用于航天器静电放电（ESD）防护的二次电子发射与陷阱态原位联合（SETiC）测量技术

《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》：Secondary Electron Emission and Trap State In Situ Combined (SETiC) Measurement for Spacecraft ESD Protection

空间电荷累积和电静放电（ESD）威胁航天器电子系统，次级电子发射（SEE）与陷阱态（TS）的耦合机制是关键研究难点。本文开发新型在 situ 测量装置SETiC，可在宽温域（153-573 K）、高真空（<10?? Pa）及多能电子束（20 eV-50 keV）条件下同步测量SEE与TS特性，通过圆柱形三测位腔体和四轴转台实现多角度采样，结合等温表面电位衰减（ISPD）法解析TS密度与能级分布，为建立电荷累积与ESD防护模型提供技术支撑。

　　

摘要：

当航天器的组件暴露在太空等离子体和粒子束中时，会发生充电现象和静电放电（ESD），这对航天器上的电子系统、通信系统、绝缘系统和电源系统构成严重威胁。二次电子发射（SEE）和俘获态（TS）是航天器材料的两个关键且相互关联的特性，它们决定了表面的充电行为和ESD现象。然而，在现有的研究中，SEE和TS通常在不同的实验条件下分别进行测量，这使得很难建立这两个耦合量之间的直接关联。本文介绍了一种先进的原位结合测量仪器（SETiC），该仪器能够在广泛的温度范围（153–573 K）、电子能量范围（20 eV–50 keV）以及高真空条件下（约10?? Pa）进行测量。其核心设计包括一个圆柱形的SETiC测量腔室，配备三个测量位置；一个由四轴平移台驱动的可移动四层球形收集器；以及由低温系统和丝状加热系统组成的温度控制系统。通过等温表面电位衰减（ISPD）方法来评估TS的密度和能级分布。主SETiC测量腔室通过传输腔室和磁耦合装置与辅助腔室相连，以便实时进行航天器充电和ESD实验。所提出的SETiC技术能够快速、准确地测量各种航天器材料的SEE和TS特性，有助于航天器充电和ESD现象的建模，以及先进ESD防护策略的开发。

引言

航天器充电现象发生在带电粒子（来源于太空环境，如等离子体、高能粒子和宇宙射线，或人工源，如等离子体推进器和电动力缆绳）在航天器表面或内部停止时[1]、[2]、[3]。高度带电的航天器表面容易发生静电放电（ESD）[4]、[5]、[6]，这可能导致电子系统故障、材料退化、运行异常，甚至任务失败[7]、[8]、[9]。下一代航天器中不断升高的电压和功率水平进一步凸显了开发先进充电和ESD防护策略的必要性[2]、[10]、[11]。带电粒子与航天器表面的相互作用包括复合、二次电子发射（SEE）、溅射、气体释放等过程[12]、[13]、[14]。其中，电子诱导的SEE对航天器充电至关重要，因为流入航天器的净电子电流取决于二次电子发射效率（SEY）和入射电子电流（I），其关系为I = SEY × I。对于介电材料而言，SEY受俘获电荷的影响[15]、[16]、[17]，因此俘获态（TS）与SEE密切相关。因此，SEE和TS是航天器充电和ESD过程中关键的、相互关联的特性，应该在同一位置进行联合测量。据我们所知，目前还不存在这种原位结合测量技术。为此，我们提出了第一种原位结合测量方法（SETiC），利用新开发的仪器和诊断技术来揭示航天器充电过程中的SEE–TS耦合机制，并帮助开发新的ESD防护方法。