引言
离子推进系统（IPS）已成为深空探测和长期卫星任务的主要推进技术[1], [2], [3]，这主要归因于其极高的比冲和推进剂效率[4], [5], [6], [7]。然而，离子推进器的工作寿命根本上受限于其离子光学系统的结构退化，特别是加速栅极[8], [9]。在长时间运行期间，羽流内的电荷交换（CEX）碰撞会产生慢速离子，这些离子被加速推向带负偏置的加速栅极，使其遭受严重的溅射侵蚀[10], [11]。为了减轻这种退化，碳基材料[12], [13]——如碳碳（C-C）复合材料和热解石墨——已被广泛使用，因为它们具有极低的溅射产额和优异的热机械稳定性[14]。尽管如此，准确预测这些碳栅极的溅射诱发侵蚀仍然是一个巨大的挑战[15], [16], [17]，这对于可靠估计推进器的寿命终止至关重要。
传统上，溅射产额被视为一种主要取决于入射离子能量和全局入射角的宏观材料常数[18], [19], [20]。实际上，真实的栅极表面天生具有不同程度的初始粗糙度，这是由各种制造和加工过程赋予的。在持续离子轰击下，这种原始表面形貌不会保持静态；相反，它动态演化直到达到相对稳态[21], [22], [23]。这种地形演化显著决定了实际的溅射产额[24], [25]。表面微凸的存在通过两种主要的竞争机制修改了溅射行为：局部入射角的几何改变和重新沉积分数的放大[26], [27], [28], [29], [30]（其中溅射原子无法逃逸并重新沉积到相邻结构上）。因此，仅依赖基于理想、平坦表面推导出的理论模型或实验数据，在预测实际推进器栅极的长期退化时不可避免地会导致巨大差异。
大量的实验努力致力于测量碳材料在氙离子轰击下的溅射产额[31]。例如，Kolasinski[32], [33], [34], [35] 和 Deltschew[36], [37] 的研究提供了有价值的经验基准，强调了表面粗糙度（例如，H/λ ≈ 0.2）通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）评估的不可否认的影响。尽管有了这些经验见解，但粗糙表面溅射的理论和计算建模却显著滞后。传统模拟模型经常采用二维近似或静态粗糙度轮廓，这本质上无法捕捉靶面动态、三维的空间演化[38], [39], [40], [41], [42]。此外，准确量化入射离子和发射原子的复杂阴影效应，以及地形变化与局部重新沉积率之间的动态耦合，仍然计算量巨大。因此，一个能够准确跟踪表面形态演化及其对宏观溅射产额瞬态影响的综合三维数值框架是极其迫切的。
为了应对这些基本局限，本研究提出了一个三维数值框架，以捕捉连续、高通量离子轰击下粗糙碳表面的动态溅射行为和形态演化。具体来说，引入了一种域划分策略和一个新的时间参数——尺度归一化通量（ξ）——来解决连接中观和宏观模拟尺度的挑战。
使用这个已建立的模型，进行了系统模拟，以研究在不同入射角和粗糙度水平下局部角度调制和重新沉积的联合作用。这些模拟建议基于粗糙度参数（η）有两个不同的溅射产额区域：曲线轮廓变形（η ≤ 1），这被解释为主要由局部入射角的几何调制驱动，以及整体量级减小（η > 1），其中模拟结果与地形诱导的溅射原子重新沉积强相关。在低粗糙度区域（η ≤ 1），计算的重新沉积率始终保持在 25% 以下，表明产额曲线偏移主要与局部角度调制有关。相比之下，在高粗糙化区域（η > 1），计算的重新沉积率单调上升，并在 η = 30 时达到 89.6% 的峰值，这被解释为观察到产额抑制的主要原因。
最后，动态演化表面模型预测的溅射产额使用三个统计误差指标（RMSE, MAE, 和 MNR）与实验基准进行了评估。虽然宏观产额的吻合不能直接证明微观地形本身，但它展示了模型的预测能力，并为连续轰击下观察到的产额偏移提供了合理的物理解释。基于这些评估的物理机制，识别出了溅射产额的独特静态（鞍点）和动态（等高线正交）低敏感区域，为缓解产额波动和优化工程应用中的抗溅射性能建立了数学上合理且实际可行的参考。
