1.4 星载介质微放电抑制技术发展简史与技术难点
介质微放电效应作为高真空系统及其组件中带来潜在危险的基础物理效应之一，其抑制技术及大功率真空器件抗微放电设计技术自20世纪发现微放电效应以来受到广泛的关注。不同于真空电子管、阴极射线管及光电阴极技术中需要利用微放电效应产生大量电子云，在大功率航天器系统、高功率微波系统中，需要对微放电效应进行抑制，以消除由其引发的系统性能恶化、器件损坏等不利影响。
随着介质微波部件在下一代航天器载荷中的逐渐兴起与广泛应用，美国国家航空航天局（NASA）、欧空局（ESA）等国际宇航机构与研究机构逐渐开展了介质微放电抑制方法与技术研究。
材料表面的二次电子发射特性是影响器件微放电阈值功率最关键的因素，直接决定器件微放电阈值的大小。传统的介质微放电抑制方法主要分为两类：器件优化设计；优选低二次电子发射特性介质材料。其中，器件优化设计一般采用增加体积和介质填充的方法。增加体积微放电抑制方法主要通过增大器件最大电磁场强度处电子与器件边界碰撞的间距，使得电子两次碰撞之间的距离增大，同时降低电磁场强度，实现微放电阈值功率的提高。由于航天器系统及其组件的体积和质量严重受控，因此通过增加器件物理尺寸提高微放电阈值的方法存在很大的局限性。同时，受限于工作频率与电性能要求，通过增大物理尺寸提高微放电阈值的范围十分有限，体积增大和相应的质量增加将给空间应用带来高昂的代价，在很多应用情况下是不可能实现的。介质填充方法是指通过在介质微波部件中发生微放电的真空区域填充固体介质或惰性气体，破坏微放电发生的充分条件，使得二次电子倍增的路径被阻断，从而实现微放电抑制。然而，填充固体介质往往带来额外的损耗，填充惰性气体难以解决封闭性技术难题，因此介质填充方法在实际应用中有固有的局限性。
根据Joy[93]的研究，具有类似材料属性（如介电常数）的介质材料可能具有差异非常大的二次电子发射特性。因此，可以通过优选使用低二次电子发射特性介质材料来有效抑制微放电效应。
随着纳米科学技术与材料表面科学的发展，从20世纪90年代至今，美国及欧洲的高校、相关领域的研究所开展了基于表面微结构抑制二次电子发射与微放电的研究，并初步应用于航天器大功率金属微波部件。前期的研究结果表明，表面微结构对于金属材料是一种行之有效的二次电子发射抑制方法，实验验证了具有一定结构金属铜表面的二次电子发射抑制效果[94]。2014年，西班牙瓦伦西亚理工大学大功率射频实验室提出了纳米尺度的表面处理技术，包括物理磁控溅射、化学沉积和磁性材料薄膜等二次电子发射抑制方法，实现了在低能区将二次电子发射抑制50%以上，将金属微波部件微放电阈值功率提高7 dB以上[95]。西班牙材料科学研究院的Isabel教授课题组提出了基于化学刻蚀和物理磁控溅射的多层微放电抑制膜层技术，表面粗糙度小于10 μm[96]。
Jing等[97-99]提出了基于外加轴向磁场抑制介质加载加速器结构微放电的方法，将外加磁场的大小与轴向均匀性进行优化，较好地实现了介质微放电抑制。俄罗斯应用物理研究院的Ivanov等[100]提出了一种在介质器件表面外加静态电场的方法抑制微放电。俄罗斯科学院的Kossyi等[101]于2014年提出了在环行器表面涂覆碳颗粒的方法进行微放电抑制，但未公布实际工艺条件与微放电抑制效果。
针对微放电抑制，国内近年来在理论与实验中取得了较大突破。西安交通大学贺永宁教授课题组主要集中于采用化学刻蚀、物理磁控溅射和微图形光刻等表面工艺技术，实现了二次电子发射抑制和抗微放电设计，建立了表面微结构中的电子轨迹追踪方法与表面二次电子发射特性计算方法，获得了低二次电子发射特性分析与设计方法[102-104]，提出了基于网孔波导实现微放电抑制，并进行了仿真验证[105]。
西北核物理研究所的常超等人于2009年提出了在高功率介质窗表面加载梳齿状结构，结合电磁场相位变换规律，实现介质窗表面微放电抑制[106-110]；于2010年提出通过外加静磁场使得介质材料表面入射电子能量远大于第二能量点，从而从理论上实现了介质窗表面微放电抑制[111-113]。梳齿状结构尺寸在毫米（mm）量级，对于工作于GHz频段的微波部件，这将极大地影响电性能参数，因此不适用于微波部件的微放电抑制；而外加静磁场的设备体积和质量庞大，不适用于航天器大功率微波部件实际工程需要。2017年，常超等[114-116]提出采用表面三维波纹微结构抑制双边金属微放电并进行了实验验证，还开展了介质窗微放电实验研究[73，116]。
综前所述，介质材料二次电子发射理论模型与实际工况条件下的二次电子发射实测数据较为缺乏。针对实际表面状态研究介质材料二次电子发射理论模型，将为介质微放电数值模拟和抑制提供关键基础数据。与金属相比，电子与介质材料发生碰撞时，介质材料发生带电现象，表面积累电荷不仅影响二次电子发射，更对出射后的二次电子运动产生影响，其影响程度与入射电子数目直接相关。真空环境下，空间中的自由电子将与介质材料发射的二次电子、材料表面积累电荷、空间电荷效应、电磁场发生耦合非线性作用，在不同的条件下衍生不同的介质微放电演变机理。由于磁性介质的材料致密度、强度和硬度等物理特性和制备过程均与金属存在显著差别，因此对金属材料适用的工艺方法和条件可能不再适用。