低能金属离子束辐照对金属材料表面二次电子发射特性的影响研究

发布时间：2020-11-13 01:19

　　 固体材料表面二次电子发射与倍增导致的相关问题会对粒子加速器、航天器、电真空器件、高功率微波器件、脉冲功率装置等器件与设备的性能产生多种不利影响,对所用材料进行二次电子发射的改性处理,降低材料表面的二次电子产额,是解决这些问题的主要技术途径。目前已得到广泛研究与应用的材料二次电子发射改性方法主要是基于各种低二次电子产额材料的表面镀膜处理,以及基于机械、化学、物理等方法的各种表面刻蚀处理,探索新的材料表面二次电子发射改性方法在相关领域有着广泛的应用需求与应用前景。论文围绕金属材料表面的二次电子发射改性方法及机理,主要开展了以下研究工作:1.材料二次电子发射特性测试装置研制针对固体材料表面二次电子发射改性研究的需求,自行设计研制了一套基于双层栅网球形二次电子收集器的材料二次电子发射特性测试装置。装置采用栅网偏压对二次电子进行能量甑选,从而可以测定材料在电子束入射下的多种二次电子发射特性参数,包括总二次电子产额、真二次电子产额、背散射电子产额与二次电子能谱分布。装置配备了包括真空烘烤除气、Ar离子束溅射清洗、残余气体分析等功能的样品原位预处理系统,配备了由低能中和电子枪和开尔文探针组成的介质样品表面电荷补偿系统,配备了由双阳极X射线光源和筒镜型电子能量分析器(CMA)组成的样品原位化学态分析系统,可以对样品进行真空下的烘烤除气与Ar离子束溅射清洗预处理,可以测定金属、半导体、绝缘介质等全类型的固体材料,可以对样品进行原位的俄歇电子能谱(AES)和X射线光电子能谱(XPS)分析。该装置的研制成功,为材料二次电子发射改性研究提供了强有力的分析测试研究平台。2.低能金属离子束辐照影响金属材料二次电子发射特性的规律与机理研究论文基于离子束与物质的相互作用原理,以及固体材料在电子束入射下的二次电子发射原理,在系统深入的理论分析与仿真分析基础上提出,采用能量范围为几十至数百keV的低能重离子束来对材料表面进行离子束辐照处理,可能会对材料的二次电子发射特性产生显著影响,从而在材料表面二次电子发射改性领域产生新的应用。原理分析表明,低能重离子束辐照对固体材料表面的二次电子发射特性存在多方面的影响因素,主要包括:表面溅射引起的材料表面形貌变化;表面溅射以及离子束注入引起的材料表面化学组成变化;离子束注入材料表层产生的辐照缺陷分布。论文以无氧铜和304不锈钢这两种粒子加速器常用的金属材料作为研究对象,采用基于金属蒸汽真空弧离子源(MEVVA)的离子注入机所产生的脉冲金属离子束,来对两种材料的样品进行离子束辐照处理,以探究低能重离子束辐照影响材料表面二次电子发射特性的规律与机理。实验中离子注入机对离子束的加速电压调节范围为20～50 kV,离子束注量范围为1×1015～1×1017 ions/cm2。分别采用原子序数较小的Ti离子对经过精细镜面抛光的洁净样品进行Ti离子束辐照处理,采用原子序数较大的Au离子对制备后经过半年洁净存储表面发生了部分氧化的样品进行Au离子束辐照处理;通过测定不同辐照参数下样品的二次电子产额,发现低能金属离子束辐照会显著降低金属材料在电子束入射下的二次电子产额,并且获得了样品二次电子产额随辐照离子束种类、能量、注量等离子束辐照参数,以及材料种类、洁净度等材料特性变化的实验规律。论文采用扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、原位XPS等表征分析方法,对离子束辐照前后样品表面的显微结构、化学组成等表面特征进行分析;通过离子射程、核阻止本领、靶原子溅射产额、沉积离子深度分布以及辐照缺陷密度深度分布的仿真计算,并对仿真计算结果与实验测试规律进行对比分析发现:在论文所设计的离子束辐照实验条件下,金属材料表面二次电子产额的下降既不是由材料表面形貌变化引起的,也不是由离子束注入对材料表面的掺杂引起的;对于表面杂质含量很低的洁净金属材料,二次电子产额下降主要是由离子束注入材料表层产生的辐照缺陷引起的;而对于表面发生了部分氧化的金属材料,二次电子产额下降既有表面溅射带来的表面杂质含量变化的贡献,又有材料表层离子束辐照缺陷的贡献。综上,论文的研究表明低能金属离子束注入金属材料表面后,材料表层二次电子逃逸深度范围内的辐照缺陷会提高内部次级电子在向表面扩散时被缺陷俘获的概率,从而降低材料表面的二次电子产额;而材料表面二次电子产额的降低幅度与辐照离子束的种类、能量、注量以及材料的种类、洁净度等自身特性都有关系。论文初步揭示了低能金属离子束辐照影响金属材料表面二次电子发射特性的物理机理,论文的研究成果将为特定应用场合下,运用离子束材料表面改性技术来抑制材料表面的二次电子发射提供科学依据与技术指导。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O462.2
【部分图文】：

?低能金属离子束辐照对金属材料表面二次电子发射特性的影响研究???ｆｉｘ??：?：?Ｅｉｎ??￣￣ｋ?１——？??Ｅｎｅｒｇｙ?ｏｆ?ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ??图１．２典型的二次电子产额曲线??１．１．１．粒子加速器领域的研宄需求??粒子加速器是一类利用电磁场对电子、质子、重离子等各种带电粒子进行加速使得??带电粒子束获得所需粒子能量以满足相应科学研究与工业应用需求的物理装置。粒子加??速器的种类多样，每一种粒子加速器装置的研制都是涉及众多学科的复杂系统工程，而??大部分种类粒子加速器的研制、运行都涉及到材料二次电子发射特性这一重要问题。??射频?＋?（ｈ）?射颔??射頻???ｗ?綱?酬?翻￣￣??谐搌腔壁?谐振腔壁?谐振腔壁??１?Ｉ?Ｉ?心次级电子?１?ｆｆ次级电子??场?？神子电子?场?场??谐振腔壁?诮振腔壁?谐振腔壁??．．．?射场??．．?射领＿＿＋?射颔?＋??⑷?周期?（ｅＪ?周朗?⑴?周期??谐振腔壁?谐振腔壁?谐振腔壁??射?射書會會言?射??频?ｍ?１１１１?频?＿—＿＾??场?ｇ次级电子?场?？〇？〇次级电子?场?轰??谐振腔壁?诣振腔壁?谐振腔壁??图１．３谐振腔“ＭｕＷｐａｃｔｏｉ？”效应的产生机理示意图??在回旋加速器、超导直线加速器、储能环等种类射频加速器的研制、运行中，功率??２??

?低能金属离子束辐照对金属材料表面二次电子发射特性的影响研究???ｆｉｘ??：?：?Ｅｉｎ??￣￣ｋ?１——？??Ｅｎｅｒｇｙ?ｏｆ?ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ??图１．２典型的二次电子产额曲线??１．１．１．粒子加速器领域的研宄需求??粒子加速器是一类利用电磁场对电子、质子、重离子等各种带电粒子进行加速使得??带电粒子束获得所需粒子能量以满足相应科学研究与工业应用需求的物理装置。粒子加??速器的种类多样，每一种粒子加速器装置的研制都是涉及众多学科的复杂系统工程，而??大部分种类粒子加速器的研制、运行都涉及到材料二次电子发射特性这一重要问题。??射频?＋?（ｈ）?射颔??射頻???ｗ?綱?酬?翻￣￣??谐搌腔壁?谐振腔壁?谐振腔壁??１?Ｉ?Ｉ?心次级电子?１?ｆｆ次级电子??场?？神子电子?场?场??谐振腔壁?诮振腔壁?谐振腔壁??．．．?射场??．．?射领＿＿＋?射颔?＋??⑷?周期?（ｅＪ?周朗?⑴?周期??谐振腔壁?谐振腔壁?谐振腔壁??射?射書會會言?射??频?ｍ?１１１１?频?＿—＿＾??场?ｇ次级电子?场?？〇？〇次级电子?场?轰??谐振腔壁?诣振腔壁?谐振腔壁??图１．３谐振腔“ＭｕＷｐａｃｔｏｉ？”效应的产生机理示意图??在回旋加速器、超导直线加速器、储能环等种类射频加速器的研制、运行中，功率??２??

５００?ＭｅＶ。??不同种类粒子根据粒子能量范围会对航天器产生充放电效应、位移损伤效应、总剂量效??应、单粒子效应等多种辐照效应，在轨运行的航天器会因为这些辐照效应而产生各种异??常［１６］。其中，充放电效应与航天器表面材料在多种粒子束轰击下的二次电子发射过程密??切相关，当航天器表面不同部位被充电至不同电位时，一旦充电电位差达到静电放电击??穿阈值，就会产生静电放电（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｓｔａｔｉｃ?Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；?ＥＳＤ），给航天器带来严重危害，??甚至造成航天器的彻底损毁，如图１．５所示。据美国ＮＡＳＡ统计各种航天器故障中，由??ＥＳＤ放电造成的航天器在轨故障占比超过５０％［１６］。??ａ）卫星内部线缆的ＥＳＤ损毁?ｂ）卫星表面太阳能电池板的ＥＳＤ损毁??图１．５?ＥＳＤ放电对航天器部件造成的损毁Ｍ??构成航天器的主体是其内部的金属材料，而在航天器表面，分布着金属、半导体、??绝缘介质等多种类型的材料，航天器的表面充电主要由光子、低能电子和低能质子引起，??其原理如图１．６所示。当航天器表面受到多种粒子辐照时，其表面的介质材料会由于二??次电子发射而带上正电，进入航天器内部的高能电子会使内部的金属带上负电，从而在??航天器表面和内部分别形成正充电和负充电，产生内外电位差；航天器表面各部位彼此??４??
【参考文献】

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本文编号：2881522