西安交通大学XIANJIAOTONGUNIVERSITY先进表征及诊断方法-II固体介质表面二次电子发射及陷特性联合测量西安交通大学电气工程学院先进高电压与等离子体技术研究中心1898
先进表征及诊断方法-Ⅱ ——固体介质表面二次电子发射及陷 阱特性联合测量 西安交通大学 电气工程学院 先进高电压与等离子体技术研究中心
物理概念一二次电子发射和陷阱特性口二次电子口电荷陷阱固体介质中俘获电子或空穴的局域能级：一定能量的带电粒子轰击固体（金属/半导体）绝缘体）表面而发射电子的现象。缺陷、杂质、化学键断裂、重构等入射电子e背散射电子eO俄歇电子CX射线真二次电子电子陷阱样品&um空穴陷阱缺陷杂质本征原子n=f(Eou)5.0O8-fi(Ein)低密度聚乙烯介质4.5电子陷阱真二次弹性24.0O空穴陷阱2=IJp电子散射电子N=f(E)自1特征能量损失峰1.5俄歇电子ME51.0座0.5~50EmEEE?m0.0入射电子能量二次电子能量0.900.951.050.851.001.10陷阱能级(eV)二次电子发射系数二次电子能谱分布陷阱密度-能级分布-2-《高电压绝缘专论》Xi'anJiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -2- 物理概念 — 二次电子发射和陷阱特性 p 二次电子 一定能量的带电粒子轰击固体(金属/半导体/ 绝缘体)表面而发射电子的现象。 e p 电荷陷阱 固体介质中俘获电子或空穴的局域能级： 缺陷、杂质、化学键断裂、重构等。 =f1(Ein) n=f2(Eout) =Is/Ip 二次电子发射系数 二次电子能谱分布 e e 陷阱密度能级分布 e 电子陷阱 空穴陷阱 本征原子 缺陷杂质 Nt=f(Et)
重大工程问题举例1一航天器表面充放电和微放电破坏2007年NASA统计326次高真空高低温带电粒子航天器事故太阳电池阵8%11%5%放电事故占3%4%50%以上微波部件29%口带电粒子轰击引起的充放电效应是导致航天器故障的主要原因；放电破坏帆板驱动机构口我国多颗导航、通信卫星在轨运行或地面实验中多次发生充放电和微放电破坏-3-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -3- 重大工程问题举例1 — 航天器表面充放电和微放电破坏 p带电粒子轰击引起的充放电 效应是导致航天器故障的主要 原因； p我国多颗导航、通信卫星在 轨运行或地面实验中多次发生 充放电和微放电破坏。 高真空 高低温 带电粒子 45% 29% 4% 3% 11% 8% 放电事故占 50%以上 2007年NASA统计326次 航天器事故
重大工程问题举例2脉冲功率核聚变的绝缘沿面放电破坏高真空带电粒子我国和欧美大国启动了**模拟与核聚变我国前期样机建三液装置能源项目（惯约重大专项“聚龙1号”实物图聚变区元9中子氙直径~33m聚变区前面的真空-固体沿面运行中放电照片绝缘放电是制约“瓶颈？之一期望工作电场>14MV/m聚变区实际工作电场40%体积庞大导致装备性能低、-4-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -4- 直径~ 33 m 高 度 ~ 6 m 重大工程问题举例2 —脉冲功率核聚变的绝缘沿面放电破坏 高真空 带电粒子 聚变区 我国前期样机—— “聚龙1号”实物图 运行中放电照片 我国和欧美大国启动了**模拟与核聚变 能源项目 (惯约重大专项) u 聚变区前面的真空-固体沿面 绝缘放电是制约“瓶颈” 之一 u 期望工作电场>14MV/m u 实际工作电场40% u 导致装备性能低、体积庞大 聚变区
基础物理问题举例一高灵敏光电探测器件的电子发射/倍增低温高真空带电粒子>光电倍增管、微通道板医疗器>广泛用于空间探索、射线探测械（如PET-CT）等多个方面扫描电镜空间探索一阿尔法磁谱仪2号医疗器械—PET-CT高灵敏光电探测器件一直是我国先进测量领域的发展短板，尤其是先进光电倍增阴极材料；绝大部分依赖进口，特别是高端电镜领域，几乎100%进口。-5-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -5- 基础物理问题举例 — 高灵敏光电探测器件的电子发射/倍增 Ø光电倍增管、微通道板 Ø广泛用于空间探索、射线探测、医疗器 械(如PET-CT) 等多个方面 高真空 低温 带电粒子 空间探索—阿尔法磁谱仪2号 医疗器械—PET-CT Ø 高灵敏光电探测器件一直是我国先进测量领域的发展短板，尤其是先进光 电倍增阴极材料； Ø 绝大部分依赖进口，特别是高端电镜领域，几乎100%进口。 扫描电镜
科学问题的提出一一带电粒子与材料表面相互作用负效应二次电子倍增>李生物理现象：航天器表二次电子面充放电初始电子二次电子发射、电荷及微波部陷作用。件微放电A固体介质表面陷阱真空二次电子被动发生：二次电子发射（倍增）介质高功率脉导致绝缘表面带电、放电，导表面层冲设备的致失效。真空沿面陷阱放电作用主动利用：利用二次电子发射（倍增）、探测微弱光电信号。金都自杂质阳极输出光电阴极高灵敏光电探测器>协同物理效应件的电子正效应、负效应。发射/倍增正效应第1倍增极第n倍增极Zhang et al. IEEE TDEl, 2013入射光-6-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -6- 科学问题的提出 — 带电粒子与材料表面相互作用 航天器表 面充放电 及微波部 件微放电 高功率脉 冲设备的 真空沿面 放电 高灵敏光 电探测器 件的电子 发射/倍增 被动发生：二次电子发射(倍增) 导致绝缘表面带电、放电，导 致失效。 初始电子 二次电子 ＋＋＋ ＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋ 二次电子倍增 固体介质 主动利用：利用二次电子发射 (倍增)、探测微弱光电信号。 表面陷阱 介质 表面层 Ø孪生物理现象： 二次电子发射、电荷 陷阱作用。 Ø协同物理效应： 正效应、负效应。 负效应 正效应 Zhang et al. IEEE TDEI, 2013 二次电子 真空 陷阱 作用
两个参数：联合测量？为何需要原位火电前人工作：Vaughan和Furman发射模型入射A(外)二次电子入射角对二次电子发射系数的影响发射真空8(0)= S。exp[αxm(l-cos))介质表面●电子α一内二次电子的吸收系数，未给出确定值O空穴需要同一测试条件、同一申请者工作：考虑陷作用的发射模型部位进行两个参数测量>一次电子入陷、脱陷、发射>(内)二次电子入陷、脱陷、发射。H（外）二次电子发射二次电子发射（材料外部）协同效应质表面带电粒子与影响负效应-破坏电子0空穴材料作用正效应-利用电荷入陷/脱陷电子空穴(内)二次陷电荷陷阱电荷（材料内部）电子1Dekker,SolidStatePhysics2Zhangetal.AppliedPhvsicsLetters.2012-7-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -7- 入射角i对二次电子发射系数 的影响 0 ( ) exp[ (1 cos )] i m i x —内二次电子的吸收系数，未给出确定值 前人工作： Vaughan和Furman发射模型 申请者工作：考虑陷阱作用的发射模型 1 Dekker, Solid State Physics 2 Zhang et al. Applied Physics Letters, 2012 两个参数：为何需要原位、联合测量？ Ø一次电子入陷、脱陷、发射； Ø(内)二次电子入陷、脱陷、发射。 带电粒子与 材料作用 二次电子发射 （材料外部） 电荷入陷/脱陷 （材料内部） 协同效应 负效应-破坏 正效应-利用 需要同一测试条件、同一 部位进行两个参数测量 1 2 e e e e e e e e e e e e e e e e e e e 影响
研究现状一全球多家研究机构关注、仅有限几家测量法国航空航天局德国波茨坦大学荷兰飞利浦实验室哈尔滨理工大学德国Navocontrol东京大学北京卫星环境工程研究所欧洲核子研究中心琦玉大学兰州510所/西安504所犹他州立大学康奈尔大学法国图卢兹大学西安交通大学九州工业大学加州伯克利大学普林斯顿大学德国STAIB公司中国工程物理研究院日本KEK阿贡国家实验室NASA以色列技术学院中山大学上海交通大学同济大学巴西圣保罗大学澳大利亚昆士兰大学墨尔本大学脉冲功率、自前航天、光电探测等研究机构均关注二次电子发射和陷特性但仅有限几家能够开展测量-8-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -8- 研究现状 — 全球多家研究机构关注、仅有限几家测量 中国 日本 澳大利亚 巴西 美国 欧洲 以色列 目前航天、脉冲功率、光电探测等研究机构均关注二次电子发射和陷阱特性， 但仅有限几家能够开展测量。 中山大学 东京大学 日本KEK 阿贡国家实验室 同济大学 哈尔滨理工大学 北京卫星环境工程研究所 上海交通大学 圣保罗大学 荷兰飞利浦实验室 以色列技术学院 德国波茨坦大学 法国航空航天局 德国STAIB公司 兰州510所/西安504所 加州伯克利大学 犹他州立大学 普林斯顿大学 中国工程物理研究院 琦玉大学 法国图卢兹大学 九州工业大学 欧洲核子研究中心 康奈尔大学 西安交通大学 德国Navocontrol 昆士兰大学 NASA 墨尔本大学
研究现状一金属材料的测量相对成熟德国STAIB合作单位：航天504所委托开发>仅适用于金属材料的测量>能量范围窄，价格昂贵>无法测量低温下二次电子发射系数。2.42.22.085420860100Ag10s刻饨Ag40s刻地Ag0.20.020004006008001000120014001600E,(eV)能谱收集方式真空度测试材料研究机构能量范围/eV否50~5k金属球型收集极约10-6Pa德国STAIB-9-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -9- 研究现状 — 金属材料的测量相对成熟 Ø仅适用于金属材料的测量； Ø能量范围窄，价格昂贵； Ø无法测量低温下二次电子发射系数。 研究机构 能量范围/eV 收集方式 真空度 测试材料 能谱 德国STAIB 50~5k 球型收集极 约10 -6Pa 金属 否 德国STAIB 合作单位：航天504所委托开发
研究现状一固体介质的测量难度远大于金属材料美国犹他州立大学代表目前国际最先进测量水平依托NASA国际空间站项目>难以准确中和表面电荷，严重影响测量结果温度范围窄（300~360K），不能适用低温，Eim=500eV4.03.53.02.2.0DL)1.500100025003000450050001500200035004000Incident Electron Energy (eV)能谱测试材料能量范围收集方式真空度研究机构是美国犹他州立大学30~20keV半球型收集极~10-8Pa介质/金属-10-《高电压绝缘专论》Xi'an Jiaotong University
Xi’an Jiaotong University 《高 电 压 绝 缘 专 论》 -10- 研究现状 — 固体介质的测量难度远大于金属材料 依托NASA国际空间站项目 研究机构 能量范围 收集方式 真空度 测试材料 能谱 美国犹他州立大学 30~20keV 半球型收集极 ~10 -8Pa 介质/金属 是 Ø难以准确中和表面电荷，严重影响测量结果； Ø温度范围窄(300~360K)，不能适用低温； 美国犹他州立大学 代表目前国际最先进测量水平 Ein=500eV