王思展

摘要：當(dāng)材料表面受到具有初始動(dòng)能的粒子撞擊時(shí)，會(huì)被激發(fā)出二次電子。二次電子發(fā)射特性廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，而在航天領(lǐng)域，二次電子發(fā)射系數(shù)與在地球同步軌道運(yùn)行的航天器表面帶電水平息息相關(guān)。為了更好地計(jì)算航天器表面帶電電位，需要準(zhǔn)確獲取航天器表面材料的二次電子發(fā)射特性，因而二次電子發(fā)射特性研究以及二次電子發(fā)射系數(shù)測量顯得尤為重要。基于二次電子從產(chǎn)生之時(shí)所經(jīng)歷的輸運(yùn)、逃逸等物理過程對二次電子發(fā)射理論進(jìn)行了整理，并對目前國內(nèi)外二次電子發(fā)射系數(shù)的測量方法及測量手段進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：二次電子發(fā)射特性;二次電子發(fā)射系數(shù);航天器表面帶電;二次電子產(chǎn)額

中圖分類號：0462.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.014

當(dāng)有初始能量的粒子（電子或離子等）撞擊到材料表面時(shí)，會(huì)從材料表面激發(fā)出電子，如果到達(dá)材料表面的電子所具有的能量足以克服材料表面的能量勢壘，便可從材料表面逃逸出來，即二次電子發(fā)射現(xiàn)象，逃逸出來的電子稱為二次電子，如圖1所示。在研究中約定，從材料表面逃逸出來的電子中，能量在50 eV以下的電子稱為（真）二次電子，能量在50 eV以上的電子稱為背散射電子。二次電子發(fā)射特性可由二次電子發(fā)射系數(shù)和二次電子能譜來表征。二次電子發(fā)射系數(shù)定義為從材料出射的電子數(shù)（流）與入射到材料表面的電子數(shù)（流）之間的比值。二次電子發(fā)射現(xiàn)象自19世紀(jì)末期由Campell發(fā)現(xiàn)的幾十年以來，在理論研究方面及實(shí)驗(yàn)測量方面都有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而二次電子發(fā)射現(xiàn)象在多個(gè)領(lǐng)域，包括掃描電子顯微鏡、俄歇能譜儀等都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在航天領(lǐng)域，二次電子發(fā)射系數(shù)不僅與航天器表面充電電位大小密切相關(guān)，同時(shí)還與航天微波器件的微放電效應(yīng)有關(guān)[2-5]。因此，有關(guān)二次電子發(fā)射現(xiàn)象的理論研究和二次電子發(fā)射系數(shù)的測量手段顯得尤為重要。

1 二次電子發(fā)射現(xiàn)象理論研究

二次電子發(fā)射現(xiàn)象最初由Campell發(fā)現(xiàn)，后來由Austin和Strake進(jìn)行了較為深入的研究[6]，Bruining于1954年對當(dāng)時(shí)的二次電子理論研究成果以及相關(guān)的測量手段進(jìn)行了階段性的總結(jié)[7]。對于二次電子數(shù)值模型是基于大量實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果推導(dǎo)得出的，1950年Baroody提出了只考慮垂直入射條件下的二次電子發(fā)射系數(shù)數(shù)值模型[8]。1956年，Kollath對自己的二次電子發(fā)射系數(shù)模型進(jìn)行了詳細(xì)描述[9]。1957年，Ley和Dekker得到了修正模型，并對之前的二次電子數(shù)值模型進(jìn)行了分析比較[1O]。對于二次電子能譜模型，Chung和Everhart于1974年首次提出低能二次電子能譜模型[11]。2002年，F(xiàn)urman和Pivi首次將二次電子分為真二次電子、背散射電子（包括彈性散射和非彈性散射），并引入了概率模型，這個(gè)模型能夠應(yīng)用于二次電子能譜的擬合[12]。2005年，Rebecca Seviour對Furman模型進(jìn)行了修正，提出了較新的二次電子發(fā)射模型[13]。

目前對金屬材料二次電子發(fā)射現(xiàn)象的理論模型主要基于二次電子在材料內(nèi)部的產(chǎn)生、輸運(yùn)和逃逸這三個(gè)物理過程，且多數(shù)模型的推算均圍繞以下這個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼归_：

f（x） =Bexp（- X/λSE）.（1）

式（1）中：B為二次電子的轉(zhuǎn)移逸出系數(shù)，為僅與材料相關(guān)的常數(shù)，對于導(dǎo)體來說，B與材料的功函數(shù)有關(guān)，對于介質(zhì)材料，它與材料能帶隙以及電子親和力有關(guān);λSE為二次電子平均逃逸長度。

當(dāng)材料內(nèi)部的二次電子被激發(fā)出來后，在材料內(nèi)部經(jīng)歷了如下三個(gè)物理過程。

二次電子的產(chǎn)生：當(dāng)具有一定的能量撞擊到材料表面時(shí)，在材料表面激發(fā)產(chǎn)生的電子數(shù)量和入射粒子的擊穿深度與入射粒子的能量有關(guān)。入射電子的擊穿深度還與其初始能量以及與材料的化學(xué)組成有關(guān)。另外，由入射粒子激發(fā)出來的高能電子會(huì)在材料內(nèi)部經(jīng)歷更多的彈性散射事件，從而會(huì)在材料內(nèi)部激發(fā)出更多的低能電子，而在實(shí)際研究中，認(rèn)定從材料表面出射的電子即為二次電子。對于絕緣體而言，激發(fā)出來的電子還需要克服材料表面的能帶隙能量[14]。

二次電子在材料內(nèi)部的輸運(yùn)：在材料表面被激發(fā)出來的電子在材料內(nèi)部會(huì)有一個(gè)輸運(yùn)的過程，在這一過程中電子會(huì)損失能量。多數(shù)電子在未到達(dá)材料表面時(shí)能量耗盡無法逃逸。二次電子輸運(yùn)過程可表述成擴(kuò)散過程模型，一個(gè)被激發(fā)出來的電子到達(dá)材料表面時(shí)的概率隨著二次電子產(chǎn)生深度呈指數(shù)衰減，并且隨著電子在材料中逃逸深度的變化而變化（電子在材料中的逃逸深度與材料特性有關(guān)）[15]。二次電子能否從材料表面逃逸，取決于材料自身的性質(zhì)，而這可用二次電子在材料中的逃逸深度來表征。絕緣體中電子的平均逃逸深度為1O - 50 mm，導(dǎo)體中電子的平均逃逸深度低于10 nm，由于電子在絕緣體中的逃逸深度大于導(dǎo)體，因此更多的電子可以從絕緣體表面逃逸，所以在入射電子能量相同的情況下，絕緣體的二次電子發(fā)射系數(shù)遠(yuǎn)高于導(dǎo)體[16]。

二次電子的逃逸：二次電子若要從材料表面逃逸，需要克服材料表面的能量勢壘，對于接地的導(dǎo)體而言，該能量勢壘為材料的逸出功，而對于絕緣體和半導(dǎo)體而言為電子親和性，且當(dāng)絕緣體（半導(dǎo)體）表面帶電時(shí)，還需克服材料表面的電位[17]。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，從材料表面逃逸出來的二次電子能量一般在幾電子伏特，而產(chǎn)生位置在幾納米的位置，因此材料表面的性質(zhì)對二次電子發(fā)射現(xiàn)象影響很重要。

2 二次電子發(fā)射與航天器表面充電之間的關(guān)系

運(yùn)行在地球同步軌道的航天器在等離子體環(huán)境作用下發(fā)生表面充電，當(dāng)電位達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，航天器表面電位由入射電流（電子和離子）、二次電子電流、背散射電子電流和光電子電流決定;當(dāng)航天器在陰影區(qū)運(yùn)行時(shí)，此時(shí)不出現(xiàn)光電效應(yīng)，航天器表面電位只與入射電流和二次電子電流有關(guān)。航天器表面電位的平衡方程為：

當(dāng)航天器表面的電位足夠高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致靜電放電效應(yīng)（ ESD），導(dǎo)致航天材料失效，對航天任務(wù)的執(zhí)行造成威脅。太陽電池板占據(jù)了航天器大部分面積，Kapton是航天器表面的熱防護(hù)層，而Teflon是航天器光纜的表面材料，因此需要準(zhǔn)確測量這些航天材料的二次電子發(fā)射系數(shù)，將測量結(jié)果用于航天器表面充電電位的估算，以便準(zhǔn)確評估航天器在軌運(yùn)行時(shí)的充電情況，控制航天器在GEO軌道的充電電位。

3 二次電子發(fā)射系數(shù)測量方法研究

由于材料自身的性質(zhì)各不相同，針對不同的材料二次電子發(fā)射系數(shù)測量方法也應(yīng)有所區(qū)分。對于金屬材料，二次電子電流較易測試，可直接通過電流法測得;而對于絕緣體和半導(dǎo)體，測量過程中易產(chǎn)生表面充電效應(yīng)且不易中和，需要使用更為復(fù)雜的測量手段。

3.1 二次電子測量方法概述

結(jié)合目前的二次電子發(fā)射系數(shù)測量現(xiàn)狀，測量材料二次電子發(fā)射系數(shù)的主流方法的目的都是實(shí)現(xiàn)對入射電子電流、（真）二次電子電流及背散射電子電流的區(qū)分及收集，并使用不同的中和方法保證介質(zhì)材料在測量過程中不至于充到較高電位，減少其對入射電子能量的影響，提高測量精度。

3.2 三極管法、四極管法

三極管法與四極管法皆為使用電子束管測量二次電子發(fā)射系數(shù)，對陰極進(jìn)行加熱，通過控制被測材料與陰極材料之間的電勢差來控制二次電子的發(fā)射并收集，如圖3、圖4[18-19]所示。圖3為三極管法，電子從陰極C發(fā)出，陽極為A，待測材料在陽極表面。通過控制陽極與陰極之間的電位差使電子進(jìn)入柵格G，從而計(jì)算二次電子電流。這兩種方法原理較為簡單，但測量精度不高，只可作為現(xiàn)象研究，不可用于材料二次電子發(fā)射系數(shù)的精確測量。

3.3 偏壓電流法和收集法

隨著理論研究與測量手段更為深入，使用電子槍對材料的二次電子發(fā)射系數(shù)進(jìn)行測量成為了目前主流的測量手段。對于金屬材料而言，二次電子發(fā)射系數(shù)測量方法主要包括偏壓電流法和收集法兩種，如圖5、圖6所示。

偏壓電流法是指通過對樣品施加不同大小和方向的偏壓，獲得入射電流、二次電子電流和樣品電流，從而計(jì)算出二次電子發(fā)射系數(shù);收集法是使用柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)的測量裝置，通過對各層?xùn)啪W(wǎng)時(shí)施加不同的偏壓，收集二次電子（背散射電子）并測得相應(yīng)的二次電子（背散射）電子電流，從而計(jì)算出二次電子發(fā)射系數(shù)。這兩種方法均可用于金屬材料二次電子發(fā)射系數(shù)的測量。

3.4 絕緣材料測量方法

同金屬材料相比，絕緣材料的二次電子發(fā)射系數(shù)測量較為復(fù)雜，在測量過程中，如果采用持續(xù)的電子束流照射樣品，會(huì)使得絕緣材料表面積累電荷，不僅會(huì)使得材料表面的性質(zhì)發(fā)生改變，同時(shí)還會(huì)使得材料表面產(chǎn)生電場，短時(shí)間的照射即可讓材料表面的電勢達(dá)到I-IOV，這將會(huì)影響隨后電子的入射能量，導(dǎo)致測量結(jié)果不精確。為了解決這一問題，需要在已有金屬材料測量方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在絕緣材料二次電子發(fā)射系數(shù)的測量過程中對材料表面所積累的電荷進(jìn)行中和，保證絕緣材料在整個(gè)測量過程中電位保持穩(wěn)定狀態(tài)，即通過樣品的凈電流保持為0.

目前常用的中和手段基本為使用低間隔的低能電子脈沖照射樣品，從而使樣品在測量過程中產(chǎn)生的電位在可忽略的范圍內(nèi)，并在脈沖間隙，使用低能電子槍或紫外光源對樣品進(jìn)行中和。Willis和Skinner使用持續(xù)時(shí)間為ll s的脈沖，束流大小為1 nA，束斑直徑為5 mm2，測量絕緣體材料的二次電子發(fā)射系數(shù)來避免充電效應(yīng)。對待測樣品進(jìn)行加熱也可避免材料的充電效應(yīng)，但對于一些較為復(fù)雜的聚合物材料這個(gè)方法不適用。對于絕緣體樣品而言，二次電子發(fā)射系數(shù)測量方法都應(yīng)該根據(jù)具體待測材料的性質(zhì)進(jìn)行修正而不是一成不變的。因此，在實(shí)際工作中，不同研究機(jī)構(gòu)的研究人員提出了不同的方法。

電子科技大學(xué)使用三槍法對絕緣材料進(jìn)行中和[20]，如圖7所示，使用兩把電子槍作為中和槍，通過控制兩把中和電子槍的能量，對材料表面的電荷進(jìn)行中和。當(dāng)材料表面積累正電荷時(shí)，使用中和槍2使材料表面產(chǎn)生正電荷;當(dāng)材料表面積累正電荷時(shí)，使用中和槍1照射樣品使之產(chǎn)生負(fù)電荷，從而達(dá)到中和的目的。但需要對中和槍的發(fā)射電流、偏置電壓和偏置時(shí)間進(jìn)行精確控制，但又由于不同材料的物理性質(zhì)，因此需要根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)定脈沖參數(shù)。

西安交通大學(xué)曹猛等人通過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)測量絕緣材料的二次電子發(fā)射系數(shù)時(shí)，對樣品施加- 20V的偏壓時(shí)，可以很好地中和樣品表面積累的電荷，同時(shí)在測量過程中更換入射點(diǎn)的位置同樣可以避免材料表面產(chǎn)生較為嚴(yán)重的充電現(xiàn)象[21]。在測量過程中使用開爾文探針來測量材料表面的電位以保證中和效果。測量裝置如圖8所示。

法國宇航材料研究局使用了最新的開爾文探針法來測量絕緣材料的二次電子發(fā)射系數(shù)[22-23]，提供了一些常見的金屬和絕緣材料（Kapton^TM、Teflon、CMX玻璃等）的二次電子發(fā)射系數(shù)測量結(jié)果，測量設(shè)備及系統(tǒng)如圖9、圖10所示。為了使在測量過程中不受到地磁場的干擾，嚴(yán)格控制了電子槍的作用距離。

針對測量過程中絕緣材料表面電荷的中和問題，該測量系統(tǒng)使用了KP法，該方法具體操作如下：①使用開爾文探針測量表面電位，接著將待測材料的表面電位調(diào)整至一個(gè)負(fù)電位Vsi;②移除開爾文探針，使用已知電荷量Qi的單脈沖照射樣品;③再次使用開爾文探針測量此時(shí)材料的表面電位VSf，可計(jì)算得到材料表面電位的變化△s，即△Vs=VSf- Vsi.通過實(shí)驗(yàn)手段可以測量得到材料的電容，隨后總二次電子發(fā)射系數(shù)可由如下公式計(jì)算得到：

4 結(jié)束語

本文基于二次電子發(fā)射理論研究、二次電子測量方法及測量裝置研究進(jìn)行了綜述，簡要介紹了二次電子發(fā)射現(xiàn)象與航天器表面充電之間的聯(lián)系。事實(shí)表明，二次電子發(fā)射系數(shù)的精確測量對評估航天器表面電位具有重要意義，希望后續(xù)研究在以下方面能有所提高：①形成完善的二次電子發(fā)射系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)機(jī)制，掌握二次電子測量手段，并改進(jìn)二次電子測量裝置，能夠高效精確地測量不同材料尤其是絕緣材料的二次電子發(fā)射系數(shù);②掌握絕緣材料二次電子發(fā)射系數(shù)精確測量方法，能夠解決絕緣材料在測量過程中出現(xiàn)的表面充電問題;③絕緣材料的二次電子測量多數(shù)方法只能用于測量總二次電子發(fā)射系數(shù)而無法區(qū)分真二次電子和背散射電子，因此需要在以后的測量中對這兩類電子加以區(qū)分。

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