不同帶電情況下介質(zhì)材料二次電子發(fā)射特性研究

陳益峰，楊生勝，李得天，秦曉剛，王 俊，柳 青

（1.蘭州空間技術(shù)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；

2.蘭州空間技術(shù)物理研究所空間環(huán)境材料行為及評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000）

不同帶電情況下介質(zhì)材料二次電子發(fā)射特性研究

陳益峰1，楊生勝1，李得天1，秦曉剛1，王 俊1，柳 青2

（1.蘭州空間技術(shù)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；

2.蘭州空間技術(shù)物理研究所空間環(huán)境材料行為及評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000）

空間材料二次電子發(fā)射特性是決定航天器表面帶電速率和充電平衡電位水平的重要參數(shù)。本文利用1～5 ke V的脈沖電子束開(kāi)展了聚酰亞胺（kapton）、玻璃蓋片和光學(xué)太陽(yáng)反射鏡（OSR）材料的二次電子發(fā)射系數(shù)（δ）測(cè)試，并完成了介質(zhì)材料表面不同充電情況下的二次電子發(fā)射特性研究。研究結(jié)果表明，在入射電子能量為1～5 ke V范圍內(nèi)材料二次電子發(fā)射系數(shù)隨入射電子能量上升而下降，同時(shí)當(dāng)二次電子發(fā)射系數(shù)大于1時(shí)，材料表面將累積正電荷，二次電子發(fā)射系數(shù)下降，當(dāng)二次電子發(fā)射系數(shù)小于1時(shí)，材料表面將累積負(fù)電荷，二次電子發(fā)射系數(shù)將增加。

充放電效應(yīng)；二次電子發(fā)射；能量；表面電荷

Key words：charging-discharging effect；secondary electron emission；energy；surface charge

航天器表面帶電效應(yīng)可能會(huì)產(chǎn)生具有瞬時(shí)高壓和強(qiáng)電流特征的電磁脈沖，導(dǎo)致航天器上的敏感電子元器件損壞及組件誤動(dòng)作，干擾航天器與地面的通信，甚至造成航天器飛行任務(wù)的失?。?－4］。當(dāng)空間環(huán)境中的航天器表面發(fā)生充放電效應(yīng)時(shí)，最后的平衡電位取決于入射的電子、離子、表面的二次電子發(fā)射、光電發(fā)射等因素之間的平衡，其中空間材料二次電子發(fā)射系數(shù)是影響航天器表面帶電的一個(gè)重要因素，決定了航天器表面帶電速率和充電平衡電位水平［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)。同時(shí)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，從而影響二次電子的發(fā)射［7］。

目前國(guó)際上已開(kāi)展了較多關(guān)于材料二次電子發(fā)射系數(shù)的研究［8－10］。本文主要開(kāi)展典型空間介質(zhì)材料的二次電子發(fā)射系數(shù)的測(cè)試，以獲得1～5 ke V脈沖電子束輻照下材料二次電子發(fā)射系數(shù)的變化趨勢(shì)，并研究表面帶正電荷和負(fù)電荷時(shí)二次電子發(fā)射系數(shù)的變化規(guī)律，從而為衛(wèi)星充放電效應(yīng)仿真評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)方法

空間材料二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)試裝置（圖1）主要包括脈沖式電子槍、錐形法拉第筒，二次電子收集極和樣品臺(tái)。電子槍能量范圍為1～5 ke V，具有脈沖發(fā)射功能（單次脈沖、0.1 Hz和1 Hz），入射電子束脈沖波形圖示于圖2。入射電子測(cè)試采用錐形結(jié)構(gòu)法拉第筒，同時(shí)在法拉第筒的入口增加一個(gè)抑制環(huán)，抑制環(huán)施加負(fù)電位（－200 V），并在二次電子收集極上加正偏壓（＋50 V），可有效抑制二次電子與收集極之間的散射作用，從而提高實(shí)驗(yàn)測(cè)試精度。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)方法，采用脈沖發(fā)射的電子束分別測(cè)得介質(zhì)材料的入射電子電流Ip和二次電子電流Is，即可獲得二次電子發(fā)射系數(shù)δ：

圖1 空間材料二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of secondary electron emission coefficient measurement device

圖2 入射電子束脈沖波形圖Fig.2 Oscillogram of pulsed incident electron

2 結(jié)果與分析

在介質(zhì)材料二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，選取材料為聚酰亞胺（kapton）、玻璃蓋片和光學(xué)太陽(yáng)反射鏡（OSR），電子槍能量為1～5 ke V，采用單次脈沖特性的電子束輻照材料，測(cè)得典型介質(zhì)材料二次電子發(fā)射系數(shù)隨入射電子能量的變化如圖3所示。

從圖3可看出，隨著入射電子能量的增大，不同介質(zhì)材料的二次電子發(fā)射系數(shù)均呈下降趨勢(shì)。在入射電子（本文所涉及的能量范圍為1～5 ke V）輻照下材料二次電子產(chǎn)生過(guò)程中，當(dāng)入射電子能量較高時(shí)，入射電子與材料內(nèi)部電子的作用時(shí)間短，損失的能量較少，因此激發(fā)的二次電子數(shù)量少。隨著入射深度不斷增加，入射電子的能量不斷下降，其與內(nèi)部電子作用時(shí)間增加，激發(fā)的二次電子數(shù)量也隨之增加。因此入射電子在材料內(nèi)部激發(fā)的二次電子主要在其射程的末端。

圖3 典型介質(zhì)材料二次電子發(fā)射系數(shù)隨入射電子能量的變化Fig.3 Secondary electron emission coefficient of typical dielectric under primary electron irradiation with different energy

能量越高的入射電子在材料內(nèi)部的射程越大，而二次電子主要產(chǎn)生在入射電子射程末端，因此能量越高入射電子激發(fā)的二次電子從激發(fā)位置轉(zhuǎn)移至材料表面的距離越大，導(dǎo)致二次電子越不容易轉(zhuǎn)移至材料表面并發(fā)射。幾個(gè)keV入射電子激發(fā)的二次電子能量范圍主要為0～50 e V［11］。因此隨著入射電子能量增加，材料二次電子發(fā)射系數(shù)呈下降趨勢(shì)。

從圖3還可看出：不同介質(zhì)材料的二次電子發(fā)射系數(shù)存在差異，這主要?dú)w因于不同介質(zhì)材料內(nèi)部電子密度不同。入射電子在材料內(nèi)部激發(fā)二次電子后，二次電子向材料表面轉(zhuǎn)移過(guò)程中將不斷與材料內(nèi)部電子相互作用，對(duì)于內(nèi)部電子密度高的材料（OSR材料為氧化銦錫／kapton／Al結(jié)構(gòu)，最外層的氧化銦錫在本文測(cè)試的材料中電子密度最高），二次電子與材料內(nèi)部電子作用的幾率越大，因此損失能量的幾率也將越大，從而不容易到達(dá)材料表面并發(fā)射，導(dǎo)致二次電子發(fā)射系數(shù)較小。

研究中還開(kāi)展了介質(zhì)材料表面帶正電荷和負(fù)電荷時(shí)二次電子發(fā)射系數(shù)的測(cè)試。為模擬介質(zhì)材料表面帶正電荷的情況，采用1.5 ke V脈沖電子束輻照玻璃蓋片樣品，此時(shí)玻璃蓋片的二次電子發(fā)射系數(shù)為2，玻璃蓋片表面帶正電荷。當(dāng)電子束脈沖頻率f分別為0.1 Hz和1 Hz時(shí)，測(cè)得二次電子發(fā)射系數(shù)隨時(shí)間的變化如圖4所示。

由圖4可看出，在1.5 ke V脈沖電子束輻照下，玻璃蓋片二次電子發(fā)射系數(shù)隨著時(shí)間的增加而下降。在該能量入射電子輻照下玻璃蓋片的二次電子發(fā)射系數(shù)大于1，此時(shí)材料表面發(fā)射的電子數(shù)量遠(yuǎn)大于入射電子數(shù)量，玻璃蓋片表面帶正電荷，將會(huì)對(duì)材料表面發(fā)射出去的二次電子產(chǎn)生吸引作用，導(dǎo)致二次電子重新返回材料表面，從而使得材料的二次電子發(fā)射系數(shù)下降。隨著輻照時(shí)間的增加，材料表面所帶的正電荷不斷增加，材料二次電子發(fā)射系數(shù)繼續(xù)下降，直至二次電子發(fā)射系數(shù)趨向于1，此時(shí)材料表面入射的電荷量和發(fā)射的電荷量大致相等，材料表面所帶正電荷的量趨于平衡。

圖4 1.5 keV脈沖電子束輻照下玻璃蓋片二次電子發(fā)射系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.4 Secondary electron emission coefficient of cover glass material vs.time under 1.5 ke V pulsed electron irradiation

比較分析入射電子束不同發(fā)射頻率情況下二次電子發(fā)射系數(shù)的變化規(guī)律，可看出當(dāng)發(fā)射頻率為0.1 Hz時(shí)，發(fā)射9個(gè)脈沖電子束時(shí)材料表面電荷接近平衡，而發(fā)射頻率為1 Hz時(shí)需要5個(gè)脈沖達(dá)到平衡。這是由于玻璃蓋片表面積累的電荷量與入射電子電荷量、二次電子發(fā)射電荷量以及材料自身的泄漏電荷量有關(guān)，入射電子和二次電子僅在脈沖電子束輻照時(shí)產(chǎn)生，而材料電荷的泄漏始終存在，因此當(dāng)脈沖發(fā)射頻率越低時(shí)，脈沖間隔時(shí)間越長(zhǎng)，泄漏的電荷越多，故達(dá)到表面平衡電荷量時(shí)所需的脈沖個(gè)數(shù)越多。

為模擬介質(zhì)材料表面帶負(fù)電荷的情況，采用5 ke V脈沖電子束輻照OSR樣品，此時(shí)OSR的二次電子發(fā)射系數(shù)為0.6，材料表面帶負(fù)電荷。當(dāng)電子束脈沖頻率f為0.1 Hz和1 Hz時(shí)，測(cè)得OSR二次電子發(fā)射系數(shù)隨時(shí)間的變化如圖5所示。

由圖5可看出，在不同發(fā)射頻率5 ke V脈沖電子束輻照下，OSR二次電子發(fā)射系數(shù)隨著時(shí)間的增加而增加，這是由于在該能量入射電子輻照下OSR的二次電子發(fā)射系數(shù)小于1，此時(shí)OSR表面入射電子數(shù)量遠(yuǎn)大于發(fā)射的二次電子數(shù)量，表面將積累負(fù)電荷，如在14 keV電子輻照下介質(zhì)材料最高充電電位將達(dá)－8 600 V［12］，從而對(duì)入射電子產(chǎn)生排斥作用，并降低入射電子到達(dá)材料表面的能量。由前文分析可知，低能量入射電子在材料內(nèi)部產(chǎn)生的二次電子距離材料表面越近，導(dǎo)致材料內(nèi)部二次電子容易轉(zhuǎn)移至材料表面并出射，因此材料表面帶負(fù)電荷時(shí)二次電子發(fā)射系數(shù)增加，同時(shí)由于材料表面負(fù)電荷增多，也將更容易產(chǎn)生二次電子，導(dǎo)致二次電子發(fā)射系數(shù)增加。

隨輻照時(shí)間的增加，OSR表面所帶的負(fù)電荷將進(jìn)一步增加，導(dǎo)致入射電子能量繼續(xù)下降，材料二次電子數(shù)量也隨之增加，因此OSR二次電子發(fā)射系數(shù)隨時(shí)間的增加而上升，最終二次電子發(fā)射系數(shù)趨向于1，此時(shí)入射電子電荷量與二次電子電荷量相等，材料表面負(fù)電荷的量趨于平衡。同時(shí)，低發(fā)射頻率（f＝0.1 Hz）的電子束達(dá)到材料表面平衡電荷量時(shí)所需的脈沖個(gè)數(shù)多，這與表面帶正電荷時(shí)的情況相一致，主要是由于材料本身的泄漏電荷造成的。

圖5 5 keV脈沖電子束輻照下OSR二次電子發(fā)射系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.5 Secondary electron emission coefficient of OSR material vs.time under 5 ke V pulsed electron irradiation

3 結(jié)論

利用1～5 ke V的脈沖電子束開(kāi)展了典型介質(zhì)材料二次電子發(fā)射系數(shù)測(cè)試研究，獲得了kapton、玻璃蓋片和OSR材料的二次電子發(fā)射系數(shù)隨入射電子能量的變化趨勢(shì)；并分別開(kāi)展了介質(zhì)材料表面帶正電荷和負(fù)電荷情況下的二次電子發(fā)射系數(shù)發(fā)射特性研究。結(jié)果表明：材料表面帶正電荷時(shí)對(duì)材料發(fā)射的二次電子產(chǎn)生吸引作用，導(dǎo)致二次電子發(fā)射系數(shù)下降；表面帶負(fù)電荷時(shí)對(duì)入射電子產(chǎn)生阻擋效應(yīng)，使得入射電子能量降低，導(dǎo)致二次電子發(fā)射系數(shù)增加。本工作對(duì)于研究衛(wèi)星充放電效應(yīng)的物理機(jī)制奠定了良好基礎(chǔ)，并為充放電效應(yīng)的仿真分析和防護(hù)設(shè)計(jì)提供了較好的數(shù)據(jù)支持。

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Study of Characteristic for Secondary Electron Emission of Dielectric with Different Surface Chargings

CHEN Yi-feng1，YANG Sheng-sheng1，LI De-tian1，QIN Xiao-gang1，
WANG Jun1，LIU Qing2
（1.Science and Technology on Vacuum ＆Cryogenics Technology and Physics Laboratory，
Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China；
2.Science and Technology on Material Performance Evaluating in Space Environment Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The secondary electron emission（SEE）process is very important for spacecraft surface charged rate and balanced potential.The SEE coefficients（δ）of kapton，cover glass and optical solar reflector（OSR）materials were measured with 1-5 ke V pulsed electron irradiation，and the SEE yield of dielectric material with different surface charges was investigated.The results indicate that the SEE yield is observed to be larger at lower projectile energy in the region of 1-5 ke V.The SEE coefficients decrease with positive charging of dielectric whenδis more than 1 and increase with negative charging of dielectric whenδis lower than 1.

O562.4

A

：1000-6931（2015）09-1673-05

10.7538／yzk.2015.49.09.1673

2014-05-05；

2015-01-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11105063）

陳益峰（1981—），男，江蘇通州人，高級(jí)工程師，博士，從事空間環(huán)境效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)研究