载波微放电实验验证提供相位输入。所提出方法相比传统的基于经验公式的方法具有明显优势,为空间宽带多载波工作微波部件微放电设计提供有效依据,在卫星转发器多载波微放电分析及设计中具有价值。     

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。     

空间微波系统中微放电现象

对微放电理论的研究历史进行了回顾。分析了微放电的发生条件和机理 ,讨论了影响微放电效应的各种因素 ,提出了各种增高微放电阈值电平的有效措施 ,以防止微放电效应发生 ,保护系统正常工作。给出了设计微放电部件的一般步骤 ,并对设计中需要注意的问题进行了论述     

磁层中哨声波与电子的相互作用

哨声波与磁层中电子的非线性相互作用,导致电子投掷角降低,沉降到低电离层,引起局部电离增强,而诱发Trimpi效应。本文讨论波-粒子相互作用的过程,并利用超粒子法进行了计算机模拟。计算结果指出共振不仅与电子的速度有关,而且与电子初始拉莫尔相位角有关;计算得到了相互作用时共振电子相位聚焦效应、非共振电子相位聚束效应及电子速度-相位空间中的不均匀振荡等一些结果。同时,也给出了波-电子相互作用引起的沉降电子能量通量随时间的变化和沉降电子的能量分布。      

双麦克斯韦分布下极区中层尘埃粒子带电研究

在大功率微波照射下，极区中层夏季回波（PMSE）会立刻消失，该现象被称为极区中层加热现象.在大功率微波照射极区中层时，电子在微波电场加速下产生的定向运动速度与热运动速度可以比拟，极区中层的尘埃等离子体服从双麦克斯韦分布.基于双麦克斯韦分布下尘埃粒子充电理论给出极区中层尘埃粒子的电荷分布，比较了大功率微波对极区中层加热前和加热时，尘埃粒子电荷以及极区中层电子浓度的变化.结果表明，采用大功率微波装置加热极区中层会影响电子对尘埃粒子的充电进而导致电子浓度变化，这对解释极区中层加热现象具有重要意义.      

强电磁脉冲下柴油发动机系统薄弱环节识别

为识别强电磁脉冲环境下柴油发动机系统的薄弱环节，提出了一种加权故障树和分层贝叶斯网络相结合的柴油发动机系统薄弱环节识别方法。该方法综合考虑同层单元失效的相关性，加权故障树的局部应用解决了部分条件转移概率表不易获取问题。运用贝叶斯网络双向推理功能，首先，通过柴油发动机辐照试验和电磁仿真软件获得的各部件敏感度阈值及电磁应力数据，计算出强电磁脉冲下部件级到系统级的先验失效概率；然后，依据贝叶斯概率公式计算在发动机失效条件下各部件故障的后验概率，并排序以识别其薄弱环节，为电磁防护方案的设计提供参考和建议。以宽带高功率微波(WBHPM)辐照为例，说明了柴油发动机系统分层贝叶斯网络故障模型参数获取与概率计算过程。结果表明:执行器和凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器既为柴油发动机系统的重要部件，也为较薄弱环节，是需要重点防护的对象。      

Motion of Microwave Plasma Electrons in the Action of Magnetic Field

对矩形微波谐振腔中的等离子体,在高频电磁场和非均匀稳恒外磁场作用下的电子回旋共振运动进行了讨论.对电子写出了牛顿运动方程,采用数值计算方法,用计算机计算并绘出了电子运动曲线和运动轨迹.对电子的能量也作了计算.从计算结果分析了电子运动的特点和电子的能量吸收.