3.1　概述

磁性介质是构成铁氧体环行器的重要组成部分，也是铁氧体环行器具有电磁场传输环行特性的基础[1-3]。不同于金属，磁性介质在受到电子束轰击时，由于电气绝缘性而在表面存在电子或空穴的积累；亦不同于普通电介质材料，磁性介质由于电子自旋运动产生磁偶极矩而具有磁性。根据特性及用途不同，铁氧体磁性介质可分为软磁、恒磁、矩磁、旋磁和压磁五大类。本章针对铁氧体环行器中常用的亚铁磁性复合材料（尤其是微波旋磁性铁氧体材料）展开研究。微波铁氧体主要包含铁氧化合物和其他一种（或多种）金属氧化物，具有较高的电阻率和各向异性磁导率。

铁氧体是铁和其他一种（或多种）适当的金属元素组成的复合氧化物。铁氧体又称磁性瓷，其生产过程及其外观类似于陶瓷。铁氧体的电阻率一般为102～1011 Ω·cm。相较于金属或合金磁性材料（10-6～10-4 Ω·cm），铁氧体的电阻率更高。铁氧体具有磁性介质特性，在微波频段的介电常数为8～16。在基本内禀磁性方面，铁氧体的饱和磁化强度4πMs为0.02～0.55 T，可覆盖大部分微波频段，其居里温度为100～600℃。

根据晶体结构，将铁氧体主要分为三类（图3-1）：尖晶石型铁氧体、柘榴石型铁氧体和磁铅石型铁氧体。尖晶石型铁氧体是指晶体结构与天然矿物尖晶石MgAl2O4相同的铁氧体，又称磁性尖晶石。柘榴石型铁氧体是亚铁磁体的代表性物质（简称YIG），具有复杂的晶体结构。磁铅石型铁氧体为与天然磁铅石有相似晶体结构的铁氧体，属六角晶系。尖晶石型铁氧体和柘榴石型铁氧体已经广泛应用于微波磁性器件（如环行器、隔离器和移相器等）的设计和制作。磁铅石型铁氧体常用于毫米波环行器（甚至太赫兹环行器）的制作。

图3-1　常见的铁氧体介质材料

研究磁性介质二次电子发射特性、磁场对电子运动的影响[4-6]是开展大功率铁氧体环行器微放电数值模拟与抑制研究的基础。与金属材料相比，存在磁性介质时的微放电演变过程有明显差异。首先，磁性介质表面电子动力学发生变化。受磁性介质表面积累电荷场和外加磁场的影响，电子在磁性介质表面（尤其是具有微结构形貌表面）的运动不同于金属，可能由二维平面的直线运动转变为三维空间的回旋变速运动。其次，磁性介质材料微观原子中电子自旋特性可能导致二次电子发射特性产生变化，进而影响出射产额与能谱、角度分布。最后，磁性介质边界条件与金属不同。对于金属材料的边界条件，可用完纯导体进行表征，任意金属内部的电磁场为零，金属与真空界面处的切向电场为零、法向电场连续。然而，磁性介质受掺杂元素不同、多种组分构成比例不同和晶体结构不同等因素的影响，介电常数εr、饱和磁化强度Ms和共振线宽ΔH等物理特性参数存在较大差异，无法建立统一的边界条件，需要根据具体的磁性介质类型进行电磁场分布与电子运动的计算与分析。

基于磁性介质二次电子发射实验与理论研究，本章将探讨通过在磁性介质表面构建规则微结构来改变表面SEY的理论可行性与实验验证。针对金属材料表面的SEY抑制，本书在1.4节介绍了西安交通大学贺永宁教授课题组和西班牙材料科学研究院Isabel教授课题组等基于化学刻蚀、物理磁控溅射和微图形光刻等表面工艺技术，在金属材料表面制备规则（或非规则）微结构，实现了金属SEY的大幅度降低。本章将首先通过分析磁性介质表面电磁场分布特性，建立存在射频电磁场、表面电荷积累场和外加磁场的混合电磁场条件下电子动力学特性，基于蒙特卡洛方法模拟电子在磁性介质表面微结构中运动、与边界碰撞、产生二次电子和多次碰撞电子出射的空间物理运动过程，得到磁性介质表面SEY，并基于SEE模型进行参数提取与曲线拟合。