二次电子发射研究进展及其空间应用

由二次电子发射引发的微放电效应是严重影响星载微波部件性能和安全的瓶颈问题之一。针对星载微波部件微放电的研究及应用需求,对国内外二次电子发射的研究进展进行了系统梳理,介绍了二次电子发射模型、仿真分析方法、测试装置及实验研究,以及在微波射频器件及航天器充放电方面的应用研究,总结了主要的研究结论。在此基础上提出了发展建议,以期对国内的二次电子发射及微放电研究的推进提供参考。     

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。     

基于机器学习的二次电子发射唯象模型

基于机器学习和深度人工神经网络(artificial neural network, ANN)提出一种二次电子发射唯象模型。利用Vaughan模型生成先验数据集,用于训练生成描述二次电子发射一般规律的先验知识ANN模型,并在不同参数条件下验证了先验知识ANN模型的正确性。然后,分别利用银和铝合金材料的二次电子发射系数实验数据修正先验知识ANN模型,分别得到了描述两种材料的特异ANN模型。测试结果表明,特异ANN模型计算结果与实验结果相比的平均绝对误差较Vaughan模型和Furman模型降低了30%以上,与复合唯象模型精度相当或更高。在小样本条件下测试了二次电子发射ANN模型的正确性,验证了分步训练方式的有效性和二次电子发射ANN模型对于小样本集的适应性。提出的基于机器学习的二次电子发射唯象模型能够避免复杂的参数修正过程,能够基于先验知识提升模型对于小样本的适应性,能够实现二次电子发射系数的连续插值,适于在数值模拟软件中使用。     

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。     

金属柱状阵列结构二次电子发射系数模拟研究

二次电子发射系数（secondary electron yield,SEY）的抑制对提高空间大功率微波部件的微放电阈值、降低粒子加速器发生电子云效应的风险等具有重要意义。针对现有圆柱形柱状阵列SEY抑制方法,未考虑实际加工工艺可能导致柱体形貌偏差,进而影响SEY抑制效应的问题,结合二次电子发射唯象概率模型和电子运动轨迹射线追踪法,研究了圆形、方形、圆锥形、截断圆锥形、方锥形、沙漏形及螺纹形柱状阵列的SEY。模拟结果表明：与理想圆柱形柱状阵列相比,方形、方锥形、螺纹形柱状阵列的SEY抑制效应与圆柱阵列基本相同（差异小于~6%）,而其余几种形状的柱状阵列的SEY抑制效应略逊于理想圆柱阵列。因此,从SEY抑制效应角度看,圆柱形柱状阵列具有较好的工艺容差性能。研究结果为柱状阵列结构在SEY抑制领域的工程化研究与应用提供了参考。     

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。     

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。     

钛掺杂氧化镁薄膜二次电子发射倍增特性研究

氧化镁具有较高的二次电子发射系数,适合作为制备多级放大装置的二次电子发射材料。文章采用磁控溅射法制备高质量氧化镁薄膜和钛掺杂氧化镁薄膜,并对薄膜进行形貌表征,研究其二次电子发射倍增特性,包括氧化镁薄膜电子倍增器的增益特性以及增益衰减情况。结果表明：高压源电压和电流的增大均可提高电子倍增器的电流增益倍数;掺杂Ti不仅能提高电子倍增器的增益效能,且相比纯氧化镁薄膜,钛掺杂氧化镁薄膜的增益衰减明显放缓,能够将倍增器的寿命延长2倍以上。     

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。     

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。     

发射服务与空间法

当今,发射服务已成为空间活动商业化的一个重要领域。商业发射服务从根本上说是国际性的。它必然涉及一系列国际空间法律问题。 国际空间法规定的是在探索和利用外层空间活动过程中各国之间的法律关系。发射服务必须遵循空间法的各项规则才能健康地向前发展并走上规范化的道路。     

球形收集极结构的二次电子产额测量装置及测量方法

为了精确测量材料在不同入射电子能量和入射电子角度下的二次电子产额(secondary electron yield, SEY)以及二次电子能谱,研制了收集极为球形结构的SEY测量装置。首先介绍了装置的构成、测量原理及中和方法,并对测得的信号波形进行了分析。随后,测量了Cu材料和Al₂O₃薄膜材料的SEY值和二次电子能谱。结果表明：不同入射电子能量下SEY值的标准偏差分别小于0.055(Cu)和0.126(Al₂O₃);不同入射电子角度下SEY值与理论模型符合的很好,拟合R²值为0.998 64(Cu);出射的二次电子能量绝大部分集中在10eV(Cu)和20eV(Al₂O₃)以下,符合相关理论预期。     

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。     

星用设备和分系统传导发射测量

对电磁兼容性实验中电源线和互连线上的传导发射实验进行综述。主要介绍被测件及所依据的标准，以及实验中所使用的设备，概述了主要实验方法，着重提出了我们通过已进行一系列实验后所获得的一些可供大家借鉴的注意事项。     

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。     

美发射空间监视卫星

美国空军9月25日在范登堡空军基地利用轨道科学公司的“人牛怪”4火箭发射了“天基空间监视”（SBSS）1卫星。这是“人牛怪”4首次用于卫星发射。SBSS系统将用于探测和跟踪航天器及空间碎片等空间物体,生成供美国国防部用于支持军事行动的数据。系统拟由几颗卫星构成星座,是实现全面空间态势感知能力的重要手段。它将能探测到更暗弱和更遥远的物体,     

Vaughan模型二次电子能谱对空间微波部件微放电效应的影响分析

航天领域的微放电效应是严重影响星载微波部件性能和安全的瓶颈问题之一.以空间微波部件微放电阈值仿真中广泛使用的Vaughan模型为研究对象,以平行平板传输线和同轴传输线两种典型微波结构为例,研究了Vaughan模型的二次电子能量分布对微放电阈值的影响规律,在二次电子产额相同时,符合伽马概率密度分布的二次电子能谱参量T增大...     

新型大尺度空间微波功率发射阵列的考虑

以空间太阳能电站为应用代表的微波功率传输系统中,微波功率发射阵列是其中的核心组成部分。为保证特定传输距离限制下的波束收集效率,目前国际上多种空间太阳能电站方案中收发天线口径都达到了km级以上。在空间构建大尺度的微波功率发射有源相控阵,面临的主要问题有：发射阵列电性能的高要求、发射阵列折叠状态的总体积限制、大功率发射阵列的热控问题。针对这些问题,文章提出了新型大尺度空间微波功率发射阵列的一些研究及设计考虑,主要包括大尺度阵列同源分发倍频的频率分配方案;高效率高集成功率发射组件技术;大尺度阵列相位同步与误差自校正技术;低剖面天线结构及型面误差补偿技术;大型天线3D打印在轨建造方案设想以及空间微波功率发射阵列热控新思路等。文章提出了新型大尺度空间微波功率发射阵列3个方面的6个主要问题,可为空间太阳能电站系统提供可优化、开放性的设计与发展思路。     

空间实验室的精度测量新方法

空间实验室地面总装需要精确地测量GNC设备及有效载荷等仪器之间的相对角度关系,由于空间实验室尺寸大,仪器分布距离远,且部分仪器安装在内部,其精度测量难以实施。文章针对空间实验室的特点提出了一种使用陀螺经纬仪取代普通经纬仪的测量方法,该方法以大地坐标系为公共坐标系,不需要经纬仪之间远距离互瞄和坐标传递,能够有效地实现远距离测量和舱内舱外仪器的相对测量。文中阐述了新方法的数学原理,分析了测量精度,并与普通经纬仪建站测量进行了比较,认为陀螺经纬仪测量方法具有精度高使用灵活的优点。