CN115261776A - 基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，采用惰性气体掺杂六氟化硫放电产生的等离子体射流处理微波部件材料表面，通过在材料表面沉积含氟官能团的方式实现对材料表面的氟化处理，利用强电负性的氟元素表面沉积实现对微波部件材料二次电子发射过程的抑制。该方法所需设备简单、造价低廉、工艺流程简便、处理时间短，通过沉积含氟官能团实现氟化的方式不会显著改变材料本体介电特性，所利用的冷等离子体适用于不耐高温的聚合物介质材料，等离子体吹拂的处理方式适用于具有复杂形貌的微波部件。本技术方案在抑制微波部件微放电、提升微波部件可靠性领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，特别涉及一种基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法。
背景技术
电子或离子轰击金属或介质材料表面，会引起材料表面发射电子，这一过程被称为二次电子发射现象。当微波部件材料的二次电子产额(Second Electron Yield，简称SEY，即出射电子与入射电子数目之比)大于1时，在微波场的连续作用下部件内部会发生电子倍增现象，也称微放电。微放电一旦产生，轻者会造成微波传输失效，严重的会导致部件的永久损坏。微放电效应已经成为威胁大功率通信卫星安全运行的重要因素。降低微波部件材料的SEY可有效抑制微放电的发生，提高部件微放电的阈值，因此，亟需提供一种抑制微波部件材料二次电子发射的方法，降低微波部件材料的SEY。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，等离子体处理材料可改变材料表面的理化特性与微观形貌特征，本发明采用氟化合物掺杂惰性气体放电等离子体处理微波部件材料，通过在微波部件材料表面沉积含氟官能团，降低材料二次电子发射系数；同时，利用等离子体与材料表面相互作用实现对微波部件材料表面的氟化，适用于复杂结构的微波部件处理，可有效抑制材料二次电子发射，对于提高航天器微波部件可靠性具有重要应用价值。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，包括：
清洗微波部件表面，去除部件表面的污染物；
配制惰性气体和六氟化硫的混合气体，将混合气体通入等离子体射流装置中，在交流电压激励下，获得稳定的放电等离子体射流；
将微波部件置于等离子体射流装置喷口下游，接受等离子体射流处理，获得材料氟化的微波部件。
根据本发明提供的一种基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，利用惰性气体(如氦气)掺杂六氟化硫放电等离子体射流处理材料表面的方式实现了对微波部件材料的氟化，将材料表面氟化方法应用到了微波部件材料二次电子发射抑制领域；等离子体中的含氟基团与材料表面分子结合后，利用氟元素的电负性，可实现对材料二次电子发射的有效抑制，进而降低材料的二次电子发射系数，这一方法在解决微波部件微放电效应等方面有较好的应用前景；
(2)本发明提供的一种基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，相比于传统氟化工艺，本方法不使用有毒、有腐蚀性的化工原料，设备简单、造价低廉、工序简便、处理效率高；相比于传统镀膜工艺抑制二次电子发射的方法，本方法仅在材料表面沉积含氟官能团，厚度为数个分子尺度，不改变材料本身介电特性，具有良好的工程应用前景。通过等离子体射流吹拂式处理，可适用于对具有狭窄、高深宽比间隙等特殊形貌的部件进行处理，具有高度普适性；
(3)本发明提供的一种基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，借助大气压冷等离子体处理实现氟化，适用于处理不耐受高温的聚合物介质材料。
附图说明
图1为本发明一种基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法的流程图；
图2为实施例1中处理银(a)和铝合金样片(b)后的二次电子发射产额特性曲线图；
图3为实施例2～6中不同处理时长下铝合金样片的SEY抑制效率。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明人研究发现，经过冷等离子体处理的材料表面发生多种物理和化学变化，如产生刻蚀、形成致密的交联层以及引入官能团。同时，冷等离子体处理只作用于材料表面几到几十纳米的空间，不影响基体的性能。目前冷等离子体表面改性技术主要用来改善材料的亲水性、粘结性及生物相容性。此外，低温等离子体技术具有易操作、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能等优点，因此在高分子材料表面改性处理中得到广泛的应用。电负性是元素的原子在化合物中吸引电子的能力的标度。元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强。得益于氟原子外层电子分布特点，使得氟具有目前已知元素中最高的电负性，因此氟元素具有最高的电子亲和力。本发明人设想，在放电等离子体的工质气体中引入含氟分子成分，可利用放电产生含氟官能团。利用这种等离子体对材料进行表面改性处理，即可在材料表面沉积含氟官能团。利用氟元素对电子的吸引力，可降低材料的SEY。同时，利用等离子体本身的刻蚀效应，在材料表面形成微陷阱结构，进一步抑制二次电子发射过程。因此，利用含氟气体放电等离子体实现材料表面氟化是一项极具潜力的改善微波部件材料二次电子发射特性的方法。
经过大量研究，本发明提供了一种基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤(1)，清洗微波部件表面，去除部件表面的污染物；例如，依次使用丙酮、无水乙醇等水溶性有机溶剂和去离子水超声清洗微波部件表面，去除微波部件表面油污等污染，并用氮气气枪吹干。
步骤(2)，配制惰性气体和六氟化硫(SF6)的混合气体，其中六氟化硫与惰性气体按(0.01～0.1)：1的体积比混合。
该步骤中，惰性气体为氦气(He)或氩气(Ar)，优选为氦气。惰性气体的纯度不低于99.9％，六氟化硫的纯度不低于99％。
该步骤中，六氟化硫与惰性气体以(0.01～0.1)：1的体积比混合。六氟化硫与惰性气体的比例对等离子体氟化效果存在较大影响；若六氟化硫的用量较低且低于要求范围的最小值，则等离子体重含氟官能团浓度小、氟化效率过低，若六氟化硫的用量较高且高于要求范围的最大值，则放电电压阈值过高、等离子体射流难以形成。
该步骤中，以六氟化硫为氟源，相较于传统以四氟化碳(CF4)为氟源，可产生更丰富的含氟基团、具有更低的成本，且无毒环保。
步骤(3)，将混合气体按照1～5L/min的流量通入等离子体射流装置中，在频率10～50kHz、幅值为5～30kV的交流电压激励下，获得稳定的放电等离子体射流。
该步骤中，惰性气体中氦气或氩气的选用，以及交流电压的选择，能够确保等离子体射流为大气压冷等离子体，因此适用于对不耐高温的介质材料的处理。
该步骤中，混合气体按照1～5L/min的流量通入等离子体射流装置中，气体流量过小不利于产生长喷射距离的等离子体射流，气体流速过大容易在射流装置喷口处形成湍流从而不利于处理的均匀性。
该步骤中，以氦和六氟化硫混合气体为工质气体，采用等离子体射流装置产生等离子体，等离子体射流装置外施电压为交流电源，等离子体射流装置的工作电压高于初始放电电压，保证等离子体射流的稳定产生。
步骤(4)，将微波部件置于等离子体射流装置喷口下1～3cm的距离，接受等离子体射流处理，处理时长1～5min。
该步骤中，微波部件的材料为铝合金、金、银、铜、铜合金、表面镀金或镀银的金属材料、氧化铝陶瓷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚乙烯。
该步骤中，使用等离子体射流处理微波部件时，需要匀速移动等离子体射流装置或微波部件，使微波部件表面各位置接受等离子体射流处理的时长一致，尽可能地实现微波部件整个表面的均匀氟化。
该步骤中，微波部件与等离子体射流装置喷口的距离以及处理时长对被处理材料的最终氟化效果较为重要，距离过短有效处理面积过小、处理效率低，距离过长含氟官能团会因扩散而产生过多损失，进而降低氟化效率。处理时间过短无法在材料表面沉积足够的含氟官能团从而无法有效降低SEY，处理时间过长会导致SEY抑制效率降低。
步骤(5)，处理完成后，关闭混合气体气流与等离子体射流装置激励电源。
本发明采用惰性气体(氦气或氩气)和六氟化硫等离子体射流处理微波部件材料，在材料表面均匀沉积含氟官能团的方式实现对微波材料表面的氟化，进而实现对微波材料二次电子发射过程的抑制。相比于传统化学氟化工艺，本方法不借助具有强腐蚀性和剧毒性的化工原料，设备简单、造价低廉，可在简易工序下实现对材料或部件的高效处理。相比于传统镀膜等表面工艺具有均匀性好、结合力强、耐久性高等优势。采用等离子体射流输送含氟基团实现材料表面氟化的方式可适用于对各种复杂结构部件的处理。本方法处理后只改变材料表面结合的基团种类，不会改变材料本身的电磁传导特性，因此具有广泛的适用性。
实施例
实施例1
首先对银质样片表面依次使用无水乙醇、去离子水超声清洗，清洗完成后利用高速氮气气流吹干；接着使用两台气体质量流量计分别控制纯度为99.999％的氦气和纯度为99.9％的六氟化硫气体流量，其中氦气流量为2L/min，六氟化硫气流流量为0.1L/min；然后搭建等离子体射流放电平台，等离子体射流源为一针-环结构，等离子体激励电源输出电压为频率20kHz，幅度15kV的正弦电压；将样片置于等离子体射流源下方样品台上，样片距离等离子体源喷口2cm；将氦气气流和六氟化硫气流在等离子体射流装置三通管内混合后通入等离子体射流源，打开激励电源，产生等离子体射流，处理开始；匀速移动样品台，使等离子体射流源可以接触到样片表面各个位置；处理2min后关闭等离子体激励电源，关闭质量流量控制器，取下样片，保存在密封盒中，处理完成。
随后使用二次电子发射特性测试平台进行二次电子发射系数的测量，系统真空度在2.3×10-8Torr，多点测试得到样片表面二次电子发射特性，其中二次电子发射系数最大值较未经处理的样片下降约16％，见图2(a)。采用本工艺对铝合金样片进行相同处理后，测得被处理样片二次电子发射系数最大值较未经处理的样片下降约26％，见图2(b)。
实施例2～实施例6
实施例2～6与实施例1一致，区别仅在于：接受等离子体射流的处理时长分别为0.5、1、1.5、2.5、3min。对铝合金样片进行处理后，采用二次电子发射特性测试平台对样片的SEY进行了检测，获得了不同处理时长条件下样片的二次电子发射系数最大值，结果发现当处理时长为2min时，等离子体氟化处理对样片SEY抑制效率最高。以此抑制效率为基数对其他处理时长下的SEY抑制效率进行了归一化处理，结果如图3所示。可以看到，氟化处理对样片SEY抑制效率随处理时长的增加呈先上升后下降的变化趋势，由此说明对于某一材料，等离子体氟化抑制SEY的效率存在最优处理时间。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，其特征在于，包括：
清洗微波部件表面，去除部件表面的污染物；
配制惰性气体和六氟化硫的混合气体，将混合气体通入等离子体射流装置中，在交流电压激励下，获得稳定的放电等离子体射流；
将微波部件置于等离子体射流装置喷口下游，接受等离子体射流处理，获得材料氟化的微波部件。
2.根据权利要求1所述的基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，其特征在于，所述清洗微波部件材料表面，去除材料表面的污染物的步骤中，依次使用水溶性有机溶剂和去离子水清洗微波部件表面，去除微波部件表面的污染物。
3.根据权利要求1所述的基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，其特征在于，所述配制惰性气体和六氟化硫混合气体的步骤中，六氟化硫与惰性气体按(0.01～0.1)：1的体积比混合。
4.根据权利要求1所述的基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，其特征在于，所述配制惰性气体和六氟化硫混合气体的步骤中，所述惰性气体为氦气或氩气。
5.根据权利要求1所述的基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，其特征在于，所述配制惰性气体和六氟化硫混合气体的步骤中，所述惰性气体的纯度不低于99.9％，六氟化硫的纯度不低于99％。
6.根据权利要求1所述的基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，其特征在于，所述交流电压的频率为10～50kHz，幅值为5～30kV。
7.根据权利要求1所述的基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，其特征在于，所述将微波部件置于等离子体射流装置喷口下游的步骤中，所述微波部件的材料为铝合金、金、银、铜、铜合金、表面镀金或镀银的金属材料、氧化铝陶瓷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚乙烯。
8.根据权利要求1所述的基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，其特征在于，所述将微波部件置于等离子体射流装置喷口下游的步骤中，将微波部件置于等离子体射流装置喷口下1～3cm的距离。
9.根据权利要求1所述的基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，其特征在于，使用等离子体射流处理微波部件时，处理时长为1～5min。
10.根据权利要求1所述的基于等离子体氟化抑制微波部件材料二次电子发射的方法，其特征在于，使用等离子体射流处理微波部件时，匀速移动等离子体射流装置或微波部件，使微波部件表面各位置接受等离子体射流处理的时长一致。
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