氧化铝表面二次电子发射抑制及其在微放电抑制中的应用

空间大功率微波器件中的二次电子倍增现象会诱发微放电效应,使得器件性能劣化或失效.针对加载氧化铝的同轴低通滤波器进行建模,并通过微放电阈值仿真验证了降低放电敏感表面的二次电子产额(SEY)可有效提升器件微放电阈值.针对器件中易于发生微放电的氧化铝表面,应用激光刻蚀制备表面微结构,获得孔隙比例为67.24%、平均深宽比例为1.57的微孔结构,氧化铝SEY峰值(δ_m)由2.46降低至1.10.应用磁控溅射工艺研究氮化钛(TiN)薄膜低SEY特性,当N₂与Ar流量比为7.5:15时,TiN薄膜δ_m低至1.19.在激光刻蚀微结构氧化铝表面镀覆TiN薄膜,实现表面SEY的剧烈降低,δ_m降至0.79.通过仿真电子束辐照氧化铝表面带电特性,分析了表面带电水平对SEY的影响规律,以及低SEY表面抑制微放电的物理机制.选取填充了纯度为99.5%氧化铝片的同轴滤波器进行验证,结果表明:微结构氧化铝表面镀覆TiN薄膜后,器件微放电阈值由125 W增加至650 W.研究对于介质填充微波器件微放电效应抑制机理分析具有重要科学意...     

微米量级表面结构形貌特性对二次电子发射抑制的优化

抑制二次电子倍增效应是提高空间大功率微波器件和粒子加速器等设备性能的重要课题,而使用表面处理降低材料的二次电子发射系数是抑制二次电子倍增的有效手段.为优化寻找抑制效果最好的表面形貌,本文采用蒙特卡罗方法模拟了各种微米量级不同表面形貌的二次电子发射特性,研究占空比、深宽比、结构形状及排列方式等的影响.模拟结果表明,正方形、圆形、三角形凸起和凹陷结构的二次电子发射系数随占空比和深宽比的增大而减小,但存在饱和值;凸起结构的排列方式对二次电子发射系数的影响不大,但是凸起结构形状却对二次电子发射系数的影响较大,其中三角形的抑制效果最佳.对凹陷结构而言,不同形状的抑制效果差别不大;同时,占空比和深宽比相同时,凸起结构较凹陷结构抑制效果更佳.究其原因,核心在于垂直侧壁的“遮挡效应”,凹陷结构遮挡效应的大小与“陷阱”垂直高度有关,而凸起结构遮挡效应的大小和凸起部分的斜方向投影大小有关.     

金属二次电子发射系数表达式

根据二次电子发射的主要物理过程,推导出二次电子发射系数和单位背散射电子产生的内二次电子数与原电子产生的内二次电子数之比、原电子入射能量、参数、最大二次电子发射系数、背散射系数之间的关系式。根据实验结果,给出了2~10 keV比率的表达式。根据推导的关系式,用实验数据分别计算出6种金属的平均参数。发现6种金属的平均参数都近似为一个常数11.89(eV)0.5。根据推导的关系式和计算的参数,推导出以背散射系数、原电子入射能量和最大二次电子发射系数为变量的二次电子发射系数通式。用该通式计算出二次电子发射系数,并与相应的实验值进行了比较,最后成功地推导出金属2~10 keV的二次电子发射系数通式。     

基于微陷阱结构的金属二次电子发射系数抑制研究

近年来,金属二次电子发射系数的抑制研究在加速器、大功率微波器件等领域得到了广泛关注.为评估表面形貌对抑制效果的影响,利用唯象概率模型计算方法对三角形沟槽、矩形沟槽、方孔及圆孔4种不同形状微陷阱结构的二次电子发射系数进行了研究,分析了微陷阱结构的形状、尺寸对二次电子发射系数抑制特性的影响规律.理论研究结果表明:陷阱结构的深宽比、孔隙率越大,则其二次电子发射系数抑制特性越明显;方孔形和圆孔形微陷阱结构的二次电子发射系数抑制效果优于三角形沟槽和矩形沟槽;具有大孔隙率的微陷阱结构表面的二次电子发射系数对入射角度的依赖显著弱于平滑表面.制备了具有不同表面形貌的金属样片并进行二次电子发射系数测试,所得实验规律与理论模拟规律符合较好.     

提高砷化镓二次电子发射系数的探讨

介绍了延长负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的逸出深度的设计,并给出了经过特殊设计的这种砷化镓的能级示意图,然后对通常的砷化镓和经过特殊设计的砷化镓的二次电子发射系数的理论值进行了比较,得出：当原电子入射能量较低（小于10 keV）时,两种砷化镓的二次电子发射系数差值较小;当原电子入射能量较高（大于20 keV）时,经过特殊设计的砷化镓的二次电子发射系数比普通砷化镓的二次电子发射系数大,而且随着原电子入射能量的升高,两种砷化镓的二次电子发射系数差值也在增大。     

提高砷化镓二次电子发射系数的探讨

介绍了延长负电子亲和势二次电子发射材料砷化镓的逸出深度的设计,并给出了经过特殊设计的这种砷化镓的能级示意图,然后对通常的砷化镓和经过特殊设计的砷化镓的二次电子发射系数的理论值进行了比较,得出:当原电子入射能量较低（小于10 keV）时,两种砷化镓的二次电子发射系数差值较小;当原电子入射能量较高（大于20 keV）时,经过特殊设计的砷化镓的二次电子发射系数比普通砷化镓的二次电子发射系数大,而且随着原电子入射能量的升高,两种砷化镓的二次电子发射系数差值也在增大。     

铝阳极氧化的多孔结构抑制二次电子发射的研究

针对空间大功率微波部件中的二次电子倍增效应影响微波部件性能的问题,基于铝阳极氧化产生大深宽比、高孔隙率均匀纳米级多孔结构的特性,结合蒸发镀银技术,提出一种有效降低表面二次电子发射系数的方法.结果表明,相比于未阳极氧化的铝样片,在不清洗样片的情况下(实际的样片表面都会存在吸附或沾污),测试得到二次电子发射系数曲线的第一能量交叉点E1从45 eV增加到77 eV,最大二次电子发射系数SEY_(max)从2.68减小到1.52;在清洗样片的情况下(清洗是为了去除吸附或沾污,获得理想的表面),测试得到第一能量交叉点E_1从40 eV增加到211 eV,最大二次电子发射系数SEY_(max)从2.55减小到1.36.为了验证本文所提方法对抑制空间大功率微波部件二次电子倍增效应的有效性,分别将获得的未阳极氧化和阳极氧化后的二次电子发射系数数据用于一个X频段阻抗变换器设计中,结果显示,使用本文所提方法后,阻抗变换器的微放电阈值从7000 W提高到125000 W.本文研究的方法不仅对解决空间大功率微波部件的微放电问题有指导意义,而且对真空电子器件、加速器等领域的研究也具有重要参考价值.     

介质材料二次电子发射特性对微波击穿的影响

以介质填充的平行板放电结构为例,本文主要研究了介质填充后微波低气压放电和微放电的物理过程.为了探究介质材料特性对微波低气压放电和微放电阈值的影响,本文采用自主研发的二次电子发射特性测量装置,测量了7种常见介质材料的二次电子发射系数和二次电子能谱.依据二次电子发射过程中介质表面正带电的稳定条件,计算了介质材料稳态表面电位与二次电子发射系数以及能谱参数的关系.在放电结构中引入与表面电位相应的等效直流电场后,依据电子扩散模型和微放电中电子谐振条件,分别探讨了介质表面稳态表面电位的大小对微波低气压放电和微放电阈值的影响.结果表明,介质材料的二次电子发射系数以及能谱参数越大,介质材料的稳态表面电位也越大,对应的微波低气压放电和微放电阈值也越大.所得结论对于填充介质的选择有一定的理论指导价值.     

微孔阵列铜表面二次电子发射系数抑制研究

针对微孔阵列对铜表面二次电子发射系数(SEY)的抑制效应进行实验研究以提高电真空器件性能。首先利用Casino软件模拟了入射能量分别为0.5 keV和3 keV的电子束垂直入射到方形微孔阵列表面的SEY,分析了方孔阵列的深宽比和孔隙率对本征二次电子发射系数(ISEY)、背散射二次电子发射系数(BSEY)及总二次电子发射系数(TSEY)的影响。然后采用半导体光刻工艺在铜箔表面制备具有不同形貌参数的圆孔阵列,采用激光扫描显微镜进行形貌分析和几何结构参数提取,采用二次电子测试平台进行TSEY测试。仿真结果表明：微孔阵列的深宽比、孔隙率越大,其SEY抑制特性越明显;随着微孔阵列深宽比逐渐增大,SEY逐渐趋于饱和;入射电子束能量较低时,微孔阵列对SEY抑制效应比入射能量较高时更为明显。实验结果表明：微孔阵列能有效抑制铜表面SEY,实测结果与仿真结果规律一致,为微孔阵列结构用于铜表面SEY抑制提供了依据。     

高能原电子能量与金属的有效真二次电子发射系数的关系

提出有效真二次电子发射系数的概念,并从理论上论述了高能原电子的能量与金属的有效真二次电子发射系数的关系,然后用实验数据证明了该理论的正确性,最后对结果进行了讨论。得到了如下结论：不同入射能量的高能原电子轰击同一个金属发射体时, 它们的有效真二次电子发射系数与高能原电子入射能量之积近似为一个常量,有效真二次电子发射系数与高能原电子入射能量成反比。     

高能质子束流强度绝对测量的二次电子补偿原理研究

高能质子入射到金属接收体表面诱发的二次电子直接影响束流强度的测量精度,如何消除二次电子影响是实现束流高精度测量的关键.根据高能带电粒子在金属表面诱发二次电子发射理论,对高能质子束流强度测量的二次电子补偿原理进行了研究,设计了二次电子补偿结构.采用三块金属极板构成的实验装置在高能质子源上开展实验研究,实验测得在中间极板上输出的电流与入射质子束流强度的比值小于0.7%,中间极板上二次电子得到补偿,验证了二次电子补偿原理的正确性.研究表明,采用设计的二次电子补偿结构对高能质子束流强度进行测量时二次电子贡献小于1%.     

金属规则表面形貌影响二次电子产额的解析模型

表面形貌是影响二次电子发射特性的重要因素, 但目前仍缺乏刻画这一影响规律的解析模型. 本文通过分析发现表面结构的遮挡作用是影响二次电子发射特性的主要因素. 基于二次电子以余弦角分布出射的规律, 提出了建立表面形貌参数与二次电子产额之间定量关系的方法, 并以矩形槽和三角槽为例, 建立了电子正入射和斜入射时的一代二次电子产额的解析模型. 将推导的解析模型与Monte Carlo模拟结果和实验结果进行了比较, 结果表明本文建立的模型能够正确反映规则表面形貌的二次电子产额. 本文的模型对于反映常用规则结构影响二次电子出射的规律以及指导通过表面结构调控二次电子发射特性都具有参考价值.     

On characteristics of sheath damping near a dielectric wall with secondary electron emission

A preliminary investigation is conducted to study the characteristics of sheath damping near a dielectric wall with secondary electron emission (SEE). Making use of the linear analysis of the sheath stability, we have found two major contributions to the sheath damping, one similar to the Landau damping in uniform plasmas and another determined by local electric field and electron density of the steady-state sheath. It indicates that in a classical sheath regime the damping in the sheath region monotonically increases towards the wall and decreases with the enhancement of SEE effect. In order to verify the theoretical analysis, sheath oscillation processes induced by an initial disturbance are simulated with a time-dependent one-dimensional (1D) sheath model. Numerical results obtained are consistent with the theoretical analysis qualitatively.     

绝缘体二次电子发射系数测量装置的研制

成功研制了测量绝缘体二次电子发射系数的测量装置,该装置主要由栅控电子枪系统、真空系统和电子采集系统组成,测量装置产生的原电子流的能量范围为0.8~60 keV。采用单脉冲电子枪法,测量了原电子能量范围为0.8~45 keV的多晶MgO的二次电子发射系数。测量中,收集极(偏置盒)离材料表面设置为约35 mm,偏置电压设置为 45 V。测量得到：用磁控溅射法制备的MgO的二次电子发射系数最大值约为2.83,处于 2~26范围内,其对应的原电子能量约为980 eV。这表明该装置测量的绝缘体二次电子发射系数是可信的,但用磁控溅射法制备的MgO的二次电子发射系数较低,这可能是制备MgO时引入了过多的杂质在MgO二次电子发射体里面所引起的。     

壁面二次电子发射对霍尔推力器放电通道绝缘壁面双鞘特性的影响

为进一步揭示霍尔推力器放电通道绝缘壁面鞘层的特性, 利用考虑了壁面二次电子分布函数的一维稳态流体鞘层模型, 研究了壁面二次电子发射对近壁双鞘特性的影响. 分析结果表明, 由于壁面发射的二次电子对近壁鞘层中的电子密度有增加作用, 存在一个临界二次电子发射系数σ_dc使得: 当σ≤σ_dc时, 鞘层为单层的正离子鞘结构; 当σ>σ_dc时, 鞘层表现为双层的正离子鞘和电子鞘相连结构, 连接点对应于垂直于壁面方向上电势分布的拐点. 然而, 当σ进一步增大到0.999时, 鞘层转变为三层的正离子鞘-电子鞘-正离子鞘交替结构. 数值结果表明: 随着σ的增加, 电子鞘与离子鞘的连接点向远离壁面的方向移动, 电子鞘的厚度逐渐增加; 随着壁面出射电子能量系数a的增加, 近壁区鞘层的厚度也逐渐增加. 关键词： 霍尔推力器 双鞘 壁面二次电子发射     

数值模拟飞秒激光加热金属的热电子发射

研究了超短超强激光脉冲与薄膜靶相互作用中产生的电子热发射.当超短激光脉冲与薄膜靶相互作用时,首先入射超短脉冲激光对吸收深度内的自由电子进行热激发,接下来热激发电子将能量传递到附近的晶格,再通过电子和晶格二体系的热传导,以及电子晶格间的热耦合,将能量传递到材料的内部.因此,电子在皮秒级甚至更短的时间内不能与晶格进行能量耦合,使电子温度超出晶格温度很多,电子热发射就变得非常明显了.用双温方程联合Richardson-Dushman方程的方法对飞秒脉冲激光照射金属靶的电子热发射进行了研究,结果发现电子热发射对飞     

深紫外激光光发射与热发射电子显微镜在热扩散阴极研究中的应用

对热扩散阴极表面微区发射状态进行原位观察和分析一直是热阴极研究的重要课题.本文着重介绍深紫外激光光发射电子/热发射电子显微镜的基本原理及其在热扩散阴极研究中的典型实例.系统配备了高温激活所用的加热装置,样品可被加热至1400℃.系统具有光发射电子、阴极热发射电子、光发射电子和阴极热发射电子联合三种电子成像模式.应用表明,对于热扩散阴极而言,深紫外激光光发射电子像适于呈现阴极表面的微观结构形貌;热发射电子像适于反映阴极表面的本征热电子发射及均匀性;光电子和热电子联合成像适于对阴极表面的有效发射点做出精确定位.     

二次电子发射和负离子存在时的鞘层结构特性

 建立了包括电子、离子、器壁发射二次电子以及负离子多种成分的等离子体无碰撞鞘层的基本模型,讨论了二次电子发射和负离子对1维稳态等离子体鞘层结构的影响,并且分析了多种成分等离子体鞘层内的二次电子和负离子的相互作用。结果表明：二次电子发射系数的增加和负离子含量的增加,都将导致鞘层的厚度有所减小;二次电子发射系数超过临界发射系数之后,鞘层不再是离子鞘。随着器壁材料二次电子发射系数的增加,鞘层中的负离子密度分布也逐渐增加;负离子的增加,导致二次电子临界发射系数有所增加。另外,在等离子体鞘层中二次电子发射和负离子的存在,也影响着鞘层中电子的放电特性与器壁材料的腐蚀。