六硼化鑭空心陰極加熱效率研究

劉 璽，林祖倫，祁康成

(電子科技大學光電信息學院，成都 610054)

六硼化鑭空心陰極的應用十分廣泛，如在航空航天、離子源、工業、設備制造以及科學研究等方面。其中航空航天就是一個非常重要的應用領域。空心陰極是離子和霍爾推進系統[1-2]的關鍵部件。電推進技術發展和系統應用證明，空心陰極不僅對電推進系統工作效率和可靠性的影響非常重要，而且也是限制電推進系統長壽命的主要因素[3]。

從電推進系統需求角度，按發射電流的大小，空心陰極分為低電流陰極，中等電流陰極和高電流陰極[4-5]。

按不同的陰極材料，空心陰極可分為傳統的Ba-W陰極和LaB6陰極[6]兩大類。國際上，俄國和美國在空心陰極領域處于領先地位，俄國采用LaB6陰極， 技術成熟， 工作穩定壽命長， 美國采用特殊Ba-W陰極，克服了傳統Ba-W陰極缺點，也達到了長的工作壽命。

傳統Ba-W陰極的優點是逸出功低，陰極溫度低，加熱功率小，加熱的技術難度低，但易中毒，暴露于大氣后需要進行復雜的激活處理，甚至完全失去活性。LaB6陰極克服了傳統Ba-W陰極的缺點，其抗中毒能力和抗離子轟擊能力強，可以長期暴露于大氣而不需特殊激活處理。

目前LaB6陰極的高溫加熱技術還是國際性難題，相對Ba-W陰極而言， LaB6陰極逸出功較高，因而工作溫度更高[7]。這可能帶來以下一些問題：高溫下熱量散失，使發射效率降低；加熱器在高溫下再結晶變脆易斷，影響陰極的性能和壽命；陰極材料在高溫下與難熔金屬發生化學反應等。

對于空心陰極而言，加熱效率是非常重要的一個熱力學指標，這直接關系到空心陰極在高溫工作環境下的加熱功率。加熱效率的提高不但可以保證空心陰極穩定的正常工作狀態，還能夠大幅度的減少熱能的損失，從而達到降低加熱功率的目的。本文主要研究的是熱屏蔽層對加熱效率的影響，在建立理論模型并進行熱力學計算的基礎之上，通過實驗對計算結論加以驗證。

1 理論計算

建立理論計算數學模型如圖1所示。

圖1 理論計算數學模型

為使計算簡便，可以將LaB6發射體及其附屬結構都近似看為規則圖形。其中， LaB6發射體的近似模型為一半徑為r，長為l的圓柱體。

在實際情況下，物體各處產生的熱輻射因為受熱程度不均、表面粗糙程度不同等原因不盡相同，使得計算變得相當復雜。由于本文只是初步探討熱屏蔽層對熱輻射損失的抑制作用而不精確計算，故對物理模型進行簡化處理(在理想真空條件下，無熱對流，忽略熱傳導，只計熱輻射，且表面各處產生熱輻射均等)。此時，熱輻射所導致的熱能損失就只與發射體表面及熱屏蔽層對其產生的影響有關。

LaB6發射體圓柱模型分為上、下圓面和側面。下面逐一進行分析：

①上表面 未加任何熱屏蔽物，故可將此處熱輻射所導致的熱能損失視為直接損耗。

②側面 為施加熱屏蔽層的部分，故而這一部分也是重點探討的一部分。同上可知：

在物理模型中，熱屏蔽層是一個半徑比LaB6發射體要大一些的同心空心圓柱筒(半徑設為R)，由于同一半徑指向上LaB6發射體側面任一點和與之對應熱屏蔽層上一點的距離都相等，為R-r(熱屏蔽層厚度不計)， 故在計算時可將此二者在空間中抽象為兩個面積分別為2πrl和2πRl的矩形(間距為R-r)，此時熱屏蔽層的隔熱效果由熱量損耗程度體現，熱量損耗可由Pw表示。

若在此二者之間再增加一個熱屏蔽層，則隔熱效果將會更加明顯。為了通過更加直觀的數據對比將熱屏蔽層的隔熱效果呈現出來，我們將實際模型抽象為下面一個較于方便計算的理想模型。具體參數設計如下：在真空環境中有兩塊平行面板A和B。A板有恒定的溫度TA=400 K，用水流冷卻來保持B板的溫度TB=300 K。現在A、B兩板之間平行地插入另一平板C，如果三板均近似視作黑體，則在達到熱平衡時，進行計算如下：

由斯特藩-玻爾茲曼定律，在三板的輻射達到平衡時， C板應有：

故

不插入C板時，水流吸收熱量為：

插入C板后則變為：

相對變化為：

即由于C板的插入減少了熱輻射損失，如果再多插入幾塊平板還可以進一步減少輻射損失。

需要特別注明的是，在以上理想模型中，采用了冷卻水來模擬實際情況下的熱耗散機制，這就避免了一系列復雜的高難度計算。因為以上各個模型的建立并非是要精確計算出熱損耗的具體數值，而是要從中體現出熱屏蔽層在隔熱效應中發揮的重要作用。

③下表面 與上表面的直接裸露于外界不同，下表面由于整體結構設計的原因，緊挨支撐結構，且中央開孔與下端的兩個進氣孔相互錯開，這樣就有效地減少了熱輻射所帶來的能量損失。

2 實驗

高溫加熱試驗的試驗儀器連接如圖2所示。直流電源Vf提供加熱絲的加熱電壓，通過熱傳導加熱LaB6發射體。通過電壓表與電流表可以分別測得加熱電壓Vf和加熱電流If的大小。用光學高溫計測試陰極溫度。試驗在高真空環境中進行。

實驗選用鉭金屬作為支撐管材料，石墨作為隔離材料，高純鎢錸合金絲作為加熱絲，氮化硼(BN)作為高溫結構陶瓷。

裝配好器件，然后進行高溫加熱試驗。加熱前要使用真空鍍膜機[8]將真空度抽至實驗要求的范圍。

圖2 試驗原理圖

當加熱功率到達100 W以上時，保持加熱電壓不變，持續加熱數小時，以測定器件的穩定性。試驗時偶有雜質分解或表面放氣造成真空度和陰極電流的微變屬于正常現象。但放氣太多時應適當調節真空計的測量量程，防止超過真空計量程損壞規管。

陰極電流的變化反應了電阻的變化。當電流突然變小至0 A，表明此時電阻無窮大，很有可能是加熱絲發生熔斷現象，應立即停止加熱，關閉電壓輸出，防止對器件造成進一步的損害。

為研究熱屏蔽層的保溫作用，進行了對比試驗。在電壓0 ～8 V的情況下，分別測量有無熱屏蔽層的陰極器件的相關參數，研究熱屏蔽層對加熱效率的貢獻。

3 結果分析

圖3給出了沒有加熱屏蔽層與加了熱屏蔽層的兩種陰極器件的伏安特性曲線。位于圖中上方曲線代表的是沒有加熱屏蔽層的伏安特性曲線，而下方的曲線則代表加了熱屏蔽層的伏安特性曲線。可以看出，在相同的加熱電壓下，后者的陰極電流更小，加熱功率更低。這表明有熱屏蔽層的陰極器件的加熱效率更高，也就充分證明了熱屏蔽層能有效地起到保溫的作用，對減小熱量散失，提高加熱效率起著較大作用。

圖3 伏安特性曲線

圖4分別繪制出了有、無屏蔽層的陰極器件(由于陰極內部溫度不易觀察，故此處為鎢頂)溫度——加熱功率曲線圖。圖中帶圓點曲線表示有熱屏蔽層的陰極器件溫度，而帶三角形點曲線則代表沒有熱屏蔽層的陰極器件溫度。從圖中可以看出，在相等的加熱功率下有屏蔽層的陰極溫度更高，故而在達到相同溫度時，加有屏蔽層的陰極的加熱功率更低。這表明，加有屏蔽層后陰極的加熱效率有了較大提高。

圖4 加熱功率曲線

表1更為直觀地反應出了LaB6空心陰極加熱效率在有、無屏蔽層情況下的區別。

表1 LaB6 空心陰極在有、無熱屏蔽層情況下的加熱效率對比

4 結論

通過增加熱屏蔽層能夠有效地反射熱輻射，減少熱能的散失，降低加熱功率，提高加熱效率。實驗證明，陰極組件在加有熱屏蔽層后，其加熱效率提高了17 %左右，這與理論計算結果基本一致。

[ 1] Goebeo D G， Watkins M.Hollow Cathodes for Ion and Hall Thrusters[ R] .AIAA 2005-4239， 2005.

[ 2]Dan M Doebel， Ron M Watkins.High Current Hollow Cathodes for High Power Ion and Hall Thrusters.AIAA， 2005-4239.

[ 3] 張天平，唐福俊，田華兵.國外電推進系統空心陰極技術[ J].上海航天， 2008， 1：39-45.

[ 4]Gallagher H E.Poisoning of LaB6 Cathodes[ J] .JAppl Phys，1969， 40：44-51.

[ 5]Patterson M J， Domonkos M T， Carpenter C.Recent Development Activities in Hollow Cathode Technology[ R] .IEPC-01-270， 2001.

[ 6] 成建波，冉啟鈞.六硼化鑭陰極[ M] .成都：成都電訊工程學院出版社， 1998.1-5.

[ 7]Mandell M J， Katz I.Theory of Hollow Cathodeoperation in Spot and Plume Modes[ R] .A IAA， 1994-3134.

[ 8] 李軍建.真空鍍膜技術.成都：電子科技大學出版社， 2005.64-67.