CN113506968B - 一种基于三维微结构降低二次电子发射的方法 - Google Patents

一种基于三维微结构降低二次电子发射的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三维微结构降低二次电子发射的方法，包括：确定微波部件中沿电磁场传输通道方向的待降低二次电子发射表面；确定三维深度微结构加载区域；采用金属丝构成相交且尾端位于同一平面上的簇形结构；将簇形结构周期性首尾相连，两两编织，构成微结构单元；采用3D打印工艺，在三维深度微结构加载区域逐层加工制备微结构单元，形成三维深度微结构。本发明通过三维堆叠金属丝材料，在空间中形成三维深度微结构，实现二次电子发射的强抑制；同时在电磁场传输通道中控制微结构单元的表面投影尺寸大小，最小化对电性能的影响，最终实现不影响电性能的二次电子发射强抑制的三维深度微结构，具有物理结构稳定、与器件结合度优异等优点。

Description

一种基于三维微结构降低二次电子发射的方法
技术领域
本发明属于空间微波技术领域，尤其涉及一种基于三维微结构降低二次电子发射的方法。
背景技术
当星载大功率微波部件在空间环境中发生微放电时，会导致微波部件表面损坏、功率损耗、信号恶化等，甚至引发气体放电等灾难性硬故障，导致卫星在轨失效。已有研究表明，降低金属微波部件表面二次电子发射时，将有利于提高微波部件微放电阈值，显著提高星载大功率微波系统可靠性，具有广泛的应用前景。
降低二次电子发射的方法主要分为物理方法和化学方法。物理方法通过优选介质材料的二次电子发射系数，并在微波部件表面加载低二次电子发射材料实现微波部件二次电子发射的降低；化学方法通过在微波部件表面通过化学腐蚀、微图形光刻等工艺形成多孔结构，以降低二次电子发射。
上述现有的降低二次电子发射的方法主要存在如下问题：物理方法的局限性主要在于介质材料与金属微波部件的结合度受限；化学方法的局限性主要在于损耗的增加、电性能和其他性能的恶化等。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于三维微结构降低二次电子发射的方法，通过三维堆叠金属丝材料，在空间中形成三维深度微结构，实现二次电子发射的强抑制；同时在电磁场传输通道中控制微结构单元的表面投影尺寸大小，最小化对电性能的影响，最终实现不影响电性能的二次电子发射强抑制的三维深度微结构，具有物理结构稳定、与器件结合度优异等优点。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于三维微结构降低二次电子发射的方法，包括：
确定微波部件中沿电磁场传输通道方向的待降低二次电子发射表面；
确定微波部件中的三维深度微结构加载区域；
采用金属丝构成相交且尾端位于同一平面上的簇形结构；将簇形结构周期性首尾相连，两两编织，构成微结构单元；
采用3D打印工艺，在三维深度微结构加载区域逐层加工制备微结构单元，形成三维深度微结构，实现二次电子发射的有效降低。
在上述基于三维微结构降低二次电子发射的方法中，确定微波部件中沿电磁场传输通道方向的待降低二次电子发射表面，包括：
根据麦克斯韦方程组与微波部件电磁边界条件，求解得到微波部件中沿电磁场传输方向上任意位置p的电磁场幅度分布p(E,H)；其中，E表示电场幅度，H表示磁场幅度；
根据电场分布得到电场幅度最大值Em的位置p1，以p1为中心，以电场幅度在p1周围区域下降至
Figure BDA0003115771100000021
处为边界，得到微波部件表面上的投影区域A；
确定待降低二次电子发射表面为包含投影区域A的规则表面区域。
在上述基于三维微结构降低二次电子发射的方法中，三维深度微结构加载区域为：以待降低二次电子发射表面为底面，向微波部件外侧延伸深度d0的三维空间区域。
在上述基于三维微结构降低二次电子发射的方法中，
若干个微结构单元在待降低二次电子发射表面上周期性排列，布满待降低二次电子发射表面；其中，单个微结构单元在待降低二次电子发射表面上的投影为封闭形状，投影最大宽度处尺寸为t；
若干个微结构单元在沿远离电磁场传输通道方向且垂直于待降低二次电子发射表面的深度方向排列，通过周期性交错编织布满三维深度微结构加载区域；其中，单个微结构单元在三维深度微结构加载区域沿深度方向的横截面上的投影为封闭形状，投影最大宽度处尺寸为d。
在上述基于三维微结构降低二次电子发射的方法中，
若干个微结构单元在待降低二次电子发射表面上两两相邻排列，且沿电磁场传输通道方向排列的任意相邻两个微结构单元之间的中心间距≤2t；
若干个微结构单元在沿远离电磁场传输通道方向且垂直于待降低二次电子发射表面的深度方向两两相邻排列，且沿远离电磁场传输通道方向且垂直于待降低二次电子发射表面的深度方向排列的任意相邻两个微结构单元之间的中心间距≤d。
在上述基于三维微结构降低二次电子发射的方法中，金属丝的半径为r0，长度为l0；其中，20μm≤2r0≤1mm，2r0<l0。
在上述基于三维微结构降低二次电子发射的方法中，微波部件的中心工作波长为λ，t≤0.01λ，d≤0.01λ。
在上述基于三维微结构降低二次电子发射的方法中，d0≥4t。
在上述基于三维微结构降低二次电子发射的方法中，微结构单元由金属丝和金属丝围成的真空区域组成；其中，微结构单元在微波部件表面上的投影为面积为S封闭形状，金属丝在微波部件表面上的投影面积为Sm，Sm≤0.5S。
在上述基于三维微结构降低二次电子发射的方法中，3D打印工艺选择选区激光熔化工艺。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种基于三维微结构降低二次电子发射的方法，通过三维堆叠金属丝材料，在空间中形成三维深度微结构，实现二次电子发射的强抑制；同时在电磁场传输通道中控制微结构单元的表面投影尺寸大小，最小化对电性能的影响，最终实现不影响电性能的二次电子发射强抑制的三维深度微结构，具有物理结构稳定、与器件结合度优异等优点，极具工程应用价值和市场前景。
(2)本发明公开了一种基于三维微结构降低二次电子发射的方法，首次提出了基于3D打印三维深度微结构调控降低材料表面二次电子发射的方法，通过服从一定规律的三维分布金属丝实现电子的随机反射，然后通过多次反射实现电子的束缚和二次电子发射的降低。
(3)本发明公开了一种基于三维微结构降低二次电子发射的方法，可在保证微波部件电性能不变与不增加微波部件体积与质量的前提下(甚至会适当降低微波部件质量)，有效降低二次电子发射，达到抑制与消除微放电的目的。与传统方法相比，不仅进一步降低了二次电子发射，甚至实现了全能量段二次电子发射产额降低到1以下，有望消除微放电；尤其具有体积小、重量轻、易集成的特点，尤其适合空间应用场合。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于三维微结构降低二次电子发射的方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中一种三维微结构加载区域的示意图；
图3是本发明实施例中一种微结构单元的构建示意图；
图4是本发明实施例中一种三维随机不规则微结构扫面电镜(SEM)示意图；
图5是本发明实施例中一种三维随机不规则微结构二次电子发射测量结果示意图；
图6是本发明实施例中一种三维随机规则微结构扫面电镜(SEM)示意图；
图7是本发明实施例中一种三维随机规则微结构二次电子发射测量结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
如图1，在本实施例中，该基于三维微结构降低二次电子发射的方法，包括：
步骤101，确定微波部件中沿电磁场传输通道方向的待降低二次电子发射表面。
在本实施例中，如图2，可以根据麦克斯韦方程组与微波部件电磁边界条件，求解得到微波部件中沿电磁场传输方向上任意位置p的电磁场幅度分布p(E,H)；其中，E表示电场幅度，H表示磁场幅度。然后，根据电场分布得到电场幅度最大值Em的位置p1，以p1为中心，以电场幅度在p1周围区域下降至
Figure BDA0003115771100000051
处为边界，得到微波部件表面上的投影区域A。最后，确定待降低二次电子发射表面为包含投影区域A的规则表面区域。
步骤102，确定微波部件中的三维深度微结构加载区域。
在本实施例中，如图2，三维深度微结构加载区域为：以待降低二次电子发射表面为底面，向微波部件外侧延伸深度d0的三维空间区域。
步骤103，采用金属丝构成相交且尾端位于同一平面上的簇形结构；将簇形结构周期性首尾相连，两两编织，构成微结构单元。
在本实施例中，如图3，可选择若干个一定长度l0、半径为r0金属丝，首先构成相交且尾端位于同一平面上的簇形结构；然后，将得到的若干个簇形结构周期性首尾相连，两两编织，形成微结构单元。
优选的，若干个微结构单元在待降低二次电子发射表面上周期性排列，布满待降低二次电子发射表面；其中，单个微结构单元在待降低二次电子发射表面上的投影为封闭形状，投影最大宽度处尺寸为t。若干个微结构单元在沿远离电磁场传输通道方向且垂直于待降低二次电子发射表面的深度方向排列，通过周期性交错编织布满三维深度微结构加载区域；其中，单个微结构单元在三维深度微结构加载区域沿深度方向的横截面上的投影为封闭形状，投影最大宽度处尺寸为d。
进一步的，在沿电磁场传输通道方向上：若干个微结构单元在待降低二次电子发射表面上两两相邻排列，且沿电磁场传输通道方向排列的任意相邻两个微结构单元之间的中心间距≤2t。
进一步的，在三维深度微结构加载区域的深度方向上：若干个微结构单元在沿远离电磁场传输通道方向且垂直于待降低二次电子发射表面的深度方向两两相邻排列，且沿远离电磁场传输通道方向且垂直于待降低二次电子发射表面的深度方向排列的任意相邻两个微结构单元之间的中心间距≤d。
步骤104，采用3D打印工艺，在三维深度微结构加载区域逐层加工制备微结构单元，形成三维深度微结构，实现二次电子发射的有效降低。
在本实施例中，可以选择任意一种适当的3D打印3D打印工艺进行加工，例如，可以选择选区激光熔化工艺，本发明对此不作限制。
其中，需要说明的是，在本实施例中，提及的各参数的具体要求如下：
1)20μm≤2r0≤1mm，2r0<l0。
2)t≤0.01λ，d≤0.01λ。其中，λ表示微波部件的中心工作波长。
3)d0≥4t。
4)微结构单元由金属丝和金属丝围成的真空区域组成；其中，微结构单元在微波部件表面上的投影为面积为S封闭形状，金属丝在微波部件表面上的投影面积为Sm，Sm≤S。
在上述实施例的基础上，下面结合两个具体实例进行说明。
实例1：一种降低二次电子发射的3D打印三维随机不规则微结构
1)确定待降低二次电子发射表面、三维深度微结构加载区域。其中，三维深度微结构加载区域的深度d0为0.8mm，微波部件的中心工作波长λ为300mm。
2)采用半径r0为100μm，长度l0为350μm的金属丝构成相交且尾端位于同一平面上的簇形结构；簇形结构周期性首尾相连，两两编织，构成微结构单元。
微结构单元在待降低二次电子发射表面上的投影为封闭形状，投影最大宽度处尺寸t为350μm；微结构单元在三维深度微结构加载区域沿深度方向的横截面上的投影为封闭形状，投影最大宽度处尺寸d为200μm；Sm≤0.5S。其它要求与上述步骤103中的要求一致，在此不再赘述。
3)采用选区激光熔化工艺，选用颗粒直径为20μm至63μm的金属铝粉末，在三维深度微结构加载区域逐层加工制备微结构单元，在三维空间围成均匀排列的随机不规则微结构阵列，如图4所示。其二次电子发射系数如图5所示，将二次电子发射系数最大值从2.6抑制到1.7，抑制效率大于35％，实现了二次电子发射的显著降低。
实施例2：一种降低二次电子发射的3D打印三维随机规则微结构
1)确定待降低二次电子发射表面、三维深度微结构加载区域。其中，三维深度微结构加载区域的深度d0为0.8mm，微波部件的中心工作波长λ为300mm。
2)采用半径r0为290μm，长度l0为600μm的金属丝构成相交且尾端位于同一平面上的簇形结构；簇形结构周期性首尾相连，两两编织，构成微结构单元。
微结构单元在待降低二次电子发射表面上的投影为封闭形状，投影最大宽度处尺寸t为790μm；微结构单元在三维深度微结构加载区域沿深度方向的横截面上的投影为封闭形状，投影最大宽度处尺寸d为400μm；Sm≤0.37S。其它要求与上述步骤103中的要求一致，在此不再赘述。
3)采用选区激光熔化工艺，选用颗粒直径为20μm至63μm的金属铝粉末，在三维深度微结构加载区域逐层加工制备微结构单元，在三维空间围成均匀排列的规则微结构阵列，如图6所示。其二次电子发射系数如图7所示，将二次电子发射系数最大值从2.6抑制到0.95，抑制效率大于65％，实现了二次电子发射的显著降低。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于三维微结构降低二次电子发射的方法，其特征在于，包括：
确定微波部件中沿电磁场传输通道方向的待降低二次电子发射表面；
确定微波部件中的三维深度微结构加载区域；其中，三维深度微结构加载区域为：以待降低二次电子发射表面为底面，向微波部件外侧延伸深度d0的三维空间区域；
采用金属丝构成相交且尾端位于同一平面上的簇形结构；将簇形结构周期性首尾相连，两两编织，构成微结构单元；其中，若干个微结构单元在待降低二次电子发射表面上周期性排列，布满待降低二次电子发射表面，单个微结构单元在待降低二次电子发射表面上的投影为封闭形状，投影最大宽度处尺寸为t；若干个微结构单元在沿远离电磁场传输通道方向且垂直于待降低二次电子发射表面的深度方向排列，通过周期性交错编织布满三维深度微结构加载区域，单个微结构单元在三维深度微结构加载区域沿深度方向的横截面上的投影为封闭形状，投影最大宽度处尺寸为d；在沿电磁场传输通道方向上：若干个微结构单元在待降低二次电子发射表面上两两相邻排列，且沿电磁场传输通道方向排列的任意相邻两个微结构单元之间的中心间距≤2t；在三维深度微结构加载区域的深度方向上：若干个微结构单元在沿远离电磁场传输通道方向且垂直于待降低二次电子发射表面的深度方向两两相邻排列，且沿远离电磁场传输通道方向且垂直于待降低二次电子发射表面的深度方向排列的任意相邻两个微结构单元之间的中心间距≤d；金属丝的半径为r0，长度为l0，20μm≤2r0≤1mm，2r0＜l0≤d；微波部件的中心工作波长为λ，t≤0.01λ，d≤0.01λ；d0≥4t；
采用3D打印工艺，在三维深度微结构加载区域逐层加工制备微结构单元，形成三维深度微结构，实现二次电子发射的有效降低；
微结构单元由金属丝和金属丝围成的真空区域组成；其中，微结构单元在微波部件表面上的投影为面积为S封闭形状，金属丝在微波部件表面上的投影面积为Sm，Sm≤0.5S。
2.根据权利要求1所述的基于三维微结构降低二次电子发射的方法，其特征在于，确定微波部件中沿电磁场传输通道方向的待降低二次电子发射表面，包括：
根据麦克斯韦方程组与微波部件电磁边界条件，求解得到微波部件中沿电磁场传输方向上任意位置p的电磁场幅度分布p(E,H)；其中，E表示电场幅度，H表示磁场幅度；
根据电场分布得到电场幅度最大值Em的位置p1，以p1为中心，以电场幅度在p1周围区域下降至
Figure FDA0003787342570000021
处为边界，得到微波部件表面上的投影区域A；
确定待降低二次电子发射表面为包含投影区域A的规则表面区域。
3.根据权利要求1所述的基于三维微结构降低二次电子发射的方法，其特征在于，3D打印工艺选择选区激光熔化工艺。
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