CN106033065A - 卫星材料表面的二次电子发射率的测量装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种卫星材料表面的二次电子发射率的测量装置及使用此装置的方法。该测量装置包括：粒子枪、电子检测仪、法拉第杯、真空罐、转台和控制台，其中粒子枪用来输出测量过程中所需要的粒子束流，包括电子或离子；真空罐为测试提供真空腔体空间；转台安装于真空罐的底部，用来为待测材料样品和电子检测仪和粒子束流提供适当的配合位置；电子检测仪用来测量待测材料表面的二次电子的发射强度；法拉第杯用来测量入射粒子的强度；控制台用来对法拉第杯、电子检测仪进行数据采集，并控制待测材料样品的电位。
Description
技术领域
本发明涉及空间辐射防护评估领域，尤其涉及一种利用粒子束流进行卫星材料表面的二次电子发射率的测量装置及其使用方法。
背景技术
卫星表面由于空间等离子体的附着作用，会形成类似于地面静电带电的表面充电现象。表面充电会造成卫星与空间环境之间存在电位差，此即卫星表面的悬浮电位。当卫星表面与空间环境之间出现过大的电位差时，在静止轨道卫星上可以造成负2万伏的高压，这会造成卫星表面与空间环境之间或者表面的不同部分之间出现放电现象(即如地面的静电放电)，或者造成卫星的仪器测量结果不准确。静电放电会释放出来电流脉冲、电磁脉冲及热脉冲，电流脉冲和电磁脉冲都会直接或间接耦合进卫星的电子学系统，干扰甚至伤害卫星的安全。
卫星表面充电的恶劣程度除了与空间环境相关以外，还与卫星的自身息息相关。由于空间环境中造成卫星表面充电的环境因素为空间低能粒子，而空间低能粒子在与卫星表面碰撞的过程中会发射电子，此类电子被称之为二次电子，而二次电子的发射可以降低低能粒子中的低能电子导致的碰撞效益，从而改善卫星表面的充电程度。因此，选择具有适当的二次电子发射率的材料是改善卫星表面的充电程度的手段之一，于是，对于金属材料的表面的二次电子发射的测量就成为卫星表面充电防护过程的重要环节。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的卫星材料表面的充电防护问题而使用的材料的表面的二次电子发射的测量问题，提供一种卫星材料表面的二次电子发射率的测量装置及其使用方法。
根据本发明的一个方面，提供一种卫星材料表面的二次电子发射率的测量装置，包括粒子枪、电子检测仪、法拉第杯、真空罐、转台和控制台，其中粒子枪用来输出测量过程中所需要的粒子束流，包括电子或离子；真空罐为测试提供真空腔体空间；转台安装于真空罐的底部，用来为待测材料样品和电子检测仪和粒子束流提供适当的配合位置；电子检测仪用来测量待测材料表面的二次电子的发射强度；法拉第杯用来测量入射粒子的强度；控制台用来对法拉第杯、电子检测仪进行数据采集，并控制待测材料样品的电位。
优选地，真空罐由不锈钢材料构成且为圆筒状。
在一个优选实施例中，真空罐在测量过程中保持在10-3Pa以上的真空度，以降低残留气体对于束流干扰。
在一个优选实施例中，真空罐的内部横截面积为100cm2，以便于安装测量过程所需的设备，且其内壁光滑，内表面不平整度小于1mm，以便于降低内壁的粒子散射。
优选地，粒子枪与真空罐的壁之间通过束流管道连接。
优选地，转台为弱磁结构。
可选地，转台安装有转台托盘，其上用于安装待测材料样品。
在一个优选实施例中，转台托盘在垂直方向是可转动的，转动范围不小于90度，转动精度不低于5度。
在优选实施例中，粒子枪发射的粒子束流的电子能量为1000eV，以便于降低地磁场对于粒子的偏转导致的误差。且粒子束流连续输出束流10分钟以上，以便于可以进行稳定的测量，但试验过程每次只对待测材料照射1s，并且粒子束流横截面直径不大于1um。
优选实施例中，法拉第杯的横截面的直径大于1cm，以避免粒子束流截面过大而无法被测量到。
优选实施例中，电子检测仪的横截面面积大于待测材料样品的表面面积，并且电子检测仪与待测材料样品表面之间的距离不大于1cm，以避免待测材料样品的表面所发射的二次电子无法被收集到。
优选实施例中，待测材料样品与转台托盘绝缘，其电位由控制台控制。
优选实施例中，控制台为待测材料样品提供0至-2kV范围的电位，以避免由于待测材料样品的电位过高而吸附表面发射的二次电子。
根据本发明的另一方面，还提供一种卫星材料表面的二次电子发射率的测量装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤101，依据需要测量的入射粒子的能量范围，设置粒子的能量点、粒子通量及待测材料样品与粒子束流之间的夹角；
步骤102，依据步骤101所设定的粒子的能量点、粒子通量，设置电子检测仪的电位、测量范围，以便于测量范围与粒子束流相互匹配；
步骤103，依据步骤101和步骤102中设置的数据，以及法拉第杯采集的数据Ip和电子检测仪所采集的数据Ie，求出待测材料样品的二次电子的发射率Y＝Ie/Ip。
本发明的卫星材料表面的二次电子发射率的测量装置，可以为卫星材料表面的二次电子发射率的测量提供一种简单、条件可行的方法，并且保持真空罐内高真空以利于测量实验的开展。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的卫星材料表面的二次电子的发射率的测量装置的结构示意图。
图2为根据本发明的一个实施例的电子检测仪的外形示意图。
图3为图2中的电子检测仪沿A-A向的剖面示意图。
图4为根据本发明的粒子束流与待测材料样品之间的夹角关系的示意图。
图5为根据本发明的测量装置中的法拉第杯、待测材料样品、电子检测仪和控制台之间数据采集的电气关系图。
图6为根据本发明的测量装置的使用方法流图。
附图标记
1、粒子枪 2、束流管道 3、电子检测仪
4、待测材料样品 5、转台托盘 6、转台
7、真空罐 8、法拉第杯 9、收集电极
10、电极I 11、电极II 12、屏蔽电极
13、粒子束流 14、控制台
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的卫星材料表面的二次电子的发射率的测量装置及其使用方法进行详细说明。
图1为根据本发明的一个实施了的卫星材料表面的二次电子的发射率的测量装置的结构示意图。如图所示，该测量装置包括粒子枪1、电子检测仪3、法拉第杯8、真空罐7、转台6和控制台14。粒子枪1用来输出测量过程中所需要的粒子束流，包括电子或离子。真空罐7为测试提供真空腔体空间，转台6安装于真空罐7的底部，用来为待测材料样品4和电子检测仪3和粒子束流13提供适当的配合位置。电子检测仪3用来测量待测材料表面的二次电子的发射强度。法拉第杯8用来测量入射粒子的强度。控制台14用来对法拉第杯8、电子检测仪3进行数据采集，并控制待测材料样品4的电位。
优选地，真空罐7由不锈钢材料构成且为圆筒状。
优选地，粒子枪1与真空罐7的壁之间通过束流管道2连接。
优选地，转台6为弱磁结构。
可选地，转台6安装有转台托盘5，其上用于安装待测材料样品4。
在优选实施例中，粒子枪1发射的粒子束流的电子能量为1000eV，以便于降低地磁场对于粒子的偏转导致的误差。且粒子束流连续输出束流10分钟以上，以便于可以进行稳定的测量，但试验过程每次只对待测材料照射1s，避免由于照射时间过长而只是电子在材料表面累积而表面电位改变，并且粒子束流横截面直径不大于1um。
图2为根据本发明的一个实施例的电子检测仪的外形示意图。图3为图2中的电子检测仪沿A-A向的剖面示意图。从图2可见，电子检测仪3的中间有一个开孔，该开孔便于粒子束流通过并入射到待测材料样品4的表面。屏蔽电极12用于屏蔽掉仪器以外空间的电磁场干扰，电极I 10和电子II 11用于调节测量电子的能量范围，收集电极9用于吸收入射电子。
根据本发明的实施例，法拉第杯的横截面的直径大于1cm，以避免粒子束流截面过大而无法被测量到，优选地，法拉第杯8的横截面直径为5cm。电子检测仪3的横截面面积大于待测材料样品的表面面积，并且电子检测仪3与待测材料样品4表面之间的距离不大于1cm，以避免待测材料样品的表面所发射的二次电子无法被收集到，优选地，该距离为5mm。在测量过程中，首先把法拉第杯8移至束流管道2的出口位置(如图1的虚线框所在位置)以检测粒子束流，，一旦检测到粒子束流13，则将法拉第杯8移开，再将待测材料样品4移至距电子检测仪3的表面5mm的位置。
优选实施例中，待测材料样品4与转台托盘5绝缘，其电位由控制台14控制。
优选实施例中，控制台14为待测材料样品4提供0至-2kV范围的电位，以避免由于待测材料样品4的电位过高而吸附表面发射的二次电子。
在一个优选实施例中，真空罐7的内部横截面积为100cm2，以便于安装测量过程所需的设备，且其内壁光滑，内表面不平整度小于1mm，以便于降低内壁的粒子散射。
在一个优选实施例中，转台托盘5可以在垂直方向转动，转动范围不小于90度，转动精度不低于5度。
在一个优选实施例中，真空罐7在测量过程中保持在10-3Pa以上的真空度，以降低残留气体对于束流干扰。
图4为根据本发明的粒子束流与待测材料样品之间的夹角关系的示意图。显然，通过改变该夹角可以获得相同能量不同角度入射下的二次电子发射的差异。
图5为根据本发明的测量装置中的法拉第杯8、待测材料样品4、电子检测仪3及控制台14之间的电气关系的示意框图。控制台14用于控制待测材料样品4、电子检测仪3的电位，并采集电子检测仪3和法拉第杯8的电子通量数据。图6为本发明的测量装置的使用方法的流程图，包括如下步骤：
步骤101：依据需要测量的入射粒子束流的能量范围，设置粒子能量点、粒子通量及待测材料样品与粒子束流之间的夹角；
步骤102：依据步骤101中设定的粒子能量点、粒子通量，设置电子检测仪3的电位、测量范围，以便于测量范围与粒子束流相互匹配；
步骤103：依据步骤101和步骤102中设置数据，以及法拉第杯8采集的数据Ip和电子检测仪3所采集的数据Ie，求出待测材料样品的二次电子的发射率Y＝Ie/Ip。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (15)
1.一种卫星材料表面的二次电子发射率的测量装置，包括：粒子枪、电子检测仪、法拉第杯、真空罐、转台和控制台，其中粒子枪用来输出测量过程中所需要的粒子束流，包括电子或离子；真空罐为测试提供真空腔体空间；转台安装于真空罐的底部，用来为待测材料样品和电子检测仪和粒子束流提供适当的配合位置；电子检测仪用来测量待测材料表面的二次电子的发射强度；法拉第杯用来测量入射粒子的强度；控制台用来对法拉第杯、电子检测仪进行数据采集，并控制待测材料样品的电位。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：真空罐由不锈钢材料构成且为圆筒状。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于：真空罐的内部横截面积为100cm2，且其内壁光滑，内表面不平整度小于1mm。
4.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于：真空罐在测量过程中保持在10-3Pa以上的真空度。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：粒子枪与真空罐的壁之间通过束流管道连接。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：转台为弱磁结构。
7.根据权利要求1或6所述的测量装置，其特征在于：转台安装有转台托盘，其上用于安装待测材料样品。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于：转台托盘在垂直方向是可转动的，转动范围不小于90度，转动精度不低于5度。
9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：粒子枪发射的粒子束流的电子能量为1000eV。
10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：粒子束流连续输出束流10分钟以上，并且粒子束流横截面直径不大于1um。
11.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：法拉第杯的横截面的直径大于1cm。
12.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：电子检测仪的横截面面积大于待测材料样品的表面面积，并且电子检测仪与待测材料样品表面之间的距离不大于1cm。
13.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：待测材料样品与转台托盘绝缘，其电位由控制台控制。
14.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：控制台为待测材料样品提供0至-2kV范围的电位。
15.一种使用如权利要求1-14中所述的卫星材料表面的二次电子发射率的测量装置的方法，包括如下步骤：
步骤101，依据需要测量的入射粒子的能量范围，设置粒子的能量点、粒子通量及待测材料样品与粒子束流之间的夹角；
步骤102，依据步骤101所设定的粒子的能量点、粒子通量，设置电子检测仪的电位、测量范围，以便于测量范围与粒子束流相互匹配；
步骤103，依据步骤101和步骤102中设置的数据，以及法拉第杯采集的数据Ip和电子检测仪所采集的数据Ie，求出待测材料样品的二次电子的发射率Y＝Ie/Ip。
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