銦場致發射電推力器的研制①

段君毅，康小明，趙萬生

(上海交通大學機械與動力工程學院，機械系統與振動國家重點實驗室，上海 200240)

0 引言

20世紀90年代，廣泛應用于聚焦粒子束系統、掃描電鏡、表面改性、離子束蝕刻等領域［1］的液態金屬離子源被應用于電推力器領域。場致發射電推力器(Field emission electric propulsion，簡稱FEEP)的核心部件是液態金屬離子源，采用高壓靜電場離子化液態金屬，并由同一電場加速離子產生推力。FEEP具有推力小、比沖高、最小元沖量小且便于精確調節的特征，因此成為一種極具優勢的電推進技術，以滿足航天器日益增長的控制精度要求:航天器空間姿態調整、軌道提升、位置保持、阻力補償系統等［2］。目前FEEP已被選作美國與歐航局聯合開發項目LISA Pathfinder及LISA的微推力器控制系統［3］。

隨著我國微小衛星技術的發展，FEEP得到越來越多的重視。國內已有相關研究主要集中在其核心部件液態金屬離子源的研制及其理論方面［4－6］。本文結合場致發射電推力器的工作原理，設計并研制了實驗用銦場致發射電推力器樣機，并對其發射性能進行了測試，得出了發射針頂點半徑、吸極內半徑及發射極到吸極距離與發射特性的關系。

1 FEEP的工作原理

FEEP推力器屬于靜電式推力器。圖1為其典型針型FEEP結構，主要包括發射極、吸極器及其他附屬裝置。FEEP工作時，首先利用加熱裝置將推進劑加熱至熔點之上，持續若干時間，以使得發射極及推進劑存儲室內的推進劑充分熔化，發射極穿過含有液態推進兩極之間的電場強度達到1010V/m的量級。處于尖端的液體在靜電力與表面張力的共同作用下形成泰勒錐(錐頂角為98.6°)［7］。在電場和電動流體作用下，液態金屬在泰勒錐頂點處形成凸起，并在場發射作用下，使得液態金屬原子場蒸發、離子化，并通過同一電場加速，將金屬離子從吸極中間孔處噴射出去，從而產生推力［8－9］。圖1左下角所示為泰勒錐及凸起示意圖。液態金屬噴射出去之后，由存儲室內的金屬原子在發射針桿表面的毛細作用下向發射尖補充，形成穩定的供給。

圖1 銦FEEP原理及結構示意圖Fig.1 Schematic of principle and structure of an indium FEEP thruster

2 推力器本體結構設計

從發射極的形狀來看，FEEP主要有3種結構:針型、毛細管型、窄縫型［10］。毛細管型和窄縫型FEEP的結構相對較復雜，機械加工難度大，尚無空天飛行的經歷。而針型FEEP結構較簡單，加工方便，可靠性高，性能穩定，且已有空天飛行成功先例，被廣泛應用在場致發射電推力器中。因此，本文的主要研究對象是針型FEEP。

銦熔點低、原子質量較大、一級電離能量低、化學性質穩定且具有較好的濕化劑的存儲室，并在存儲室外的針尖頂點處形成凸起，因此被選作針型FEEP推力器的首選推進劑。銦針型場致發射電推力器結構模型如圖2所示。其中，發射極由發射針尖鍍覆液態金屬銦之后形成，其主要功能用于支撐發射針表面的液態金屬并發射金屬銦離子，它是FEEP的陽極。而吸極是FEEP的陰極，提供地電位，以實現從陽極吸引金屬銦離子發射。其他的附屬裝置主要包括推進劑存儲室、提供熔化液態金屬熱量的陶瓷加熱棒以及支撐FEEP結構的支架。在FEEP系統中包含熱源及高壓電源，因此采用耐熱、絕緣、加工性能良好的聚四氟乙烯作為支架材料。

圖2 銦針型場致發射電推力器結構模型Fig.2 Structure model of an indium needle FEEP thruster

銦的化學性質穩定，高溫下不與鋁或鉬發生化學反應［11］，因此存儲室材料可選用鋁合金或金屬鉬。FEEP工作時采用間接加熱，溫度控制在200～300℃，因此在存儲室與陶瓷加熱棒之間加入一個鋁連接件，對存儲室結構起到支撐及緩和溫度變化的作用。這種結構的優點是模塊化程度高，存儲的液態金屬多，工作壽命長。

3 發射極的制備

3.1 電化學腐蝕加工發射針

針型FEEP的發射針材料一般選用金屬鎢。鎢的熔點很高，與其他金屬不易產生反應，而且潔凈的鎢表面易于與一些液態金屬實現良好浸潤。本文采用電化學腐蝕法加工鎢微針尖，鎢與強堿溶液發生電化學腐蝕反應為

W+2OH－－2H2O→WO42－+2H2(g)，EO= －1.43 V (1)

圖3為實驗裝置及原理圖。圖3中，陽極為鎢絲，陰極為不銹鋼圓環，鎢絲裝夾在改裝了的螺旋測微儀上，并與不銹鋼圓環一同浸入溶液。加工時鎢絲要與圓形電極處于同一軸心線上。電解液采用濃度較高的KOH溶液，采用直流電源加工。通過螺旋測微儀調節鎢絲浸潤在溶液中的深度，同時檢測腐蝕回路中電流的大小。在腐蝕加工過程中，一方面由于加工電流隨浸潤深度的增加而增加;另一方面，隨著反應式(1)的不斷進行，浸潤在溶液中的鎢絲逐漸被腐蝕，浸潤深度隨之降低。因此，本文通過檢測加工電流來實現對鎢絲腐蝕過程的精確控制。這樣，即可通過反復實驗獲得該溶液濃度下的浸潤深度及加工電壓的最佳值，從而獲得最小的發射針頂點半徑。最終，作者經過實驗得到了電化學腐蝕加工相關的最佳參數，即采用濃度為5 mol/L的KOH溶液，浸潤深度為2 mm，腐蝕電壓為6 V時，可將直徑為 0.5 mm的鎢絲加工出0.5～2 μm的微細鎢針尖，如圖4所示(已經過表面清洗)［12］。

圖3 實驗裝置及電化學腐蝕原理Fig.3 Experiment apparatus and principle of electrochemical etching

圖4 以最佳參數加工的鎢微針尖Fig.4 Tungsten micro-tip with optimum parameters

3.2 發射針粗化及表面清洗

為了降低鎢針尖的表面流阻，需將腐蝕加工得到的鎢針尖平滑的表面進行粗化。具體操作為將腐蝕加工好的鎢針尖浸潤在KOH溶液中，兩極之間接1～2 V的交流電，通電時間控制在30 s左右。這樣就會在鎢針尖表面形成溝槽，如圖5所示(已表面清洗)。這些微細溝槽的出現降低了液態金屬銦流向頂點時的流阻，確保FEEP在發射過程中頂點被發射出去的銦由存儲室內的銦可源源不斷地提供。而當存儲室內的銦向頂點補給不足時，則FEEP發射出現不穩定。

圖5 粗化后的鎢微針尖Fig.5 Tungsten micro-tip after roughness treatment

腐蝕加工并粗化后的鎢針尖仍是無法直接用于FEEP發射極的。這是因為鎢針尖表面存在有殘余的KOH顆粒，而且在腐蝕過程中鎢針尖表面會形成一層致密的氧化膜。這些雜質阻礙了液態金屬銦與鎢針尖表面的良好浸潤，無法制備出長壽命的發射極。因此，必須去除掉表面的氧化膜和雜質，且要保持微針尖頂點。基于鎢的氧化物溶于HF溶液，而KOH顆粒也可與HF溶液發生反應，因此，本文采用HF溶液結合超聲清洗的辦法去除鎢針尖表面的KOH顆粒以及氧化膜［13］。圖6所示為制備好的針尖在清洗前后的能譜對比。

圖6 超聲及HF清洗前后鎢針尖的能譜對比Fig.6 Spectrum obtained from the apex of emitting tungsten micro-tip

3.3 發射針浸潤銦

制備FEEP發射極的關鍵技術之一是浸潤工藝，即將液態銦與鎢針尖浸潤并形成連續光滑的液態金屬膜。鎵、銫、汞等其他液態金屬與鎢針尖的浸潤工藝主要通過真空電子束蒸鍍的方法來實現。而對于液態金屬銦，基于其化學性質在室溫或較高溫度的干燥環境中保持穩定，本文采用大氣下鍍覆方法。將經過HF溶液清洗之后的潔凈鎢針尖直接置于熔融的液態金屬銦中，共同加熱并持續一定時間后取出即可。由于浸潤后的鎢針尖仍會暴露在空氣中，時間長久之后，銦表面會被局部氧化，這就造成鎢針尖表面原本連續的液態金屬膜被破壞，從而使得鎢發射極與吸極之間的發射極不穩定且容易發生打火。圖7為發射極久置于空氣中與直接用于發射的穩定性比較。可見，縮短暴露空氣時間后，FEEP發射穩定性提高了。因此，在FEEP樣機實驗中將浸潤好的鎢針尖直接裝配在FEEP樣機上進行發射實驗。

圖7 發射極久置空氣中與直接發射的穩定性比較Fig.7 Stability comparison between the emitter in the air long time and the emitter emitted immediately

4 FEEP性能測試及其影響因素分析

4.1 FEEP 伏安特性

將裝配完成的FEEP實驗樣機(圖8(a))置于真空環境中，打開加熱電源，當加熱至200℃時，打開高壓電源，對FEEP樣機的發射特性進行測試。圖8(b)所示為工作時的FEEP樣機照片。

圖8 FEEP推力器實驗樣機及工作時的FEEPFig.8 Prototype of indium FEEP thruster and the FEEP thruster in operation

圖9所示為不同頂點半徑鎢微針尖FEEP樣機的發射伏安特性曲線。從圖9中可看出，當電壓大于一定值時FEEP樣機才會正常發射。這是因為覆蓋在發射針頂點的液態金屬銦受表面張力作用，使得頂點變鈍，趨于接近發射針的頂點形狀。對于這樣的形狀，發射針頂點處液態金屬所受到的電場力太小，不足以引起場發射。隨電壓增加，頂點處液態金屬的電場力逐步接近表面張力，這使得液態金屬頂點必須變尖以提供足夠的電場強度。若電壓進一步增加，則吸極與發射極之間的電場增強，在頂點處某些點的電場力就大于表面張力，液態金屬流體就會沖出來，并形成穩定的場發射。從圖中還可看出，隨頂點半徑的增加，產生發射所需的電壓閾值也隨之增加。這是由于發射針頂點半徑增加，導致液態金屬銦在頂點處的表面張力增加，因此，需要增加電壓來提高電場強度，使得產生的電場力大于表面張力。此外，伏安特性曲線幾乎呈直線，其斜率隨發射針頂點半徑增加增加。這與文獻［6］中所得出的結論一致。

圖9 不同頂點半徑的發射針伏安特性曲線Fig.9 Current-voltage curves of emitting tips with different radii of tips apex

4.2 FEEP吸極相關參數對伏安特性的影響

圖10為發射針伏安特性隨吸極內孔半徑變化曲線。從圖10可見，隨吸極內孔半徑不斷增大，而發射針的伏安特性幾乎保持不變，不同吸極內孔半徑的發射特性曲線幾乎重合。由此得出，吸極內孔半徑對發射伏安特性基本無影響。

圖10 發射針伏安特性隨吸極內孔半徑變化曲線Fig.10 Current-voltage curves vs the radius of the inner hole of the extractor

圖11為發射針伏安特性隨發射極到吸極距離變化的曲線。在實驗過程中，針對同一發射針，不斷改變發射極到吸極的距離，并測量其發射伏安特性值。從圖11可看出，發射所需的電壓閾值隨h的增加而增加。這是由于發射針到吸極距離的增加，使得發射針頂點附近的電場強度下降，為滿足發射要求，則發射的電壓閾值也就隨之增加。圖中還可看出，伏安特性曲線的斜率隨發射極到吸極距離h增加而略有減小。比較圖9～圖11可得出，與發射極頂點半徑相比，FEEP吸極相關幾何參數，如吸極內孔半徑與吸極到發射極距離，對FEEP發射的伏安特性曲線影響較小。這與文獻［14］的結果一致。

圖11 發射針伏安特性隨發射極到吸極距離變化曲線Fig.11 Current-voltage curves vs the distance between the emitter and the extractor

5 結論

(1)采用微細電化學方法制備頂點半徑為0.5～5 μm的鎢針尖，經過表面清洗、粗化及大氣下掛銦后制作出FEEP樣機的發射極，發射極暴露在空氣中時間越短，則FEEP推力器發射穩定性越好。

(2)發射針頂點半徑越大，則發射所需的電壓閾值越高，且隨發射頂點增加，伏安特性曲線的斜率也增加。吸極相關幾何參數則對發射伏安特性影響較小，吸極內孔半徑對其幾乎沒有影響，而吸極到發射極的距離對其影響則非常有限。

(3)相關實驗表明，FEEP推力器樣機可正常、穩定工作，這為后續測量FEEP樣機的性能參數打下基礎。

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