介質(zhì)材料帶電對二次電子發(fā)射影響的研究

陳益峰，楊生勝，秦曉剛，柳 青，史 亮，孔風(fēng)連，湯道坦，李存惠

（蘭州物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

空間介質(zhì)材料的二次電子發(fā)射使航天器表面帶電，主要危害包括放電對航天器表面材料的剝蝕和加速污染等，從而導(dǎo)致航天器表面材料性能衰退，影響航天器飛行任務(wù)的順利完成[1-4]。當(dāng)空間環(huán)境中的航天器表面發(fā)生帶電時(shí)，其最后的平衡電位取決于入射的電子、離子、表面的光電發(fā)射、二次電子發(fā)射、背散射電流及漏電流之間的平衡。研究表明，由于同步軌道衛(wèi)星發(fā)生嚴(yán)重帶電事件的時(shí)間絕大多數(shù)處于當(dāng)?shù)匚缫怪晾杳鲿r(shí)分，此時(shí)可能影響衛(wèi)星表面材料帶電的主要參數(shù)是材料的二次電子發(fā)射系數(shù)。因此，空間介質(zhì)材料二次電子發(fā)射系數(shù)是決定航天器表面帶電速率和平衡電位的重要材料特征參數(shù)[5,6]。

材料二次電子發(fā)射系數(shù)與入射粒子能量、入射角度、材料特性等參數(shù)相關(guān)。材料二次電子發(fā)射系數(shù)典型曲線見圖1所示。圖中E1、E2、Em分別表示二次電子發(fā)射系數(shù)為1時(shí)的電子能量和二次電子發(fā)射系數(shù)最大時(shí)的電子能量，δm為最大二次電子發(fā)射系數(shù)。

介質(zhì)材料二次電子發(fā)射的研究工作主要集中在材料表面為零電位的情況，而在軌航天器表面由于電荷積累，引起表面電位的變化，這種變化又導(dǎo)致轟擊表面的原電子能量和二次電子出射能量的變化，從而對二次電子發(fā)射過程產(chǎn)生影響，使得航天器表面帶電過程越發(fā)復(fù)雜。

作者針對介質(zhì)材料表面帶電對二次電子發(fā)射影響，研究介質(zhì)材料帶電情況下二次電子的發(fā)射過程，了解介質(zhì)材料表面帶電的物理機(jī)制，對于材料表面帶電的預(yù)測及防帶電設(shè)計(jì)選材具有重要的作用，同時(shí)也可為高壓電子管的局部帶電現(xiàn)象[7]、超高頻管二次電子共振現(xiàn)象[8]等研究提供參考。

2 理論模型

由于介質(zhì)材料的導(dǎo)電性差，當(dāng)受到入射電子轟擊時(shí)，表面將積累電荷，若介質(zhì)材料二次電子發(fā)射系數(shù)大于1則積累正電荷，若小于1則積累負(fù)電荷，積累電荷將引起表面電位的變化，將會產(chǎn)生正電位激發(fā)和負(fù)電位阻擋效應(yīng)（如圖2所示），從而影響二次電子的發(fā)射。

圖2 正電位激發(fā)和負(fù)電位阻擋效應(yīng)示意圖

根據(jù)Neal Nickles的理論模型[9],當(dāng)材料表面帶電時(shí)，材料二次電子發(fā)射系數(shù)可表述為

式中 Q0為入射電子的電荷量；E為二次電子能量；Qc為二次電子電荷量；Vs為材料表面帶電電位；E0為入射電子能量。

根據(jù)二次電子理論，二次電子能量最大為50 eV，若將入射電子能量限定為E0=50 eV

則有

得到表面不帶電時(shí)的二次發(fā)射系數(shù)為

由Chung-Everhart模型[10]可知：二次電子電荷量與二次電子能量和材料功函數(shù)有關(guān)，表述為下式

式中 k為與材料相關(guān)常數(shù)；準(zhǔn)為功函數(shù)。

將式（4）代入式（2），并對式（2）進(jìn)行積分可得

式中 x為電子親和勢，對于未帶電的介質(zhì)材料，可替代功函數(shù)準(zhǔn)；b僅與電子親和勢和二次電子能量上限有關(guān)，

表面帶電時(shí)二次電子發(fā)射系數(shù)與不帶電時(shí)二次電子發(fā)射系數(shù)關(guān)系可表述為

通過以上模型即可求出表面帶電時(shí)二次電子發(fā)射系數(shù)與表面帶電電位的關(guān)系。

3 結(jié)果和討論

利用以上模型，對表面帶電對二次電子發(fā)射的影響進(jìn)行計(jì)算。圖3所示的是當(dāng)表面帶正電位時(shí)，材料二次電子發(fā)射系數(shù)的變化趨勢。從圖3中可以看出，隨著表面正電位的增加，二次電子發(fā)射系數(shù)不斷下降，這是由于表面正電位對出射的二次電子吸引作用，即為正電位激發(fā)效應(yīng)；同時(shí)當(dāng)表面電位增加到50 V時(shí)，二次電子發(fā)射系數(shù)幾乎為0，說明二次電子能量不可能大于入射電子能量。

圖3 隨表面正電位增加，材料二次電子發(fā)射系數(shù)變化趨勢

圖4 隨表面負(fù)電位增加，材料二次電子發(fā)射系數(shù)變化趨勢

表面負(fù)電位與材料二次電子發(fā)射系數(shù)的關(guān)系如圖4所示。隨著表面負(fù)電位不斷增加，材料二次電子發(fā)射系數(shù)先緩慢下降，當(dāng)表面電位達(dá)到40 V后，二次電子發(fā)射迅速下降。這是由于在本模型中選取的入射電子的能量低于50 eV，當(dāng)表面電位較小時(shí)，對入射電子的能量影響較??；當(dāng)表面電位達(dá)到40 V，入射電子由于表面負(fù)電位的阻擋效應(yīng)，到達(dá)表面的電子能量很小，已無法有效激發(fā)二次電子，因此材料二次電子發(fā)射系數(shù)迅速下降。

4 結(jié)論

理論上研究介質(zhì)材料表面帶電對二次電子發(fā)射影響，通過計(jì)算獲得了材料二次電子發(fā)射系數(shù)與表面帶電電位變化關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明:表面正電位對出射的二次電子具有吸引作用，極大限制了二次電子的發(fā)射；同時(shí)表面帶負(fù)電位時(shí)，減小了入射電子的能量，減少了二次電子的發(fā)射，取得了較好的研究成果，為航天器充放電效應(yīng)數(shù)值模擬和防護(hù)設(shè)計(jì)提供計(jì)算方法的支持。

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