二次电子发射与航天器表面充电的研究

摘要

航天器充电效应分为表面充电和内部充电,是由空间环境引起的航天器异常和故障的主要诱因之一。其中,表面充电是最早被人们发现的空间环境效应,而二次电子发射是影响表面充电的重要因素。
　　本论文的研究工作主要围绕航天器表面充电效应展开,同时涉及到空间环境、航天器材料、二次电子发射和表面充电电位计算的研究。论文首先介绍了航天器充放电效应的基本概念、原理、国内外研究概况以及相关成果。第二章对空间环境、航天器材料和二次电子发射进行了介绍,并重点分析了空间环境对航天器表面材料的性能要求,以及影响表面材料二次电子发射特性的主要因素。在各种因素的影响下,材料二次电子发射系数可在很大范围内波动。因此,对二次电子发射系数公式推导的研究是很有意义的。根据二次电子发射的主要物理过程、相关理论模型及实验数据,本论文推导了入射能量分别为2—10keV和10—100keV的原电子垂直入射时,金属二次电子发射系数的通式;又根据斜入射的与垂直入射的二次电子发射系数之间的关系,并结合斜入射时的比率和背散射系数的表达式推导出了入射能量分别为2-10keV和10—102keV的原电子斜入射时,金属二次电子发射系数的通式。结果说明,这些公式的推导是成功的。
　　利用本文推导的原电子垂直入射时的两个通式,本论文采用局部电流平衡模型,对不同表面材料、不同几何形体航天器阴面的表面充电平衡电位在MATLAB中进行了数值计算。根据计算结果和次级电子发射系数得到,航天器表面充电电位与表面材料的原子序数、最大二次电子发射系数和入射离子引起的次级发射系数均有关。该计算对航天器表面材料的选取和设计工艺有一定的参考价值。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 航天器充电效应

1.2.1 航天器表面充电

1.2.2 航天器内部充电

1.2.3 两者的区别

1.3 国内外研究概况

1.3.1 表面充电的国内外研究概况

1.3.2 内部充电的国内外研究概况

1.4 研究内容与方法

第2章 航天器表面材料及其二次电子发射特性

2.1 航天器表面材料及其性能要求

2.1.1 航天器的结构材料

2.1.2 空间环境对航天器结构的作用

2.1.3 表面材料的性能要求

2.2 表面材料的种类

2.2.1 金属材料

2.2.2 非金属材料

2.3 二次电子发射

2.4 影响材料二次电子发射系数的因素

2.4.1 逸出功的影响

2.4.2 晶体结构与温度

2.4.3 入射角的影响

2.4.4 原子氧的影响

2.4.5 原初电子能量的影响

2.4.6 电场的影响

2.5 本章小结

第3章 金属二次电子发射系数的公式

3.1 主要物理过程及理论模型

3.1.1 主要物理过程

3.1.2 最大二次电子发射系数

3.1.3 原电子激发产生的二次电子数

3.1.4 二次电子发射系数

3.2 金属2-10keV二次电子发射系数的通式

3.2.1 公式的推导

3.2.2 比率和背散射系数

3.2.3 E(z)的计算和通式

3.2.4 分析与讨论

3.3 金属10-100keV二次电子发射系数的通式

3.3.1 公式的推导

3.3.2 能量幂次n

3.3.3 F(z,n)的计算和通式

3.3.4 分析与讨论

3.4 斜入射时金属二次电子发射的理论模型

3.4.1 原电子产生的二次电子发射系数

3.4.2 二次电子发射系数

3.5 斜入射金属2-10keV二次电子发射系数的通式

3.5.1 比率、背散射系数及通式

3.5.2 分析与讨论

3.6 斜入射金属10-102keV二次电子发射系数的通式

3.6.1 比率、背散射系数及通式

3.6.2 分析与讨论

3.7 本章小结

第4章 航天器表面电位的数值计算与研究

4.1 地球同步轨道电子能谱

4.2 次级电子发射系数

4.2.1 由入射电子引起的二次电子

4.2.2 由入射离子引起的次级电子

4.3 局部电流平衡模型

4.4 带电粒子的数通量表达式

4.4.1 环境电子数通量表达式J_e

4.4.2 环境离子数通量表达式J_i

4.4.3 二次电子和背散射电子的数通量表达式J_(se)和J_(bse)

4.4.4 由J_i引起的次级电子数通量表达J_(si)

4.5 MATLAB数值计算方法

4.5.1 Gauss-Legendre求积公式

4.5.2 Gauss-Laguerre求积公式

4.5.3 二分法

4.6 计算结果与分析

4.7 本章小结

第5章 总结

参考文献

致谢

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