介质材料带电对二次电子发射影响的研究

陈益峰，杨生胜，秦晓刚，柳 青，史 亮，孔风连，汤道坦，李存惠

（兰州物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000）

1 引言

空间介质材料的二次电子发射使航天器表面带电，主要危害包括放电对航天器表面材料的剥蚀和加速污染等，从而导致航天器表面材料性能衰退，影响航天器飞行任务的顺利完成[1-4]。当空间环境中的航天器表面发生带电时，其最后的平衡电位取决于入射的电子、离子、表面的光电发射、二次电子发射、背散射电流及漏电流之间的平衡。研究表明，由于同步轨道卫星发生严重带电事件的时间绝大多数处于当地午夜至黎明时分，此时可能影响卫星表面材料带电的主要参数是材料的二次电子发射系数。因此，空间介质材料二次电子发射系数是决定航天器表面带电速率和平衡电位的重要材料特征参数[5,6]。

材料二次电子发射系数与入射粒子能量、入射角度、材料特性等参数相关。材料二次电子发射系数典型曲线见图1所示。图中E1、E2、Em分别表示二次电子发射系数为1时的电子能量和二次电子发射系数最大时的电子能量，δm为最大二次电子发射系数。

介质材料二次电子发射的研究工作主要集中在材料表面为零电位的情况，而在轨航天器表面由于电荷积累，引起表面电位的变化，这种变化又导致轰击表面的原电子能量和二次电子出射能量的变化，从而对二次电子发射过程产生影响，使得航天器表面带电过程越发复杂。

作者针对介质材料表面带电对二次电子发射影响，研究介质材料带电情况下二次电子的发射过程，了解介质材料表面带电的物理机制，对于材料表面带电的预测及防带电设计选材具有重要的作用，同时也可为高压电子管的局部带电现象[7]、超高频管二次电子共振现象[8]等研究提供参考。

2 理论模型

由于介质材料的导电性差，当受到入射电子轰击时，表面将积累电荷，若介质材料二次电子发射系数大于1则积累正电荷，若小于1则积累负电荷，积累电荷将引起表面电位的变化，将会产生正电位激发和负电位阻挡效应（如图2所示），从而影响二次电子的发射。

图2 正电位激发和负电位阻挡效应示意图

根据Neal Nickles的理论模型[9],当材料表面带电时，材料二次电子发射系数可表述为

式中 Q0为入射电子的电荷量；E为二次电子能量；Qc为二次电子电荷量；Vs为材料表面带电电位；E0为入射电子能量。

根据二次电子理论，二次电子能量最大为50 eV，若将入射电子能量限定为E0=50 eV

则有

得到表面不带电时的二次发射系数为

由Chung-Everhart模型[10]可知：二次电子电荷量与二次电子能量和材料功函数有关，表述为下式

式中 k为与材料相关常数；准为功函数。

将式（4）代入式（2），并对式（2）进行积分可得

式中 x为电子亲和势，对于未带电的介质材料，可替代功函数准；b仅与电子亲和势和二次电子能量上限有关，

表面带电时二次电子发射系数与不带电时二次电子发射系数关系可表述为

通过以上模型即可求出表面带电时二次电子发射系数与表面带电电位的关系。

3 结果和讨论

利用以上模型，对表面带电对二次电子发射的影响进行计算。图3所示的是当表面带正电位时，材料二次电子发射系数的变化趋势。从图3中可以看出，随着表面正电位的增加，二次电子发射系数不断下降，这是由于表面正电位对出射的二次电子吸引作用，即为正电位激发效应；同时当表面电位增加到50 V时，二次电子发射系数几乎为0，说明二次电子能量不可能大于入射电子能量。

图3 随表面正电位增加，材料二次电子发射系数变化趋势

图4 随表面负电位增加，材料二次电子发射系数变化趋势

表面负电位与材料二次电子发射系数的关系如图4所示。随着表面负电位不断增加，材料二次电子发射系数先缓慢下降，当表面电位达到40 V后，二次电子发射迅速下降。这是由于在本模型中选取的入射电子的能量低于50 eV，当表面电位较小时，对入射电子的能量影响较小；当表面电位达到40 V，入射电子由于表面负电位的阻挡效应，到达表面的电子能量很小，已无法有效激发二次电子，因此材料二次电子发射系数迅速下降。

4 结论

理论上研究介质材料表面带电对二次电子发射影响，通过计算获得了材料二次电子发射系数与表面带电电位变化关系。计算结果表明:表面正电位对出射的二次电子具有吸引作用，极大限制了二次电子的发射；同时表面带负电位时，减小了入射电子的能量，减少了二次电子的发射，取得了较好的研究成果，为航天器充放电效应数值模拟和防护设计提供计算方法的支持。

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