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固体材料的二次电子发射的静电带电的新模型

常天海吴淑玲

（华南理工大学电子与信息工程学院，广州510641）

摘要:作为研究创新和开发静电理论的新研究方向，已知固体材料的二次电子发射系数作为静电的重要和激励参数不可忽视。 本文将实验与理论方法相结合，探讨和分析了表面静电势的大小和极性与二次电子发射特性之间的关联机理，根据二次电子发射特性与固体表面静电充电尝试探索和建立了新的模型。

关键词:固体材料，二次电子发射，静电带电，关联机制，新的理论模型。

介绍

从国内外研究来看，不难发现根据二次电子发射特性的固体材料的静电电学理论研究较少。 通过实验^[1]，二次电子发射特性是固体材料静电带电的关键因素。 由于固体材料在静电摩擦过程中运动机理是非常复杂的，因此没有充分揭示许多现象，特别是固体材料摩擦后静电势的微观机制及其极性。 然而，根据固体材料静电带电及其表面二次电子发射特性的相关性质仍然可以解释一些现有理论无法解释的特殊现象，例如，固体材料产生的静电势不随着摩擦速度增加而增加。

在本文中，我们主要讨论固体材料的二次电子发射特性与表面静电充电机制的潜力。 通过理论研究和实验研究，本文重点建立了根据固体材料表面静电充电的二次电子发射特性的新理论模型，用新的模型方程揭示了固体材料表面静电势与二次电子发射系数的直接关系。

二次电子发射特性与静电带电机理的关系

相关研究表明，二次电子发射系数与摩擦带电过程有关^[2]。 但如何科学地解释根据固体材料二次电子发射特性的静电带电机制被认为是该领域的难题之一。 为了更好地理解这两种特性之间的关系，我们首先需要确定静电带电的起源机理。

固体材料静电带电的因素

固体材料静电带电是由多种因素动态形成的，不仅包括周围环境的变化，还包括物体本身的特性。 根据经典的静电理论，我们可以将静电带电分为接触，摩擦和分离三个过程。 静电带电的主要因素是物质的性质和类型，当不同材料制成的物体接触时，双电层和接触层的电位不同，所以功率强度也不一样; 诸如周围环境温度和湿度等因素对静电带电有很大的影响。

处理; 对象的充电过程和接触特性也包括在内。

固体材料的二次电子发射特性

当电子（或其他粒子离子）以一定的能量或速度的轰击固体材料表面时，会引起物体发射的电子，这种物理现象被称为二次电子发射^[3]。发射的电子称为二次电子，入射粒子称为原电子。二次电子与原电子的比值为delta;，定义为二次电子发射系数，用来表式固体材料的二次电子发射能力。delta;由电子能量、被轰击材料^[4]的材料类型和性质决定的。从Monte-Carlo模拟的相关模型中，通过比较二次电子发射系数与入射能量和入射角的关系，可以看出二次电子发射系数曲线随能量增加而迅速增大，然后缓慢下降^[5] 。

根据二次电子数量I_s和原电子流I_p的数量^[6]，存在方程（1）：

(1)

利用不同的入射能量，我们可以得出delta;与入射能量（E）^[7]之间的函数曲线。 如图1所示。 该曲线的主要参数如下：E₁是第一个交点（delta;= 1）; E₂是第二交点（delta;= 1）; E_m是对应于delta;=delta;_m的原电子能量，delta;_m是最大二次电子发射系数^[8]。

图1.典型二次电子发射特性曲线

二次电子发射特性与摩擦带电的相关分析

从我们自己创新设计的摩擦带电实验出发，提出了多仲因素组合模拟电子设备的静电动态电位。结果表明固体材料的二次电子发射特性与摩擦带电的性质具有很强的关系。因为当二次电子发射系数降低时，实验材料发射的二次电子在摩擦过程中会相应减少。此外，当它达到表面高电位并形成强静电场时，会进一步阻止发射二次电子，从而抑制相应表面电位的上升，最终达到更稳定的状态; 此外，实验材料的表面特性可能在高速摩擦过程下损坏和改变。 最终会严重影响二次电子发射系数，改变二次电子发射的数量，直接影响表面静电势。

静电电位测量实验

实验设计的想法

由于本研究旨在分析基于固体材料表面静电势的二次电子发射特性，因此使用摩擦带电来测量实验材料的动态静电势。 结合材料的二次电子发射系数，本文深入分析了入射能量与固体材料形成的表面静电势之间的数值关系。

实验描述

该实验是测量三个旋转下固体材料的静电势，所述固体材料以不同摩擦速度与铝带固定。

实验材料

包括PTFE（聚四氟乙烯），高密度聚乙烯（HDPE）和聚丙烯（PP）三种圆盘旋转材料。

实验数据

实验数据如表1所示。通过对实验数据的分析，发现随着速度的不断提高，并且达到一定值时等于入射能量达到一定值时，实验材料的表面电位确实不增加或缓慢增加。

实验分析

本研究主要研究了入射能量，固体材料的二次电子发射系数与静电势之间的近似数值关系。 根据实验数据，结合二次电子发射系数曲线，可以建立它们之间的近似关系式。

入射能量与静电势的关系

通过对不同固体材料二次电子发射系数的摩擦带电实验分析，得出结论：入射能与固体材料形成的表面静电势存在一定的数量关系。表1所示的实验结果可以粗略表示为图2中的曲线。V是由入射粒子发射的二次电子产生的静电势; E是入射能量

图2.入射能量和静电势图

从图2可以看出，当E lt;E₁时，随着固体材料表面的静电势会增大到曲线的大斜率，表明固体材料表面处于充电过程。 这种现象可以解释如下。当入射能量增加时，很明显，固体材料的二次电子发射系数也增加。由于在固体材料中激发的二次电子将不可避免的增加，因此表面上的静电势形成跟随，此时材料表面处于充电过程中。当入射能量增加到一定值时，固体材料的二次电子发射系数将从峰值delta;_m中逐渐减小并消除，导致充电效果变弱，其静电势缓慢上升。 随着二次电子发射系数的减小和静电效应的减弱，这会进一步阻碍固体材料表面的充电过程，使充电电位V达到平衡状态。由于V_m如图2所示。

基于固体材料二次电子发射静电作用的新模型

表1.在不同速度下的摩擦电化学结果

速度

静电电位（kV）

根据二次电子发射特性的静电带电的新模型

根据图2中的曲线，我们可以抽象出一个关系式（2）：

（2）

其中k₁和k₂是相关系数。它们的价值取决于固体材料和二次电子发射系数。以PTEE为列，其最大二次电子发射系数delta;_m=3.0其对应的能量Em=300V时，通过经验推导方程^[9]

（3）

z= 1.284E/E_m时，我们可以得到图3和图4，它们给出了PTEE的二次电子发射系数曲线以及入射能量与PTEE的静电势之间的关系图。

实验数据显示k₁可以在300-315之间，而k₂可以在0.002-0.003之间。结合方程（2）和经验方程（3），可以得出在动态过程中工作的固体材料的二次电子发射系数的静电势新理论模型，如方程（4）：

3.PTFE二次电子发射系数曲线

图4.PTEE的入射能量和静电势图

（4）

通过等价关系E，将delta;与V联立，得到方程（5）

（5）

显然，这一模型充分的描述了固体材料的二次电子发射系数与表面静电势有一定的数量关系，二次电子发射系数的变化与固体材料表面的静电势的高低密切相关，然后达到平衡状态，这种新的模型仅适用于本实验的数据，需要更多的数据进一步拓展。

1. 结论

本研究根据固体材料二次电子发射系数与静电带电的一定相关关系，结合工程软件建立相关固体二次电子发射系数及其静电带电的过程的创新模型，不仅为静电理论研究开辟了新的研究方向，而且为防静电危险性技术途径提供了新的安全指标。

参考

1. T.H. Chang and J.C. Wu, “Influence of seco

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