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。     

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。     

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。     

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。     

霍尔推力器放电室壁面溅射产额研究

霍尔推力器放电室壁面经受低能量(不大于300e V)离子的溅射是影响其寿命的关键因素之一。为了获得放电室壁面材料(BNSi O2)的溅射产额随离子入射角度和能量的变化规律,采用真实霍尔推力器提供275e V的氙离子在真空舱内轰击靶材,利用称重法获得实验参数下的溅射产额。为了克服单纯依靠实验测量耗时耗钱且更低能量的离子溅射实验测量误差会陡然增大的缺点,采用前面实验结果修正了基于蒙特卡罗(MC)方法的SRIM软件溅射产额计算参数,并采用文献实验结果对不同能量下的模拟结果进行验证。在此基础上,用SRIM软件较为详细地考察了入射离子能量低于300e V时入射角度和能量对霍尔推力器放电室壁面材料溅射产额的影响规律。结果表明,溅射产额随离子入射角度先增大后减小,而随入射离子能量则呈现增大的趋势,但当能量小于100e V时,溅射产额逐渐趋于一个非常小的数值。     

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。     

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。     

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。     

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。