冷啟動空心陰極結構與關鍵特性分析

丁 繼，郭 寧，谷增杰，唐?？。?進

（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）

冷啟動空心陰極結構與關鍵特性分析

丁 繼，郭 寧，谷增杰，唐?？。?進

（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）

冷啟動空心陰極啟動速度快、結構簡單、可靠性高，是空間用空心陰極發展的重要方向。對比介紹了三種主要的冷啟動空心陰極結構及其優缺點。分析了點火特性與工質流率、孔徑、電極距離和電源之間的關系，穩態特性與放電電流、工質流率和發射體的材料之間的關系，以及主要的失效機理和相應的改善方法。得到的結論可以為冷啟動空心陰極結構、參數的設計和優化提供參考。

空心陰極；冷啟動；點火特性

0 引言

空心陰極是一種真空電子源器件，具有電子發射效率高、結構牢固可靠、壽命長的特點[1]，被廣泛用于空間電推進、航天器主動電位控制、電動力學系繩等領域。

按照點火方式的不同，將空心陰極劃分為熱啟動和冷啟動空心陰極，熱啟動空心陰極啟動前需通過加熱器預熱發射體，直到發射體溫度達到足夠的熱電子發射溫度，通過觸持極和發射體之間施加電壓實現啟動[2]；冷啟動空心陰極不用加熱器預熱發射體，依靠高壓擊穿觸持極和發射體之間的工質氣體，建立高電壓低電流的輝光放電快速加熱發射體，發射體的溫度持續升高以致發射的熱電子電流足夠大，從而過渡到低電壓大電流的弧光放電實現啟動。

目前空間電推進系統主要應用的是熱啟動空心陰極，啟動時間較長（150～220 s），加熱功率較大（100 W級），加熱器的存在降低了系統可靠性[3]。冷啟動空心陰極可以將啟動時間減少到毫秒級，減小啟動過程功率消耗；沒有加熱器和配套電源，減小了體積和重量；避免因加熱器失效導致陰極失效，提高了系統可靠性。冷啟動空心陰極的優勢有助于實現空間電推進系統的小型化和快速響應，從而拓展空間電推進系統在微小衛星、姿軌控系統等領域的應用。

國外從上世紀80年代開始研究冷啟動空心陰極技術，研制了不同結構的冷啟動空心陰極，放電電流覆蓋0.2～50 A，并對其點火特性、穩態特性、失效機理等進行了測試。相同參數的冷啟動與熱啟動空心陰極相比，冷啟動空心陰極啟動過程功率和工質流率降低了2～3倍，啟動時間減少了4個數量級[4]。國內的冷啟動空心陰極研發工作近幾年才開始，主要工作集中在技術研究階段，技術成熟度和國外相比有明顯差距。因此，通過對結構與關鍵特性的分析，掌握影響其性能的主要影響因素及規律，可以為加速國內冷啟動空心陰極的研發進程提供參考。

1 冷啟動空心陰極的原理和結構

按照氣體放電理論，當電極之間間隙、氣體壓力適宜時，在電極之間施加足夠高的電壓，會發生氣體擊穿。氣體擊穿后，隨放電電流增大，氣體擊穿會發展為高電壓低電流的輝光放電。輝光放電產生的等離子體在陰極表面形成鞘層，離子在鞘層電壓作用下加速轟擊陰極、加熱陰極。當陰極溫度足夠高時，其表面可發射較高密度熱電子，使氣體放電進入低電壓大電流的弧光放電階段。在空心陰極中，陰極為發射體或者陰極頂，陽極為觸持極或者陽極壁。當空心陰極放電進入弧光放電階段后，下游電位高于空心陰極電位時，即可持續從空心陰極中引出電子。

如圖1所示，冷啟動空心陰極包括：發射體、陰極頂、陰極管、熱屏、觸持極等，區別熱啟動空心陰極沒有加熱器。根據結構特點不同，冷啟動空心陰極可以分為三類：陰極頂節流型、觸持極頂節流型以及內置點火電極型。

圖1 冷啟動空心陰極三種結構圖Fig.1 Three differentconfigurationsof heaterlesshollow cathode

1.1 陰極頂節流型

圖1（a）結構的陰極頂上有較小的節流孔，依靠擊穿觸持極和陰極頂之間的氣體形成高密度等離子體擴散到發射體區域實現啟動。當陰極啟動完成后，陰極頂節流孔的長徑比決定發射體的加熱方式以及空心陰極的穩態特性。該結構的優勢是穩態工作期間，高密度等離子體集中在發射體區，發射體的電流發射效率較高；缺點是觸持極孔徑較大，不易維持點火需要的壓力。

1.2 觸持極頂節流型

圖1（b）結構的觸持極頂小孔孔徑較小，陰極頂小孔孔徑較大或者沒有陰極頂結構。當觸持極與發射體之間施加高壓時，由于無陰極頂節流孔對電場屏蔽衰減，發射體表面容易形成較強電場，從而得到相對較低的點火電壓。但該結構不能將高密度等離子體集中在發射體區，不利于提高發射體電流發射效率。該結構在冷啟動空心陰極中應用較多，2013年以色列的Vekselman等[5]和2015年英國Iliopoulos等[6]均采用此結構的冷啟動空心陰極進行研究。

1.3 內置點火電極型

圖1（c）結構中發射體與陰極管之間通過絕緣層絕緣，陰極管在點火過程中充當點火電極。該結構優勢是增大電極間工質氣體壓力，降低擊穿電壓；缺點是增加了系統的復雜度。上世紀80年代，美國NASA實驗室Aston[7]以此結構研制了冷啟動空心陰極并成功點火運行，但該樣件在100次點火試驗后發射體被嚴重的濺射腐蝕。1985年，Schatz[8]在Aston的結構上通過在發射體外側和前端增加鉭保護層，增加點火瞬間的工質流率等措施解決了發射體濺射腐蝕問題。

2 點火特性分析

點火特性是冷啟動空心陰極區別于熱啟動空心陰極的主要特性，包括氣體擊穿和自持放電建立兩方面的內容。在氣體放電中，氣體擊穿滿足帕邢定律，擊穿電壓隨著電極距離和氣體壓力乘積的增加先降低后升高，存在最小值；氣體擊穿后，隨放電電流增加，放電將經歷輝光放電和弧光放電兩個主要自持放電階段。

2.1 氣體擊穿

Schatz[8]在試驗中發現，工質流率越大，陰極頂孔徑越小，點火電壓越低。當工質流率較小時，電極距離對點火電壓影響較為明顯，距離過近或者過遠都將導致點火電壓升高；當工質流率較大時，距離的影響較小。1997年，俄羅斯Arkhipov[9]采用1 kV、10 kHz脈沖電源作為點火電源，當工質流率小于0.4 mg/s時，點火需要的脈沖大于10個；當工質流率大于0.45 mg/s時，1～2個脈沖便可以成功啟動。2001年，烏克蘭Loyan等[10]在M3.01和M1.07冷啟動空心陰極的試驗中發現，點火電壓隨著工質流率的增加先降低后升高，點火電壓存在最小值；2007年，烏克蘭Koshelev等[11]在一款0.2～0.5 A陰極的試驗中得到了相同結論。Iliopoulos等[6]通過部件可更換的冷啟動空心陰極原理樣機對點火特性進行研究，發現隨著工質流率增加，電極距離增大，點火電壓降低；采用圖2中小孔邊緣內凸的觸持極結構，可以將點火電壓降低20%，改變陰極頂的結構設計對點火電壓影響不明顯；同時發現，電極距離越大，工質流率越大，點火電壓的一致性更高。2016年，以色列Lev等[12]在點火特性測試中得到點火電壓均低于400 V，并認為隨著陰極接近壽命終點，點火電壓將逐漸升高，可以通過測試點火電壓來預測壽命的終點。2013年，電子科技大學的魏輝[13]試驗中得到了工質流率越大，需要的點火電壓越低的結論，但工質流率過大時，電極之間出現嚴重的放電打火現象。2016年，哈爾濱工業大學歐陽磊等[14]發現增加工質流率，點火電壓逐漸降低，但隨著觸持極和發射體之間的距離增大，點火電壓升高。

圖2 小孔邊緣內凸的觸持極結構Fig.2 Sharp keeperorifice，dimensions

通過以上分析發現，冷啟動空心陰極的點火電壓與工質流率和觸持極孔徑密切相關。在一定范圍內，工質流率越大，觸持極孔徑越小，內部壓力越高，點火電壓越低。觸持極到陰極的距離對點火電壓影響的結論尚不一致，出現差異的原因可能處于帕邢曲線的不同區間。

2.2 自持放電建立

Schatz[8]認為氣體擊穿并不等于點火成功，要穩定的建立自持弧光放電，需要使空心陰極和電源工作在圖3所示的C點，B點是不穩定點，A點是輝光放電的點。1996年，徐學基[15]認為要使氣體放電向弧光放電過渡，要求電源有足夠高的開路電壓和較低的輸出阻抗，同時提出了輝光放電向弧光放電過渡的方法，在一定氣壓下增加放電電流或在一定的電流下增加氣壓。2002年，日本學者菅井秀郎[16]提出了相似的結論。

圖3 空心陰極自持放電穩定工作點曲線圖Fig.3 The point to obtain the steady self-sustaining discharge

Murashko等[4]在冷啟動空心陰極M1.05與空間電推進系統聯機測試中發現，自持放電建立存在三種不同過程，如圖4所示，一種是經過4 ms左右的約700 V高壓輝光放電，過渡到10 ms左右的約250 V輝光放電，最后過渡到弧光放電；另一種經過6 ms左右的約700 V高壓輝光放電直接進入弧光放電；最后一種經過2 ms左右的約250 V的輝光放電直接進入弧光放電，在點火過程中，三種現象隨機出現。

Vekselman等[5]在點火特性測試中發現，如圖5（上）所示，點火過程分為擊穿、加熱和維持三個階段。其中擊穿階段的擊穿電壓約1 000 V；加熱階段為電壓300 V、電流40 mA左右的輝光放電，發射體在此階段被加熱；維持階段為電壓30 V、電流300 mA左右的弧光放電，空心陰極穩定工作在此階段。圖5（下）為觀察到的點火過程中伴隨的發光現象。（a）為氣體擊穿瞬間，在電極之間隨機出現不規則發光現象；（b）為剛進入輝光放電，等離子密度變高，輪廓變得均勻對稱；（c）為輝光放電后期，等離子逐漸擴散開，發光的亮度減弱但發光區域變大；（d）為弧光放電，形成高密度等離子體。

圖4 自持放電建立三種不同過程Fig.4 Three differentprocesses to obtain the self-sustaining discharge

圖5 點火過程中三個階段及伴隨的發光現象Fig.5 Three stagesof the ignition processand the lighting observed

歐陽磊等[14]發現，如圖6所示，隨著點火電壓從200 V上升到600 V，（a）啟動分為未點著過程、（b）過渡過程和（c）穩定點著過程，其中穩定點著過程包含擊穿和自持兩個階段，一定范圍內隨著點火電壓的增大，點火時間逐漸縮短。

通過以上分析，氣體擊穿以后，可以經過輝光放電過渡到弧光放電，也可以直接建立弧光放電。整個過程受工作參數和電源的控制，增加放電電流或工質流率可以使放電朝著弧光放電過渡。同時，要建立穩定的自持放電，需要電源有較高的輸出電壓和較低的輸出電阻。

圖6 點火過程中三個不同點火過程Fig.6 Three differentprocessesduring ignition

3 穩態特性分析

穩定、自持的建立弧光放電，標志空心陰極啟動過程完成，空心陰極進入了穩態工作階段。穩態特性反應了空心陰極穩態工作時的性能，主要包括放電特性和熱特性。

Koshelev[11]嘗試尋找冷啟動空心陰極穩定、高效率運行的內部壓力區間，發現壓力在1.3×103～1.3× 104Pa范圍內放電穩定，在5.3×103～7.9×103Pa范圍內放電電壓最低，超過1.3×104Pa時放電不穩定。2011年，Loyan等[10]對50 A級大電流冷啟動空心陰極進行穩態特性試驗過程中發現，放電電流越大，放電電壓越低，空心陰極溫度越高；通過更換低功函數材料的發射體可以有效降低空心陰極溫度。2015年，Lev等[17]為了減小空心陰極熱損失，采用功函數低的BaO-W作為發射體的材料，采用導熱低、耐溫高的Ta材料制作空心陰極高溫結構，并將結構厚度減至0.35 mm。2016年，Lev等[12]在試驗中發現隨著放電電流或者工質流率的增加，維持電子發射的鞘層電壓降低，觸持極電壓降低；陽極電壓隨著工質流率的增加降低，放電電流的變化對陽極電壓影響不明顯。隨著放電電流的增加，氣體放電過程中消耗的能量增加；隨著工質流率的減小，鞘層電壓升高，導致功耗增加，空心陰極溫度隨之升高；因為點火電壓與空心陰極結構密切相關，觸持極電壓和觸持極溫度與發射體密切相關，可以通過監測點火電壓、觸持極電壓和觸持極溫度來確定是否到達壽命的終點。

通過分析發現，冷啟動空心陰極穩態特性與放電電流、工質流率和材料結構等參數密切相關。

4 失效機理分析

長壽命、高可靠是空間應用對空心陰極的普遍要求，冷啟動空心陰極由于其結構特點和啟動條件與傳統的熱啟動空心陰極不同，其失效模式和失效機理也和熱啟動空心陰極有一定差異。

冷啟動空心陰極利用高電壓實現氣體擊穿，隨后經歷高電壓小電流的輝光放電才能完成點火。因此，點火期間粒子能量較高，對電極有很強的濺射腐蝕效應。空心陰極反復進行冷啟動，濺射腐蝕效應累積，可導致陰極因結構受濺射腐蝕破壞而失效。這是冷啟動空心陰極區別于熱啟動空心陰極的主要失效機理。Aston[7]的陰極樣件在100次點火試驗發射體被嚴重濺射腐蝕后失效，Schatz[8]通過在發射體外添加保護層和增加點火瞬間的工質流率的方法有效的減緩了失效速度，在3 430次點火試驗后，雖然電極仍然存在濺射腐蝕的現象，但孔徑等主要結構尺寸沒有明顯變化。Arkhipov[9]研究了電極質量耗損速度與工質流率的關系，發現在適當的工質流率區間電極消耗速度存在最小值。Koshelev[18]采用光譜法研究了點火過程中發射體的消耗速度，得到放電電流越大發射體消耗越快的結論。

通過以上分析發現，對于冷啟動空心陰極，點火期間的濺射腐蝕問題需要重點關注。同時，通過減小放電電流，增加工質流率的方法可以降低濺射腐蝕速率。

5 結論

通過對國內外冷啟動空心陰極結構特點、點火特性、穩態特性和失效機理的分析，得到結論：

（1）冷啟動空心陰極主要有三種結構，其中觸持極頂節流型能夠滿足降低點火電壓和結構簡單的需求，是目前主要應用的結構；

（2）點火特性與工質流率、孔徑、電極距離和電源密切相關，一定范圍內，工質流率越大，孔徑越小，發射體區的內部壓力越大，點火電壓越低，增加放電電流和工質流率，可以促進弧光放電的建立，足夠高的開路電壓和較低的輸出電阻有利于穩定的建立弧光放電；

（3）穩態特性與工質流率、放電電流和發射體的材料密切相關，增加工質流率，放電電壓和溫度均降低，增加放電電流，放電電壓降低，溫度升高，功函數低的發射體可有效降低空心陰極溫度；

（4）冷啟動空心陰極點火期間的濺射腐蝕問題需要重點關注，空心陰極可因結構受濺射腐蝕破壞而失效，同時通過減小放電電流，增加工質流率的方法可以降低濺射腐蝕速率。

[1]郭寧，唐?？。钗姆?，空間用空心陰極研究進展[J].推進技術，2012，33（1）：155-160.

[2]GoebelDM，Katz I.FundamentalsofElectric Propulsion：Ion and HallThrusters[M].JPLSpace Scienceand Technology Se?ries，2008：309-311.

[3]郭寧，江豪成，高軍，等.離子發動機空心陰極失效形式分析[J].真空與低溫，2005，11（4）：239-242.

[4]Murashko VM，Koryakin A I，Nesterenko AN，etal.Russian Flight Hall Thrusters SPT-70&SPT-100 After Cathode Change StartDuring20-25 ms[C]//30th InternationalElectric Propulsion Conference.2007.

[5]Vekselman V，Krasik YE，Warshavsky A，etal.Characteriza?tion of a Heaterless Hollow Cathode[J].Journal of Propulsion and Power，2013，29（2）：475-486.

[6]Iliopoulos A D，Gabriel S，Golosnoy I，et al.Investigation of HeaterlessHollowCathodeBreakdown[C]//IEPC，2015.

[7]AstonG.FERMCathodeOperationontheTestBedIonEngine [C]//IEPC，1984.

[8]Schatz M F.Heaterless Ignition of Inert Gas Ion Thruster Hol?lowCathodes[R].AIAA，1985.

[9]Arkhipov B.Development and research of heaterless cathodeneutralizer for linear hall thrusters（LHD）and plasma ion thrusters（PIT）[C]//Proceedings of the 25th International ElectricPropulsionConference，1997：97-175.

[10]Loyan A，Koshelev N，Ribalov O，et al.Results of tests of high-current cathode for high-power Hall thruster[C]//Pro?ceedings of the 32nd International Electric Propulsion Con?ference（IEPC），2011：11-15.

[11]Koshelev N N，Loyan A V.Investigation of hollow cathode for low power hall effect thruster[C]//30th International Electric PropulsionConference，Florence，ItalySeptember17，2007

[12]Lev D，Mykytchuk D and Alon G.Heaterless Hollow Cathode Characterizationand1500hWearTest[R].AIAA，2016.

[13]魏輝.無熱子空心陰極研究[D].成都：電子科技大學，2013.

[14]歐陽磊，寧中喜，夏國俊.無熱子空心陰極冷啟動特性研究[J].推進技術，2016，37（6）：1195-1200.

[15]徐學基，諸定昌，氣體放電物理[M].上海：復旦大學出版社，1996：163-164.

[16]菅井秀郎，張海波，張丹.等離子體電子工程學[M].OHM社，2002.

[17]LevD，AlonG，MikitchukD，etal.DevelopmentofaLowCur?rent Heaterless Hollow Cathode for Hall Thrusters[C]//Pro?ceedingsofthe34thInternationalElectricPropulsionConfer?ence（IEPC），2015：4-10.

[18]Koshelev N，Loyan A.Researching of self-heated hollow cathodes start erosion characteristics[C]//35th Joint Propul?sionConferenceandExhibit，1999：2863.

ANALYSISON CONFIGURATIONSAND KEY CHARACTERISTICSOFHEATERLESS HOLLOW CATHODE

DING Ji，GUO Ning，GU Zeng-jie，TANG Fu-jun，WANG Jin
（Scienceand Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Heaterless hollow cathode is one of the most important development directions for the onboard hollow cathode for its quick start，simple structure and high reliability. Three different main configurations and their advantages and disadvantages were introduced. The relationship between ignition characteristics and mass flow rate，aperture，electrode distance and power supply，steady state characteristics and discharge current，mass flow rate and emitter material were analyzed. The main failure mechanism and corresponding improvement methods were discussed. The conclusion obtained could provide reference for the design and optimization of the heaterless hollow cathode’s configuration and operational parameters.

hollow cathode；heaterless；ignition characteristics

V439+.1

A

1006-7086（2017）04-0230-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.009

2017-05-26

丁繼（1989-），男，重慶人，碩士研究生，主要從事為空間電推進技術與工程。E-mail：dingjicn@hotmail.com。