1.2.2 二次电子发射特性
1902年，Austin等[49]首次发现了二次电子发射现象，其在研究阴极射线在金属表面的反射时发现：相较于入射到金属表面的电子，金属靶材表面有一定概率出射大量的电子。如果电子仅在金属表面发生反射，那么出射的电子数目应当等于入射的电子数目，但事实并非如此。这证明了初始电子能够从材料本身激发出额外的电子。
材料在以一定能量与角度入射电子碰撞下产生的二次电子发射是决定微放电效应的关键性因素之一[50-54]。20世纪30年代，二次电子发射最早由美国发明家Farnsworth应用于利用二次电子倍增效应的光电倍增管和电子倍增器，将非常微弱的电流放大至数百万倍。不同形貌表面不同的SEE特性在图像增强器、扫描电子显微镜、俄歇电子能谱仪等表面分析仪器中也得到广泛应用。
一般而言，对于工作于真空条件的微波部件（或系统），自由电子运动的平均自由程远大于微波部件内部间隙。当自由电子在微波电磁场中得到加速并与微波部件（或系统）表面发生碰撞时，从材料表面轰击出的电子统称为二次电子。此时，由材料表面发射的二次电子与电磁场互作用引起的二次电子谐振倍增，即微放电效应对于大功率微波部件（或系统）而言是一种有害效应。SEE测量、分析与建模是微放电准确分析与有效抑制的物理基础与必要准备。
根据产生机理不同，二次电子可分为弹性背散射二次电子、非弹性背散射二次电子、真二次电子，如图1-5所示。
图1-5 二次电子发射原理示意图
（1）弹性背散射二次电子。当入射电子能量Ein较高时，电子在材料表面反弹，几乎不损失能量。这部分电子称为弹性背散射二次电子，其产额为δe。在微放电效应研究中，将弹性背散射二次电子也作为二次电子的一部分进行分析。电子发生弹性背散射时，参与碰撞的电子动能既不转化成其他形式的能量，也不改变碰撞材料原子的内状态。
（2）非弹性背散射二次电子。当具有一定能量的入射电子穿透材料表面时，入射电子不是从材料表面直接反弹，而是与碰撞材料表面原子互作用，然后反弹回真空。这部分电子称为非弹性背散射二次电子，其产额为δr。这种情况下，入射电子与材料表面的作用机制较为复杂，入射电子损失一部分动能，出射电子能量小于入射能量。通常，认为非弹性背散射电子的能量大于50 eV，且小于弹性背散射二次电子的能量。
（3）真二次电子。当入射电子穿透碰撞材料表面并与材料原子发生互作用时，将使得部分原子中的核外电子获得能量，摆脱原子核的束缚，并从材料表面出射。这部分电子称为真二次电子，其产额为δt。若入射电子与材料互作用并被材料吸收，则δt为零。根据入射电子的能量、角度和材料核外电子的状态，一个入射电子可能出射N个真二次电子。真二次电子的能量一般为0～50 eV。
当一个电子以能量Ein、角度θin入射到材料表面时，总的二次电子发射产额δtotal可表示为
典型的金属银材料SEY曲线如图1-6所示，代表了不同入射电子能量下的二次电子产额。根据应用情况不同，所关注的SEY对应的入射能量段有所不同。例如，对于高功率器件，通常关注数千eV下的SEE现象；对于表面形貌分析，通常关注数十到数百eV下的SEE现象；对于微放电效应研究，通常关注低能量段（Ein≤50 eV）和SEY小于1的能量段。SEY为1时，所对应的第一能量点E1和第二能量点E2是决定二次电子倍增效应的临界条件之一。对应于最大SEYδmax的入射电子能量为Emax。显而易见，从SEY曲线中无法区分出真二次电子、弹性背散射二次电子和非弹性背散射二次电子。
图1-6 典型的金属银材料SEY曲线[55]
影响微放电效应的SEE特性除了SEY以外，还有出射电子的能量（E）分布和角度（θ）分布。定义电子与材料碰撞时出射电子的能量分布为二次电子发射能谱，则有
出射电子的角度分布为
根据能量守恒定律，可得一定入射能量下的SEY为
典型的材料SES曲线如图1-7所示，代表了不同出射能量的二次电子分布概率。根据不同二次电子产生的物理机制和出射能量，可将总的二次电子能量段划分为三部分，即真二次电子（0～50 eV）、非弹性背散射二次电子（50～275 eV）和弹性背散射二次电子（275～300 eV）。一般而言，二次电子发射能谱中发射概率最大的为真二次电子，此时入射电子与材料原子互作用损失较多能量，发射的二次电子能量较小；非弹性背散射二次电子呈现较为均匀的概率分布；弹性背散射二次电子在入射能量较高时从材料表面反弹，呈现弹性背散射峰。
图1-7 典型的材料SES曲线[56]
对一定入射电子能量的SES曲线进行积分，即可得到该入射电子能量下的SEY。因此，根据SES曲线进行研究时，能对产生的二次电子进行初步分类，从而区分三种不同的二次电子。
目前，二次电子发射效应在材料表面科学、精密仪器、大功率电子器件设计等领域得到广泛而深入的研究。但是，对于微放电效应而言，受限于所关注的入射电子能量范围以及测量精度，仅有少数公开文献。