固體材料表面二次電子發(fā)射與倍增導致的相關問題會對粒子加速器、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備的性能產生多種不利影響,對所用材料進行二次電子發(fā)射的改性處理,降低材料表面的二次電子產額,是解決這些問題的主要技術途徑。目前已得到廣泛研究與應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額材料的表面鍍膜處理,以及基于機械、化學、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)射改性方法在相關領域有著廣泛的應用需求與應用前景。論文圍繞金屬材料表面的二次電子發(fā)射改性方法及機理,主要開展了以下研究工作:1.材料二次電子發(fā)射特性測試裝置研制針對固體材料表面二次電子發(fā)射改性研究的需求,自行設計研制了一套基于雙層柵網球形二次電子收集器的材料二次電子發(fā)射特性測試裝置。裝置采用柵網偏壓對二次電子進行能量甑選,從而可以測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),包括總二次電子產額、真二次電子產額、背散射電子產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處理系統(tǒng),配備了由低能中和電子槍和開爾文探針組成的介質樣品表面電荷補償系統(tǒng),配備了由雙陽極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態(tài)分析系統(tǒng),可以對樣品進行真空下的烘烤除氣與Ar離子束濺射清洗預處理,可以測定金屬、半導體、絕緣介質等全類型的固體材料,可以對樣品進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有力的分析測試研究平臺。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)律與機理研究論文基于離子束與物質的相互作用原理,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的低能重離子束來對材料表面進行離子束輻照處理,可能會對材料的二次電子發(fā)射特性產生顯著影響,從而在材料表面二次電子發(fā)射改性領域產生新的應用。原理分析表明,低能重離子束輻照對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組成變化;離子束注入材料表層產生的輻照缺陷分布。論文以無氧銅和304不銹鋼這兩種粒子加速器常用的金屬材料作為研究對象,采用基于金屬蒸汽真空弧離子源(MEVVA)的離子注入機所產生的脈沖金屬離子束,來對兩種材料的樣品進行離子束輻照處理,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)律與機理。實驗中離子注入機對離子束的加速電壓調節(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離子對經過精細鏡面拋光的潔凈樣品進行Ti離子束輻照處理,采用原子序數(shù)較大的Au離子對制備后經過半年潔凈存儲表面發(fā)生了部分氧化的樣品進行Au離子束輻照處理;通過測定不同輻照參數(shù)下樣品的二次電子產額,發(fā)現(xiàn)低能金屬離子束輻照會顯著降低金屬材料在電子束入射下的二次電子產額,并且獲得了樣品二次電子產額隨輻照離子束種類、能量、注量等離子束輻照參數(shù),以及材料種類、潔凈度等材料特性變化的實驗規(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,對離子束輻照前后樣品表面的顯微結構、化學組成等表面特征進行分析;通過離子射程、核阻止本領、靶原子濺射產額、沉積離子深度分布以及輻照缺陷密度深度分布的仿真計算,并對仿真計算結果與實驗測試規(guī)律進行對比分析發(fā)現(xiàn):在論文所設計的離子束輻照實驗條件下,金屬材料表面二次電子產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材料表面的摻雜引起的;對于表面雜質含量很低的潔凈金屬材料,二次電子產額下降主要是由離子束注入材料表層產生的輻照缺陷引起的;而對于表面發(fā)生了部分氧化的金屬材料,二次電子產額下降既有表面濺射帶來的表面雜質含量變化的貢獻,又有材料表層離子束輻照缺陷的貢獻。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的輻照缺陷會提高內部次級電子在向表面擴散時被缺陷俘獲的概率,從而降低材料表面的二次電子產額;而材料表面二次電子產額的降低幅度與輻照離子束的種類、能量、注量以及材料的種類、潔凈度等自身特性都有關系。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)射特性的物理機理,論文的研究成果將為特定應用場合下,運用離子束材料表面改性技術來抑制材料表面的二次電子發(fā)射提供科學依據(jù)與技術指導。
【學位單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：O462.2
【部分圖文】：

?低能金屬離子束輻照對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典型的二次電子產額曲線??１．１．１．粒子加速器領域的研宄需求??粒子加速器是一類利用電磁場對電子、質子、重離子等各種帶電粒子進行加速使得??帶電粒子束獲得所需粒子能量以滿足相應科學研究與工業(yè)應用需求的物理裝置。粒子加??速器的種類多樣，每一種粒子加速器裝置的研制都是涉及眾多學科的復雜系統(tǒng)工程，而??大部分種類粒子加速器的研制、運行都涉及到材料二次電子發(fā)射特性這一重要問題。??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?心次級電子?１?ｆｆ次級電子??場?？神子電子?場?場??諧振腔壁?誚振腔壁?諧振腔壁??．．．?射場??．．?射領＿＿＋?射頷?＋??⑷?周期?（ｅＪ?周朗?⑴?周期??諧振腔壁?諧振腔壁?諧振腔壁??射?射書會會言?射??頻?ｍ?１１１１?頻?＿—＿＾??場?ｇ次級電子?場?？〇？〇次級電子?場?轟??諧振腔壁?詣振腔壁?諧振腔壁??圖１．３諧振腔“ＭｕＷｐａｃｔｏｉ？”效應的產生機理示意圖??在回旋加速器、超導直線加速器、儲能環(huán)等種類射頻加速器的研制、運行中，功率??２??

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５００?ＭｅＶ。??不同種類粒子根據(jù)粒子能量范圍會對航天器產生充放電效應、位移損傷效應、總劑量效??應、單粒子效應等多種輻照效應，在軌運行的航天器會因為這些輻照效應而產生各種異??常［１６］。其中，充放電效應與航天器表面材料在多種粒子束轟擊下的二次電子發(fā)射過程密??切相關，當航天器表面不同部位被充電至不同電位時，一旦充電電位差達到靜電放電擊??穿閾值，就會產生靜電放電（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｓｔａｔｉｃ?Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；?ＥＳＤ），給航天器帶來嚴重危害，??甚至造成航天器的徹底損毀，如圖１．５所示。據(jù)美國ＮＡＳＡ統(tǒng)計各種航天器故障中，由??ＥＳＤ放電造成的航天器在軌故障占比超過５０％［１６］。??ａ）衛(wèi)星內部線纜的ＥＳＤ損毀?ｂ）衛(wèi)星表面太陽能電池板的ＥＳＤ損毀??圖１．５?ＥＳＤ放電對航天器部件造成的損毀Ｍ??構成航天器的主體是其內部的金屬材料，而在航天器表面，分布著金屬、半導體、??絕緣介質等多種類型的材料，航天器的表面充電主要由光子、低能電子和低能質子引起，??其原理如圖１．６所示。當航天器表面受到多種粒子輻照時，其表面的介質材料會由于二??次電子發(fā)射而帶上正電，進入航天器內部的高能電子會使內部的金屬帶上負電，從而在??航天器表面和內部分別形成正充電和負充電，產生內外電位差；航天器表面各部位彼此??４??
【參考文獻】

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本文編號：2881522