基于Sommerfeld-Fermi量子模型的低能惰性气体离子诱导金属表面势电子发射研究

本研究针对电推力器运行中离子-金属表面相互作用导致的势电子发射(PEE)难题，开发了基于Sommerfeld-Fermi量子模型的数值方法，实现了对Ar/Kr/Xe等惰性气体离子(<0.5 keV)与金属表面作用时电子发射产率的高效计算。模型通过精确描述离子中和、电子激发和表面势垒穿透三步骤，揭示了PEE产率与离子质量(γAr>γKr>γXe)和金属功函数的定量关系，为航天器电位调控和电推力器地面测试提供了关键理论工具。

　　

在航天推进技术领域，电推力器工作时产生的离子轰击会导致航天器表面材料发射二次电子，这种现象会显著改变航天器表面电位和周围等离子体环境。尤其在地面真空舱测试时，舱壁材料受离子轰击产生的势电子发射(PEE)会干扰羽流电位鞘层的测量，使得"测试即飞行"原则难以实现。目前对低速(<0.5 keV)惰性气体离子(如电推力器常用的Xe/Kr/Ar)与金属表面相互作用的研究，既缺乏高效的计算模型，也缺少系统的实验数据。

针对这一难题，加州大学洛杉矶分校的Jorge Fernandez-Coppel团队在《Applied Surface Science》发表研究，建立了基于Sommerfeld-Fermi量子理论的PEE计算模型。该工作创新性地将离子-金属相互作用分解为三个量子过程：入射离子中和与二次电子激发、电子向体相或表面的散射、以及电子与表面势垒的相互作用。通过精确引入金属功函数(Φ)和费米能级(E_F)等关键参数，模型成功预测了不同离子-金属组合的PEE产率，发现产率与离子质量呈γ_Ar>γ_Kr>γ_Xe的反比关系，并与功函数值正相关。

研究采用量子力学方法处理Auger中和(AN)过程，通过计算离子激发态能级(E)与金属电子态的跃迁概率，建立了包含共振中和(RN)、Auger去激发(AD)等多路径的电子发射模型。特别关注了当Φ>E且E_n<>_p时的选择性通道限制，确保模型在保持量子精度的同时降低计算复杂度。

研究结果显示：

1. 功函数与费米能级对电子发射产率的影响：模型计算结果与Ag、Ir、Ni等金属的实验数据高度吻合，证实PEE产率与功函数呈正相关，其中Ag(Φ～4.3 eV)的产率最高(约0.2 e^-/离子)，而Ir和Ni(Φ～5.3 eV)最低(约0.001 e^-/离子)。
2. 离子质量效应：在相同动能下，较轻的Ar离子比Xe离子产生更高PEE产率，这与离子中和临界距离的量子计算结果一致。
3. 能级位移验证：通过对比实验数据校准了电子波函数重叠导致的能级位移，为未测试的离子-金属组合提供了可靠预测基础。

结论与意义：该研究建立的量子模型首次实现了对电推力器相关离子-金属系统PEE产率的高效预测，解决了传统电子结构计算耗时巨大的问题。模型揭示的功函数依赖性和质量效应规律，为航天器表面材料选择和真空测试环境优化提供了理论指导。特别值得注意的是，研究明确指出了在亚千电子伏能区(0.3-1.0 keV)PEE占主导地位，这对准确预测电推力器羽流电位分布具有关键价值。未来该模型可扩展应用于多电荷离子相互作用研究，为航天器电位主动控制技术的发展奠定基础。