2025年微波部件的微放电效应仿真演示 .pdfVIP

操千曲尔后晓声，观千剑尔后识器。——刘勰

在上一篇《微波部件的微放电效应简介及其仿真》中已经对微放电效应的基本

概念和仿真方法进行了简要介绍。微放电效应限制了星载微波部件的功率容量，

因此需要努力规避，或称为微放电效应的抑制。上文已经提到微放电效应的形

成需要满足几个主要的因素：微波部件内部的场强够大、真空度要足够（或者

说电子平均自由行程较大）、腔壁二次电子发射系数大于1。因此，微放电效

应的抑制也基本上是从破坏这几个主要诱因出发。想要较为深刻地理解微放电

效应，绕不开二次电子发射的问题，因此下面简介下二次电子发射。

上次曾经提到，二次电子发射是引起微放电效应的主要原因。实际上，电子入

射固体材料后可能引起许多物理过程，比如下图所示的：背散射电子、特征X

射线、二次电子、俄歇电子等。入射电子能量、固体材料表层的元素组成、微

观结构及表面形貌等因素共同决定了电子入射引起的物理效应。在微放电效应

中，入射电子的能量通常不会超过几keV，关注的对象一般限于二次电子和背

散射电子。在微放电效应的研究中，常常将二次电子和背散射电子统称为二次

电子。

由于微放电效应是微波部件腔体内电子与微波场共振引起电子倍增的现象，因

此从微放电效应的数值模拟角度来看，只需知道一定参数的入射电子会引起多

少二次电子即可，并不关心入射电子与材料作用的微观过程。衡量材料的二次

电子发射特性的参数是二次电子发射系数（secondaryelectronemission

coefficient），亦有人称为二次电子发射产额（secondaryelectronyield）。

为了更明确地表明包含了背散射电子成分，更为准确的表述是总二次电子发射

产额（totalsecondaryelectronyield，简称TSEY）。当材料属性不变时，

TSEY由入射电子的入射角度（定义为入射矢量所在直线与材料表面法线的夹角，

位于0~90°之间）和入射能量决定，其典型规律如下图所示：入射角度增加引

起TSEY增加，入射能量增加则引起TSEY先增后减，亦即TSEY存在一个最大值。

操千曲尔后晓声，观千剑尔后识器。——刘勰

显然，严格来说，TSEY并非一个数而是一组数。实际中经常碰到的说法“某材

料TSEY为XX”，实际上说的是该材料的TSEY最大值为XX。

在微放电研究历史上，影响较大的解析模型之一是上世纪五十年代Hatch和

Williams提出的模型（下文称之为HW模型，文献中亦称为常数理论）。这个

理论较好地描述了平行板结构的微放电过程。对于如下图所示的平行板结构

（上下板之间施加交流信号），在仅考虑垂直于极板方向的电场力作用时（上

下板之间的电场随时间变化，但是始终与x轴方向平行），电子的运动方程为：

以家为家，以乡为乡，以国为国，以天下为天下。——《管子》

穷则独善其身，达则兼善天下。——《孟子》

乐民之乐者，民亦乐其乐；忧民之忧者，民亦忧其忧。——《孟子》

在实际的工程应用中，除了关心阈值功率外，为了便于改进，还需知道发生微

放电效应的具体位置。SPARK3D软件可以观察微波部件内部电子数目及位置随

时间演变的过程，主要操作过程如下图所示：首先双击左侧菜单栏中的

VideoMultipactorConfig1，在弹出的窗口中设置馈入微波部件的功率，最后

点击run，完成之后即可得到动画演示过程。

动画演示过程可以保存为动画格式（比如ogv,avi等）也可保存为jpg等图片

格式。如果设置的馈入功率未达到放电阈值功率，则可以看到电子数逐渐减少；

其身正，不令而行；其身不正，虽令不从。——《论语》

反之，如果达到了阈值功率，则可以观察到电子数逐渐增多。以下两幅图分别

展示了这两种情形。对于一个复