濕熱環境對改進型鋇鎢發射體空心陰極放電特性的影響

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蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理國防科技重點實驗室，蘭州 730000

六硼化鑭空心陰極由于具備抗中毒能力強的優點，因此被廣泛地應用于離子推力器、霍爾推力器及空間站接觸器等產品中[1]。蘭州空間技術物理研究所研制的LHC-5型六硼化鑭空心陰極已隨20 cm口徑離子推力器以及10 cm霍爾推力器完成了在軌飛行驗證[2]，且各項性能參數均符合預期值。雖然六硼化鑭空心陰極具備成熟度高、抗中毒能力強等優點，但基于現有六硼化鑭空心陰極設計的推力器，由于六硼化鑭材料本身的高逸出功，存在推力器陽極電壓較高的問題。放電室內的離子在陽極電壓的加速作用下會刻蝕屏柵并使其發生結構失效[3]，最終使得推力器壽命終止。該機制已成為六硼化鑭陰極推力器的主要失效模式之一。

國內外研制的大口徑離子推力器的陽極電壓通常大于30 V，盡管采用了調整柵極孔徑排列方式、厚度、磁場位形調整、改善供氣方式等諸多改進措施，但仍未見陽極電壓實現本質性降低的報道。現有LIPS系列推力器所采用的為陽極電壓較高的六硼化鑭陰極，但目前還未對低電壓的空心陰極做過相應的研究，這成了進一步提高推力器壽命的重大制約因素。

解決離子推力器壽命的有效途徑之一是采用陽極電壓更低的鋇鎢陰極。該類陰極能有效地降低離子推力器的陽極電壓。根據國內外的初步測量結果，同一規格型號的陰極，鋇鎢型陰極陽極電壓低于六硼化鑭型約3～4 V[4-5]；據估算，使用鋇鎢型陰極后，屏柵壽命可以提升至22 000 h。傳統鋇鎢陰極存在抗中毒能力差的問題，當在含水量較高的環境中暴露較長時間后，鋇鎢陰極的發射體會發生中毒，陰極電子發射能力將下降。為獲得同樣大小的電子電流，推力器陽極電壓會對應上升，屏柵刻蝕加劇，這將最終導致推力器壽命無法達到預期要求。

為解決未來新型推力器的長壽命要求，蘭州空間技術物理研究所研制了強抗中毒能力的LHC-3改進型鋇鎢發射體空心陰極，在相對濕度95%、溫度32℃的濕熱試驗環境中進行了陰極抗中毒能力測試，隨后在TS-5A真空試驗艙內進行了組件級和推力器級的性能測試，通過與同型號六硼化鑭進行對比證明了其應用于未來型號任務的可行性。

1 試驗裝置及產品

本次試驗裝置包括空心陰極產品本體、供氣系統、供電系統以及真空艙。真空艙體積1.5m3左右，極限真空度為10-4Pa量級，真空度使用一臺分子泵及一臺機械泵維持。

試驗用加熱電源為Agilent6653A型穩壓穩流電源，控制精度優于1%，采樣讀數測量精度優于1.5%FS。陽極、觸持電源為AgilentN5749A型穩壓穩流電源，控制精度優于1%，采樣讀數測量精度優于1.5%FS，陰極頂測溫采用WGG2-201光學高溫計。

試驗用點火電源連接在陰極觸持極上，可以為陰極提供幅值大于900 V、放電間隔為10 ms的點火脈沖。陰極在穩定自持放電后的電參數，如：觸持電壓、陽極電壓、觸持電壓振蕩、陽極電壓振蕩則采用Tektronix高壓探頭采集。試驗裝置如圖1所示。

試驗采用的陽極為直徑10 cm、厚度2 mm的圓形金屬鈦板,試驗采用宇航級高純氙氣進行供氣，供氣純度優于99.999 5%。

參試產品為2支改進型鋇鎢陰極和2支六硼化鑭陰極，在下文中分別以“改進型鋇鎢-1”、“改進型鋇鎢-2”、“六硼化鑭-1”、“六硼化鑭-2”為標識。

圖1 空心陰極試驗裝置原理Fig.1 Schematic diagram of hollow cathode test facility

4支參試陰極產品的結構尺寸完全一致，唯一不同處為其所采用的發射體材料。改進型鋇鎢陰極采用蘭州空間技術物理研究所新研制的具有強抗中毒能力的新型鋇鎢材料作為發射體。后者則采用傳統的多晶六硼化鑭材料作為發射體，與已經用于LHT-100、LIPS-200推力器產品的空心陰極保持一致。而與傳統鋇鎢陰極相比，改進型鋇鎢陰極采用新工藝，在構成發射體的鎢海綿基體中浸入了鈧的氧化物。鎢基體小孔中形成了一層均勻的、納米尺寸的氧化物，陰極工作時，發射體一旦被加熱，其表面就會形成一層Ba-Sc-O成分的化合物薄膜，從而改善了陰極的發射特性以及抗中毒特性。空心陰極組件主要分為：陰極管、加熱絲、發射體、熱屏、觸持極、法蘭等部分，具體如圖2所示。

2 試驗結果及討論

2.1 改進型鋇鎢陰極抗中毒能力測試

空心陰極裝配推力器后需要經歷貯存、轉運、試驗等過程，期間將會暴露在濕熱環境中。發射體受到水、氧等成分影響后，其發射性能有可能降低，影響到推力器的正常工作[5-8]。

已有一些工作對鋇鎢空心陰極的抗中毒能力進行了研究，但這些研究大部分是對鋇鎢型材料本身的抗中毒能力進行了測試，并未進行組件級的測試。為獲取更具參考性的結果，本文設計試驗對LHC-3型空心陰極進行了測試。試驗在濕熱環境試驗箱內進行，為模擬發射場的濕熱環境，試驗過程中采用一支鋇鎢型陰極與一支六硼化鑭陰極，在相對濕度95%、溫度32℃的環境中放置10×24 h，試驗前后分別測試空心陰極的關鍵性能參數，用以判斷陰極性能是否發生衰退。

圖3所示為LHC-3空心陰極經歷濕熱試驗前后在二極管模式下測試的觸持電壓對比。從圖中可以看出，暴露在嚴苛濕熱環境10×24 h后，兩種空心陰極的性能參數變化不大，變化幅度均在1 V范圍內，陰極性能未出現衰退。可見，改進型鋇鎢空心陰極具備較強的抗中毒能力。

2.2 鋇鎢型陰極組件級點火特性分析

首先，對鋇鎢型空心陰極及六硼化鑭型空心陰極的性能進行了組件級性能對比。由于空心陰極的放電模式會影響到陰極的放電特性，因此所有的性能測試均在同樣的工況點下進行，陰極的點火特性測試均是在三極管模式下進行。

六硼化鑭型空心陰極點火時間如圖4所示，鋇鎢型空心陰極點火時間如圖5所示。

測試方法為：設置觸持電壓為60 V，觸持電流0.6 A，氙氣流率0.108 8 mg/s。設置陽極電壓為60 V，陽極電流1.6 A。點火時序為設置加熱電流7.5 A，開加熱3 min后，開觸持電源、點火電源進行點火。點火成功后維持20 min，冷卻20 min，循環50次，監測每次點火的點火時間與點火功率。

圖4 六硼化鑭型空心陰極點火時間Fig.4 Ignition time as a function of number of cycles

圖5 鋇鎢型空心陰極點火時間Fig.5 Ignition time as a function of number of cycles

測試結果表明，六硼化鑭型空心陰極與鋇鎢型空心陰極的點火成功率均為100%。為計算兩類不同發射體空心陰極的點火時間波動性，對點火時間的極差進行了計算。六硼化鑭陰極的點火時間分布在180～225 s的范圍內，2支陰極點火時間的極差分別為41 s、28 s，平均值為34.5 s。鋇鎢陰極的點火時間分布在180～230 s的范圍內，2支陰極點火時間的極差分別為20 s、12 s，平均值為16 s。兩者對比，鋇鎢陰極的點火時間與六硼化鑭型無明顯差別，但鋇鎢型空心陰極的點火的一致性更好。

表1所列為空心陰極50次點火的點火功率平均值，鋇鎢型空心陰極的平均點火功率為57.96 W，六硼化鑭型的平均點火功率為74.13W。即獲得同樣大小的發射電流，六硼化鑭型空心陰極要額外消耗約16 W左右功率。這是因為獲取同樣大小的發射電流密度，鋇鎢型陰極所需的溫度要低于六硼化鑭型空心陰極。也就是說，采用同樣的熱子設計，鋇鎢型陰極僅需較低的加熱功率就可以成功點火。

表1 點火功率平均值

可以通過Richardson-Dushman公式[9-11]來解釋加鋇鎢型陰極加熱功率較低的現象。

(1)

式中：J是發射電流密度；A是與發射體材料相關的常數，對于六硼化鑭材料是120 A·cm-2·K-2；T是開氏溫度；e是電子電量；k是玻爾茲曼常數；φ是發射體的功函。由式(1)可以看出，當發射體功函較低時，僅需較低的溫度就可以獲取同等大小的發射電流密度。這就是鋇鎢陰極的點火功率低于六硼化鑭陰極的原因。

圖6給出了2種空心陰極以三極管模式工作、發射2.2 A電流時陰極頂溫度隨點火時間的變化。從圖6中可以看出，設計完全相同的空心陰極，采用鋇鎢材質的發射體時，其熱平衡溫度要比采用六硼化鑭發射體時低250℃。也就是說，采用較低加熱功率就可以維持鋇鎢型陰極的自持放電。而由于陰極的放電電流為恒定值，因此鋇鎢型陰極工作時所需的維持電壓也相應更低。

圖6 陰極頂溫度隨點火時間的變化Fig.6 Cathode tip temperature as function of time

2.3 鋇鎢型陰極推力器級點火特性分析

最后，將LHC-3型鋇鎢空心陰極安裝于離子推力器進行測試，并與六硼化鑭型陰極的數據進行對比分析。由于LHC-3型空心陰極的發射電流設計值較低，因此試驗采用10 cm口徑離子推力器進行。

圖7所示為2種空心陰極與10 cm口徑離子推力器匹配后不同工況點下主觸電壓及陽極電壓的對比。10個工況點下使用鋇鎢型空心陰極時的主觸電壓最大值為9.12 V，最小值為8.06 V。使用六硼化鑭型空心陰極時主觸電壓最大值為14.45 V，最小值為13.44 V。空心陰極與離子推力器匹配時電壓所表現的趨勢與組件級測試時完全相同，即采用鋇鎢型空心陰極時的電壓明顯低于采用六硼化鑭型陰極時。圖7所示的陽極電壓規律也相同，采用鋇鎢型空心陰極時的陽極電壓參數低于采用六硼化鑭型約8～10 V。由于限制離子推力器的屏柵極壽命與陽極電壓呈反比，因此，采用鋇鎢型空心陰極能夠明顯提升離子推力器的壽命。

圖7 2種陰極電壓變化曲線對比Fig.7 Comparison of two kinds of cathode voltage variations

3 結束語

對改進型鋇鎢空心陰極進行了相對濕度95%、溫度32℃的持續240 h試驗考核并測試試驗后電性能參數，發現改進型鋇鎢陰極在組件級別具有較強的抗中毒能力。對設計完全一致的改進型鋇鎢空心陰極和六硼化鑭陰極進行了組件級和推力器級的性能測試并監控陰極頂溫度，發現同樣工作點下前者的工作溫度低于后者250℃。組件級陽極電壓低于六硼化鑭型4～5 V，推力器級陽極電壓低于六硼化鑭型8～10 V。

以上結果表明，改進型鋇鎢陰極的抗中毒能力相較于傳統型陰極明顯提升，可以滿足推力器應用需求。另外，改進型鋇鎢陰極無論是在組件級或者推力器級下各工作點的性能均優于六硼化鑭型陰極，這意味著較低的離子推力器屏柵刻蝕率，并為未來大功率、長壽命離子或者霍爾推力器的主陰極及中和器提供了新的選擇。

盡管改進型鋇鎢陰極在抗中毒能力、電性能方面均表現優異，但現有工作僅研究了小發射電流陰極，應用范圍較窄。未來將對大發射電流鋇鎢空心陰極的開展相應研究，測試驗證其抗中毒能力，以為改進型鋇鎢空心陰極在未來型號中的應用打下良好的基礎。