不同带电情况下介质材料二次电子发射特性研究

陈益峰，杨生胜，李得天，秦晓刚，王 俊，柳 青

（1.兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理重点实验室，甘肃兰州 730000；

2.兰州空间技术物理研究所空间环境材料行为及评价技术重点实验室，甘肃兰州 730000）

不同带电情况下介质材料二次电子发射特性研究

陈益峰1，杨生胜1，李得天1，秦晓刚1，王 俊1，柳 青2

（1.兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理重点实验室，甘肃兰州 730000；

2.兰州空间技术物理研究所空间环境材料行为及评价技术重点实验室，甘肃兰州 730000）

空间材料二次电子发射特性是决定航天器表面带电速率和充电平衡电位水平的重要参数。本文利用1～5 ke V的脉冲电子束开展了聚酰亚胺（kapton）、玻璃盖片和光学太阳反射镜（OSR）材料的二次电子发射系数（δ）测试，并完成了介质材料表面不同充电情况下的二次电子发射特性研究。研究结果表明，在入射电子能量为1～5 ke V范围内材料二次电子发射系数随入射电子能量上升而下降，同时当二次电子发射系数大于1时，材料表面将累积正电荷，二次电子发射系数下降，当二次电子发射系数小于1时，材料表面将累积负电荷，二次电子发射系数将增加。

充放电效应；二次电子发射；能量；表面电荷

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

航天器表面带电效应可能会产生具有瞬时高压和强电流特征的电磁脉冲，导致航天器上的敏感电子元器件损坏及组件误动作，干扰航天器与地面的通信，甚至造成航天器飞行任务的失败［1－4］。当空间环境中的航天器表面发生充放电效应时，最后的平衡电位取决于入射的电子、离子、表面的二次电子发射、光电发射等因素之间的平衡，其中空间材料二次电子发射系数是影响航天器表面带电的一个重要因素，决定了航天器表面带电速率和充电平衡电位水平［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。同时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，从而影响二次电子的发射［7］。

目前国际上已开展了较多关于材料二次电子发射系数的研究［8－10］。本文主要开展典型空间介质材料的二次电子发射系数的测试，以获得1～5 ke V脉冲电子束辐照下材料二次电子发射系数的变化趋势，并研究表面带正电荷和负电荷时二次电子发射系数的变化规律，从而为卫星充放电效应仿真评估和防护设计提供理论支持。

1 实验方法

空间材料二次电子发射系数测试装置（图1）主要包括脉冲式电子枪、锥形法拉第筒，二次电子收集极和样品台。电子枪能量范围为1～5 ke V，具有脉冲发射功能（单次脉冲、0.1 Hz和1 Hz），入射电子束脉冲波形图示于图2。入射电子测试采用锥形结构法拉第筒，同时在法拉第筒的入口增加一个抑制环，抑制环施加负电位（－200 V），并在二次电子收集极上加正偏压（＋50 V），可有效抑制二次电子与收集极之间的散射作用，从而提高实验测试精度。

通过上述实验方法，采用脉冲发射的电子束分别测得介质材料的入射电子电流Ip和二次电子电流Is，即可获得二次电子发射系数δ：

图1 空间材料二次电子发射系数测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of secondary electron emission coefficient measurement device

图2 入射电子束脉冲波形图Fig.2 Oscillogram of pulsed incident electron

2 结果与分析

在介质材料二次电子发射系数测试实验中，选取材料为聚酰亚胺（kapton）、玻璃盖片和光学太阳反射镜（OSR），电子枪能量为1～5 ke V，采用单次脉冲特性的电子束辐照材料，测得典型介质材料二次电子发射系数随入射电子能量的变化如图3所示。

从图3可看出，随着入射电子能量的增大，不同介质材料的二次电子发射系数均呈下降趋势。在入射电子（本文所涉及的能量范围为1～5 ke V）辐照下材料二次电子产生过程中，当入射电子能量较高时，入射电子与材料内部电子的作用时间短，损失的能量较少，因此激发的二次电子数量少。随着入射深度不断增加，入射电子的能量不断下降，其与内部电子作用时间增加，激发的二次电子数量也随之增加。因此入射电子在材料内部激发的二次电子主要在其射程的末端。

图3 典型介质材料二次电子发射系数随入射电子能量的变化Fig.3 Secondary electron emission coefficient of typical dielectric under primary electron irradiation with different energy

能量越高的入射电子在材料内部的射程越大，而二次电子主要产生在入射电子射程末端，因此能量越高入射电子激发的二次电子从激发位置转移至材料表面的距离越大，导致二次电子越不容易转移至材料表面并发射。几个keV入射电子激发的二次电子能量范围主要为0～50 e V［11］。因此随着入射电子能量增加，材料二次电子发射系数呈下降趋势。

从图3还可看出：不同介质材料的二次电子发射系数存在差异，这主要归因于不同介质材料内部电子密度不同。入射电子在材料内部激发二次电子后，二次电子向材料表面转移过程中将不断与材料内部电子相互作用，对于内部电子密度高的材料（OSR材料为氧化铟锡／kapton／Al结构，最外层的氧化铟锡在本文测试的材料中电子密度最高），二次电子与材料内部电子作用的几率越大，因此损失能量的几率也将越大，从而不容易到达材料表面并发射，导致二次电子发射系数较小。

研究中还开展了介质材料表面带正电荷和负电荷时二次电子发射系数的测试。为模拟介质材料表面带正电荷的情况，采用1.5 ke V脉冲电子束辐照玻璃盖片样品，此时玻璃盖片的二次电子发射系数为2，玻璃盖片表面带正电荷。当电子束脉冲频率f分别为0.1 Hz和1 Hz时，测得二次电子发射系数随时间的变化如图4所示。

由图4可看出，在1.5 ke V脉冲电子束辐照下，玻璃盖片二次电子发射系数随着时间的增加而下降。在该能量入射电子辐照下玻璃盖片的二次电子发射系数大于1，此时材料表面发射的电子数量远大于入射电子数量，玻璃盖片表面带正电荷，将会对材料表面发射出去的二次电子产生吸引作用，导致二次电子重新返回材料表面，从而使得材料的二次电子发射系数下降。随着辐照时间的增加，材料表面所带的正电荷不断增加，材料二次电子发射系数继续下降，直至二次电子发射系数趋向于1，此时材料表面入射的电荷量和发射的电荷量大致相等，材料表面所带正电荷的量趋于平衡。

图4 1.5 keV脉冲电子束辐照下玻璃盖片二次电子发射系数随时间的变化Fig.4 Secondary electron emission coefficient of cover glass material vs.time under 1.5 ke V pulsed electron irradiation

比较分析入射电子束不同发射频率情况下二次电子发射系数的变化规律，可看出当发射频率为0.1 Hz时，发射9个脉冲电子束时材料表面电荷接近平衡，而发射频率为1 Hz时需要5个脉冲达到平衡。这是由于玻璃盖片表面积累的电荷量与入射电子电荷量、二次电子发射电荷量以及材料自身的泄漏电荷量有关，入射电子和二次电子仅在脉冲电子束辐照时产生，而材料电荷的泄漏始终存在，因此当脉冲发射频率越低时，脉冲间隔时间越长，泄漏的电荷越多，故达到表面平衡电荷量时所需的脉冲个数越多。

为模拟介质材料表面带负电荷的情况，采用5 ke V脉冲电子束辐照OSR样品，此时OSR的二次电子发射系数为0.6，材料表面带负电荷。当电子束脉冲频率f为0.1 Hz和1 Hz时，测得OSR二次电子发射系数随时间的变化如图5所示。

由图5可看出，在不同发射频率5 ke V脉冲电子束辐照下，OSR二次电子发射系数随着时间的增加而增加，这是由于在该能量入射电子辐照下OSR的二次电子发射系数小于1，此时OSR表面入射电子数量远大于发射的二次电子数量，表面将积累负电荷，如在14 keV电子辐照下介质材料最高充电电位将达－8 600 V［12］，从而对入射电子产生排斥作用，并降低入射电子到达材料表面的能量。由前文分析可知，低能量入射电子在材料内部产生的二次电子距离材料表面越近，导致材料内部二次电子容易转移至材料表面并出射，因此材料表面带负电荷时二次电子发射系数增加，同时由于材料表面负电荷增多，也将更容易产生二次电子，导致二次电子发射系数增加。

随辐照时间的增加，OSR表面所带的负电荷将进一步增加，导致入射电子能量继续下降，材料二次电子数量也随之增加，因此OSR二次电子发射系数随时间的增加而上升，最终二次电子发射系数趋向于1，此时入射电子电荷量与二次电子电荷量相等，材料表面负电荷的量趋于平衡。同时，低发射频率（f＝0.1 Hz）的电子束达到材料表面平衡电荷量时所需的脉冲个数多，这与表面带正电荷时的情况相一致，主要是由于材料本身的泄漏电荷造成的。

图5 5 keV脉冲电子束辐照下OSR二次电子发射系数随时间的变化Fig.5 Secondary electron emission coefficient of OSR material vs.time under 5 ke V pulsed electron irradiation

3 结论

利用1～5 ke V的脉冲电子束开展了典型介质材料二次电子发射系数测试研究，获得了kapton、玻璃盖片和OSR材料的二次电子发射系数随入射电子能量的变化趋势；并分别开展了介质材料表面带正电荷和负电荷情况下的二次电子发射系数发射特性研究。结果表明：材料表面带正电荷时对材料发射的二次电子产生吸引作用，导致二次电子发射系数下降；表面带负电荷时对入射电子产生阻挡效应，使得入射电子能量降低，导致二次电子发射系数增加。本工作对于研究卫星充放电效应的物理机制奠定了良好基础，并为充放电效应的仿真分析和防护设计提供了较好的数据支持。

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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

国家自然科学基金资助项目（11105063）

陈益峰（1981—），男，江苏通州人，高级工程师，博士，从事空间环境效应及防护技术研究