专利名称：一种确定微波部件金属表面二次电子发射系数的方法
技术领域：
本发明涉及一种确定微波部件金属表面二次电子发射系数的方法，主要针对空间飞行器搭载的大功率微波部件，属于空间特殊效应技术领域。
背景技术：
微放电建立的必要条件之一是材料的二次电子发射系数大于1，降低二次电子发射系数能够有效地抑制微放电效应。通过表面处理方法增大微波部件金属表面的粗糙度，在一定条件下粗糙表面对二次电子的产生具有“陷阱”作用。初始电子入射到金属表面碰撞产生二次电子，由于二次电子的最可几能量约在5eV左右，所以二次电子的能量远小于入射电子的能量，这些低能二次电子若在金属表面的等效陷阱结构内，将再次与陷阱壁发生碰撞，能量进一步损失。当等效陷阱结构足够深时，二次电子与陷阱壁发生多次碰撞，使得最终出射陷阱口面的二次电子大幅度减少，低于未处理的金属表面的二次电子发射系数，达到抑制微放电效应的目的。准确获得经过表面处理后的实际金属表面的二次电子发射系数是准确评价微放电抑制效用的关键。现有技术多是通过实验测量得到不同材料表面的二次电子发射系数，进而利用这些二次电子发射现象设计微波部件或设备，另有部分确定金属表面二次电子发射系数的方法存在以下不足:I)缺乏处理实际金属非规则粗糙表面的手段，仅针对表面存在规则矩形槽、三角槽的金属表面计算二次电子发射系数。2)忽略了金属表面粗糙度对电子造成的“陷阱”效应，认为电子与金属表面仅发生一次碰撞，计算结果与实验误差较大。随着空间飞行器向大功率方向发展，确定微波部件金属表面二次电子发射系数对微波部件的微放电阈值的精确预测和抑制技术抑制微放电的效果评估具有重要意义。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供了一种确定微波部件金属表面二次电子发射系数的方法，在保证精度的前提下，不关心初始电子进入金属后与金属固体原子的作用过程，只研究电子入射金属后出射电子的方向、能量、个数，直接获得电子碰撞金属表面后产生的二次电子，结合等效陷阱结构分布密度处理方法，得到任意表面形貌的金属表面的二次电子发射系数。本发明的技术解决方案是:一种确定微波部件金属表面二次电子发射系数的方法，步骤如下:(I)设定入射电子的初始能量为Ep，入射角度为θ p ；(2)改变入射电子的初始能量Ep，统计不同入射能量下的出射电子数目，获得平滑金属表面的二次电子发射系数Sflat;(3)通过微观形貌分析仪器对金属表面进行微观形貌分析，获得金属表面的二维表面形貌图和二维剖面图，得到金属表面等效陷阱结构的深度H，分布密度P和深宽比H/W ；(4)在每个等效陷阱结构内对每次碰撞产生的二次电子进行轨迹追踪，由步骤
(3)中的深宽比Η/W和深度H建立边界条件，判断产生的二次电子发生了再次碰撞、被陷阱壁吸收或者逃逸出陷阱口成为陷阱结构出射的二次电子，最后统计得到陷阱结构口面的二次电子发射系数Sh-;(5)结合步骤(3)中的等效陷阱结构分布密度P，步骤(2)中平滑金属表面的二次电子发射系数Sflat，任意表面形貌的金属表面的二次电子发射系数Ssey为:Ssey =P δ hole+(1_Ρ) δ flat。所述入射电子的初始能量Ep的取值范围为(0eV，2500eV)，入射角度θ p的范围为(0,90° )。所述步骤(2)中改变入射电子的初始能量Ep，统计不同入射能量下的出射电子数目，获得平滑金属表面的二次电子发射系数Sflat，具体为:有N个初始电子具有初始能量Ep，N为正整数，每个入射电子每次与金属表面发生碰撞，生成(0，1)区间内均匀分布的随机数U，如果随机数u满足u < ε (Ερ, ΘΡ)，则入射电子与金属碰撞后发生弹性背散射；如果随机数u满足u < ε (Ερ, θρ)+η(Ερ, θρ)，则入射电子与金属碰撞后发生非弹性背散射；其他情况下则入射电子与金属碰撞后将发射本征二次电子；ε (Ερ, θρ)为弹性背散射系数，η (Ερ, θ ρ)为非弹性背散射系数，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)分别为垂直入射情况下的弹性背散射系数和非弹性背散射系数，有:
,厂、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是原子序数。当碰撞产生弹性背散射电子时，出射电子个数N'为I,出射能量等于初始电子入射能量Ep，出射方向满足镜面反射条件；当碰撞产生非弹性背散射电子时，出射电子个数N"与弹性背散射相同仍为I，出射方向也与弹性背散射相同，出射电子的能量为Eb = Ep.Gb (U),概率函数Gfl(W) = OT1A (arccos(l-/ -w))Li% ,其中 β = 1-cos, α = ；Γ.ο.9 *，nb = 1.5, u 为在(0,1)区间内服从均匀分布的随机数；当碰撞产生本征二次电子时，出射电子的个数N"，服从泊松分布函数Pn(Ερ，θρ)=(e—入.λΝ" , )/Ν" , ! , λ = δ (Ερ，θρ)/(1-ε (Ep, θρ)-η (Ερ, θρ))，Ν",的取值范围是(0，+⑴)，将N"，的每一个取值代入泊松分布函数中，求出相应的概率，当发生产生本征二次电子的碰撞时，生成在(0，1)区间服从均匀分布的随机数U，根据u的取值查找对应的概率，进而得到此时该概率对应的出射电子个数N"'，本征二次电子的能量为Ese=Eremain.Gs (U)，概率函数 Gs (U)为
权利要求
1.一种确定微波部件金属表面二次电子发射系数的方法，其特征在于步骤如下: (1)设定入射电子的初始能量为Ep，入射角度为θp ； (2)改变入射电子的初始能量Ep，统计不同入射能量下的出射电子数目，获得金属表面的二次电子发射系数δ flat ; (3)通过微观形貌分析仪器对金属表面进行微观形貌分析，获得陷阱结构表面的二维表面形貌图和二维剖面图，得到金属表面陷阱结构的深度H，分布密度P和深宽比H/W ； (4)由步骤(3)中的深宽比Η/W和深度H建立边界条件，对每次碰撞产生的二次电子进行轨迹追踪，判断产生的二次电子发生了再次碰撞、被金属壁吸收或者逃逸出等效陷阱之后成为陷阱结构出射的二次电子，最后统计得到陷阱结构口面的二次电子发射系数Stole ； (5)结合步骤(3)中的陷阱结构分布密度P，步骤(2)中平滑金属表面的二次电子发射系数δ flat，任意的实际金属表面的二次电子发射系数δ SEY为:δ SEY = P δ hole+(1-P) δ flat。
2.根据权利要求1所述的一种确定微波部件金属表面二次电子发射系数的方法，其特征在于:所述入射电子的初始能量Ep的取值范围为(0eV，2500eV)，入射角度范围为(0,90° )。
3.根据权利要求1所述的一种确定微波部件金属表面二次电子发射系数的方法，其特征在于:所述步骤(2)中改变入射电子的初始能量Ep，统计不同入射能量下的出射电子数目，获得平滑金属表面的二次电子发射系数Sflat，具体为: 有N个初始电子具有初始能量Ep，N为正整数，每个入射电子每次与平滑金属表面发生碰撞，生成(0，1)区间内均匀分布的随机数U，如果随机数u满足u < ε (Ερ, θρ)，则入射电子与金属碰撞后发生弹性背散射；如果随机数u满足u < ε (Ερ, θρ)+η(Ερ, θρ)，则入射电子与金属碰撞后发生 非弹性背散射；其他情况下则入射电子与金属碰撞后将发射本征二次电子；ε (Ερ, θρ)为弹性背散射系数，η (Ερ, θ ρ)为非弹性背散射系数，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)分别为垂直入射情况下的弹性背散射系数和非弹性背散射系数，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是原子序数。
当碰撞产生弹性背散射电子时，出射电子个数N,为1，出射能量等于初始电子入射能量Ep，出射方向满足镜面反射条件； 当碰撞产生非弹性背散射电子时，出射电子个数N"与弹性背散射相同仍为I，出射方向也与弹性背散射相同，出射电子的能量为Eb = Ep.Gb (U),概率函数GjhhoThlarccosG —,其中 β = 1-cos α，以=疋.0.9%，nb = 1.5,u 为在(0,1)区间内服从均匀分布的随机数；当碰撞产生本征二次电子时，出射电子的个数N"'服从泊松分布函数Pn(Ερ，θρ)=
4.根据权利要求1所述的一种确定微波部件金属表面二次电子发射系数的方法，其特征在于:所述微观形貌分析仪器是指电子扫描显微镜、激光扫描显微镜或者原子力显微镜。
5.根据权利要求1所述的一种确定微波部件金属表面二次电子发射系数的方法，其特征在于:所述步骤(3)中得到金属表面陷阱结构的深度H，分布密度P和深宽比H/W，具体步骤如下: (5.1)当金属表面陷阱结构呈规则分布时，在二维表面形貌图上取70个以上的陷阱结构，分别获取每个陷阱结构的口径值取平均得到陷阱结构的平均口径值； 在二维表面形貌图上选取单位面积，由陷阱结构的平均口径值得到陷阱结构的总口径面积，总口径面积与单位面积之比得陷阱结构的分布密度P ； 提取二维剖面图中多个陷阱结构的深度后求平均得到陷阱结构的深度H，进而得到陷阱结构呈规则分布时金属表面陷阱结构的深宽比H/W ； (5.2)当金属表面陷阱结构呈随机分布时，在金属表面上长1、宽w的范围内选取η条粗糙度轮廓曲线，采集轮廓曲线上沿高度方向的数值，由式
全文摘要
一种确定微波部件金属表面二次电子发射系数的方法，步骤为(1)设定入射电子的初始状态；(2)改变入射电子的初始能量，统计不同入射能量下的出射电子数目，获得金属表面的二次电子发射系数；(3)由金属表面微观形貌得到金属表面陷阱结构的分布密度和深宽比；(4)由深宽比和绝对深度建立边界条件，对每次碰撞后的出射电子进行轨迹追踪，判断发生了再次碰撞、被金属壁吸收或者逃逸出陷阱口成为陷阱结构出射的二次电子，最后统计得到陷阱结构口面的二次电子发射系数；(5)结合陷阱结构分布密度和平滑金属表面的二次电子发射系数确定任意的实际金属表面的二次电子发射系数。
文档编号G01N23/22GK103196932SQ20131006016
公开日2013年7月10日 申请日期2013年2月26日 优先权日2013年2月26日
发明者王瑞, 崔万照, 张娜, 叶鸣, 贺永宁 申请人:西安空间无线电技术研究所