空间微波系统中微放电现象

在星载微波部件领域有一个比较特殊的问题——微放电效应，英文是multipactor，国内也有叫做二次电子倍增效应（某些粒子加速器里存在的电子云效应(electron cloud effect)，跟这个微放电效应比较类似）。

微放电效应的基本概念是：工作在真空条件下的微波部件，由于某种原因（比如宇宙中的各种辐射）导致部件内部出现了一些电子（称为初始电子），初始电子的数目通常并不大，一般不会引起什么负面效应，但是，由于洛伦兹力的存在，这些初始电子会在微波部件内部被加速，如果微波部件结构尺寸、微波场的频率和场强大小、微波部件内壁表面材料属性等因素碰巧“天时地利人和”的话，初始电子就会与微波场共振——初始电子被加速并轰击微波部件内壁，轰击过程产生了数量更多的新电子（这些新电子称为二次电子，大量初始电子轰击微波部件内壁会激发大量二次电子，将平均意义上单个初始电子激发出的二次电子数目称为二次电子发射系数），这些二次电子出来以后又被加速且再次轰击部件内壁，于是微波部件内部有了更多的电子，这一过程不断重复，最终出现电子的雪崩效应——微波部件内的电子数目急剧增加，当电子数目多到影响微波部件的正常工作时，就称其发生微放电了。

所以，微放电问题是星载微波部件设计验证过程中必须关注的重要问题。

电子轰击固体材料引发的二次电子发射问题，是一个比较古老而基础的物理问题，也是一个很宽泛的话题，只是多数场景和微波的关联不大，所以这里不赘述二次电子发射效应。

图1 初始电子在微波场作用下的倍增过程示意图图2 微放电敏感区域图：横坐标为微波部件工作频率与最窄间隙之乘积，纵坐标为阈值电压。

黑色线条之内的区域是可能发生放电的区域。

蓝线表示不同阶数的放电。

从前述微放电效应基本概念的论述中不难发现，处理微波部件的微放电问题已然超出了一般的微波设计范畴，而且微放电效应的测试通常也比较复杂（涉及到大功率仪器设备、真空环境的获得、初始电子的激励等），好在目前专业软件的发展比较给力，本文即意在简要介绍微放电效应的模拟方法。

常见的放电现象带电物体失去电荷的现象叫做放电。

常见的放电现象有以下⼏种:接地放电地球是良好的导体，由于它特别⼤，所以能够接受⼤量电荷⽽不明显地改变地球的电势，这就如同从海洋中抽⽔或向海洋中放⽔，并不能明显改变海平⾯的⾼度⼀样如果⽤导线将带电导体与地球相连，电荷将从带电体流向地球，直到导体带电特别少，可以认为它不再带电。

(如果导体带正电，实际上是⾃由电⼦从⼤地流向导体。

这等效于正电荷从导体流向⼤地。

)⽣产中和⽣活实际中往往要避免电荷的积累，这时接地是⼀项有效措施。

尖端放电通常情况下空⽓是不导电的，但是如果电场特别强，空⽓分⼦中的正负电荷受到⽅向相反的强电场⼒，有可能被“撕”开，这个现象叫做空⽓的电离。

由于电离后的空⽓中有了可以⾃由移动的电荷，空⽓就可以导电了。

空⽓电离后产⽣的负电荷就是电⼦，失去电⼦的原⼦带正电，叫做正离⼦。

由于同种电荷相互排斥，导体上的静电荷总是分布在表⾯上，⽽且⼀般说来分布是不均匀的，导体尖端的电荷特别密集，所以尖端附近空⽓中的电场特别强，使得空⽓中残存的少量离⼦加速运动。

这些⾼速运动的离⼦撞击空⽓分⼦，使更多的分⼦电离。

这时空⽓成为导体，于是产⽣了尖端放电现象。

尖端放电在技术上有重要意义。

⾼压输电导线和⾼压设备的⾦属元件，表⾯要很光滑，为的是避免因尖端放电⽽损失电能或造成事故。

⽕花放电当⾼压带电体与导体靠得很近时，强⼤的电场会使它们之间的空⽓瞬间电离，电荷通过电离的空⽓形成电流。

由于电流特别⼤，产⽣⼤量的热，使空⽓发声发光，产⽣电⽕花。

这种放电现象叫⽕花放电。

⽕花放电在⽣活中常会遇到。

⼲燥的冬天，⾝穿⽑⾐和化纤⾐服，长时间⾛路之后，由于摩擦，⾝体上会积累静电荷。

这时如果⼿指靠近⾦属物品，你会感到⼿上有针刺般的疼痛感。

这就是⽕花放电引起的。

如果事先拿⼀把钥匙，让钥匙的尖端靠近其他⾦属体，就会避免疼痛。

在光线较暗的地⽅试⼀试，在钥匙尖端靠近⾦属体的时候，不但会听到响声，还会看到⽕花。

电子质量2021年第04期(总第409期)作者简介院田伟(1983-)，男，工程师，硕士，主要研究方向为通用测试仪器测试。

宇航级高功率微波载荷微放电效应检测Detection of Multipactor for Aerospace High Power Microwave Component田伟,张国锋,雷卫平(中电科思仪科技股份有限公司,山东青岛266555)Tian Wei,Zhang Guo-feng,Lei Wei-ping (The Ceyear Technology Co,Ltd of CETC,Shandong Qingdao 266555)摘要：微放电效应是一种在真空电磁环境中发生的二次电子倍增谐振放电效应，是一种发生在空间轨道航天器微波载荷系统内部的特殊电磁效应问题。

近年来，针对宇航级高功率微波器部件载荷，进行微放电阈值检测越发重要。

该文依托公司研制的微放电效应检测系统，首先对微放电效应产生机理、发生条件及其危害进行介绍，描述开展微放电效应检测的现实应用背景；其次，着重介绍了前向/后向功率检测法，前向/后向功率调零检测法、谐波检测法、近载波互调产物检测法、近载波噪声检测法等目前国内外主要的检测方法。

随后，对检测系统组成进行了简要说明，同时对系统发展现状进行介绍；最后，结合航天器微波载荷技术发展趋势，介绍了微放电效应检测技术的后续发展情况。

关键词：微放电效应；前向/后向功率；调零技术中图分类号：V443文献标识码：A文章编号：1003-0107(2021)04-0100-03Abstract:Multipactor effect is a kind of secondary electron multiplier resonant discharge effect which occurs in vacuum electromagnetic environment.It is a special electromagnetic effect problem which occurs in the microwave loading system of space orbit spacecraft.In recent years,it is more and more important to detect the threshold of Multipactor for aerospace high power microwave components.In this paper,based on the detection system of Multipactor effect developed by the company,the mechanism,occurrence conditions and hazards of Multipactor effect are firstly introduce,and the practical application background of Multipactor effect detection is described.Secondly,it focuses on the Forward/Reflected power detection method,Forward/Reflected power Nulling detection method,harmonic detection method,near carrier intermodulation product detection method,near carrier noise detection method and other main detection methods at home and abroad.Then,the composition of the detection system is briefly explained,and the development status of the system is introduced.Finally,with the development trend of spacecraft microwave loading technology,the follow-up development of micro-discharge effect detection technology is introduced.Key words:Multipactor effect;Forward/Reflected power;Nulling technology CLC number:V443Document code:AArticle ID ：1003-0107(2021)04-0100-030前言通常情况下，电子系统或设备的常规电磁兼容性问题越来越备受关注，谈及电磁兼容，微放电效应检测也是其环境测试的一个重要分支。

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（secondary electron emission coefficient），亦有人称为二次电子发射产额（secondary electron yield）。

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（total secondary electron yield，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。