大電流沖擊對空心陰極放電影響的研究

馮 杰，唐福俊，李 娟，楊 威，谷增杰，王倩楠

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

大電流沖擊對空心陰極放電影響的研究

馮 杰，唐福俊，李 娟，楊 威，谷增杰，王倩楠

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

通過試驗方法驗證了外加于陽極上的瞬時大電流沖擊對空心陰極放電的影響，在高于10-3Pa真空度的環境下，利用外加陽極板與陰極構成三極管放電結構，在陽極板上施加不同幅值的大電流，同時使用示波器監測陰極電參數波形變化。研究發現，高于35 A的瞬時電流沖擊會導致陰極發射電流在30 ms時間內掉落到0 A，隨后緩慢恢復正常值。不同孔徑陰極的抗沖擊能力存在差異，而且對于同一陰極而言，在不同的工作點下其抗沖擊能力亦存在差異。

電推進；空心陰極；大電流沖擊

0 引言

六硼化鑭陰極由于其優異的抗中毒能力，被廣泛使用于電推進系統當中。空心陰極通常有兩種工作模式：二極管模式、三極管模式（以下空心陰極簡稱陰極）。

二極管模式是指通過在陰極觸持極上施加正電位而引出電子電流。三極管模式則是在二極管模式基礎上再外加一個陽極電位，陽極形狀視具體需求而定，可以是平板型，也可以是仿推力器的圓錐型[1]，NASA采用的陽極筒即為這種形式。離子推力器的主陰極工作在三極管模式下，此時推力器放電室的金屬壁面充當了陽極。離子推力器的中和器在推力器未引出束流前，依靠自身觸持極引出電子，處于二極管工作模式，當推力器引出由呈正電性的束流后，束流充當了中和器的陽極，此時的中和器工作于三極管模式下。對陰極進行組件級的性能測試時，通常采用一個由難熔金屬板制作而成的陽極，金屬陽極板上外加一個恒流源以引出電子。外加恒流源的大小按照陰極在推力器上的實際工況而定。

這種性能測試方法相對通用且易于操作，存在的問題是無法模擬出推力器實際的等離子體環境對于陰極的影響。在實際的工程應用中發現，不僅陰極的放電特性會影響到推力器的整體性能表現，反過來，由于打火等異常現象而導致的瞬時大電流沖擊也會影響到陰極的性能表現。

無論是在性能測試當中或者是在實際工作過程中，研究者都較多的關注調整陰極與推力器的相對位置、氣電工況以優化推力器的性能。但較少有關于推力器本身的電參數振蕩，尤其是瞬時的大電流沖擊對陰極放電特性的影響。陰極在推力器中起到提供電子的作用。衡量陰極的主要參數為陽極電壓、觸持電壓以及兩者的電壓參數振蕩。引出同樣大小電流所需要的電壓值越低，就表明陰極的引出效率越高。另外，根據Polk等的研究成果，陰極的電參數振蕩越小[2-3]，陰極的壽命也就越長。

陰極的陽極電壓、觸持電壓與陰極本身的結構、尺寸以及供氣情況相關，一般在10～30 V左右，電壓的振蕩值則通常小于3 V。當電壓值過高或者電壓振蕩值過高時，陰極就會進入所謂的“羽狀”模式[4-7]，這種模式下陰極內部的等離子體密度、等離子體電勢都會發生振蕩，進而會導致推力器的工作狀態不穩定。

試驗利用TS-5A真空測試設備，在陰極穩定自持放電后，在陽極板上施加一個瞬時大電流沖擊，同時監控陰極本身放電特性的變化，得到了不同幅值電流振蕩下陰極放電特性的變化。

1 實驗系統及方案

用于試驗驗證的試驗裝置包括陰極組件、供電系統、測試設備以及真空艙，其結構與氣、電連接方式如圖1所示。真空艙采用TS-5A系列真空艙，真空艙腔室形狀為圓柱形，長1.0 m，直徑0.5 m，極限真空度為10-4Pa量級。

圖1 空心陰極試驗裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of hollow cathode test equipment1.真空環境艙；2.陽極；3.觸持極；4.加熱器；5.氙氣；6.點火點源；7.觸持極電源；8.陽極電源；9.加熱電源；10.供氣管路；11.質量流量計；12.高純氙氣

試驗所設計的觸持電源、點火電源都連接在觸持極上。點火時先通過加熱電源，施加7.5 A的加熱電流，3 min后開點火電源進行點火，同時在觸持極、陽極上設置60 V的開路電壓，以方便引出電子。點火成功后，維持放電5 min，再進行各種參數的測量。試驗所用工質氣體為純度高于99.999 5%的推進級氙氣，其中氧氣、水蒸氣等對空心陰極的發射能力有影響的雜質成分比例均低于0.1 mg/L。此外，還在試驗前對供氣管路、轉接頭等進行嚴格的檢漏與真空出氣，陰極試驗時的真空艙真空度優于5.0×10-3Pa。試驗中需要測量系統上施加瞬時變化的電流信號。該信號則由外部電源施加在圖1所示的陽極板上。陰極受該信號后產生的電參數變化則由外接的雙通道示波器進行測量。

試驗中所采用的陰極結構如圖2所示，具體由陰極管、加熱器、觸持極、發射體、熱屏、法蘭盤等幾部分構成。

圖2 陰極結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of hollow cathode1.陰極管；2.加熱器；3.陰極頂；4.觸持極；5.發射體；6.熱屏；7.法蘭盤

由于陰極實際工作時，是和推力器的陽極構成了一個三極管放電系統，在這種放電模式下，一旦陽極上由于打火或者其他原因而出現一個大電流沖擊，將有可能導致陰極放電特性受到影響。為確認這種過程的具體影響，設計使用圖1所示的陽極板代替推力器的實際陽極來模擬這種影響。根據JPL的研究結果，陰極的放電特性與其陰極孔徑大小直接相關。為驗證這種影響，設計了孔徑為0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm的三支陰極進行試驗。

2 實驗結果及討論

2.1 不同孔徑陰極放電特性分析

為獲得初步的放電特性參數，首先將三支陰極都在1.0 mL/min的供氣條件下進行點火性能測試。圖3所示為進行性能測試時的放電情況，可以看出，陰極出口區域與陽極板之間即形成了明亮的羽流區。試驗過程中，主要關心陽極電壓、觸持電壓值隨著流率拉偏的變化情況，如圖4所示。三支不同的陰極，試驗都在三極管模式下進行，觸持電流都設置為0.6 A、陽極電壓為4.6 A，試驗中，只是調整供氣流率。可以看出，曲線基本呈現出孔徑越小，陽極電壓、觸持電壓越低的趨勢。

圖3 陰極三極管放電效果圖Fig.3 The effect of hollow cathode discharge

圖4 陰極孔徑變化對陽極電壓和觸持電壓的影響Fig.4 The influence of the change of hollow cathode aperture on anode voltage，keeper voltage

再測量不同孔徑陰極的陽極電壓隨流率的變化，測量結果如圖5所示，可以看出，在0.7～1.3 mL/ min的供氣流率范圍內，陰極呈現出了陰極孔徑越大，陽極振蕩越大的趨勢。這是由于當陰極孔徑越大時，陰極內部的氣壓會越小，而且更加容易受到流率本身的影響。反之，當陰極孔徑較小時，陰極內部的氣壓更高，陽極振蕩也相應更小。圖5表現出來的觸持振蕩趨勢，也是基于同樣的原因。

圖5 陰極孔徑變化對于陽極電壓和觸持電壓振蕩的影響Fig.5 Influence of the variation of the hollow cathode aperture on the voltage oscillation

另外，陽極振蕩隨陰極孔徑的變化存在一個折點，如流率過大，同樣會導致陽極振蕩的上升。而陽極的振蕩越大時，不僅會造成推力器放電室內的放電不夠穩定，而且會導致觸持極處于不穩定的工作狀態中。這種狀態下，觸持極本身將遭受到更多高能離子轟擊，最終導致陰極失效。

因此，對于固定規格的陰極，可以找出一個合適的工作點，陰極在該工作點下，能夠保證盡量小的陽極振蕩、觸持振蕩幅值。圖4、圖5中所顯示的進行流率拉偏時，不同孔徑所呈現出的電參數及其振蕩的不同可以通過Poiseuille定律對陰極內部的氣壓進行估算來解釋。

陰極發射體內部尺寸較小，無法直接測量其內部氣壓變化。但由于陰極內部的氣體流動屬于層流，Poiseuille定律可以定量的判斷陰極孔徑變化對于電參數振蕩的影響[8-10]。

通常而言，為了增大陰極內部的氣壓，陰極的出口處都將會被設計成為一個很窄的圓柱形過渡段。該圓柱段的長度l與直徑d的比值將會直接影響陰極管內部的氣壓及具體的放電模式變化。在陰極內部不考慮湍流時，可以按修正后的Poiseuille公式計算其中的氣壓變化。

式中：p1為小孔前的壓力，Pa；p2為小孔后的壓力，對于陰極孔，一般可忽略之；Q為工質流量，mL/min；ζ為黏性系數，ζ=2.3×10-4Tr（0.71+0.29/Tr）；Tr=T（?K）/289.7，T為氣體溫度；l和d為小孔的長和直徑，cm。僅考慮黏性導致的熱節流效應。

式（1）中p1與Q0.5和l0.5成正比，與d2成反比。

根據式（1），對給出的三支陰極的內部氣壓進行估算，得到結果如表1所列。

表1 試驗中用陰極內部氣壓值Table1 Internal pressure value of cathode in test

根據式（1）折算出具體的氣壓值，對比0.6 mm與1.0 mm的孔的參數值。發現1.0 mm孔徑下的氣壓相對于0.6 mm時減小了約53.6%。而陽極電壓則對應的增加了約30.23%，觸持電壓對應增加了約43.03%。陽極電壓振蕩對應增加了60%，觸持電壓增加了約102%。

可見陰極小孔孔徑對于陰極內部氣壓、觸持電壓、陽極電壓及電參數的振蕩都有明顯的影響。當兩支陰極內部的氣壓值相差達到1倍時，這種效應更加明顯。

試驗所用的三種不同孔徑大小的空心陰極，其陰極管長度、直徑等幾何尺寸完全相同，只有陰極頂孔徑大小不同。在該條件下，三支陰極內部的氣壓將會存在差異。根據表1估算結果，孔徑越小，陰極內部氣壓越高。因此，對于陰極而言，適當的提高流率能夠減小其放電維持電壓。

2.2 大電流沖擊對于陰極放電特性影響

離子推力器在實際工作環境中，發生過由于推力器柵極間打火而導致陽極上突然出現大電流，進而導致空心陰極出現熄滅或者電參數異常等情況。為了模擬這種情況，設計實驗，即在圖1所示的陽極板上外加30～40 A的瞬間大電流，并監控陰極電參數的變化來模擬這種過程。由于電參數的變化存在突發性，因此使用示波器的觸發功能來進行監測。針對每支陰極，試驗進行三次，對最穩定的試驗結果進行分析。

圖6中給出了HC-01，即小孔為0.6 mm的陰極在外部施加一個35 A大電流后的電參數變化曲線。從測試結果發現，當在外加大電流后，觸持電流會在瞬間，約100 ms的時間內，由原來的1.6 A掉落到0 A，隨后緩慢恢復到正常的工況電流。

圖6 HC-01陰極受大電流干擾后電參數的變化Fig.6 The change of electrical parameters of HC-01 hollow cathode under high current interference

圖7、圖8中分別給出了另外兩種孔徑HC-02、HC-03型陰極在受大電流影響后的電參數變化曲線。類似于HC-01型陰極的是，兩者在受到外界影響后，觸持電流同樣在約100 ms的時間內，由原來的1.6 A掉落到0 A。但是，隨后觸持電流沒有再回復至原來的額定工況電流1.6 A。觀察真空艙內，發現陰極放電無法自持，出現了熄弧現象。同時，電源模塊上的各項電流參數也變為0 A。電壓呈現出開路狀態約60 V。

因此，對比圖6和圖8得出結論，將陰極小孔選定為0.6 mm時，陰極本身的電壓振蕩更小。同時，在外部的電參數出現突變時，其抗干擾能力也更強。

2.3 試驗結果分析

從最終測試結果可以看出，不同孔徑陰極的基本放電參數存在區別。

對于氣、電參數的優化可以使得空心陰極的工作性能更加的穩定。當陰極本身的工作性能更加穩定時，其抗外界電流干擾能力也非常明顯的得到了增強。因此，對于陰極本身的優化。不但應該尋找一個合適的孔徑值，而且應該在該孔徑值下做優化，使得其能夠穩定的工作在抗外界干擾能力更強的工況下。

圖7 HC-02陰極受大電流干擾后電參數的變化Fig.7 The change of electrical parameters of HC-02 hollow cathode under high current interference

圖8 HC-03陰極受大電流干擾后電參數變化Fig.8 The change of electrical parameters of HC-03 hollow cathode under high current interference

3 小結

研究結果表明，不同陰極孔的陰極在同一個額定工況下的抗外界電流干擾能力不同。試驗驗證的最優異的小孔值為0.6 mm。對于同一支陰極而言，工作在不同的氣、電參數下的抗干擾能力存在差異，存在一個最優點，在該工作點下，陰極的抗外界電流振蕩能力最強。試驗得出的最優氣、電參數為供氣1.0 mL/min、供電1.6 A。

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STUDY OF INSTANTANEOUS HIGH CURRENT IMPULSE ON HOLLOW CATHODE DISCHARGE

FENG Jie，TANG Fu-jun，LI Juan，YANG Wei，GU Zeng-jie,WANG Qian-nan
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

In this paper，the effect of instantaneous high current impulse on the cathode discharge is verified by the experimental method.Under the environment of higher than 10E-5Pa vacuum，the anode structure and the cathode are used to form the triode discharge structure.Value of the high current，colleagues uses the oscilloscope to detect the cathodic electrical parameters of the waveform changes.The study found that an instantaneous current shock above 35A would cause the cathode emission current to drop to 0A within 30ms and then slowly rise to normal values.There is a difference in the impact resistance of the cathodes with different pore diameters，and there is also a difference in impact resistance at different operating points for the same cathode.

electric propulsion；hollow cathodes；high current impulse

V439

A

1006-7086（2017）02-0110-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.02.010

2016-12-13

馮杰（1988-），男，甘肅渭源人，碩士研究生，從事空間電推進方面的研究。E-mail：fengjie1988@163.com。