中国空间科学技术

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电子束撞击介质表面引发的带电现象分析

王丹, 贺永宁, 李韵

2017 (2): 1-10. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0031

摘要 ( 668 )

PDF(2899KB) ( 933 )

现有关于介质微波部件微放电的相关研究多从谐振条件及出射电子产额方面出发分析微放电发生原因及其抑制方法，而很少分析航天器表面电位对于微放电发生的影响。文章对碰撞电子与介质表面相互作用后二次电子发射特性进行综合分析；重点研究了不同介质表面初始电位情况下，恒定能量的电子束流持续轰击介质表面时介质表面电位及电子束流碰撞能量的变化趋势；并对稳定后的电子束流碰撞能量和介质表面电位进行了理论计算,计算结果表明系统平衡状态时的表面电位受初始电子能量及第二临界能量影响有明显改变。此外，文章探究了单一能量及连续能量入射介质表面时表面带电对于二次电子发射的影响，研究表明：带有电位φ的表面会使临界能量发生偏移量-eφ的相对偏移；对于连续能量的入射电子束，介质表面带电会很大程度上改变入射电子束的能量范围，从而影响微放电发生的风险。

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强电磁场真空击穿中的电子束轰击初步研究

伍成, 孙钧, 陈昌华, 霍少飞, 张余川, 曹亦兵, 谢佳玲

2017 (2): 11-16. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0027

摘要 ( 596 )

PDF(3831KB) ( 444 )

当前，抑制强电磁场真空击穿的方法主要是结构改进和工艺处理，对于提高材料耐电子轰击性能来抑制击穿的研究相对较少。文章主要结合Monte-Carlo方法和Bethe能量损失规律，研究了兆电子伏级能量的电子垂直入射金属靶材的能量损失规律。研究表明，材料原子序数和原子密度越小，电子在材料中的有效射程越长，单位体积内沉积的平均能量越低，从而越有利于材料耐受电子束轰击。在此基础上，通过试验比较了铜、不锈钢和钛三种材料耐电子束轰击的性能，在相同的电子束能量下，铜由于密度最高而最容易受到电子束轰击破坏，密度最低的钛材料具有最好的耐电子束轰击性能。进一步的高功率微波（HighPowerMicrowave）试验证实，相对于不锈钢材料，在2.8GW输出微波功率水平下，使用耐电子轰击性能更优的钛材料能够将输出微波脉宽由18ns增加到27ns，由强电磁场真空击穿引起的脉冲缩短明显得到有效抑制。

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一种计算金属二次电子发射系数的解析模型

何鋆, 李军, 曹猛, 崔万照, 刘纯亮

2017 (2): 12-23. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0023

摘要 ( 810 )

PDF(1352KB) ( 700 )

精确的金属材料二次电子发射系数模型对于计算空间大功率微波部件的微放电功率阈值至关重要，而现有的二次电子发射系数模型在准确性和工程应用两方面不能兼顾。通过分析二次电子的逸出几率，结合修正的Bethe能量损失规律，建立了金属材料二次电子发射系数的解析模型。进一步以未清洗的和Ar离子清洗过的Ag材料为例，用解析模型对试验测量值进行了拟合，在获得解析模型中关键参数的基础上建立了Ag材料二次电子发射系数模型。计算结果显示，在不同入射角度下未清洗和清洗Ag 材料的模型计算值与试验值的均方差在4%以内，表明提出的解析模型在减少拟合参数的基础上能够获得具体金属材料精确的二次电子发射系数模型，可用于精确模拟空间大功率微波部件的微放电功率阈值和加速器内部的电子云浓度。

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介质带电平衡模式的二次电子发射暂态特性

封国宝, 李军, 崔万照, 刘纯亮, 曹猛

2017 (2): 24-31. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0030

摘要 ( 837 )

PDF(7304KB) ( 253 )

针对空间微放电效应中介质材料的带电状态对二次电子发射的复杂影响，文章采用数值模拟的方法，首次从带电平衡模式的角度研究了介质材料受电子照射后的二次电子动态发射特性。数值模拟模型结合了蒙特卡罗方法和时域有限差分方法，考虑了弹性和非弹性碰撞的电子散射过程,以及迁移、扩散和捕获等作用的电荷输运过程。通过对带电状态平衡模式的划分，研究了介质二次电子发射及带电状态的暂态变化、微观分布、稳态特性。研究结果表明：介质表面的带电过程可以根据介质表面电流的变化程度分为二次电子平衡模式、泄漏电流平衡模式及共同模式；二次电子平衡模式下样品呈现表面带电状态，而泄漏电流模式下呈现深层带电状态。泄漏电流平衡模式转向二次电子平衡模式过程中，稳态二次电子产额增加，表面负电位增强；总电荷量和平衡时间常数由于平衡模式的改变呈现相反的变化趋势。研究方法和结果有助于介质二次电子的机理研究和微放电效应的工程抑制技术。

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考虑低能电子影响的二次电子修正模型

彭凯, 李晶, 张颖军, 苏晨, 崔万照

2017 (2): 32-38. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0039

摘要 ( 745 )

PDF(2642KB) ( 681 )

随着微放电效应研究的不断深入，低能电子影响在微放电过程中越来越不可忽视。当前常用的微放电模型在处理低能电子问题上具有一定的局限性，为了精确模拟这一过程，在深入研究二次电子和背散射电子发射理论的基础上，分别针对材料表面条件不同引起的二次电子发射系数不确定性、低能电子的背散射系数以及电子入射角等问题进行了分析和讨论，并在此基础上建立了一个二次电子发射模型，最后通过数值计算讨论了模型的正确性和适用范围。这一模型同时考虑材料表面条件参数、低能电子的背散射系数以及入射角等因素影响，能够兼容较低能量电子的二次发射，提升微放电数值模拟的精确度和适用性，为微放电数值模拟的发展起到推进作用。

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电介质材料的二次电子发射动态特性研究

张秀生, 曹猛, 翁明, 王芳

2017 (2): 39-47. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0038

摘要 ( 839 )

PDF(7703KB) ( 927 )

介质材料的动态特性是二次电子发射特性研究中的重要组成部分。通过数值模拟方法建立有效二次电子收集效率模型，可研究多种测量参数对介质动态特性的共同作用。模拟结果表明，空间电场和收集极结构对有效二次电子收集极效率的影响有一定相关性，收集极电位增大能提高有效二次电子收集效率，而动态过程中的半高宽时间则线性增加。另外收集极结构变化能够影响空间电场的作用效果。二者通过直接影响收集效率，间接改变表面电荷积累来引起动态特性的变化。入射束流则可直接影响表面电荷积累速度，使得半高宽时间线性增加或减小。研究结果对于揭示介质材料带电产生的动态过程以及指导实验准确测量二次电子发射系数具有科学意义。

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MPCVD法合成硼掺杂金刚石薄膜的次级发射性能

李莉莉, 丁明清, 高玉娟, 邵文生, 冯进军

2017 (2): 48-53. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0032

摘要 ( 857 )

PDF(3852KB) ( 676 )

为解决电子倍增器、场发射阴极和粒子/光子探测器现有阴极材料次级发射系数低且发射不稳定的问题，对微波等离子体化学气相沉积（MicrowavePlasmaChemicalVaporDeposition，MPCVD）法结合H等离子体表面处理工艺制备的不同B₂H₆/CH₄浓度的硼掺杂金刚石薄膜的次级发射能力进行了研究。样品表面扫描电子显微镜和拉曼光谱分析结果显示，硼掺杂金刚石膜表面形貌与未掺杂的金刚石膜相似，样品表面均为高纯度的金刚石相。将置于空气中数日且未经任何表面处理的硼掺杂金刚石样品进行次级电子发射性能测试，结果显示一次电子入射能量为1keV时，得到高达18.3的二次电子发射系数。试验证实这种具有高二次电子发射系数的硼掺杂金刚石膜，暴露空气中由于表面氧化会破坏其表面的负电子亲和势，而真空中加热会使表面重新恢复负电子亲和势，这种负电子亲和势的完整保留，提高了该材料次级发射的稳定性，在器件中具有重要的应用前景。

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基于ZnO阵列的银表面二次电子发射抑制技术

胡天存, 曹猛, 鲍艳, 张永辉, 马建中, 崔万照

2017 (2): 54-60. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0034

摘要 ( 933 )

PDF(13052KB) ( 290 )

随着卫星有效载荷的射频功率越来越大，传统的微放电抑制方法已经无法满足大功率卫星有效载荷的需求。降低大功率射频部件内表面的二次电子发射系数是抑制微放电效应的重要方法之一，通过在金属银表面构造纳米量级ZnO阵列，实现了纳米尺度银陷阱结构的制备，研究了晶种制备方式、锌盐浓度对ZnO阵列生长的影响。结果表明，采用紫外照射法制备晶种获得的ZnO阵列在样片表面分布均匀，提高锌盐浓度可改善ZnO阵列的分布均匀性。分析了ZnO阵列排列密度对银膜构筑的影响，发现在低密度的ZnO阵列上更加容易镀覆金属银。因此，获得了镀银表面基于ZnO阵列的陷阱结构制备的工艺技术，实现金属银表面二次电子发射系数最大值降低36.3%。

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利用微加工工艺提高空间行波管收集极效率

白春江, 崔万照, 叶鸣, 贺永宁

2017 (2): 61-65. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0037

摘要 ( 727 )

PDF(3451KB) ( 820 )

针对二次电子发射系数对空间行波管收集极效率的影响，通过降低二次电子发射系数的方法，提高收集极的效率。并以无氧铜为例，使用化学刻蚀的方法对无氧铜样片进行表面处理，得到规则微孔阵列结构。使用二次电子发射测试平台对有无表面处理的无氧铜样片进行测量。测量结果显示，经化学刻蚀处理后的样片的最大二次电子发射系数由1.33减小到0.96，二次电子发射抑制效果明显。将测得的两个二次电子发射系数曲线用于空间行波管收集极的模拟设计中。选用已有的3个收集极结构模型，使用模拟软件进行仿真并计算收集极效率。结果表明，3个收集极结构模型的效率分别由原来的80.1%、57.5%、42.1%提高到82.55%、62.6%、59.2%。该结果对于空间行波管收集极的设计具有重要参考价值。

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基于修正差分进化算法确定周期内多载波微放电等效功率

王新波, 张小宁, 李永东, 刘纯亮, 王瑞, 魏焕, 冉立新

2017 (2): 66-72. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0033

摘要 ( 754 )

PDF(3302KB) ( 739 )

微放电是空间微波部件设计所必须考虑的失效效应之一，随着空间宽带多载波模式的广泛采用，多载波条件下微波部件微放电问题引起广泛关注。针对周期内多载波微放电等效功率计算所采用传统经验公式的不足，提出了一种基于修正差分进化算法的确定周期内多载波微放电等效功率的全局优化方法。该方法通过对多载波合成信号功率特性进行分析，推导获得了 20个电子渡越时间内信号能量的表达式，采用二次插值法进行局部搜索，采用修正差分进化算法进行全局优化，从而高效、准确获得全局最优解。以幅度相等、频率间隔相等的多载波信号为例，进行了等效功率的确定，与经验公式的预测结果相当，验证了所提出方法的有效性；同时，对幅度不同、频率间隔不等的多载波信号进行了处理，获得了能够指导微波部件微放电设计的最坏状态及其等效功率。所提出方法不仅适用于幅度不同、频率间隔不等的多载波信号情况，并且能够提供微放电最坏状态时的相位分布，为多载波微放电实验验证提供相位输入。所提出方法相比传统的基于经验公式的方法具有明显优势，为空间宽带多载波工作微波部件微放电设计提供有效依据，在卫星转发器多载波微放电分析及设计中具有价值。

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星载大功率复杂微波部件微放电效应数值模拟

李韵, 崔万照, 张洪太, 殷新社, 王洪广, 张剑锋, 贺永宁

2017 (2): 73-80. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0040

摘要 ( 877 )

PDF(3025KB) ( 884 )

随着航天器有效载荷技术向高功率、小型化持续发展，复杂结构微波部件微放电数值模拟与阈值分析成为影响微放电分析的基础瓶颈问题。基于电磁时域有限差分计算方法与粒子模拟技术，结合二次电子发射模拟，提出了微放电电磁粒子联合仿真方法，数值模型中考虑了真实电子间的库仑力以及电子运动产生的电荷和电流变化对电磁场的影响，解决了复杂结构微波部件微放电三维数值模拟技术难题。实现了在统一的三维空间网格与时间步进行电磁场值演变计算、电子运动状态变化推进计算与二次电子产额与能量分布计算，基于得到的二次电子数目随时间变化趋势实现了微放电阈值预判，通过微放电电子随时间演化获得了微放电过程具体物理图像及放电位置，并与实际器件微放电实验进行了对比验证。结果表明，所提出的三维电磁粒子数值模拟方法可对大功率微波部件微放电效应的物理过程与具体放电位置进行三维描述，预测的阈值与微放电实验测量值吻合良好，误差小于1.2dB，验证了该方法的有效性与准确性，对于深入研究微放电效应微观物理机制、提高大功率微波部件微放电设计与分析水平具有重要意义。

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空间微波部件内二次电子累积及其与传输特性的关系

张恒, 崔万照, 李韵, 王新波, 杨晶

2017 (2): 81-88. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0024

摘要 ( 746 )

PDF(5414KB) ( 773 )

针对微放电过程中的电子累积效应，探索二次电子累积对微波部件传输特性的影响，提出二次电子累积“等效介质”的理论模型，通过将电子累积等效为“特殊介质”，从介质的角度探索电子累积对传输特性的影响，推导得到不同电子累积密度所形成不同“等效介质”的相对介电常数。仿真和计算结果表明，微放电过程中，电子累积密度从0增长至10¹⁶/m³数量级时，传输特性基本不发生变化; 但是当电子累积密度达到10¹⁷/m³数量级时，阻抗变换器的通带内回波损耗恶化了15dB;随着电子累积密度继续增大，“等效介质”对电磁波的反射迅速增强，微波部件的传输特性急剧恶化;在电子累积密度达到4×10¹⁷/m³时，电磁波在阻抗变换器中的传输处于完全截止状态。为了进一步探讨导致传输特性恶化的深层原因，发现在电子累积密度达到4×10¹⁷/m³时，在2.5~5GHz的频率范围内，电子累积形成“等效介质”的相对介电常数呈现为负值，电磁波传输截止，“等效介质”表现出单负介电常数超材料的特性，即导致阻抗变换器传输特性恶化的原因是单负介质材料的形成。研究有益于更深入地认识微放电形成过程中的深层物理机理及其对宏观电性能的影响，为寻求更加有效的抑制方法提供理论依据。

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基于时域有限差分的微放电仿真算法

张剑锋, 游检卫, 王洪广, 李韵, 崔万照, 崔铁军

2017 (2): 89-95. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0036

摘要 ( 775 )

PDF(5722KB) ( 1172 )

为克服传统微放电阈值预测方法建模粗糙、精度低的缺点，提高阀值预测精度和效率，研究了基于时域有限差分的精确微放电阀值预测算法。基于时域有限差分算法和粒子追踪算法，通过时空网格自洽互耦实现复杂结构微波器件微放电阈值准确计算。其中，共形和并行算法是提高微放电仿真精度和效率的关键。文章基于空间蛙跳策略实现了基于时域有限差分的微放电仿真算法，利用算法分析了典型微波器件的微放电阈值，仿真与实验结果吻合良好，误差小于0.3dB；同时，并行效率最高可达83%，验证了算法的准确性和高效性。

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用于微放电测试的S波段注入锁频磁控管试验研究

陈潇杰, 刘臻龙, 刘长军

2017 (2): 96-102. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0025

摘要 ( 853 )

PDF(7779KB) ( 322 )

针对微放电测试所需大功率微波源的需求，试验研究了一种用于微放电测试的S波段注入锁频磁控管试验方法。基于注入锁频连续波磁控管的理论，试验得到了磁控管的注入锁频带宽与注入比成正比关系。改变阳极电流，得到磁控管输出功率389~1150W。通过注入锁频抑制了磁控管输出信号的边带噪声，提高注入功率拓宽了磁控管的锁频带宽，获得了高达12.6MHz的注入锁频带宽。在同时注入双频参考信号的锁频试验中，观察到了磁控管注入双锁频、杂散抑制功和功率分配的现象。该试验的结果为用于微波大功率微放电的微波源提供了试验依据。

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空间行波管阴极寿命试验研究

邵文生, 李季, 于志强, 程诚, 张珂, 王辉, 王力山

2017 (2): 103-107. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0035

摘要 ( 919 )

PDF(6596KB) ( 846 )

空间行波管是卫星通信系统中最重要的功率放大器，必须具有较长的工作寿命。空间行波管的寿命主要受阴极寿命的制约，因此为了保证空间行波管的长期在轨工作，需要开展大量的阴极寿命试验研究，并对阴极寿命进行预测。共投入50支电子枪进行寿命试验，累计进行寿命试验1823080h，最长单管寿命试验时间65411h。基于寿命过程中的逸出功变化，建立了空间行波管阴极寿命预测模型。预测空间行波管阴极在960℃_b（℃_b为亮度温度）支取1A/cm²发射电流密度时寿命超过43年；在980℃_b支取1A/cm²时寿命超过22年；在1000℃_b支取1A/cm²时寿命超过15年。预测结果表明，空间行波管阴极可以满足卫星通信系统应用的长寿命要求。

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LDPC码对无源互调干扰下通信性能改善研究

方天琪, 胡天存, 田露, 刘建纯

2017 (2): 108-113. doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0029

摘要 ( 769 )

PDF(3886KB) ( 983 )

针对无源互调干扰信号的时变性和间断性特点，提出了利用低密度奇偶校验（LowDensityParityCheck，LDPC）码抗突发差错的特性来减弱无源互调干扰影响的方法。文章设计了LDPC编译码方案，采用了基于准循环矩阵的编码方案，并着重分析了译码环节，译码算法最终选定具有低迭代时延特点的基于行信息传递（RowMessagePassing，RMP）调度的最小和译码算法。译码仿真结果显示，用占空比为10%的脉冲模拟无源互调干扰，信噪比为3.1dB时，编码增益约为8.2dB。实测结果显示，信干比为2dB时，带有LDPC编码的系统误码率为0.00269，信干比增益超过10dB。

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