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。     

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。     

英国研制成防止卫星带电的新型复合材料

最近,英国航空宇宙公司空间通信部研制了一种用于轨道卫星的新型复合材料,由于这种材料的应用,在卫星受到高能电子轰击时,不至于引起损伤或整个计划的失败。高能电子的轰击,可在卫星的外部隔热层表面产生高达二万伏的静电。而当电压达到隔热层的击穿电压时,就在材料中发生自然放电。这样,不仅放电处的隔热层要损坏,而且放电引起的强电磁脉冲还会在卫星的电子线路上产生伪信号。这些伪信号在未得到地面指令纠正之前,一直会干扰卫星的正常工作。而更为严重的情况是当卫星在     

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。     

真空中连续发射电子束形成的电子鞘层的空间结构

用双流理论模型研究真空中电子束的发射实验。向真空中发射电子束过程中,发射体本身被充正电,束缚束电子向外传播,大量的束电子在发射体表面附近形成电子鞘层;只有极少量的束电子可以逃离发射体而向外传播出去。在电子鞘层内,发射出的束电子和返回发射体表面的束电子形成速度和密度在空间为分布不均匀的双流。本文用双流理论模型解析计算出了电子鞘层的空间尺度、电子鞘层内的电场分布以及电子密度分布。      

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.     

屏蔽材料对木星轨道卫星内部介质充电效应的影响研究

在木星轨道的空间辐射环境中,占主导地位的粒子是能量大于1MeV（甚至高于100MeV）的高能电子,这可能会产生卫星内部介质充电效应。在卫星的防辐射设计中,通常需要一定厚度的材料来屏蔽这些电子,使得进入卫星内部的电子通量达到安全的水平。利用所建立的GEANT4-RIC（radiation induced conductivity）方法,研究了运行于木星轨道的卫星对高能电子的最佳屏蔽材料设计。研究了铝、钛、铁、铜、钽和铅作为卫星屏蔽材料的可能性。研究结果表明,在木星探测任务中,为了减轻卫星内部介质充电效应,高原子序数材料比低原子序数材料在相同质量下提供的屏蔽效果更好。因此,用钛、铁、铜、钽或铅代替地球轨道卫星上常用的屏蔽材料铝,可以节省屏蔽质量。     

纳秒脉冲电子束冲击强化金属表面的研究

讨论了纳秒强脉冲电子束(功率密度为10⁹W/cm²)辐射金属表面后产生的强化作用.纳秒脉冲电子束瞬间在材料表面局部区域注入巨大能量,使金属表面微区瞬间产生高温高压和冲击作用,并产生骤热急冷过程,使材料表面硬度、耐腐蚀性和其他物化性能发生明显变化.文中讨论了脉冲电子束导致快速熔凝的热传导过程,并分析了从扫描电镜照片观察到的金属急冷过程的显微结构.纳秒强脉冲电子束注入是金属材料表面改性的新手段.     

不锈钢精密微波同轴接头

不锈钢材料具有优良的性能,例如具有塑性好、防锈,防磁、耐高温等特性,因而是宇航、原子能、海洋开发、化工工业等重要金属原料。近十年来,在电子工业上广泛采用303~#不锈钢制造微波同轴接头。由于不锈钢接头具有稳定的接触电阻,所以用不锈钢制造的接头和用铜加工后镀金或镀银的接头具有同样的电性能,但不锈钢接头在承受恶劣环境,如盐雾、     

150kV逆变电源性能优化及其束源特性

为了进一步提高电子束流发生系统工作的可靠性和稳定性,提高电子束加工质量,采用AC-DC-AC-DC-AC-DC的拓扑电路、新型功率变压器、高压脉冲检测技术、优化的束流反馈控制与灯丝加热电流闭环反馈控制技术等,分别优化了高压加速电源、偏压电源与灯丝加热电源。将所研制逆变电源与150 k V/30 k W电子枪、真空系统等组成了一套电子束流发生系统,测试了该电子束流发生系统输出的高压、最大束流以及灯丝加热电流、偏压变化对束流输出的影响。试验结果表明:经过优化的逆变电源高压输出达到-150 k V,高压输出线性度较好,最大束流达到200 m A;高压、灯丝加热电流给定时,随着偏压降低,束流输出逐渐增大;高压、偏压给定时,随着灯丝加热电流增大,束流输出存在死区、线性增大区和恒流区。     

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.      

航天器用新型聚酰亚胺薄膜性能研究

原子氧是低地球轨道环境中对航天器影响较为严重的因素之一. 为了提高聚酰亚胺薄膜抗原子氧侵蚀的性能, 依据结构与性能的关系, 设计合成了新型的聚酰亚胺薄膜. 采用这种新型聚酰亚胺薄膜制备了二次表面镜, 利用地面模拟设备对热控涂层进行原子氧暴露试验, 结果表明其具有优异的耐原子氧侵蚀性能. 此外, 真空elax-elax紫外、真空elax-elax质子、真空elax-elax电子辐照等空间环境模拟试验表明, 这种耐原子氧聚酰亚胺薄膜二次表面镜热控涂层具有良好的空间稳定性.      

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。     

紧凑型ECR等离子体原子氧束流源的研制

原子氧对低地球轨道航天器部件材料的侵蚀及其地面环境模拟日益受到国际航天界的重视.高速飞行的航天器与迎面的空间环境原子氧之间相互作用能量约为5eV,在此能量范围内,原子氧束流与材料表面相互作用的许多物理和化学问题尚待从实验上认真研究,因此必需建立地面环境模拟装置.本文根据电子回旋共振(ECR)原理,利用微波的同轴传输与耦合,采用永磁体构成轴向不对称磁镜场产生会切磁场,降低了常规设计的磁场强度,缩小了装置的尺寸,同时采用无电极放电,避免了重金属杂质导入等离子体,研制出紧凑型纯净原子氧中性束流源.该装置易与真空容器联接.联机运行结果表明该装置能够在10-1-10-3Pa的气压范围内稳定运行,通量密度达到3×1015atom/cm2@s,满足了原子氧环境地面模拟试验对装置小型化的要求.     

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。     

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。     

微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器（micro-cathode arc thruster,μCAT）具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。     

航空头盔典型件冲击保护性能实验研究

利用分离式Hopkinson压杆研究了几种航空头盔典型件的冲击保护性能,测量了各构件的能量吸收率.讨论了冲击过程和能量吸收过程,进一步分析了头盔外壳材料力学性能及泡沫衬垫密度对头盔能量吸收率的影响规律.实验表明,在一定范围内外壳力学性能和泡沫衬垫密度对于能量吸收起着重要作用.为设计新一代航空头盔提供了可靠的实验依据.     

AgCu28钎料钎焊无氧铜晶界渗透行为分析

使用AgCu28钎料多次钎焊无氧铜和其他材料时,极易造成无氧铜母材性能下降.为解决此问题,针对采用AgCu28钎料焊接的无氧铜-无氧铜、无氧铜-镀镍不锈钢和无氧铜-蒙乃尔3种钎焊接头的微观组织进行观察,发现无氧铜-无氧铜的钎焊接头中钎料与焊缝结合紧密,接头组织良好;而无氧铜-镀镍不锈钢和无氧铜-蒙乃尔的钎焊接头中AgCu28钎料沿着无氧铜晶界进行扩散,即出现明显的晶界渗透现象.成分检测表明,含Ni母材中的Ni元素在钎焊过程中快速溶解进钎料,经分析认为Ni元素在钎料中的溶解是导致钎料对无氧铜产生晶界渗透的主要原因.      

振动表面自然对流强化换热特性

基于振动影响流动换热边界层发展的思路,通过实验方法对振动条件下的自然对流换热特性进行研究.实验采用电铃谐振器作为加热膜的激振源,并利用红外测温技术对表面温度场进行了测量.结果表明:振动对自然对流的强化可提高90.7%.在等热流密度条件下,振动能量越大,换热越好;在等振动能量条件下,热流密度越小,换热越强.研究结果为强化表面自然对流换热提供了一种新思路.