發(fā)布時(shí)間：2020-11-13 01:19

　　 固體材料表面二次電子發(fā)射與倍增導(dǎo)致的相關(guān)問(wèn)題會(huì)對(duì)粒子加速器、航天器、電真空器件、高功率微波器件、脈沖功率裝置等器件與設(shè)備的性能產(chǎn)生多種不利影響,對(duì)所用材料進(jìn)行二次電子發(fā)射的改性處理,降低材料表面的二次電子產(chǎn)額,是解決這些問(wèn)題的主要技術(shù)途徑。目前已得到廣泛研究與應(yīng)用的材料二次電子發(fā)射改性方法主要是基于各種低二次電子產(chǎn)額材料的表面鍍膜處理,以及基于機(jī)械、化學(xué)、物理等方法的各種表面刻蝕處理,探索新的材料表面二次電子發(fā)射改性方法在相關(guān)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求與應(yīng)用前景。論文圍繞金屬材料表面的二次電子發(fā)射改性方法及機(jī)理,主要開(kāi)展了以下研究工作:1.材料二次電子發(fā)射特性測(cè)試裝置研制針對(duì)固體材料表面二次電子發(fā)射改性研究的需求,自行設(shè)計(jì)研制了一套基于雙層?xùn)啪W(wǎng)球形二次電子收集器的材料二次電子發(fā)射特性測(cè)試裝置。裝置采用柵網(wǎng)偏壓對(duì)二次電子進(jìn)行能量甑選,從而可以測(cè)定材料在電子束入射下的多種二次電子發(fā)射特性參數(shù),包括總二次電子產(chǎn)額、真二次電子產(chǎn)額、背散射電子產(chǎn)額與二次電子能譜分布。裝置配備了包括真空烘烤除氣、Ar離子束濺射清洗、殘余氣體分析等功能的樣品原位預(yù)處理系統(tǒng),配備了由低能中和電子槍和開(kāi)爾文探針組成的介質(zhì)樣品表面電荷補(bǔ)償系統(tǒng),配備了由雙陽(yáng)極X射線光源和筒鏡型電子能量分析器(CMA)組成的樣品原位化學(xué)態(tài)分析系統(tǒng),可以對(duì)樣品進(jìn)行真空下的烘烤除氣與Ar離子束濺射清洗預(yù)處理,可以測(cè)定金屬、半導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)等全類(lèi)型的固體材料,可以對(duì)樣品進(jìn)行原位的俄歇電子能譜(AES)和X射線光電子能譜(XPS)分析。該裝置的研制成功,為材料二次電子發(fā)射改性研究提供了強(qiáng)有力的分析測(cè)試研究平臺(tái)。2.低能金屬離子束輻照影響金屬材料二次電子發(fā)射特性的規(guī)律與機(jī)理研究論文基于離子束與物質(zhì)的相互作用原理,以及固體材料在電子束入射下的二次電子發(fā)射原理,在系統(tǒng)深入的理論分析與仿真分析基礎(chǔ)上提出,采用能量范圍為幾十至數(shù)百keV的低能重離子束來(lái)對(duì)材料表面進(jìn)行離子束輻照處理,可能會(huì)對(duì)材料的二次電子發(fā)射特性產(chǎn)生顯著影響,從而在材料表面二次電子發(fā)射改性領(lǐng)域產(chǎn)生新的應(yīng)用。原理分析表明,低能重離子束輻照對(duì)固體材料表面的二次電子發(fā)射特性存在多方面的影響因素,主要包括:表面濺射引起的材料表面形貌變化;表面濺射以及離子束注入引起的材料表面化學(xué)組成變化;離子束注入材料表層產(chǎn)生的輻照缺陷分布。論文以無(wú)氧銅和304不銹鋼這兩種粒子加速器常用的金屬材料作為研究對(duì)象,采用基于金屬蒸汽真空弧離子源(MEVVA)的離子注入機(jī)所產(chǎn)生的脈沖金屬離子束,來(lái)對(duì)兩種材料的樣品進(jìn)行離子束輻照處理,以探究低能重離子束輻照影響材料表面二次電子發(fā)射特性的規(guī)律與機(jī)理。實(shí)驗(yàn)中離子注入機(jī)對(duì)離子束的加速電壓調(diào)節(jié)范圍為20～50 kV,離子束注量范圍為1×1015～1×1017 ions/cm2。分別采用原子序數(shù)較小的Ti離子對(duì)經(jīng)過(guò)精細(xì)鏡面拋光的潔凈樣品進(jìn)行Ti離子束輻照處理,采用原子序數(shù)較大的Au離子對(duì)制備后經(jīng)過(guò)半年潔凈存儲(chǔ)表面發(fā)生了部分氧化的樣品進(jìn)行Au離子束輻照處理;通過(guò)測(cè)定不同輻照參數(shù)下樣品的二次電子產(chǎn)額,發(fā)現(xiàn)低能金屬離子束輻照會(huì)顯著降低金屬材料在電子束入射下的二次電子產(chǎn)額,并且獲得了樣品二次電子產(chǎn)額隨輻照離子束種類(lèi)、能量、注量等離子束輻照參數(shù),以及材料種類(lèi)、潔凈度等材料特性變化的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。論文采用掃描電鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、原位XPS等表征分析方法,對(duì)離子束輻照前后樣品表面的顯微結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成等表面特征進(jìn)行分析;通過(guò)離子射程、核阻止本領(lǐng)、靶原子濺射產(chǎn)額、沉積離子深度分布以及輻照缺陷密度深度分布的仿真計(jì)算,并對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn):在論文所設(shè)計(jì)的離子束輻照實(shí)驗(yàn)條件下,金屬材料表面二次電子產(chǎn)額的下降既不是由材料表面形貌變化引起的,也不是由離子束注入對(duì)材料表面的摻雜引起的;對(duì)于表面雜質(zhì)含量很低的潔凈金屬材料,二次電子產(chǎn)額下降主要是由離子束注入材料表層產(chǎn)生的輻照缺陷引起的;而對(duì)于表面發(fā)生了部分氧化的金屬材料,二次電子產(chǎn)額下降既有表面濺射帶來(lái)的表面雜質(zhì)含量變化的貢獻(xiàn),又有材料表層離子束輻照缺陷的貢獻(xiàn)。綜上,論文的研究表明低能金屬離子束注入金屬材料表面后,材料表層二次電子逃逸深度范圍內(nèi)的輻照缺陷會(huì)提高內(nèi)部次級(jí)電子在向表面擴(kuò)散時(shí)被缺陷俘獲的概率,從而降低材料表面的二次電子產(chǎn)額;而材料表面二次電子產(chǎn)額的降低幅度與輻照離子束的種類(lèi)、能量、注量以及材料的種類(lèi)、潔凈度等自身特性都有關(guān)系。論文初步揭示了低能金屬離子束輻照影響金屬材料表面二次電子發(fā)射特性的物理機(jī)理,論文的研究成果將為特定應(yīng)用場(chǎng)合下,運(yùn)用離子束材料表面改性技術(shù)來(lái)抑制材料表面的二次電子發(fā)射提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類(lèi)】：O462.2
【部分圖文】：

?低能金屬離子束輻照對(duì)金屬材料表面二次電子發(fā)射特性的影響研究???ｆｉｘ??：?：?Ｅｉｎ??￣￣ｋ?１——？??Ｅｎｅｒｇｙ?ｏｆ?ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ??圖１．２典型的二次電子產(chǎn)額曲線??１．１．１．粒子加速器領(lǐng)域的研宄需求??粒子加速器是一類(lèi)利用電磁場(chǎng)對(duì)電子、質(zhì)子、重離子等各種帶電粒子進(jìn)行加速使得??帶電粒子束獲得所需粒子能量以滿足相應(yīng)科學(xué)研究與工業(yè)應(yīng)用需求的物理裝置。粒子加??速器的種類(lèi)多樣，每一種粒子加速器裝置的研制都是涉及眾多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)工程，而??大部分種類(lèi)粒子加速器的研制、運(yùn)行都涉及到材料二次電子發(fā)射特性這一重要問(wèn)題。??射頻?＋?（ｈ）?射頷??射頻???ｗ?綱?酬?翻￣￣??諧搌腔壁?諧振腔壁?諧振腔壁??１?Ｉ?Ｉ?心次級(jí)電子?１?ｆｆ次級(jí)電子??場(chǎng)?？神子電子?場(chǎng)?場(chǎng)??諧振腔壁?誚振腔壁?諧振腔壁??．．．?射場(chǎng)??．．?射領(lǐng)＿＿＋?射頷?＋??⑷?周期?（ｅＪ?周朗?⑴?周期??諧振腔壁?諧振腔壁?諧振腔壁??射?射書(shū)會(huì)會(huì)言?射??頻?ｍ?１１１１?頻?＿—＿＾??場(chǎng)?ｇ次級(jí)電子?場(chǎng)?？〇？〇次級(jí)電子?場(chǎng)?轟??諧振腔壁?詣?wù)袂槐?諧振腔壁??圖１．３諧振腔“ＭｕＷｐａｃｔｏｉ？”效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理示意圖??在回旋加速器、超導(dǎo)直線加速器、儲(chǔ)能環(huán)等種類(lèi)射頻加速器的研制、運(yùn)行中，功率??２??

?低能金屬離子束輻照對(duì)金屬材料表面二次電子發(fā)射特性的影響研究???ｆｉｘ??：?：?Ｅｉｎ??￣￣ｋ?１——？??Ｅｎｅｒｇｙ?ｏｆ?ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｎ??圖１．２典型的二次電子產(chǎn)額曲線??１．１．１．粒子加速器領(lǐng)域的研宄需求??粒子加速器是一類(lèi)利用電磁場(chǎng)對(duì)電子、質(zhì)子、重離子等各種帶電粒子進(jìn)行加速使得??帶電粒子束獲得所需粒子能量以滿足相應(yīng)科學(xué)研究與工業(yè)應(yīng)用需求的物理裝置。粒子加??速器的種類(lèi)多樣，每一種粒子加速器裝置的研制都是涉及眾多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)工程，而??大部分種類(lèi)粒子加速器的研制、運(yùn)行都涉及到材料二次電子發(fā)射特性這一重要問(wèn)題。??射頻?＋?（ｈ）?射頷??射頻???ｗ?綱?酬?翻￣￣??諧搌腔壁?諧振腔壁?諧振腔壁??１?Ｉ?Ｉ?心次級(jí)電子?１?ｆｆ次級(jí)電子??場(chǎng)?？神子電子?場(chǎng)?場(chǎng)??諧振腔壁?誚振腔壁?諧振腔壁??．．．?射場(chǎng)??．．?射領(lǐng)＿＿＋?射頷?＋??⑷?周期?（ｅＪ?周朗?⑴?周期??諧振腔壁?諧振腔壁?諧振腔壁??射?射書(shū)會(huì)會(huì)言?射??頻?ｍ?１１１１?頻?＿—＿＾??場(chǎng)?ｇ次級(jí)電子?場(chǎng)?？〇？〇次級(jí)電子?場(chǎng)?轟??諧振腔壁?詣?wù)袂槐?諧振腔壁??圖１．３諧振腔“ＭｕＷｐａｃｔｏｉ？”效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理示意圖??在回旋加速器、超導(dǎo)直線加速器、儲(chǔ)能環(huán)等種類(lèi)射頻加速器的研制、運(yùn)行中，功率??２??

５００?ＭｅＶ。??不同種類(lèi)粒子根據(jù)粒子能量范圍會(huì)對(duì)航天器產(chǎn)生充放電效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)、總劑量效??應(yīng)、單粒子效應(yīng)等多種輻照效應(yīng)，在軌運(yùn)行的航天器會(huì)因?yàn)檫@些輻照效應(yīng)而產(chǎn)生各種異??常［１６］。其中，充放電效應(yīng)與航天器表面材料在多種粒子束轟擊下的二次電子發(fā)射過(guò)程密??切相關(guān)，當(dāng)航天器表面不同部位被充電至不同電位時(shí)，一旦充電電位差達(dá)到靜電放電擊??穿閾值，就會(huì)產(chǎn)生靜電放電（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｓｔａｔｉｃ?Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；?ＥＳＤ），給航天器帶來(lái)嚴(yán)重危害，??甚至造成航天器的徹底損毀，如圖１．５所示。據(jù)美國(guó)ＮＡＳＡ統(tǒng)計(jì)各種航天器故障中，由??ＥＳＤ放電造成的航天器在軌故障占比超過(guò)５０％［１６］。??ａ）衛(wèi)星內(nèi)部線纜的ＥＳＤ損毀?ｂ）衛(wèi)星表面太陽(yáng)能電池板的ＥＳＤ損毀??圖１．５?ＥＳＤ放電對(duì)航天器部件造成的損毀Ｍ??構(gòu)成航天器的主體是其內(nèi)部的金屬材料，而在航天器表面，分布著金屬、半導(dǎo)體、??絕緣介質(zhì)等多種類(lèi)型的材料，航天器的表面充電主要由光子、低能電子和低能質(zhì)子引起，??其原理如圖１．６所示。當(dāng)航天器表面受到多種粒子輻照時(shí)，其表面的介質(zhì)材料會(huì)由于二??次電子發(fā)射而帶上正電，進(jìn)入航天器內(nèi)部的高能電子會(huì)使內(nèi)部的金屬帶上負(fù)電，從而在??航天器表面和內(nèi)部分別形成正充電和負(fù)充電，產(chǎn)生內(nèi)外電位差；航天器表面各部位彼此??４??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2881522