新型薄膜材料在电子倍增器中的应用研究

为了提高核探测、航空航天、国防和精密科学仪器等领域中传统电子倍增器的性能，使其在较低的工作电压和入射电子能量下实现高增益、低噪声、长寿命的目标，在材料制备、二次电子发射测试和电子倍增器性能优化等方面开展了大量研究工作。利用原子层沉积（atomic layer deposition，ALD）技术研制了具有较高二次电子产额（secondary electron yield，SEY）的新型薄膜材料，研究了元素掺杂和表面修饰改善材料二次电子发射特性的方法，详细测试了薄膜材料的二次电子发射特性参数。利用ALD技术将新型薄膜材料成功应用于微通道板（microchannel plate，MCP）和单通道电子倍增器（channeltron electron multiplier，CEM）中，测试结果如下：相同工作电压下，镀膜后MCP组件的增益、单电子分辨率、峰谷比分别改善了约166%、17%和260%；对于单个CEM，镀膜前工作电压为2700V时增益才能达到108，而镀膜后1600V下即可达到相同增益（工作电压降低了1100V），并且其它各项参数（分辨率≤26%，累计拾取电荷量≥15.62C）均得到改善。该研究成果在高增益、长寿命新型电子倍增器研制及其在荷电粒子与含能光子探测中的应用具有重要意义。     

碳/钛复合薄膜结构二次电子发射规律

随着我国航天事业的发展,航天器中搭载的微波部件趋于小型化、集成化,而由此带来的微放电效应愈发显著,如何有效抑制微放电效应已成为当前研究的热点。文章使用磁控溅射技术制备了不同掺杂比例的钛/碳复合薄膜。对薄膜样品进行形貌、拉曼光谱及二次电子发射特性的测试分析。结果表明：随着金属钛掺杂比例的提高,薄膜按照柱状结构生长的规律越明显,致密度和平整度越好。结合测试结果及相关理论分析薄膜作用的机理,在碳/钛原子比为0.764时,复合薄膜的最大二次电子发射系数为1.40。碳/钛纳米复合薄膜对微放电效应具有良好的抑制效果,且具有大面积制备及工艺简单等特点。有助于未来有效载荷系统向高功率、高频段、集成化的方向发展。     

多层薄膜的二次电子发射蒙特卡罗模拟研究

为了深入研究多层薄膜材料中二次电子发射这一影响部件微放电效应的重要物理过程，基于金属表面多代二次电子发射蒙特卡罗模型，建立了多层薄膜二次电子发射蒙特卡罗模型，并构建了多层薄膜的平面和矩形沟槽这两种表面结构。通过对这两种表面的多层薄膜二次电子发射系数进行蒙特卡罗模拟，并对不同薄膜厚度的二次电子发射系数模拟结果进行分析，验证了多层薄膜抑制二次电子产额的实验效果，并得出抑制效果与多层薄膜厚度和表面结构有关的结论。     

二次电子发射对稳态等离子体推进器加速通道鞘层的影响

稳态等离子体推进器(Stationary Plasma Thruster,SPT)工作时产生的高密度等离子体遇到其加速通道陶瓷器壁时,在陶瓷器壁与等离子体之间形成鞘层。离子会在鞘层电场作用下到达SPT加速通道器壁表面进而复合,而等离子体中的电子由于具有高能可跃过鞘层电场轰击器壁表面,从而产生二次电子发射效应。从器壁表面发射出的二次电子由于受到鞘层电场的排斥,导致其向等离子体源区移动,进而影响等离子体鞘层的特性。建立了考虑二次电子发射效应的无碰撞等离子体鞘层的一维流体模型,研究了二次电子发射对SPT加速通道鞘层特性的影响。计算结果显示,随二次电子发射系数增加,鞘层电势、离子密度、电子密度和二次电子密度增加,而离子速度降低,鞘层中离子密度始终大于电子密度。鞘层中二次电子绝大多数集中在器壁附近,随二次电子穿越鞘层厚度的增加,二次电子密度快速下降。     

基于等效电路模型的介质材料二次电子发射系数研究

材料表面的二次电子发射过程是空间大功率微波射频器件微放电效应的触发与维持机制。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。因此，对材料二次电子发射特性的研究与表征非常重要。为正确理解电子辐照下介质样品的充放电过程，文章提出一种基于等效电路模型的理论模型对二次电子发射特性进行表征。针对不同电导率样品进行仿真验证以证实该电路模型的有效性。仿真结果与理论分析结果相符。     

表面微孔阵列结构调控二次电子发射特性研究

固体介质的二次电子发射受到材料成分、元素构成、表面状况等因素影响,其中表面状况对于二次电子发射系数起着至关重要的作用,表面微结构调控入射电子在材料表面的运动状态和碰撞频率,进而影响二次电子发射。基于粒子路径追踪算法,建立了一次电子与材料表面碰撞模型,研究了微孔阵列结构参数对二次电子发射系数的调控机制,分析了微孔阵列单元深度、孔径和面积占比的影响规律。研究发现,通过设置合理的结构单元深度和宽度,可以实现对二次电子发射系数的调节。单元孔径宽度为2mm、深度为5mm、数目为169时,二次电子发射系数降低了57%。研究结论可为脉冲功率、航天领域的沿面放电机理分析和抑制提供理论和数据支撑。     

二次电子发射特性测量装置的研究与进展

微放电效应出发引出对二次电子发射特性的研究，针对二次电子发射特性的测量，分析研究了当下通用的二次电子系数和能谱的测量方法。着重介绍了国内外具有代表性的重点科室其测量二次电子发射特性的装置，详细对比了不同装置二次电子特性测量的准确性和差异性，总结了各自的优势和不足。最后指出了目前二次电子测试平台装置急需解决的一些制约测试质量的问题和难点，以及在测量装置研究上进一步的发展方向及趋势。为更加深入地研究二次电子发射理论和数值模拟问题奠定坚实的实验基础。     

二硫化钼对二次电子倍增效应的抑制作用研究

基于镀银铝合金材料的微波部件在高真空及大功率工作时容易产生二次电子倍增效应,引起噪声电平抬高,输出功率下降,导致微波部件失效。有效抑制二次电子倍增效应,对于空间微波部件的正常运行极为重要。二硫化钼不仅具有与石墨烯类似的结构,而且其带隙可调,具有出色的电学、光学等性能。通过水热法制备了二硫化钼,并将其涂覆在镀银铝合金材料的表面,研究了复合材料的二次电子发射特性。结果表明,合成的二硫化钼具有花瓣状的纳米结构,并可以显著降低镀银铝合金表面的二次电子发射系数至0.63,原因是三维形态的纳米花瓣状二硫化钼可在微波部件表面构建无数个“微陷阱”,使得二次电子被捕获的几率增加,从而降低其逸出材料表面的概率。表面涂覆二硫化钼的镀银铝合金材料可望用于提高大功率微波部件的阈值功率。     

负电子亲和半导体的二次电子发射

根据0.8keV≤Epomax≤5keV的负电子亲和(negative electron affinity,NEA)半导体二次电子发射(secondary electron emission,SEE)的特性，初级电子产额R，现有的次级电子产额δ的通用公式和实验数据，分别推导并实验证明了NEA金刚石的δ在0.5Epomax≤Epo≤10Epomax, GaN在2keV≤Epomax≤5keV, NEA金刚石的δ在08keV≤Epo≤3keV, GaN在08keV≤Epomax≤2keV的特殊公式;其中Epomax为δ达到最大值时的Epo, Epo为初级电子入射能。推导出了08keV≤Epomax≤5keV时NEA半导体的内部二次电子到达发射极表面后逃逸到真空中的概率B。还提出了计算08keV≤Epomax≤5keV NEA半导体1/α的方法;其中1/α为二次电子的平均逃逸深度。分析结果表明，B和1/α的理论研究有助于研究不同样品制备方法对NEA半导体中SEE的定量影响，从而生产出理想的NEA发射体，如NEA金刚石。     

空间电子辐照介质材料带电效应研究进展

针对空间电子辐照对介质材料所产生的带电效应对在轨航天器的服役性能带来了巨大威胁，为深入理解和探究空间电子辐照带电效应的特性和规律，重点介绍了在电子辐照环境下，介质材料的表面电位特性、材料的总带电电荷量以及电子辐照介质内部的实时电荷分布以及动态演变特性，并进一步阐述了带电状态对二次电子发射的反馈动态影响研究。此外，概括了近年来国内外对电子辐照带电的理论数值模拟方法及发展情况。     

LEO太阳电池一次放电模型研究

空间等离子体作用下,太阳电池一次放电是诱发二次放电的主要原因。目前缺乏适合工程应用的一次放电快速评估模型。文章借鉴辉光放电理论,针对太阳电池三联点结构提出一次放电一维简化模型,用于评估太阳电池设计对放电脉冲强弱的影响。模型计算结果表明,增加玻璃盖片厚度和电池串联间隙有助于提高一次放电起始电压,一次放电频率随着太阳电池偏压和表面二次电子发射系数增加而增大,放电电流随着太阳电池偏压和电池阵电容增加而增强。该模型计算结果与试验测试结果基本一致,且比其他模型计算过程简单,可以为太阳电池设计中一次放电现象快速评估提供参考。     

空气环境中镀银表面二次电子发射劣化机理

暴露于空气中的金属受环境影响，表面会产生吸附、沾污和氧化等表面改性作用，引起二次电子产额（secondary electron yield,SEY）变化。为探究银表面改性对SEY的影响，使用加热、有机清洗、离子清洗实现了多种银表面状态。实验结果显示，加热能够去除部分表面吸附和沾污，并使得SEY降低；离子清洗在去除表面吸附和沾污的同时还能够剥离表面氧化层，获得高度洁净的表面。离子清洗10/30分钟后SEY峰值由2.61降至1.73/1.70，说明剥离银表面的吸附、沾污和氧化层能使得SEY明显降低。为验证氧化对SEY的影响，使用磁控溅射制备氧化银薄膜。结果表明，氧化银SEY仅比银高0.1左右，且在斜入射下两者SEY差异更小，该结果证明银表面发生氧化不会使得SEY明显升高，并间接说明表面吸附和沾污是使得银表面SEY升高的主要因素。     

TMO对铝镁贫氧推进剂低压燃烧性能影响

研究了过渡金属氧化物（TMO）及其复配物对非壅塞固体火箭冲压发动机铝镁贫氧推进剂燃烧特性的影响。研究发现，氧化铁对提高铝镁贫氧推进剂燃速的作用显著。过渡金属氧化物组合（氧化钴／氧化铬和氧化铜／氧化铬）对提高铝镁贫氧推进剂的燃速催化作用显著，且含组合催化剂（氧化钴／氧化铬、氧化铜／氧化铬和氧化铁／氧化铜）的盆氧推进剂具有高的燃速压强指数。     

Field emission performance of multiwalled carbon nanotubes for a low-power spacecraft neutraliser

Field electron emission from aligned multiwalled carbon nanotubes has been assessed to determine if the performance, defined by power consumption, lifetime and emission current, is suitable for use in spacecraft charge neutralisation for field emission electric propulsion (FEEP). Carbon nanotubes grown by chemical vapour deposition (CVD) were mounted on a dual in line chip with a macroscopic (nickel mesh) extractor electrode mounted ～1 mm above the tubes. The nanotubes’ field emission characteristics (emission currents, electron losses and operating voltage) were measured at ～10^?4 Pa. An endurance test of one sample, running at a software-controlled constant emission current lasted >1400 h, approaching the longest known FEEP thruster lifetime. The emission corresponds to a current density of ～10 mA/cm² at a voltage of 150 V. These results, implementing mature extractor-electrode geometry, indicate that carbon nanotubes have considerable potential for development as robust, low-power, long-lived electron emitters for use in space.     

含磷聚酰亚胺薄膜在原子氧环境中的降解研究

文章考察了自行合成的含磷聚酰亚胺（PI）薄膜在模拟原子氧环境中的降解行为。扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等测试结果表明:在原子氧辐照过程中,含磷PI薄膜表面的磷元素与氧元素含量增加,原子结合能也增大,意味着在PI表面形成了含磷钝化层。该钝化层进一步阻止了PI次表面层被侵蚀,使含磷PI薄膜表现出了抗原子氧侵蚀能力,其在模拟原子氧环境中的质量损失率远低于Kapton薄膜。     

铁电阴极用于小功率电推力器

分析了当前小功率电推力器对零流动无推进剂阴极的需求现状。提出铁电阴极用于小功率电推进中和器的可能性。研究了厚度为0．5mm的PLZT（锆钛镧酸铅）铁电陶瓷在低电压（1．0～1．2kV）条件下的电子发射性能。实验采用脉宽为1μs的单极性正高压脉冲作为激励源。在收集极获得了脉宽为320ns～3000ns,最高峰值为34A的发射电流。在10^-4乇的真空环境中得到了非常可靠的电子发射。     

电子辐照下聚酰亚胺薄膜的深层充电现象研究

空间辐射环境下聚合物绝缘材料的深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一。文章利用能量为5～100keV的单能电子枪,研究了不同束流强度电子辐照下聚酰亚胺薄膜样品的深层充电过程。实验表明,在102pA量级的电子束辐照下,聚酰亚胺薄膜样品的表面电位迅速上升后缓慢变化,最终可以达到几kV。在一定条件下,样品表面电位随着辐照电子束流密度和样品厚度的增加而增大;充电达到平衡所需的时间随着辐照电子束流密度和样品厚度的增加而减少。辐照截止后聚酰亚胺薄膜样品内部电荷的泄放需经历较长时间,由衰减时间常数推测出的样品电阻率要比采用传统测量方法得到的结果高一个量级。     

计入带电粒子入射角度对次级电子效应影响时航天飞行器的带电特性

本文采用由实验得到的带电粒子入射角度对次级电子的影响关系,根据轨道限制电流收集理论,导出了不同几何形体航天器的次级电子数通量表达式;并按局部电流平衡模型,计算了航天器背阴面的带电电位。结果表明,计入带电粒子入射角的影响后,航天器表面负电位的数值有一定减少。因此,在计算航天器表面带电时,应当考虑这种影响。     

用于机载SAR的宽带线性调频源设计

采用“DDS＋混频＋倍频”方式,设计研制一种带宽为1200MHz的线性调频信号源,用于机载SAR。该设计在DDS信号产生部分运用高频率的外部时钟方式,获得了更好的杂散和噪声特性。在混频倍频环节,使用高本振混频器进行混频,抑制带内杂散,使用带通滤波器抑制带外杂散,取得了较好的杂散。实测结果表明,该信号源满足机载SAR的要求。