一种确定随机点阵二次电子发射系数的方法与流程

1.本发明属于空间材料表面科学技术领域，尤其涉及一种确定随机点阵二次电子发射系数的方法。


背景技术：

2.由于二次电子发射引发的电子雪崩击穿、微放电、低气压放电等是影响航天器大功率微波系统安全、可靠、长寿命在轨运行的共性技术瓶颈。当其发生时，往往引发系统信号中断、功率下降、器件表面损坏，甚至引发无法在轨修复的灾难性硬故障，导致卫星在轨失效。降低空间微波材料的二次电子发射系数(secondary electron yield，sey)是实现抗微放电设计，提高微放电功率阈值行之有效的手段。
3.目前能够实现材料二次电子发射抑制的方法主要包括优选二次电子发射系数低的新型材料、材料表面处理等。对于结构特殊和构型复杂的大功率微波部件而言，充分考虑结构构型、环境老化等因素的前提下，兼具结构和性能的需要，通过进一步复杂化腔体结构，实现二次电子发射系数的降低和微放电性能的提升是一种新方法与新途径。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种确定随机点阵二次电子发射系数的方法，通过三维位置点构建3d打印随机点阵空间结构的三维位置模型，结合二次电子发射模型，并考虑三维金属丝对电子的散射特性，实现3d打印随机点阵二次电子发射系数的确定，具有物理结构稳定、与器件结合度优异的优势，极具工程应用价值和市场前景。
5.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种确定随机点阵二次电子发射系数的方法，包括：
6.步骤1，建立点阵空间结构三维位置模型；
7.步骤2，确定标准入射电子集；其中，标准入射电子集中包括n个入射电子，标准入射电子集中的各入射电子的初始入射能量均为e0、初始入射角度均为θ0、初始入射位置分别为e0＝100ev，θ0＝0
°
，i＝1,2,3,...,n；
8.步骤3，计算得到初始入射能量为e0、初始入射角度为θ0的n个入射电子入射到点阵空间结构三维位置模型时产生的二次电子的数量n0；
9.步骤4，根据n0，计算得到点阵空间结构三维位置模型在初始入射能量为e0、初始入射角度为θ0时的二次电子发射系数de10；
10.步骤5，获取实验得到的二次电子发射系数实验值der，并根据der和de10确定修正系数aw；
11.步骤6，改变入射电子的初始入射能量和初始入射角度，得到k组不同初始入射能量、不同初始入射角度的入射电子集；其中，第k组入射电子集中的各入射电子的初始入射能量均为ek、初始入射角度均为θk、初始入射位置分别为k＝1,2,3,...,k，j＝1,2,
3,...,mk，mk表示第k组入射电子集中的入射电子的数量；重复步骤3～4，计算得到点阵空间结构三维位置模型在不同初始入射能量ek、不同初始入射角度θk时的二次电子发射系数de1k；
12.步骤7，根据修正系数aw对de1k进行修正，得到点阵空间结构三维位置模型在不同初始入射能量ek、不同初始入射角度θk时修正后的二次电子发射系数dek并输出。
13.在上述确定随机点阵二次电子发射系数的方法中，建立点阵空间结构三维位置模型，包括：
14.确定3d打印的随机点阵实际物理结构；
15.建立随机点阵实际物理结构对应的随机点阵空间结构模型；
16.确定随机点阵空间结构模型所指示的随机点阵空间结构在坐标系o-xyz中的位置，并按照设定步长δd对随机点阵空间结构进行采样；
17.根据确定的随机点阵空间结构在坐标系o-xyz中的位置，构建得到点阵空间结构三维位置模型；并根据随机点阵空间结构的采样结果，标记点阵空间结构三维位置模型中每一个三维位置的属性为真空或材料；当确定三维位置的属性为材料时，标记材料的二次电子发射特性；其中，材料的二次电子发射特性包括：材料的二次电子发射模型和模型参数。
18.在上述确定随机点阵二次电子发射系数的方法中，坐标系o-xyz为笛卡尔坐标系：随机点阵实际物理结构的外壳底部为xoy平面，随机点阵实际物理结构向上延伸的方向为z轴。
19.在上述确定随机点阵二次电子发射系数的方法中，1nm≤δd≤1μm。
20.在上述确定随机点阵二次电子发射系数的方法中，计算得到初始入射能量为e0、初始入射角度为θ0的n个入射电子入射到点阵空间结构三维位置模型时产生的二次电子的数量n0，包括：
21.子步骤31，根据第i个入射电子的初始入射位置和初始入射角度θ0，确定第i个入射电子的直线运动轨迹a0，并确定直线运动轨迹a0与点阵空间结构三维位置模型的交点a；
22.子步骤32，根据第i个入射电子与交点a碰撞时的入射能量和入射角度，结合交点a处材料的二次电子发射特性，计算得到碰撞产生的二次电子的数量n
si
；
23.子步骤33，根据第m个二次电子的出射位置和出射角度，确定第m个二次电子是否从点阵空间结构三维位置模型中出射；其中，1≤m≤n
si
；
24.子步骤34，若确定第m个二次电子从点阵空间结构三维位置模型中出射，则产生的二次电子的数量计数加1；
25.子步骤35，若确定第m个二次电子未从点阵空间结构三维位置模型中出射，则确定第m个二次电子的直线运动轨迹b0，并确定直线运动轨迹b0与点阵空间结构三维位置模型的交点b；按照子步骤32计算得到第m个二次电子碰撞产生的二次电子的数量；
26.子步骤36，迭代子步骤31～35，直至完成初始入射能量为e0、初始入射角度为θ0的n个入射电子碰撞产生的全部二次电子的全部运动过程，确定点阵空间结构三维位置模型在初始入射能量为e0、初始入射角度为θ0的n个入射电子入射时产生的二次电子的数量n0。
27.在上述确定随机点阵二次电子发射系数的方法中，第i个入射电子与交点a碰撞时
的入射能量为第i个入射电子的初始入射能量e0；第i个入射电子与交点a碰撞时的入射角度为直线运动轨迹a0与交点a处随机点阵空间结构模型切平面法线的夹角。
28.在上述确定随机点阵二次电子发射系数的方法中，根据第m个二次电子的出射位置和出射角度，确定第m个二次电子是否从点阵空间结构三维位置模型中出射，包括：
29.根据第m个二次电子的初始入射位置和初始入射角度，确定第m个二次电子的直线运动轨迹b0；
30.判断直线运动轨迹b0与点阵空间结构三维位置模型是否存在交点；
31.若确定直线运动轨迹b0与点阵空间结构三维位置模型存在交点，则确定第m个二次电子未从点阵空间结构三维位置模型中出射；否则，确定第m个二次电子从点阵空间结构三维位置模型中出射。
32.在上述确定随机点阵二次电子发射系数的方法中，de10＝n0/n。
33.在上述确定随机点阵二次电子发射系数的方法中，aw＝der/de10。
34.在上述确定随机点阵二次电子发射系数的方法中，dek＝aw
·
de1k。
35.本发明具有以下优点：
36.(1)本发明公开了一种确定随机点阵二次电子发射系数的方法，通过三维位置点构建3d打印随机点阵空间结构的三维位置模型，结合二次电子发射模型，并考虑三维金属丝对电子的散射特性，实现3d打印随机点阵二次电子发射系数的确定，具有物理结构稳定、与器件结合度优异的优势，极具工程应用价值和市场前景。
37.(2)本发明公开了一种确定随机点阵二次电子发射系数的方法，改变了已有技术仅能确定规则、简单、周期性结构二次电子发射系数的局限性，适用于特定条件下任意随机点阵二次电子发射系数的确定，并通过了实验验证，适用性更强，具有更广阔的应用前景。
附图说明
38.图1是本发明实施例中一种确定随机点阵二次电子发射系数的方法的步骤流程图；
39.图2是本发明实施例中一种3d打印随机点阵空间结构的示意图；
40.图3是本发明实施例中一种基于本发明实施例所述的确定随机点阵二次电子发射系数的方法得到的结果与测量结果的对比示意图。
具体实施方式
41.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
42.如图1，在本实施例中，该确定随机点阵二次电子发射系数的方法，包括：
43.步骤1，建立点阵空间结构三维位置模型。
44.在本实施例中，首先可以确定3d打印的随机点阵实际物理结构；然后，建立随机点阵实际物理结构对应的随机点阵空间结构模型，如图2所示；进一步的，确定随机点阵空间结构模型所指示的随机点阵空间结构在坐标系o-xyz中的位置，并按照设定步长δd对随机点阵空间结构进行采样；最后，根据确定的随机点阵空间结构在坐标系o-xyz中的位置，构建得到点阵空间结构三维位置模型；并根据随机点阵空间结构的采样结果，标记点阵空间
结构三维位置模型中每一个三维位置的属性为真空或材料；当确定三维位置的属性为材料时，标记材料的二次电子发射特性；其中，材料的二次电子发射特性包括：材料的二次电子发射模型和模型参数。
45.需要说明的是，坐标系o-xyz为笛卡尔坐标系：随机点阵实际物理结构的外壳底部为xoy平面，随机点阵实际物理结构向上延伸的方向为z轴。1nm≤δd≤1μm。
46.步骤2，确定标准入射电子集。
47.在本实施例中，标准入射电子集中包括n个入射电子，标准入射电子集中的各入射电子的初始入射能量均为e0、初始入射角度均为θ0、初始入射位置分别为e0＝100ev，θ0＝0
°
，i＝1,2,3,...,n。也即，标准入射电子集中的各入射电子的初始入射能量均为100ev、初始入射角度均为0
°
、初始入射位置可以相同也可以不同。
48.步骤3，计算得到初始入射能量为e0、初始入射角度为θ0的n个入射电子入射到点阵空间结构三维位置模型时产生的二次电子的数量n0。
49.在本实施例中，n0的计算流程如下：
50.子步骤31，根据第i个入射电子的初始入射位置和初始入射角度θ0，确定第i个入射电子的直线运动轨迹a0，并确定直线运动轨迹a0与点阵空间结构三维位置模型的交点a。
51.子步骤32，根据第i个入射电子与交点a碰撞时的入射能量和入射角度，结合交点a处材料的二次电子发射特性，计算得到碰撞产生的二次电子的数量n
si
。具体的，可以将第i个入射电子的入射能量和入射角度作为输入，代入交点a处材料的二次电子发射模型，并结合模型参数，得到交点a处碰撞产生的二次电子的数量n
si
。其中，第i个入射电子与交点a碰撞时的入射能量为第i个入射电子的初始入射能量e0；第i个入射电子与交点a碰撞时的入射角度为直线运动轨迹a0与交点a处随机点阵空间结构模型切平面法线的夹角。
52.子步骤33，根据第m个二次电子的出射位置和出射角度，确定第m个二次电子是否从点阵空间结构三维位置模型中出射。具体的，可根据第m个二次电子的初始入射位置和初始入射角度，确定第m个二次电子的直线运动轨迹b0；判断直线运动轨迹b0与点阵空间结构三维位置模型是否存在交点；若确定直线运动轨迹b0与点阵空间结构三维位置模型存在交点，则确定第m个二次电子未从点阵空间结构三维位置模型中出射；否则，确定第m个二次电子从点阵空间结构三维位置模型中出射。其中，1≤m≤n
si
。
53.需要说明的是，若记每一个二次电子的出射能量为e
si
、出射角度为θ
si
、出射位置为d
si
，则有：e
si
为0到5ev之间产生的随机数。定义出射位置d
si
处的局部坐标系可用于确定出射角度θ
si
：出射位置d
si
处的局部坐标系0'-x'y'z'：出射位置d
si
处点阵空间结构三维位置模型切平面为局部坐标系的x'o'y'平面，x'o'y'平面与坐标系o-xyz中yoz平面的交线为局部坐标系中的x'o'y'平面中的x'轴，出射位置d
si
处点阵空间结构三维位置模型切平面的法线方向为z'轴；则，出射角度θ
si
与局部坐标系x'轴、y'轴、z'轴的夹角分量均为服从余弦分布产生的0至90度之间的随机数。出射位置d
si
为第i个入射电子与交点a碰撞时的位置。
54.子步骤34，若确定第m个二次电子从点阵空间结构三维位置模型中出射，则产生的二次电子的数量计数加1。
55.子步骤35，若确定第m个二次电子未从点阵空间结构三维位置模型中出射，则确定第m个二次电子的直线运动轨迹b0，并确定直线运动轨迹b0与点阵空间结构三维位置模型
的交点b；按照子步骤32计算得到第m个二次电子碰撞产生的二次电子的数量。
56.子步骤36，迭代子步骤31～35，直至完成初始入射能量为e0、初始入射角度为θ0的n个入射电子碰撞产生的全部二次电子的全部运动过程，确定点阵空间结构三维位置模型在初始入射能量为e0、初始入射角度为θ0的n个入射电子入射时产生的二次电子的数量n0。
57.步骤4，根据n0，计算得到点阵空间结构三维位置模型在初始入射能量为e0、初始入射角度为θ0时的二次电子发射系数de10：de10＝n0/n。
58.步骤5，获取实验得到的二次电子发射系数实验值der，并根据der和de10确定修正系数aw。
59.在本实施例中，可根据3d打印的随机点阵实际物理结构和尺寸，通过实验获得入射能量为100ev、入射角度为0度时的二次电子发射系数试验值der。进一步的，aw＝der/de10。
60.步骤6，改变入射电子的初始入射能量和初始入射角度，得到k组不同初始入射能量、不同初始入射角度的入射电子集。重复步骤3～4，计算得到点阵空间结构三维位置模型在不同初始入射能量ek、不同初始入射角度θk时的二次电子发射系数de1k。
61.在本实施例中，第k组入射电子集中的各入射电子的初始入射能量均为ek、初始入射角度均为θk、初始入射位置分别为k＝1,2,3,...,k，j＝1,2,3,...,mk，mk表示第k组入射电子集中的入射电子的数量。
62.步骤7，根据修正系数aw对de1k进行修正，得到点阵空间结构三维位置模型在不同初始入射能量ek、不同初始入射角度θk时修正后的二次电子发射系数dek并输出。其中，dek＝aw
·
de1k。
63.在本实施例中，通过如图3所示的实验测试结果对比可知，通过本发明实现了随机点阵二次电子发射系数的准确确定。
64.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
65.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。