離子推力器中空心陰極耦合放電的試驗研究

趙志偉，張?zhí)炱剑轿牧?，?璇

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空技術(shù)與物理重點試驗室甘肅省空間電推進(jìn)技術(shù)重點試驗室，蘭州 730000）

0 引言

直流放電式離子推力器是當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的一種電推力器[1-2]?？招年帢O是直流放電式離子推力器中的關(guān)鍵部件，具有持續(xù)發(fā)射大量電子的能力，在推力器中的功能為點火啟動、維持放電以及中和束流[3]，其中點火啟動和維持放電由主陰極完成，中和束流由中和陰極完成。國內(nèi)外研發(fā)的空心陰極的設(shè)計壽命普遍達(dá)到了數(shù)萬小時甚至數(shù)十萬小時，并且在試驗室中通過了單獨的工作壽命試驗驗證[4-6]。但在離子推力器工程應(yīng)用實踐中，工程師們發(fā)現(xiàn)，空心陰極在與推力器耦合放電時存在損耗速度較快、壽命縮短[7-9]的問題和風(fēng)險，導(dǎo)致離子推力器壽命無法滿足航天任務(wù)需求。

空心陰極在離子推力器中的損耗較快，主要表現(xiàn)為離子對觸持極和節(jié)流孔等的轟擊濺射腐蝕[10-13]。相關(guān)研究認(rèn)為：陰極在離子推力器中耦合放電時所處的等離子體環(huán)境與單獨試驗時明顯不同，是導(dǎo)致推力器中空心陰極工作壽命與單獨試驗驗證壽命不一致的主要原因[14-16]。目前關(guān)于空心陰極單獨試驗的等離子體研究已有不少，包括空心陰極羽流區(qū)等離子體的探針診斷、光譜診斷等[17-20]，但對于離子推力器中空心陰極耦合放電的等離子體，由于測量難度大、成本高等原因，試驗研究很少，而以計算仿真研究為主[20-22]。

顯然，耦合放電試驗數(shù)據(jù)的缺乏，使得直接對比單獨放電和耦合放電情況下等離子體特性的差異，并進(jìn)一步深入研究這種差異與空心陰極腐蝕之間的關(guān)系受到制約。針對這一現(xiàn)狀，本文進(jìn)行空心陰極與離子推力器的耦合放電試驗研究，分別在不同的陽極電流、陽極氣體流量、磁場強度以及放電室封閉條件下，利用朗繆爾三探針測量放電室內(nèi)等離子體的電子溫度、電子密度、空間電勢等的分布情況，分析不同因素對等離子體參數(shù)的影響方式，以期為空心陰極在離子推力器不同等離子體環(huán)境中的損耗機制的深化研究提供直接和可靠的測試數(shù)據(jù)。

1 試驗裝置和測試平臺

1.1 推力器和空心陰極

試驗基于LIPS-300Z離子推力器[23]放電室模擬器及其配套的空心陰極進(jìn)行，放電室內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，完整的LIPS-300Z離子推力器包括：空心陰極、放電室、永磁體、柵極系統(tǒng)等。放電室模擬器在此基礎(chǔ)上去掉了柵極系統(tǒng)，使得探針可以進(jìn)入放電室中進(jìn)行等離子體參數(shù)測量。放電室外的永磁體更換為電磁鐵，分為柱段、錐一段和錐二段、三段，分別供電。勵磁電流的大小可根據(jù)試驗需求靈活調(diào)節(jié)，除了調(diào)節(jié)磁場強度之外，還可以通過改變?nèi)蝿畲烹娏鞯谋壤{(diào)整磁場的空間分布。軸向和徑向各選取7個測量點（軸向為①～⑦，徑向為Ⅰ～Ⅶ），相鄰點間隔20 mm，軸向第一點距離觸持極60 mm，徑向第一點位于軸線上。

圖1 放電室結(jié)構(gòu)與測量點示意圖Fig.1 Schematic diagram of discharge chamber structure and measuring points

1.2 真空系統(tǒng)

試驗在蘭州空間技術(shù)物理研究所的TS3設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，設(shè)備包含真空室、真空泵、真空計等。真空室內(nèi)部長度1 m，直徑1 m，配套的低真空泵為羅茨泵和渦旋泵，高真空泵為兩路共4臺分子泵，能夠在1 h內(nèi)將室內(nèi)壓力抽至10-4Pa量級，另有電阻規(guī)和電離規(guī)實時顯示真空室內(nèi)的壓力。真空室壁上有多組法蘭，用于電路和氣路的連通，可支持最大50 cm3/min的工質(zhì)流量以及20 A以上的陽極電流，保證試驗的順利進(jìn)行。當(dāng)本底壓力低于8×10-4Pa時開始試驗，通入工質(zhì)氣體后，放電室壓力在9×10-3～2×10-2Pa之間波動。

1.3 探針及移動平臺

等離子體參數(shù)的測量工具為朗繆爾三探針[24-25]，如圖2所示。鎢絲直徑為0.5 mm，頂端裸露長度為5 mm，離子收集面積約為8.05 mm2。陶瓷管總長度為20 cm，內(nèi)徑為0.6 mm，外徑為2 mm，足以保證整個測量范圍內(nèi)電絕緣。三根探針?biāo)讲⑴欧胖?，用支架固定在移動平臺上，移動平臺用于實現(xiàn)對放電室截面等離子體參數(shù)的移動測量。

圖2 朗繆爾三探針實物圖Fig.2 Triple Langmuir probe

1.4 試驗程序

試驗控制的自變量有四個：陽極電流、陽極流量、磁場強度以及放電室的封閉程度。陽極電流分三種工況：5 A、10 A、15 A；陽極流量分三種工況：5 cm3/min、10 cm3/min、15 cm3/min；磁場分為兩種工況；無磁場和勵磁電流為0.1 A的弱磁場；放電室的密閉性通過在原柵極位置安裝擋板來控制。試驗中，陰極流量均為5 cm3/min，觸持極電流均為2 A。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 陽極電流對放電等離子體特性的影響

圖3～5是無磁場、無擋板情況下，不同陽極電流對應(yīng)的電子溫度、電子密度以及空間電勢的軸向和徑向分布，橫坐標(biāo)為測量點的序號，陽極流量為10 cm3/min。不同陽極電流下等離子體參數(shù)分布呈現(xiàn)出同樣的趨勢，即電子溫度沿軸向持續(xù)升高，沿徑向先升高后逐漸趨于平緩；電子密度沿軸向緩慢降低，沿徑向幾乎不變；空間電勢沿軸向持續(xù)上升，沿徑向先上升后趨于平緩，這表明僅改變陽極電流不影響放電室內(nèi)等離子體參數(shù)的分布趨勢。

圖3 陽極電流對電子溫度分布的影響Fig.3 Effect of anode current on electron temperature distribution

圖4 陽極電流對電子密度分布的影響Fig.4 Effect of anode current on electron density distribution

圖5 陽極電流對空間電勢分布的影響Fig.5 Effect of anode current on spatial potential distribution

結(jié)合圖3和圖5可知，電子溫度與空間電勢的分布趨勢類似，這主要是因為電子在放電室內(nèi)一般是沿著與電場線相反的方向運動的，并在運動的過程中將電勢能轉(zhuǎn)化為動能，而空間電勢的分布主要由放電室內(nèi)的電場結(jié)構(gòu)所決定。雖然理論上電子向放電室下游運動時其速度方向平行于陽極，電子不會獲得能量，但放電室的實際電場結(jié)構(gòu)不完全由陽極結(jié)構(gòu)決定，還與陽極流量、電流等有關(guān)，軸線附近的電場線不完全平行于軸線。同時，有研究表明，部分電子從觸持極向放電室下游運動的過程中，能量會有大幅度的增加[26]，這部分能量并非來自電勢能的轉(zhuǎn)化，可能與離子聲波有關(guān)[27-28]。

從圖4可以看出，電子密度沿軸向緩慢下降，原因是陰極發(fā)射的電子以及放電室內(nèi)工質(zhì)電離產(chǎn)生的電子在向下游運動的過程中，同時會沿著徑向向陽極運動，導(dǎo)致軸線附近的電子數(shù)量逐漸減少，密度呈下降趨勢。而徑向上，由于測量位置比較靠后，等離子體在向前運動的過程中，束流密度趨于均衡，因此徑向上的電子密度沒有明顯的梯度變化。

此外，陽極電流雖然不影響各參數(shù)的變化趨勢，但會影響其數(shù)值大小。隨著陽極電流的增加，電子溫度降低，電子密度增大，空間電勢上升。在陽極流量足夠大的情況下，較小的陽極電流會使放電室內(nèi)工質(zhì)氣體的電離率維持在一個較低的水平，電子密度較低而中性氣體原子數(shù)量較多，因而電子碰撞中性氣體的頻率較高，導(dǎo)致電子平均溫度反而降低。同時，電流的增大導(dǎo)致陽極電壓升高，陰極等離子體的空間電勢隨之升高。

2.2 陽極氣體流量對放電等離子體特性的影響

圖6～8是三種不同的陽極流量下，電子溫度、電子密度和空間電勢的軸向和徑向分布，各參數(shù)的分布趨勢與圖3～5相同。與陽極電流類似，僅改變陽極流量不影響放電室內(nèi)等離子體參數(shù)沿軸向和徑向的變化趨勢。隨著陽極流量的增加，放電室內(nèi)的電子溫度降低、電子密度增大，空間電勢降低。在同樣的放電電流下，增大陽極流量導(dǎo)致放電室內(nèi)的等離子密度增加，載流子密度增大導(dǎo)致電子的平均能量降低，而由于等離子體電阻率的降低，導(dǎo)致陽極電壓和等離子體空間電勢都有所下降。

圖6 陽極流量對電子溫度分布的影響Fig.6 Effect of anode flow-rate on electron temperature distribution

圖7 陽極流量對電子密度分布的影響Fig.7 Effect of anode flow-rate on electron density distribution

圖8 陽極流量對空間電勢分布的影響Fig.8 Effect of anode flow-rate on spatial potential distribution

結(jié)合圖3～8可知，陽極電流和陽極流量的變化均會改變等離子體參數(shù)的大小。有研究表明，空心陰極的損耗與放電振蕩有關(guān)[9]，放電振蕩越劇烈，觸持極、節(jié)流孔等結(jié)構(gòu)部件損耗越快，而放電振蕩的劇烈程度除了受到陽極結(jié)構(gòu)、陰極-陽極距離等因素影響以外[14，29]，還與電子能量密切相關(guān)[30]。從圖3、圖6可以看出，當(dāng)陽極電流或陽極流量發(fā)生變化時，觸持極附近的電子溫度顯示出成倍的差距，由此導(dǎo)致的放電振蕩劇烈程度很可能有較大差異。此外，在不同的陽極電流和陽極流量下，軸向①號點的電位有明顯區(qū)別，該點距離觸持極距離為60 mm，而觸持極電流和陰極流量恒定不變，所以觸持極電位一般不會有明顯變化，當(dāng)軸向①號點的空間電勢升高時，該點與觸持極之間區(qū)域的平均電場強度會增大，該區(qū)域的離子向觸持極返流時，獲得的能量相應(yīng)地增大，濺射造成的腐蝕更嚴(yán)重。由于電子溫度和空間電勢受陽極電流和陽極流量的影響明顯，因此陽極電流和陽極流量在空心陰極的損耗中很可能起著重要作用。

2.3 磁場對放電等離子體特性的影響

圖9～11為放電室施加磁場前后的等離子體參數(shù)對比。由于離子推力器正常工作時的磁場強度太大，會影響探針的測量準(zhǔn)確度，導(dǎo)致測量結(jié)果不可信，因此試驗施加的磁場是勵磁電流為0.1 A的弱磁場。通過COMSOL電磁場模塊的計算，0.1 A勵磁電流下放電室內(nèi)的磁場強度在1.7×10-4～8.4×10-4T之間，經(jīng)過B/p限制判據(jù)[25]的驗證，該磁場強度在對等離子體產(chǎn)生束縛作用的同時，又不足以明顯降低探針的測量精度，能夠?qū)崿F(xiàn)磁場對等離子體參數(shù)影響的試驗對比。

圖9 磁場對電子溫度分布的影響Fig.9 Effect of magnetic field on electron temperature distribution

圖10 磁場對電子密度分布的影響Fig.10 Effect of magnetic field on electron density distribution

圖11 磁場對空間電勢分布的影響Fig.11 Effect of magnetic field on spatial potential distribution

從圖中可以看出，在施加柱形會切磁場之后，軸向電子溫度、電子密度、空間電勢的數(shù)值均有明顯的增加，但遞增的趨勢仍然相似；而徑向上，這些參數(shù)均隨著測量點序號的增大而減小。原因是柱形會切磁場在放電室內(nèi)部近似平行于軸線，因此對軸向的等離子體參數(shù)分布趨勢沒有明顯影響，而徑向上，磁場限制了電子做大范圍運動，將電子束縛在軸線附近的區(qū)域，因而等離子體參數(shù)呈現(xiàn)出顯著不同的分布趨勢。在有磁場的情況下，電子若要運動至遠(yuǎn)離軸線的位置，必須頻繁碰撞以改變速度方向來逃脫磁場的束縛，而頻繁的碰撞會導(dǎo)致電子溫度降低，因此遠(yuǎn)離軸線位置的電子溫度明顯下降。有研究顯示[31]，在平行于軸線的磁場作用下，空心陰極觸持極受到的濺射會被減弱，但同時也會使軸向上的離子通量增加，導(dǎo)致離子對觸持極頂和節(jié)流孔的濺射腐蝕加劇。因此，磁場也是影響空心陰極損耗速度的重要原因之一。

2.4 放電室封閉程度對放電等離子體特性的影響

考慮到耦合放電與獨立放電條件除磁場之外還有兩方面的差異：陽極結(jié)構(gòu)和放電室封閉程度，為了避免這兩個因素的互相影響，對放電室封閉程度對放電等離子體特性的影響進(jìn)行單獨研究。試驗中通過安裝和拆卸放電室尾部的擋板來控制放電室的封閉程度。安裝擋板前后的實物如圖12所示，安裝擋板前后的等離子體參數(shù)對比如圖13～15所示。在有擋板的情況下，放電室的封閉程度接近離子推力器正常工作時的工況，能夠在一定程度上模擬真實推力器放電室內(nèi)的等離子體參數(shù)。從試驗結(jié)果來看，安裝擋板后，等離子體分布趨勢沒有明顯的改變，但數(shù)值顯著增大。原因有二：一是中性氣體密度增大導(dǎo)致電離產(chǎn)生的總等離子體數(shù)目增多；二是產(chǎn)生的等離子體無法及時離開放電室而是累積起來，導(dǎo)致放電室內(nèi)等離子體密度顯著升高，這與增大陽極流量的影響類似，由于載流子數(shù)量以及碰撞頻率的增大導(dǎo)致電子平均溫度降低，陽極電壓和空間電勢隨之降低。如圖14（a）中有擋板的情況下，軸向中后段電子密度略高于前半段，就是由等離子體累積造成的。

圖12 放電室有無擋板情況對比Fig.12 Comparison of discharge chamber with and without baffle

圖13 放電室封閉程度對電子溫度分布的影響Fig.13 Effect of discharge chamber sealing on electron temperature distribution

圖14 放電室封閉程度對電子密度分布的影響Fig.14 Effect of discharge chamber sealing on electron density distribution

圖15 放電室封閉程度對空間電勢分布的影響Fig.15 Effect of discharge chamber sealing on spatial potential distribution

放電室不安裝擋板時的等離子體密度顯著低于安裝擋板的情況，而在單獨的放電試驗中，空心陰極周圍更加開闊，由此可以合理推測，單獨測試空心陰極時，觸持極附近的等離子體密度遠(yuǎn)低于離子推力器放電室內(nèi)的，因此，兩種情況下轟擊觸持極和節(jié)流孔的離子通量也有明顯差異。這也是空心陰極在離子推力器中耦合放電損耗過快的原因之一。

3 結(jié)論與展望

本研究通過空心陰極與離子推力器的耦合放電試驗，分析了不同因素對放電室內(nèi)等離子體參數(shù)的影響，試驗結(jié)論如下：

（1）陽極電流和陽極流量會影響離子推力器放電室內(nèi)的等離子體參數(shù)大小，但不影響參數(shù)在軸向和徑向上的整體變化趨勢，具體表現(xiàn)為：①隨著陽極電流增大：軸向的電子溫度降低、電子密度增大、空間電勢升高；②隨著陽極流量增大：軸向的電子溫度降低、電子密度增大、空間電勢下降；③徑向上，軸線附近的電子溫度、電子密度、空間電勢隨陽極電流和陽極流量的變化趨勢與軸向相同，但遠(yuǎn)離軸線的位置，參數(shù)變化規(guī)律發(fā)生了改變，隨陽極電流和陽極流量的增加呈現(xiàn)非單調(diào)變化趨勢。

（2）磁場對等離子體參數(shù)的空間分布和大小均有影響，本質(zhì)上是通過束縛等離子體（主要是電子）的徑向運動來實現(xiàn)的。施加磁場后，徑向電子溫度和空間電勢由緩慢升高變?yōu)榧眲∠陆?，徑向電子溫度由基本穩(wěn)定變?yōu)橹饾u下降。軸向上，施加磁場前后等離子體參數(shù)的變化規(guī)律保持一致，但數(shù)值明顯增大。

（3）放電室的封閉性對其內(nèi)的等離子體參數(shù)大小有顯著影響，有擋板工況下電子密度高于無擋板工況，電子溫度和空間電勢低于無擋板工況，但參數(shù)沿軸向和徑向的變化規(guī)律不隨放電室的封閉性變化。

綜上，在空心陰極與離子推力器的耦合放電中，陽極電流、陽極流量、磁場強度以及放電室的封閉程度會影響離子推力器放電室內(nèi)的等離子密度、平均能量和電場結(jié)構(gòu)等，間接地改變轟擊空心陰極觸持極等的離子能量和離子通量，導(dǎo)致空心陰極在不同條件下的損耗速度存在明顯差異。要進(jìn)一步研究空心陰極在離子推力器中損耗較快的機制，必須對耦合試驗等離子體數(shù)據(jù)與空心陰極單獨試驗等離子體數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對比及分析，這是下一步研究工作的重點。