表面处理抑制二次电子发射的机理研究

Electron cloud instability has been a critical issue that affects performances of accelerators. Decreasing the secondary electron emission yield by surface treatment is an effective method for suppressing the electron could instability. However, the mechanism of suppressing secondary electron emission by surface treatment is still not fully understood. In this project, we will research this mechanism by investigating the relationship between secondary electron emission and surface state. A Monte Carlo strategy will be adopted to simulate the multiple interaction between secondary electrons and a complex surface morphology. A multiple generation model for secondary electron emission from complex surface morphology will be built to give an systematic analysis on the relevance between the secondary electron emission and surface morphology. Thus, scheme for secondary electron suppression will be optimized, combined with experimental works. On the other hand, the effects of ion surface treatment on secondary electron emission will be examined by both theoretical and experimental works. In particular, effects on surface potential on the emission of inner secondary electron from surface will be studied. Furthermore, effect of graphene layer on secondary electron emission will be explored for developing new secondary electron emission suppressing technique. This project will have scientific and applied significance in clarifying the mechanism of suppressing secondary electron emission by surface treatment, developing effective suppressing electron cloud technique and improving the performance of accelerators.

电子云不稳定性是影响各类加速器工作性能的重要因素。表面处理降低二次电子产额是抑制电子云效应的重要途径。但是，目前对于表面处理影响二次电子发射的机理仍缺乏了解。本项目将研究二次电子发射与表面状态的关系，探索表面处理抑制二次电子发射的物理机制。项目将采用蒙特卡洛方法模拟二次电子与复杂形貌表面的多次相互作用，建立复杂形貌表面二次电子发射的多代模型；系统分析二次电子发射与表面形貌之间的关联性，并结合实验来优化表面形貌处理抑制二次电子的方案。采用理论分析并结合实验的方法研究离子表面处理对二次电子出射的影响。研究内二次电子跨越表面势垒的运动规律，分析表面势垒对电子发射的影响。分析电子穿透石墨烯材料的运动特性并通过实验探索石墨烯抑制二次电子发射的新方法。研究成果对于了解表面处理抑制二次电子发射的微观机理，寻找有效的抑制二次电子云不稳定性的新方法，提高加速器工作性能具有重要的科学意义和应用价值。

为探索表面处理影响二次电子发射的内在机制，探索抑制二次电子发射，降低各类加速器发生电子云效应的风险，本项目通过理论分析、数值模拟和实验研究的方法研究了二次电子发射与表面状态的内在联系。项目建立了粗糙表面二次电子发射的多代模型。模型对入射电子和二次电子的散射过程和与表面的多次相互作用过程进行了全程追踪，通过统计最后出射的二次电子的数目和能量得到最终的二次电子发射系数和能谱分布。采用多代模型系统研究了各种表面形貌二次电子发射特性。对矩形槽、三角槽等规则表面，给出了相应的解析模型。对随机表面，提出了综合考虑表面粗糙度和表面形貌起伏变化相干长度来分析二次电子发射特性的方法。发现随机粗糙表面对二次电子发射的影响存在三种效应：遮挡效应、多代效应和入射效应。通过数值模拟发现这三种效应都可以表示成粗糙度与相干长度的比值。深化了对随机表面二次电子发射特性的认识。采用理论分析和实验相结合的方法研究了表面吸附对二次电子能谱的影响。为具有一定吸附的表面势垒建立了模型，以到达金属表面二次电子为研究研究对象，通过求解薛定谔方程计算了电子的出射的概率，获得了表面势垒对二次电子能谱的影响规律，发现表面吸附量的增加会引起表面势垒的降低，从而导致金属器壁二次电子发射增强，能谱变窄。研究了热处理和氩离子清洗材料表面对材料二次电子发射的影响规律。分析了热处理和氩离子清洗对表面吸附以及表面形貌的影响，进而分析了对二次电子发射特性的影响。采用化学气相沉积方法在铜表面覆盖了石墨烯层，通过实验研究发现石墨烯覆盖层可以有效降低二次电子发射系数。采用引入等效势垒的方法分析了石墨烯层影响二次电子发射特性的规律。从理论上计算了相应器件的敏感曲线，发现可以有效减小敏感区域，降低器件发生微放电的风险。