不同帶電情況下介質材料二次電子發射特性研究

陳益峰，楊生勝，李得天，秦曉剛，王 俊，柳 青

（1.蘭州空間技術物理研究所真空低溫技術與物理重點實驗室，甘肅蘭州 730000；

2.蘭州空間技術物理研究所空間環境材料行為及評價技術重點實驗室，甘肅蘭州 730000）

不同帶電情況下介質材料二次電子發射特性研究

陳益峰1，楊生勝1，李得天1，秦曉剛1，王 俊1，柳 青2

（1.蘭州空間技術物理研究所真空低溫技術與物理重點實驗室，甘肅蘭州 730000；

2.蘭州空間技術物理研究所空間環境材料行為及評價技術重點實驗室，甘肅蘭州 730000）

空間材料二次電子發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。本文利用1～5 ke V的脈沖電子束開展了聚酰亞胺（kapton）、玻璃蓋片和光學太陽反射鏡（OSR）材料的二次電子發射系數（δ）測試，并完成了介質材料表面不同充電情況下的二次電子發射特性研究。研究結果表明，在入射電子能量為1～5 ke V范圍內材料二次電子發射系數隨入射電子能量上升而下降，同時當二次電子發射系數大于1時，材料表面將累積正電荷，二次電子發射系數下降，當二次電子發射系數小于1時，材料表面將累積負電荷，二次電子發射系數將增加。

充放電效應；二次電子發射；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可能會產生具有瞬時高壓和強電流特征的電磁脈沖，導致航天器上的敏感電子元器件損壞及組件誤動作，干擾航天器與地面的通信，甚至造成航天器飛行任務的失?。?－4］。當空間環境中的航天器表面發生充放電效應時，最后的平衡電位取決于入射的電子、離子、表面的二次電子發射、光電發射等因素之間的平衡，其中空間材料二次電子發射系數是影響航天器表面帶電的一個重要因素，決定了航天器表面帶電速率和充電平衡電位水平［5－6］。

材料二次電子發射系數與入射粒子能量、入射角度、材料特性等參數相關。同時由于介質材料的導電性差，當受到入射電子轟擊時，表面將積累電荷，若介質材料二次電子發射系數大于1則積累正電荷，若小于1則積累負電荷，積累電荷將引起表面電位的變化，從而影響二次電子的發射［7］。

目前國際上已開展了較多關于材料二次電子發射系數的研究［8－10］。本文主要開展典型空間介質材料的二次電子發射系數的測試，以獲得1～5 ke V脈沖電子束輻照下材料二次電子發射系數的變化趨勢，并研究表面帶正電荷和負電荷時二次電子發射系數的變化規律，從而為衛星充放電效應仿真評估和防護設計提供理論支持。

1 實驗方法

空間材料二次電子發射系數測試裝置（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。電子槍能量范圍為1～5 ke V，具有脈沖發射功能（單次脈沖、0.1 Hz和1 Hz），入射電子束脈沖波形圖示于圖2。入射電子測試采用錐形結構法拉第筒，同時在法拉第筒的入口增加一個抑制環，抑制環施加負電位（－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，從而提高實驗測試精度。

通過上述實驗方法，采用脈沖發射的電子束分別測得介質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射系數δ：

圖1 空間材料二次電子發射系數測試裝置示意圖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 結果與分析

在介質材料二次電子發射系數測試實驗中，選取材料為聚酰亞胺（kapton）、玻璃蓋片和光學太陽反射鏡（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，測得典型介質材料二次電子發射系數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，不同介質材料的二次電子發射系數均呈下降趨勢。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生過程中，當入射電子能量較高時，入射電子與材料內部電子的作用時間短，損失的能量較少，因此激發的二次電子數量少。隨著入射深度不斷增加，入射電子的能量不斷下降，其與內部電子作用時間增加，激發的二次電子數量也隨之增加。因此入射電子在材料內部激發的二次電子主要在其射程的末端。

圖3 典型介質材料二次電子發射系數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部的射程越大，而二次電子主要產生在入射電子射程末端，因此能量越高入射電子激發的二次電子從激發位置轉移至材料表面的距離越大，導致二次電子越不容易轉移至材料表面并發射。幾個keV入射電子激發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，材料二次電子發射系數呈下降趨勢。

從圖3還可看出：不同介質材料的二次電子發射系數存在差異，這主要歸因于不同介質材料內部電子密度不同。入射電子在材料內部激發二次電子后，二次電子向材料表面轉移過程中將不斷與材料內部電子相互作用，對于內部電子密度高的材料（OSR材料為氧化銦錫／kapton／Al結構，最外層的氧化銦錫在本文測試的材料中電子密度最高），二次電子與材料內部電子作用的幾率越大，因此損失能量的幾率也將越大，從而不容易到達材料表面并發射，導致二次電子發射系數較小。

研究中還開展了介質材料表面帶正電荷和負電荷時二次電子發射系數的測試。為模擬介質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，此時玻璃蓋片的二次電子發射系數為2，玻璃蓋片表面帶正電荷。當電子束脈沖頻率f分別為0.1 Hz和1 Hz時，測得二次電子發射系數隨時間的變化如圖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射系數隨著時間的增加而下降。在該能量入射電子輻照下玻璃蓋片的二次電子發射系數大于1，此時材料表面發射的電子數量遠大于入射電子數量，玻璃蓋片表面帶正電荷，將會對材料表面發射出去的二次電子產生吸引作用，導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射系數下降。隨著輻照時間的增加，材料表面所帶的正電荷不斷增加，材料二次電子發射系數繼續下降，直至二次電子發射系數趨向于1，此時材料表面入射的電荷量和發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射系數隨時間的變化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射頻率情況下二次電子發射系數的變化規律，可看出當發射頻率為0.1 Hz時，發射9個脈沖電子束時材料表面電荷接近平衡，而發射頻率為1 Hz時需要5個脈沖達到平衡。這是由于玻璃蓋片表面積累的電荷量與入射電子電荷量、二次電子發射電荷量以及材料自身的泄漏電荷量有關，入射電子和二次電子僅在脈沖電子束輻照時產生，而材料電荷的泄漏始終存在，因此當脈沖發射頻率越低時，脈沖間隔時間越長，泄漏的電荷越多，故達到表面平衡電荷量時所需的脈沖個數越多。

為模擬介質材料表面帶負電荷的情況，采用5 ke V脈沖電子束輻照OSR樣品，此時OSR的二次電子發射系數為0.6，材料表面帶負電荷。當電子束脈沖頻率f為0.1 Hz和1 Hz時，測得OSR二次電子發射系數隨時間的變化如圖5所示。

由圖5可看出，在不同發射頻率5 ke V脈沖電子束輻照下，OSR二次電子發射系數隨著時間的增加而增加，這是由于在該能量入射電子輻照下OSR的二次電子發射系數小于1，此時OSR表面入射電子數量遠大于發射的二次電子數量，表面將積累負電荷，如在14 keV電子輻照下介質材料最高充電電位將達－8 600 V［12］，從而對入射電子產生排斥作用，并降低入射電子到達材料表面的能量。由前文分析可知，低能量入射電子在材料內部產生的二次電子距離材料表面越近，導致材料內部二次電子容易轉移至材料表面并出射，因此材料表面帶負電荷時二次電子發射系數增加，同時由于材料表面負電荷增多，也將更容易產生二次電子，導致二次電子發射系數增加。

隨輻照時間的增加，OSR表面所帶的負電荷將進一步增加，導致入射電子能量繼續下降，材料二次電子數量也隨之增加，因此OSR二次電子發射系數隨時間的增加而上升，最終二次電子發射系數趨向于1，此時入射電子電荷量與二次電子電荷量相等，材料表面負電荷的量趨于平衡。同時，低發射頻率（f＝0.1 Hz）的電子束達到材料表面平衡電荷量時所需的脈沖個數多，這與表面帶正電荷時的情況相一致，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二次電子發射系數隨時間的變化Fig.5 Secondary electron emission coefficient of OSR material vs.time under 5 ke V pulsed electron irradiation

3 結論

利用1～5 ke V的脈沖電子束開展了典型介質材料二次電子發射系數測試研究，獲得了kapton、玻璃蓋片和OSR材料的二次電子發射系數隨入射電子能量的變化趨勢；并分別開展了介質材料表面帶正電荷和負電荷情況下的二次電子發射系數發射特性研究。結果表明：材料表面帶正電荷時對材料發射的二次電子產生吸引作用，導致二次電子發射系數下降；表面帶負電荷時對入射電子產生阻擋效應，使得入射電子能量降低，導致二次電子發射系數增加。本工作對于研究衛星充放電效應的物理機制奠定了良好基礎，并為充放電效應的仿真分析和防護設計提供了較好的數據支持。

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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

國家自然科學基金資助項目（11105063）

陳益峰（1981—），男，江蘇通州人，高級工程師，博士，從事空間環境效應及防護技術研究