空间大功率微波器件微放电多尺度分析及表面处理技术研究

Multipactor is a fatal failure mode of high-power microwave devices for space applications and suppression of multipactor is very important to improve the communication capability of spacecraft. The project aims at the cause of multipactor, that is, secondary electron emission, investigating the intrinsic physical mechanism of it and the surface technology to reduce it. The relationship among the core physics processes of atomic scale, surface micro-structure scale and microwave device scale is studied, with first-principles calculation, statistical analysis and Monte Carlo simulation, and 3-dimensional particle-in-cell simulation in each scale respectively. So that a multi-scale analysis method for the multipactor mechanism could be set up. By atomic scale controlling, morphology constructing of the surface and the process realization on complicated devices, the key techniques for suppression of the multipactor would be established. With space environment simulation experiments, the damage accumulating on the surface of the microwave devices would be analyzed, and a phenomenological model for variation of secondary electron emission would be built to predict the effect on the threshold of multipactor in microwave devices. The research would have strong application value and important theory significance for exploring multi-scale analysis methods for multipactor and solving basic problems for space microwave devices.

微放电是空间大功率微波器件最主要的失效模式，抑制器件微放电是提升星箭弹船通信能力的关键。本项目针对微放电根源--器件表面二次电子发射，开展其深层物理机制和表面处理技术研究。通过对材料原子几何结构、表面微观结构和微波器件三种尺度下关联物理过程的研究，建立微放电的多尺度关联分析方法，包括原子尺度的第一性原理计算、表面微观结构尺度的统计分析和蒙特卡罗模拟、微波器件尺度的三维粒子模拟。通过浅表层原子尺度控制、表面微观形貌构建、复杂腔体表面处理工艺研究，掌握空间大功率微波器件微放电抑制表面处理关键技术。通过器件表面损伤累积过程的空间模拟试验分析，建立二次电子发射损伤累积唯象模型，实现微波器件在损伤累积条件下的微放电阈值变化分析和预测。本项目研究对探索空间大功率微波器件微放电多尺度关联分析方法、解决微放电基础问题具有重要的理论意义和应用价值。

本项目建立起复合材料表面功函数的第一性原理计算方法，计算获得空间微波部件用典型金属材料的功函数，并得到实验验证。利用功函数和二次电子发射系数之间的正相关关系，基于第一性原理计算主动构建Ni(111)覆盖石墨烯等低功函数复合材料表面，结合理论分析揭示了正相关关系的物理机制，实验验证了这些表面抑制二次电子发射的有效性。基于密度泛函理论建立任意复合材料在一定能量损失范围内的光学能量损失函数、电子在材料中的非弹性散射截面的计算方法，并建立起电子在材料浅表层内二次电子激发和电子输运过程的蒙特卡罗模拟方法、复杂表面有效二次电子发射的多代模型，实现了包括氮化钛和阿洛丁等在内的化合物材料本征二次电子发射和复杂表面有效二次电子发射的数值计算，自洽地将二次电子发射的原子尺度机制和表面微纳尺度机制关联起来。.项目根据理论分析结果重点开展了三种复合材料表面处理工艺的研究，一是采用磁控溅射法在Cu表面制备非晶碳膜，优化工艺中的温度和沉积时间参数，并增加Ti缓冲层；二是通过在Al基材料的阿洛丁处理工艺的基础上增加碳膜沉积工艺；三是对Al基材料表面通过镀镍膜/银膜、化学腐蚀、再镀金膜，在表面产生具有稳定性的多孔结构。这三种工艺都可以将最大二次电子发射系数抑制到1.2以内，且第二种工艺具有较好的稳定性。项目特别对传统阿洛丁处理工艺进行了分析和改进，通过减少裂纹，优化形貌参数，较好地抑制了二次电子发射，并形成了可在具有复杂结构的器件产品中应用的工艺规范。.项目综合应用建立的多尺度关联分析方法进行选材和表面形貌参数优化、应用器件尺度粒子模拟方法优化结构参数、应用改进的阿洛丁处理工艺进行器件表面改性，制造出微放电抑制水平超越国外同类产品的大功率同轴开关、隔离器和滤波器产品，并在型号中应用。.项目还采用电子束辐照（持续轰击）的方法对阿洛丁表面和非晶碳膜表面开展了二次电子发射累积效应实验研究，通过对形貌演变的分析解释了表面二次电子发射系数变化的原因。综合考虑原子尺度损伤和表面微观尺度损伤的基本物理机制，构建出二次电子发射损伤累积的唯象模型，可用于估算器件微放电阈值随时间的变化。