專利名稱：一種確定微波部件金屬表面二次電子發(fā)射系數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定微波部件金屬表面二次電子發(fā)射系數(shù)的方法，主要針對空間飛行器搭載的大功率微波部件，屬于空間特殊效應技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微放電建立的必要條件之一是材料的二次電子發(fā)射系數(shù)大于1，降低二次電子發(fā)射系數(shù)能夠有效地抑制微放電效應。通過表面處理方法增大微波部件金屬表面的粗糙度，在一定條件下粗糙表面對二次電子的產(chǎn)生具有“陷阱”作用。初始電子入射到金屬表面碰撞產(chǎn)生二次電子，由于二次電子的最可幾能量約在5eV左右，所以二次電子的能量遠小于入射電子的能量，這些低能二次電子若在金屬表面的等效陷阱結(jié)構(gòu)內(nèi)，將再次與陷阱壁發(fā)生碰撞，能量進一步損失。當?shù)刃葳褰Y(jié)構(gòu)足夠深時，二次電子與陷阱壁發(fā)生多次碰撞，使得最終出射陷阱口面的二次電子大幅度減少，低于未處理的金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)，達到抑制微放電效應的目的。準確獲得經(jīng)過表面處理后的實際金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)是準確評價微放電抑制效用的關(guān)鍵。現(xiàn)有技術(shù)多是通過實驗測量得到不同材料表面的二次電子發(fā)射系數(shù)，進而利用這些二次電子發(fā)射現(xiàn)象設(shè)計微波部件或設(shè)備，另有部分確定金屬表面二次電子發(fā)射系數(shù)的方法存在以下不足:I)缺乏處理實際金屬非規(guī)則粗糙表面的手段，僅針對表面存在規(guī)則矩形槽、三角槽的金屬表面計算二次電子發(fā)射系數(shù)。2)忽略了金屬表面粗糙度對電子造成的“陷阱”效應，認為電子與金屬表面僅發(fā)生一次碰撞，計算結(jié)果與實驗誤差較大。隨著空間飛行器向大功率方向發(fā)展，確定微波部件金屬表面二次電子發(fā)射系數(shù)對微波部件的微放電閾值的精確預測和抑制技術(shù)抑制微放電的效果評估具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種確定微波部件金屬表面二次電子發(fā)射系數(shù)的方法，在保證精度的前提下，不關(guān)心初始電子進入金屬后與金屬固體原子的作用過程，只研究電子入射金屬后出射電子的方向、能量、個數(shù)，直接獲得電子碰撞金屬表面后產(chǎn)生的二次電子，結(jié)合等效陷阱結(jié)構(gòu)分布密度處理方法，得到任意表面形貌的金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種確定微波部件金屬表面二次電子發(fā)射系數(shù)的方法，步驟如下:(I)設(shè)定入射電子的初始能量為Ep，入射角度為θ p ；(2)改變?nèi)肷潆娮拥某跏寄芰縀p，統(tǒng)計不同入射能量下的出射電子數(shù)目，獲得平滑金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)Sflat;(3)通過微觀形貌分析儀器對金屬表面進行微觀形貌分析，獲得金屬表面的二維表面形貌圖和二維剖面圖，得到金屬表面等效陷阱結(jié)構(gòu)的深度H，分布密度P和深寬比H/W ；(4)在每個等效陷阱結(jié)構(gòu)內(nèi)對每次碰撞產(chǎn)生的二次電子進行軌跡追蹤，由步驟
(3)中的深寬比Η/W和深度H建立邊界條件，判斷產(chǎn)生的二次電子發(fā)生了再次碰撞、被陷阱壁吸收或者逃逸出陷阱口成為陷阱結(jié)構(gòu)出射的二次電子，最后統(tǒng)計得到陷阱結(jié)構(gòu)口面的二次電子發(fā)射系數(shù)Sh-;(5)結(jié)合步驟(3)中的等效陷阱結(jié)構(gòu)分布密度P，步驟(2)中平滑金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)Sflat，任意表面形貌的金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)Ssey為:Ssey =P δ hole+(1_Ρ) δ flat。所述入射電子的初始能量Ep的取值范圍為(0eV，2500eV)，入射角度θ p的范圍為(0,90° )。所述步驟(2)中改變?nèi)肷潆娮拥某跏寄芰縀p，統(tǒng)計不同入射能量下的出射電子數(shù)目，獲得平滑金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)Sflat，具體為:有N個初始電子具有初始能量Ep，N為正整數(shù)，每個入射電子每次與金屬表面發(fā)生碰撞，生成(0，1)區(qū)間內(nèi)均勻分布的隨機數(shù)U，如果隨機數(shù)u滿足u < ε (Ερ, ΘΡ)，則入射電子與金屬碰撞后發(fā)生彈性背散射；如果隨機數(shù)u滿足u < ε (Ερ, θρ)+η(Ερ, θρ)，則入射電子與金屬碰撞后發(fā)生非彈性背散射；其他情況下則入射電子與金屬碰撞后將發(fā)射本征二次電子；ε (Ερ, θρ)為彈性背散射系數(shù)，η (Ερ, θ ρ)為非彈性背散射系數(shù)，且:e(Ep,et) = e(￡j °s0p -C^η(Ερ,θρ) = η(Εργ°à -C;-cos 其中，C2= 0.89.[ ε (Ep)/ ε (Ep) + n (Ep) ], C1 = 0.89 n (Ep)/ ε (Ep)+ η (Ep)；
ε (Ep)和η (Ep)分別為垂直入射情況下的彈性背散射系數(shù)和非彈性背散射系數(shù)，有:
,廠、0.030.07￡{ ρ)_ι + Λ/ζ.￡ρ/50 + 1 + 4￡;;/Ζ2
f f ε、η(Ε } = 7.8xK)'(l-3xi(r5.^ }-exp----
1vp} p, 300+175Z,Z是原子序數(shù)。當碰撞產(chǎn)生彈性背散射電子時，出射電子個數(shù)N'為I,出射能量等于初始電子入射能量Ep，出射方向滿足鏡面反射條件；當碰撞產(chǎn)生非彈性背散射電子時，出射電子個數(shù)N"與彈性背散射相同仍為I，出射方向也與彈性背散射相同，出射電子的能量為Eb = Ep.Gb (U),概率函數(shù)Gfl(W) = OT1A (arccos(l-/ -w))Li% ,其中 β = 1-cos, α = ；Γ.ο.9 *，nb = 1.5, u 為在(0,1)區(qū)間內(nèi)服從均勻分布的隨機數(shù)；當碰撞產(chǎn)生本征二次電子時，出射電子的個數(shù)N"，服從泊松分布函數(shù)Pn(Ερ，θρ)=(e—入.λΝ" , )/Ν" , ! , λ = δ (Ερ，θρ)/(1-ε (Ep, θρ)-η (Ερ, θρ))，Ν",的取值范圍是(0，+⑴)，將N"，的每一個取值代入泊松分布函數(shù)中，求出相應的概率，當發(fā)生產(chǎn)生本征二次電子的碰撞時，生成在(0，1)區(qū)間服從均勻分布的隨機數(shù)U，根據(jù)u的取值查找對應的概率，進而得到此時該概率對應的出射電子個數(shù)N"'，本征二次電子的能量為Ese=Eremain.Gs (U)，概率函數(shù) Gs (U)為
權(quán)利要求
1.一種確定微波部件金屬表面二次電子發(fā)射系數(shù)的方法，其特征在于步驟如下: (1)設(shè)定入射電子的初始能量為Ep，入射角度為θp ； (2)改變?nèi)肷潆娮拥某跏寄芰縀p，統(tǒng)計不同入射能量下的出射電子數(shù)目，獲得金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)δ flat ; (3)通過微觀形貌分析儀器對金屬表面進行微觀形貌分析，獲得陷阱結(jié)構(gòu)表面的二維表面形貌圖和二維剖面圖，得到金屬表面陷阱結(jié)構(gòu)的深度H，分布密度P和深寬比H/W ； (4)由步驟(3)中的深寬比Η/W和深度H建立邊界條件，對每次碰撞產(chǎn)生的二次電子進行軌跡追蹤，判斷產(chǎn)生的二次電子發(fā)生了再次碰撞、被金屬壁吸收或者逃逸出等效陷阱之后成為陷阱結(jié)構(gòu)出射的二次電子，最后統(tǒng)計得到陷阱結(jié)構(gòu)口面的二次電子發(fā)射系數(shù)Stole ； (5)結(jié)合步驟(3)中的陷阱結(jié)構(gòu)分布密度P，步驟(2)中平滑金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)δ flat，任意的實際金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)δ SEY為:δ SEY = P δ hole+(1-P) δ flat。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定微波部件金屬表面二次電子發(fā)射系數(shù)的方法，其特征在于:所述入射電子的初始能量Ep的取值范圍為(0eV，2500eV)，入射角度范圍為(0,90° )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定微波部件金屬表面二次電子發(fā)射系數(shù)的方法，其特征在于:所述步驟(2)中改變?nèi)肷潆娮拥某跏寄芰縀p，統(tǒng)計不同入射能量下的出射電子數(shù)目，獲得平滑金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)Sflat，具體為: 有N個初始電子具有初始能量Ep，N為正整數(shù)，每個入射電子每次與平滑金屬表面發(fā)生碰撞，生成(0，1)區(qū)間內(nèi)均勻分布的隨機數(shù)U，如果隨機數(shù)u滿足u < ε (Ερ, θρ)，則入射電子與金屬碰撞后發(fā)生彈性背散射；如果隨機數(shù)u滿足u < ε (Ερ, θρ)+η(Ερ, θρ)，則入射電子與金屬碰撞后發(fā)生 非彈性背散射；其他情況下則入射電子與金屬碰撞后將發(fā)射本征二次電子；ε (Ερ, θρ)為彈性背散射系數(shù)，η (Ερ, θ ρ)為非彈性背散射系數(shù)，且:ε(Ερ,θρ) = S(Ep)c^-C]rs°"η(Ερ，βρ) = η(Ερ) 其中，C2 = 0.89.[ ε (Ep)/ ε (Ep) + η (Ep) ]，C1 = 0.89 η (Ep)/ ε (Ep)+η (Ep) ； ε (Ep)和n (Ep)分別為垂直入射情況下的彈性背散射系數(shù)和非彈性背散射系數(shù)，有:,0.030.07 ε\Εη =-τ=-+-7ν ρ} \ + 4Ζ.Ερ/50 l + 4Ep/Z- (r Ε \°.Τ)τ; ￡ ) = 7.8 XIO3 (I — 3 XI Ο—5.￡ ).E 6.exp--^ κ ρ}χρ； ρκ 300+175Ζ, ν νjJ Z是原子序數(shù)。
當碰撞產(chǎn)生彈性背散射電子時，出射電子個數(shù)N,為1，出射能量等于初始電子入射能量Ep，出射方向滿足鏡面反射條件； 當碰撞產(chǎn)生非彈性背散射電子時，出射電子個數(shù)N"與彈性背散射相同仍為I，出射方向也與彈性背散射相同，出射電子的能量為Eb = Ep.Gb (U),概率函數(shù)GjhhoThlarccosG —,其中 β = 1-cos α，以=疋.0.9%，nb = 1.5,u 為在(0,1)區(qū)間內(nèi)服從均勻分布的隨機數(shù)；當碰撞產(chǎn)生本征二次電子時，出射電子的個數(shù)N"'服從泊松分布函數(shù)Pn(Ερ，θρ)=
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定微波部件金屬表面二次電子發(fā)射系數(shù)的方法，其特征在于:所述微觀形貌分析儀器是指電子掃描顯微鏡、激光掃描顯微鏡或者原子力顯微鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定微波部件金屬表面二次電子發(fā)射系數(shù)的方法，其特征在于:所述步驟(3)中得到金屬表面陷阱結(jié)構(gòu)的深度H，分布密度P和深寬比H/W，具體步驟如下: (5.1)當金屬表面陷阱結(jié)構(gòu)呈規(guī)則分布時，在二維表面形貌圖上取70個以上的陷阱結(jié)構(gòu)，分別獲取每個陷阱結(jié)構(gòu)的口徑值取平均得到陷阱結(jié)構(gòu)的平均口徑值； 在二維表面形貌圖上選取單位面積，由陷阱結(jié)構(gòu)的平均口徑值得到陷阱結(jié)構(gòu)的總口徑面積，總口徑面積與單位面積之比得陷阱結(jié)構(gòu)的分布密度P ； 提取二維剖面圖中多個陷阱結(jié)構(gòu)的深度后求平均得到陷阱結(jié)構(gòu)的深度H，進而得到陷阱結(jié)構(gòu)呈規(guī)則分布時金屬表面陷阱結(jié)構(gòu)的深寬比H/W ； (5.2)當金屬表面陷阱結(jié)構(gòu)呈隨機分布時，在金屬表面上長1、寬w的范圍內(nèi)選取η條粗糙度輪廓曲線，采集輪廓曲線上沿高度方向的數(shù)值，由式
全文摘要
一種確定微波部件金屬表面二次電子發(fā)射系數(shù)的方法，步驟為(1)設(shè)定入射電子的初始狀態(tài)；(2)改變?nèi)肷潆娮拥某跏寄芰?，統(tǒng)計不同入射能量下的出射電子數(shù)目，獲得金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)；(3)由金屬表面微觀形貌得到金屬表面陷阱結(jié)構(gòu)的分布密度和深寬比；(4)由深寬比和絕對深度建立邊界條件，對每次碰撞后的出射電子進行軌跡追蹤，判斷發(fā)生了再次碰撞、被金屬壁吸收或者逃逸出陷阱口成為陷阱結(jié)構(gòu)出射的二次電子，最后統(tǒng)計得到陷阱結(jié)構(gòu)口面的二次電子發(fā)射系數(shù)；(5)結(jié)合陷阱結(jié)構(gòu)分布密度和平滑金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)確定任意的實際金屬表面的二次電子發(fā)射系數(shù)。
文檔編號G01N23/22GK103196932SQ20131006016
公開日2013年7月10日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者王瑞, 崔萬照, 張娜, 葉鳴, 賀永寧 申請人:西安空間無線電技術(shù)研究所