C12A7空心陰極研究進展

華志偉，韓 鈺，王平陽，杭觀榮

（1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240；2.哈爾濱電力職業技術學院動力系，哈爾濱 150030；3.上海空間推進研究所，上海 201112）

0 引言

空心陰極作為電推力器的關鍵組件，承擔著提供用于電離推進劑原子的初始電子和中和離子束流的重要任務，在霍爾推力器和離子推力器中都是不可或缺的。空心陰極的性能和壽命與整個電推進系統密切相關[1-2]。發射體是空心陰極中發射電子的關鍵零件。目前電推進領域應用最廣泛，技術最為成熟的空心陰極發射體主要有鋇鎢（BaO-W）和六硼化鑭（LaB6）兩類。BaO-W發射體的逸出功約為2.1 eV，工作溫度在1 200℃左右，對工質純度要求極高，點火前需要復雜的激活程序；LaB6的電子發射能力比BaO-W強，對工質純度的要求可低一個量級，但逸出功高達2.7 eV，工作溫度通常超過1 400℃，維持放電所需的功率也更高[3]。隨著空間任務的拓展，新一代空心陰極被要求具有更低的工作溫度、更高的效率和更強的抗中毒能力，對其他類型工質如碘、鉍、鎂等也應當具有兼容性。

本文將介紹C12A7材料的結構特點，回顧國內外相關機構對C12A7空心陰極的研究歷程，總結各類陰極的結構特點、試驗結果、存在的問題以及關鍵技術等，討論C12A7空心陰極技術的發展和應用前景，期望為C12A7空心陰極在電推進技術中的應用提供參考。

1 C12A7空心陰極研究進展

C12A7電子化合物作為一種新型發射體材料，早期報道的理論逸出功可低至0.6 eV[4]。在相同發射電流密度的條件下，C12A7電子化合物的理論熱發射溫度遠低于其他兩種發射體材料，如圖1所示[5]。如此低的工作溫度意味著空心陰極將會在結構、材料和應用場景上產生巨大變革。雖然后續試驗測得的C12A7發射體的有效逸出功高于理論值，但其工作溫度和抗中毒特性仍然具有優勢。

圖1 不同類型發射體材料的發射電流密度與溫度的關系Fig.1 The Relationship between emission current density and temperature of different emitter materials

1.1 C12A7電子化合物

七鋁酸十二鈣（12CaO·7Al2O3），簡稱C12A7，由Matsuishi等[5]于2003年首次報道。如圖2（a）所示，C12A7單胞分子式為[Ca24Al28O64]4++2O2-，晶格的主體框架由12個堅固的納米籠腔構成，所以C12A7化學穩定性極優。C12A7單個籠腔結構模型如圖2（b）所示，兩個O2-分別占據12個籠腔中的任意兩個，由于籠腔內游離的O2-束縛較低，O2-極易被其他離子如 H-、O-、F-、Cl-以及 e-等取代，形成一類衍生物。其中O2-被e-取代后形成的C12A7：e-是一種可在室溫條件下穩定存在的電子化合物，如圖2（c）所示。C12A7電子化合物繼承了C12A7的晶體結構，在300℃以下氧氣無法重新進入籠腔取代電子，因此具有優良的化學穩定性和熱穩定性；如果C12A7籠腔內的O2-完全被e-替換，理論上電子濃度可高達2.33×1021cm-3，因此還具有較低的逸出功、較高的電子發射效率等特性[6]。C12A7：e-在電子發射材料方面顯示的較高的應用潛力引起了電推進空心陰極學者的關注[7]。

1.2 國外C12A7空心陰極研究歷程

1.2.1 科羅拉多州立大學

2011年，Rand等[8]首次將C12A7電子化合物熔融物作為發射體材料應用于空心陰極。該陰極以無熱子的方式點火啟動，發射電流最高達3.6 A，雖然工作時長最高達到數十分鐘，但頻繁的閃爍和熄滅說明陰極放電不穩定[8]。

圖2 C12A7及C12A7電子化合物的晶體結構模型Fig.2 Structural model of C12A7 and C12A7：e-

2013年，Rand等[9]將合成的C12A7切片和石墨基底共同置于陰極管內，此次C12A7空心陰極工作時長達到數小時。該陰極隨后與AFRL H6 6 kW霍爾推力器進行了聯試，點火情況如圖3所示[10]。陰極氣體流率為10 cm3/min Xe，推力器工作在9 A、2.71 kW，單次工作時長最高達0.5 h，推力器效率為52.6%，略低于LaB6空心陰極54.4%的工作效率。Rand認為C12A7陰極放電不穩定是由于發射體形狀不規則，熱電子發射區域變化所致。

圖3 C12A7空心陰極與AFRLH6霍爾推力器聯試點火情況Fig.3 AFRL H6 Hall thruster operating in conjunction with electride hollow cathode

Rand等[10]還與Busek公司合作，利用該公司的碘儲供系統進行了碘工質C12A7空心陰極測試。碘工質C12A7空心陰極如圖4所示[9]。碘陰極同樣以無熱子方式啟動，發射電流3～15 A，工作氣體流率為13 cm3/min碘，觸持極電流維持在0.3 A。在共計20 h碘工質測試后，沒有觀察到C12A7空心陰極明顯的中毒或退化跡象[11]。

圖4 碘工質C12A7空心陰極Fig.4 C12A7 electride hollow cathode operating on iodine

1.2.2 美國海軍研究實驗室

2017年，McDonald等制成了一個空心圓柱形C12A7發射體，替代原有的LaB6發射體裝填進入一個20 A的石墨空心陰極中。該陰極利用外部加熱器啟動，加熱功率約33 W，不到LaB6陰極的五分之一。盡管工作電流低至30～150 mA，但由于陰極是為LaB6設計的，隔熱效果過于良好，導致初次試驗中C12A7出現了過熱退化的跡象，工作16 h后，發射體有肉眼可見的明顯褪色，說明C12A7發射體發生了氧化或者過熱分解。為了避免發射體過熱導致的性能下降，采用一個銅制散熱結構來控制陰極的溫度。如圖5所示[11]，陰極管由銅材料制成，發射體也被包裹上一層銅箔，以便快速地將發射體中的熱量導出，這款陰極最終在30 mA的電流條件下穩定工作了8 h左右，C12A7發射體自持工作所需的放電功率最低為18 W。此外，他們還比較了C12A7與其他發射材料的熱發射性能，C12A7發射體的有效發射電流密度至少為20～40 mA/cm2。

圖5 銅散熱結構的C12A7空心陰極Fig.5 The C12A7 hollow cathode with copper heat sink configuration

1.2.3 德累斯頓工業大學

Drobny等[12-13]于2016年最早研發了C12A7空心陰極。嘗試了不同的發射體形狀和陰極配置、采用了各種不銹鋼、銅等材料，但一直未能實現長時間穩定放電。經歷多次迭代后，最終設計出一款碟形發射體陰極，該陰極同樣采用了良好散熱的銅質結構，以實現發射體的快速散熱。點火電路設置如圖6所示，采用偏置電壓啟動陰極，穩態電流最高達到5 A。

圖6 發射體負偏壓啟動電路Fig.6 Electrical setup for cathode operation with the possibility to negatively bias the emitter insert

碟形C12A7空心陰極與TUD-H3-P霍爾推力器聯試穩定運行了數小時，聯試情況如圖7（b）所示[12]。最新的長壽命試驗結果表明，這款碟形C12A7空心陰極在2 A的電流條件下穩定工作了最高950 h，這是迄今為止報道的C12A7空心陰極的最高工作時長[13]。

圖7 碟形C12A7空心陰極與TUD-H3-P霍爾推力器聯試Fig.7 Disk-emitter C12A7 electride hollow cathode and its TUD-H3-P Hall-effect thruster

1.3 國內C12A7空心陰極的研究進展

哈爾濱工業大學是國內最早開展C12A7空心陰極研發工作的單位。研究人員測試了圓柱形C12A7空心陰極的放電特性，并考察了其耐氧化能力，結果表明，C12A7空心陰極可在氧氣濃度高達1.8%的混合氙氣下放電[14]。上海交通大學開發的C12A7空心陰極在無熱子和外部加熱的條件下均可啟動，點火溫度在1 000～1 100℃。該陰極與一臺小功率霍爾推力器成功聯試，并在200 V、1 A的條件下穩定運行了數個小時[14]，如圖8所示。該校還開展了C12A7空心陰極在碘工質條件下的點火特性測試以及C12A7發射體退化和失效的微觀分析工作。北京工業大學近年來一直專注于C12A7電子化合物的快速制備以及性能提升，為國內開發C12A7空心陰極提供高質量發射體材料[6，15]。

圖8 上海交大研發的C12A7空心陰極與一臺低功率霍爾推力器聯試Fig.8 Joint operation of C12A7 electride hollow cathode and a low power HET developed by SJTU

2 存在問題與關鍵技術

2.1 逸出功測量

C12A7電子化合物空心陰極自首次測試以來已有10年，但人們對其放電機制和失效機制的理解仍有不足，這些問題阻礙了C12A7空心陰極長壽命和點火循環試驗的開展，因此目前無法將其與BaO-W或LaB6陰極進行比較。復雜的表面也導致了C12A7逸出功的不確定：早期的分子動力學計算結果表明，C12A7的理論逸出功可低至0.6 eV，但Rand等[10]試驗測得的逸出功均比理論值高，且隨試驗時間變化，這主要是由于熱電子發射時的高溫對發射體表面籠腔結構造成破壞所致。而管狀發射體空心陰極內部的等離子體密度、溫度以及壓力數值的獲取難度較大，使得C12A7發射體的有效逸出功很難從工作特性中測試出來[7]。目前普遍認為C12A7電子化合物的實際逸出功大約在2.4 eV左右，接近于BaO-W發射體[16-17]。C12A7逸出功的不確定性及其背后復雜的表面反應導致研究者難以準確掌握影響C12A7電子發射性能與壽命的因素及規律，因而限制了該材料在空心陰極中的工程應用。

2.2 發射體過熱

C12A7電子化合物熔點較低，約為1 230℃。國外文獻表明，C12A7空心陰極引出電流為數百毫安到1 A的條件下，發射體工作溫度可低于1 000℃，而在高電流下工作則容易過熱[5]。上海交通大學開發的C12A7空心陰極在工作電流4 A的條件下，最高溫度達到1 290℃，高于發射體熔點1 275℃。相較于LaB6和BaO-W空心陰極，C12A7發射體更容易淤積熱量的原因主要有兩點，表面破損的籠腔層使其呈現出高電阻甚至絕緣態，在高電流下容易產生額外的歐姆熱；其次是C12A7的熱導率較低，約為4.5 W·m-1·K-1[18]，熱量無法快速從發射表面轉移。過熱除了可能導致發射體的軟化熔融以外，長時間處于較高溫度下也會使發射體逐步分解成其他的鈣鋁化合物，造成熱發射性能的快速退化。

2.3 關鍵技術

實現C12A7空心陰極性能提升和更高壽命的關鍵在于保證發射體安全的工作溫度，應根據電子化合物的特性優化C12A7陰極的熱設計，包括采用散熱更好的材料以及可實現快速散熱的新型結構。從材料角度，提高C12A7電子化合物的電子濃度可以進一步降低逸出功，提高電導率。C12A7具有陶瓷材料的脆硬特性，發射體可加工性能的提升對于保證新型陰極設計的可行性同樣重要[6]。此外，C12A7空心陰極的放電機制和失效機制與傳統空心陰極差別很大，建立適用于電子化合物的放電模型對于優化C12A7空心陰極工程設計、加速開發進程十分必要。

3 結論與展望

C12A7空心陰極自首次測試至今已有10年，但國內外相關研究機構不多，技術尚不成熟，C12A7發射體的放電和過熱機制有待進一步探索。C12A7空心陰極已由最初頻繁的振蕩熄滅發展到目前可穩定放電、持續工作時間近1 000 h。與各類型霍爾推力器的成功聯試也證明了C12A7空心陰極具有實際應用能力。高電流下的發射體過熱退化是目前困擾C12A7空心陰極的最大問題，而在毫安級低電流下工作時，發射體工作溫度低于1 000℃，有望滿足小電流空心陰極中工質流量與維持功率的嚴苛要求，因此更適合微小功率電推進系統，是立方星等小衛星任務的理想選擇。除用作電子源和中和器之外，國外也在開展將C12A7發射體應用于空心陰極推力器以及無工質空心陰極的探索工作。