LaB6空心陰極中毒特性

楊 威，張?zhí)炱剑埥w，郭 寧，劉明正，谷增杰

(1. 蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室， 甘肅 蘭州 730000；2. 國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院， 湖南 長沙 410073； 3. 南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 湖南 衡陽 421001)

圖1 空心陰極結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of hollow cathode structure

空心陰極是電推進系統(tǒng)的核心部件之一，也是限制電推進系統(tǒng)的壽命和可靠性的關(guān)鍵因素之一[1-2]。根據(jù)不同任務(wù)需求，一般要求空心陰極壽命為數(shù)萬小時[3]。空心陰極在工作時一般選用氙氣作為工質(zhì)氣體，其體積分數(shù)要求一般為99.999 5%。空心陰極長時間工作，工質(zhì)氣體中雜質(zhì)(氧和水)與LaB6(六硼化鑭)發(fā)射體持續(xù)發(fā)生反應(yīng)，最終將導(dǎo)致其中毒[4-5]。空心陰極內(nèi)部發(fā)射體中毒后其性能會出現(xiàn)大幅波動，此時電推力器性能也隨之變化[6-7]，最終將影響整星變軌軌道位置或錯過最佳變軌時機。空心陰極的工作過程如圖1所示，工質(zhì)氣體通過陰極管進入發(fā)射體內(nèi)，工質(zhì)氣體在陰極頂限流小孔的作用下，陰極內(nèi)的氣體壓力通常要比管外的壓力高幾個數(shù)量級，大約可達1～2 kPa[6-7]。利用加熱器將發(fā)射體加熱到1800 K左右，在觸持極與發(fā)射體之間施加數(shù)百伏的點火電壓后，在發(fā)射體內(nèi)部產(chǎn)生氣體放電。在氣體放電建立起來以后，陰極管內(nèi)會產(chǎn)生高密度的等離子體，在發(fā)射體表面產(chǎn)生亞微米尺度的等離子體鞘層，發(fā)射體表面形成了107V/m的強電場，發(fā)射體在表面的場增強效應(yīng)作用下對外發(fā)射熱電子。如果發(fā)射體發(fā)生中毒，在放電時發(fā)射體表面逸出功將增加，表面電子發(fā)射密度將下降。

1951年，Lafferty在研究一些化合物的發(fā)射性能時，發(fā)現(xiàn)LaB6陰極具有優(yōu)異的發(fā)射性能[4]。后續(xù)LaB6陰極的使用經(jīng)驗表明，發(fā)射體材料對微量活性氣體十分敏感，導(dǎo)致空心陰極在使用過程中性能退化，是影響陰極壽命的重要因素之一[5，8]。目前尚未有文獻對LaB6空心陰極中毒特性展開研究。

本文采用了實驗方法，統(tǒng)計了實驗期間陰極頂溫度和陽極電壓變化情況，并采用表面分析方法對空心陰極壽命實驗期間中毒樣品進行了研究，結(jié)合實驗期間出現(xiàn)的陰極頂溫度偏高和異常現(xiàn)象進行了分析，以揭示空心陰極發(fā)射體中毒及恢復(fù)的規(guī)律。

1 實驗裝置

空心陰極壽命實驗選用的是TS-5B地面測試設(shè)備，該設(shè)備是蘭州空間技術(shù)物理研究所自主研制的用于空心陰極篩選、性能測試和壽命實驗的實驗平臺。真空艙直徑500 mm、長度1200 mm，配備抽速為1300 L/s的磁懸浮分子泵，本底真空度優(yōu)于5×10-5Pa。

本文基于兩支LaB6空心陰極(LHC20-1和LHC20-2)的壽命實驗開展研究，空心陰極發(fā)射體材料為多晶LaB6，工質(zhì)氣體選用高純氙氣，體積分數(shù)≥99.999 5%(其中H2的體積分數(shù)為0.000 1%，O2、H2O、CO2的體積分數(shù)均為0.000 01%),使用質(zhì)量流量計控制工質(zhì)流率。LaB6空心陰極實驗裝置為平板三極管結(jié)構(gòu)，實驗原理如圖2所示。空心陰極的陰極頂溫度采用光學(xué)高溫計(WGG2-201型)直接對陰極頂進行測量。

圖2 空心陰極實驗原理Fig.2 Circuit diagram for the hollow cathode in a triode configuration

2 實驗結(jié)果

空心陰極采用持續(xù)放電工作方式，陽極電流為20 A，觸持極電流為0.6 A，工質(zhì)氣體流率為0.272 mg/s。為了驗證LaB6空心陰極暴露大氣后的性能變化，實驗期間間隔500 h開艙，后將LaB6空心陰極暴露于大氣內(nèi)24 h。實驗期間記錄空心陰極電壓和陰極頂溫度等關(guān)鍵特性的變化。圖3是壽命實驗期間空心陰極陽極電壓變化情況。

圖3 壽命實驗期間空心陰極陽極電壓變化Fig.3 Anode voltage variation of hollow cathode during life test

通過圖3可以看出，空心陰極每次出艙暴露大氣后，均會出現(xiàn)陽極電壓上升問題，但持續(xù)工作50 h后陽極電壓又恢復(fù)至正常值。其中LHC20-1空心陰極完成1500 h壽命實驗后繼續(xù)實驗時出現(xiàn)電壓持續(xù)偏高的現(xiàn)象，當(dāng)完成2000 h實驗檢查后再次開展實驗時，空心陰極陽極電壓出現(xiàn)持續(xù)升高并無下降的現(xiàn)象。

在LaB6空心陰極產(chǎn)品中，陰極頂內(nèi)側(cè)與LaB6發(fā)射體接觸，兩者的溫度相差不多(根據(jù)文獻[9]，陰極頂溫度與發(fā)射體溫度相差約100 ～200 ℃)，故實驗期間可通過監(jiān)測陰極頂溫度間接表征發(fā)射體溫度。壽命實驗過程中LaB6空心陰極的陰極頂溫度變化情況如圖4所示。

圖4 壽命實驗期間陰極頂溫度變化Fig.4 Variation of cathode plate temperature during life test

由圖4可以看出，每次空心陰極出艙暴露于大氣后，陰極頂?shù)臏囟葎t上升100～150 ℃，而LHC20-2空心陰極在工作1500 h后則出現(xiàn)了陰極頂溫度持續(xù)上升的現(xiàn)象，此時陰極頂溫度升高約200 ℃。

3 分析與討論

3.1 暴露大氣對空心陰極放電的影響分析

LaB6對氧和水非常敏感，當(dāng)與氧接觸后首先生成La—B—O，在此基礎(chǔ)成核生長，最后生成La(BO2)3。La(BO2)3的熔點為1141 ℃，氧化物不容易清除；而生成的B2O3的熔點近似為450 ℃，當(dāng)溫度接近1000 ℃時，B2O3蒸發(fā)明顯[10-11]。在富氧條件下LaB6發(fā)射體與氧將發(fā)生以下反應(yīng)：

xLa(BO2)3(crystal)+La2-xO21-6x(glass)

(1)

通過以上反應(yīng)式可以看出，LaB6發(fā)射體氧化后發(fā)射體表面生成La(BO2)3和氧化鑭，該化合物的逸出功遠高于LaB6發(fā)射體，因此造成了發(fā)射體表面逸出功變大。根據(jù)Richardson-Dushman公式，陰極表面發(fā)射電子電流密度與溫度之間關(guān)系可以表示為：

je=βT2e-eφ/kT

(2)

式中：je是發(fā)射電子電流密度；T是發(fā)射體表面溫度；φ為表面功函數(shù)(單位為eV)；e為電子電量；k是玻爾茲曼常數(shù)；β=4πmeqk2/h3為理論常數(shù)，其中me是電子質(zhì)量，q是電子電量，h是普朗克常量。

空心陰極工作在恒流模式，空心陰極發(fā)射的總電流密度和發(fā)射體表面狀態(tài)有很大關(guān)系[13-14]。陰極發(fā)射體表面總電流密度j可以表示為：

j=ji-jrev+je

(3)

式中，ji是表面離子電流密度，jrev是電子返流密度。

離子電流和電子返流密度由發(fā)射體內(nèi)部的等離子體密度ne、電子溫度Te(單位為eV)和表面的鞘層電壓φsheath決定。發(fā)射電子電流密度與發(fā)射體表面溫度T相關(guān)，用Richardson-Dushman公式描述[10，13]。陰極表面離子電流密度可以表示為：

(4)

式中，ni為鞘層邊緣離子密度，vi為玻姆速率，mi為離子質(zhì)量。

電子返流電流是空心陰極筒內(nèi)部高能電子通過發(fā)射體表面鞘層到達發(fā)射體表面形成的電流[15]，其密度可以表示為：

(5)

空心陰極自持放電靠發(fā)射體區(qū)離子回轟熱量維持發(fā)射體熱電子發(fā)射，空心陰極熱模型在文獻[16]中已有如下結(jié)論：

ji(φsheath+0.5Te+φV-φWf)

=-jφWf+2Tejrev+ji(φsheath+0.5Te+φV)

(6)

式中，φWf、φV和Te單位均為eV。發(fā)射體表面電子發(fā)射率和其表面的功函數(shù)φWf(經(jīng)驗值)相關(guān)，同時電子返流也會在發(fā)射體表面產(chǎn)生熱，平均電子動能為2Te。離子轟擊發(fā)射體表面熱量產(chǎn)生的動能為φsheath+0.5Te，電離電勢為φV。

式(6)說明，自持放電時，內(nèi)部離子的轟擊發(fā)射體表面為空心陰極提供熱能，發(fā)射電子帶走熱能，帶走的熱能正比于發(fā)射體的逸出功。當(dāng)氧進入發(fā)射體區(qū)后將與發(fā)射體表面硼和鑭發(fā)生反應(yīng)(1)，生成的氧化物導(dǎo)致表面的逸出功增加，發(fā)射電子帶走的熱量增多[11，16-17]。為了維持總發(fā)射電流不變，空心陰極放電電壓將升高，從而增加鞘層電壓以增大離子回轟發(fā)射體產(chǎn)生的熱量。

以上分析說明，發(fā)射體逸出功升高，必然會表現(xiàn)出空心陰極自持放電電壓升高及陰極頂溫度的升高。因此，暴露大氣后的空心陰極放電電壓及陰極頂溫度均有所升高的實驗現(xiàn)象反映出發(fā)射體的逸出功的升高，即出現(xiàn)了中毒現(xiàn)象。短時間工作后放電電壓及陰極頂溫度降低，反映出發(fā)射體的逸出功逐漸降低，發(fā)射能力逐漸恢復(fù)正常水平。這些現(xiàn)象說明，暴露大氣造成的陰極中毒是一種輕微的中毒現(xiàn)象，空心陰極放電工作時具有一定的自我清潔能力。

3.2 嚴重氧化對空心陰極放電的影響

LHC20-1空心陰極在壽命實驗后期陽極電壓持續(xù)升高，實驗后經(jīng)檢查確認為：供氣系統(tǒng)壓力傳感器密封圈損壞，大氣漏入(漏率約為103Pa·m3/s)LHC20-1空心陰極供氣系統(tǒng)，從而導(dǎo)致LaB6發(fā)射體及陰極管等均出現(xiàn)了嚴重中毒現(xiàn)象。

為了確定壽命實驗過程中LaB6空心陰極是否中毒，將LHC20-2空心陰極解剖分析。

正常空心陰極LaB6發(fā)射體結(jié)構(gòu)致密，呈紫紅色。觀察失效空心陰極內(nèi)部LaB6發(fā)射體，發(fā)現(xiàn)空心陰極發(fā)射體區(qū)域呈疏松形貌，表面呈暗紫色，發(fā)射體內(nèi)表面附著一層白色物質(zhì)，如圖5所示。

圖5 中毒空心陰極LaB6發(fā)射體狀態(tài)Fig.5 Morphology of poisoned LaB6 emitters

由圖5可以初步斷定，LHC20-2空心陰極的LaB6發(fā)射體已嚴重氧化。掃描電子顯微鏡照片顯示，發(fā)射體表面已變?yōu)槭杷傻亩嗫捉Y(jié)構(gòu)(見圖6)。能譜儀分析表明(見圖7)，發(fā)射體表面的主要成分為B(64.03%)、O(29.83%)及La(6.14%)。B/La比例約為10.4，發(fā)射體表面氧元素含量較高，說明發(fā)射體表面應(yīng)為LaB6與氧化鑭的混合物。

圖6 LaB6發(fā)射體斷面微觀形貌Fig.6 Cross section morphology of LaB6 emitter

圖7 發(fā)射體斷面能譜圖(LHC20-2)Fig.7 Emitter cross section energy spectrum (LHC20-2)

在圖3和圖4中，LHC20-2空心陰極在1500 h前，其電壓和陰極頂溫度的變化規(guī)律與LHC20-1空心陰極基本相同，暴露大氣后出現(xiàn)輕微中毒，經(jīng)過短時間放電工作后即可恢復(fù)。但1500 h后，放電電壓持續(xù)升高，據(jù)此可以斷定，供氣系統(tǒng)在本次暴露大氣實驗后因重新裝配不良而產(chǎn)生漏氣，從而造成發(fā)射體的持續(xù)氧化，隨著氧化層的加厚，發(fā)射體的逸出功增高，表現(xiàn)為放電電壓和陰極頂溫度持續(xù)升高。該空心陰極的實驗數(shù)據(jù)進一步說明發(fā)射體氧化中毒是造成空心陰極維持電壓和陰極頂溫度升高的內(nèi)在原因。

4 結(jié)論

LaB6空心陰極暴露在大氣中會出現(xiàn)輕微的中毒現(xiàn)象，主要原因是LaB6與吸附氧發(fā)生反應(yīng)，生成硼和鑭的氧化物，導(dǎo)致發(fā)射體表面逸出功增加，通過持續(xù)加熱或離子轟擊可以解決恢復(fù)陰極的活性。LaB6空心陰極在大氣環(huán)境中存放造成的性能下降是一種可恢復(fù)的輕微中毒現(xiàn)象。當(dāng)氙氣體積分數(shù)不高或系統(tǒng)存在漏氣時，LaB6表面會逐漸生成高逸出功的氧化層，使放電電壓及陰極頂溫度升高，甚至導(dǎo)致空心陰極永久失效。因此，通過監(jiān)測空心陰極放電電壓的變化情況，可以間接判斷空心陰極的中毒與激活情況、工作氣體的體積分數(shù)以及供氣系統(tǒng)的氣密性。大氣中存放對LaB6空心陰極的性能不會造成永久性的影響。LaB6空心陰極使用時應(yīng)特別注意工質(zhì)氣體的體積分數(shù)和供氣系統(tǒng)的氣密性。

后續(xù)計劃在相同等離子體條件下，測試工作溫度及工質(zhì)氣體雜質(zhì)含量對LaB6空心陰極中毒率的影響；確定LaB6發(fā)射體中毒閾值，同時根據(jù)實驗結(jié)果建立內(nèi)部等離子體模型與發(fā)射體表面環(huán)境耦合模型。