空心陰極耦合放電的壽命損耗機理研究綜述

趙志偉，張天平,2，冉文亮，李 璇

(1.蘭州空間技術物理研究所，真空技術與物理重點實驗室， 甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省空間電推進技術重點實驗室， 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

空心陰極是離子推力器和霍爾推力器中不可或缺的部件，二者依靠空心陰極發射電子進行點火啟動、維持放電和中和離子束流[1]。在推力器長期工作過程中，空心陰極的加熱器、發射體、觸持極、節流孔等功能結構件會逐漸損耗[2-5]，當這些損耗達到相應限度閾值時，就會使空心陰極失去發射額定電子的能力從而失效，相應地，推力器也會隨之失效。許多實驗研究和工程應用表明，空心陰極在和推力器耦合放電的過程中存在壽命損耗速度過快的問題[6-9]，這與單獨實驗時空心陰極和平板電極之間的放電有較為明顯的差異。為便于敘述與區別，本文將空心陰極與平板陽極之間的放電稱為獨立放電，將空心陰極在離子推力器或霍爾推力器中的放電稱為耦合放電。

美國基于六硼化鑭發射體研制的空心陰極，其設計壽命已達到十萬小時并且通過了獨立放電壽命實驗[10]。但加州理工大學在對30 cm離子推力器進行長時間耦合放電實驗時，發現2萬小時左右觸持極就發生了嚴重的損耗，3萬小時觸持極頂被完全侵蝕，無法繼續工作[11]。國內在對80 mm霍爾推力器進行耦合放電實驗時，發現空心陰極的觸持極損耗速度明顯加快，耦合放電壽命大約只有獨立放電壽命的27[12]。現階段，當由空心陰極失效決定的推力器壽命無法滿足航天任務的要求時，多采用安裝多臺推力器或在一臺推力器中安裝多個陰極的方式來延長壽命，如密歇根大學研制的能夠安裝3個陰極的格柵式離子推力器[13]，國內外的霍爾推力器也大多配備2個空心陰極[14]。本文基于空心陰極獨立放電與耦合放電之間的差異，梳理了空心陰極在推力器中耦合放電加速損耗的現象和機理，對不同因素在空心陰極壽命損耗中產生的作用及其影響方式進行了分析和綜述，并根據已有機理解釋這一問題的局限性提出了后續研究的構想。

1 空心陰極放電損耗現象

空心陰極的失效形式包括：加熱器失效、發射體失效、結構件失效等[15]。其中加熱器只在空心陰極點火前的準備階段工作，并且由于其在空心陰極中的位置，一般不會受到工質流率、放電電流、磁場等因素的影響，因此它的失效與這些條件沒有明顯關系。而發射體、節流孔、觸持極等功能結構部件受空心陰極的放電條件影響較為明顯。因此，本文著重討論空心陰極的這些部件在獨立放電與耦合放電中損耗現象和機理的區別。

無論是在獨立放電還是在耦合放電模式下，隨著陰極工作時長的積累，這些結構件都會產生損耗，具體表現為：①節流孔(陰極孔)磨損，孔徑逐漸擴大，導致管內壓力下降，點火越來越困難，直到徹底無法點火，同時節流孔和觸持極小孔的擴大，會使離子輕易地進入管內產生濺射腐蝕；②觸持極磨損，觸持極小孔擴大，觸持極頂斷裂或脫落，無法引出電子；③觸持極管腐蝕，導致發生形變，嚴重時可能造成脫落或短路。空心陰極各結構及其位置如圖1所示，以上所提到的情況中任何一個的發生都會導致空心陰極失效，而耦合放電無疑會加速這一過程。在耦合放電中，大部分的空心陰極壽命終結，都是因為發生了以上類型的結構件失效。

圖1 空心陰極結構示意圖

2 離子推力器中的主陰極受損機理

離子推力器由空心陰極、柵極以及一個相對封閉的放電室組成，其中主陰極與中和陰極的位置和作用有所不同，其工作環境和特性也有不小的差異，目前暫未有人對中和陰極的壽命損耗問題進行研究，由于缺乏相關數據的支撐，此處只討論主陰極的壽命損耗機理。在離子推力器中，工質分別通過主陰極和陽極分配器進入放電室，放電室內電離產生的電子最終撞擊在陽極上，離子經過柵極加速噴出產生推力。理想狀態下，放電室電壓一般為28 V，低于材料的濺射閾值(30 V)，而采用氙工質的離子推力器放電室陽極電壓普遍高于這個值[16]。在與離子推力器耦合放電時，空心陰極結構件的損耗主要來自于放電室內的離子濺射，離子的能量和通量越大，造成的濺射腐蝕越嚴重。

2.1 離子濺射加速陰極損耗

2.1.1 離子通量過高導致的損耗

過高的等離子體密度是導致空心陰極在離子推力器放電室內損耗加劇的重要原因之一[17-20]，由于離子推力器放電室的封閉性[21-22]，耦合放電中離子只能通過柵極離開放電室，尚未被引出的離子只能暫時聚集在放電室內，而獨立放電中產生的等離子體暴露在整個真空倉中，在真空泵的作用下不能大量累積，因此耦合放電時空心陰極周圍的等離子體密度明顯高于獨立放電。同時由于觸持極附近電勢梯度較大，受到觸持極低電位的吸引，觸持極附近的一些離子向觸持極加速運動，增加了撞擊在觸持極上的離子通量，增強了觸持極和節流孔的濺射程度，甚至通過觸持極小孔和節流孔進入陰極管內，轟擊發射體，導致其溫度異常升高。這些情況都會使陰極受到的腐蝕加劇，壽命縮短。除此以外，放電室內還存在能量遠高于平均能量的高能離子，這些高能離子在空心陰極的損耗中起著重要的作用，以下進行詳述。

2.1.2 離子能量過高導致的損耗

高能離子產生的主要原因之一是放電振蕩[23-24]，包括電壓振蕩和電流振蕩，耦合放電中這種振蕩明顯大于獨立放電。現有的一些研究顯示，這種放電振蕩的劇烈程度與陰極-陽極間距以及陽極結構有顯著關系。南洋理工大學針對陰極-陽極間距對空心陰極放電特性的影響進行了實驗研究，發現觸持極與陽極的間距越大，陽極電壓越高，同時放電振蕩越明顯，隨著陰極-陽極間距的增加，陽極電壓單調遞增。當間距在20～40 mm之間時，空心陰極以點模式運行；而當間距增大至45 mm之后，空心陰極的工作模式逐漸過渡到羽流模式，如圖2所示[25]。同時陽極電壓大幅升高，數值接近原來的兩倍，電壓振蕩幅度也明顯增大。點模式下，放電電流在4 A和10 A時的振蕩幅度分別為0和9；而當工作模式過渡為羽流模式時，4 A和10 A下的振蕩幅度分別增大到12和15，如圖3所示[25]。大幅度的振蕩能夠顯著增強離子能量，提高離子對觸持極等的濺射腐蝕強度，由此可知，在空心陰極結構件的損耗中，陰極-陽極間距起著重要作用。在間距的雙向調節過程中，點模式和羽流模式對應的間距界限有一定的滯后性，但在不同的放電電流下沒有明顯差別，說明觸持極到陽極距離對放電特性的影響與放電電流無關，至于是否受到其他因素的干擾尚不清楚。

圖2 不同陰極-陽極間距下的陰極羽流形貌

圖3 陰極—陽極間距對陽極電壓及其振蕩幅度的影響

北京理工大學關于陽極結構對空心陰極放電特性的影響進行了研究，用于對比的2個陽極分別是：①直徑20 cm、長度20 cm的環形陽極，前端面距離觸持極0.5 cm；②直徑15 cm的平板陽極，距離觸持極7 cm，測量區域邊界距離觸持極0.5 cm。測量方案如圖4所示[26]。結果表明，雖然環形陽極下陽極電壓略低于平板陽極，但其放電室內空間電勢空間分布明顯更復雜，電勢振蕩遠高于平板陽極，如圖5和圖6所示[26]。在兩組實驗中，等離子體的最高電位分別出現在軸線上距離觸持極5 cm的位置(平板陽極)以及徑向上r=2 cm的位置(環形陽極)，這可能與電子的運動軌跡有關。

圖4 兩種陽極結構下測量區域示意圖

圖5 環形陽極下的平均電位和振幅

圖6 平板陽極下的平均電位和振幅

以上研究表明，陽極結構以及觸持極到陽極之間的距離是影響空心陰極放電特性的重要因素之一。較小的間距和簡單的陽極結構不利于產生復雜的電場，其電場分布也不容易發生較大的變化，規則且穩定的電場有利于維持較低的陽極電壓和較小的電壓振蕩。而過大的間距和復雜的陽極結構容易產生復雜且多變的電場分布，這樣的電場更容易導致大幅度的電壓振蕩。值得注意的是，環形電極以及離子推力器的陽極，其各部分到觸持極的間距是不同的，而陽極整體又要保持在同一個電位，這很容易引起放電振蕩，振蕩導致羽流中離子能量超過陽極電壓，造成的侵蝕率高于獨立放電[27-28]。

另一些研究表明，對空心陰極造成濺射腐蝕的高能離子的產生與加速和離子聲波有關[29-32]。當初始電子的馬赫數達到一定值時，就會產生大振幅的離子聲波，并可以觀察到大量反流的高能離子[33]。這一理論指出，等離子體中的電勢振蕩以及產生高能離子的多少，強烈依賴于電子的能量。日本國家航空航天實驗室測量了14 cm離子推力器放電室內多個位置的電子能量分布函數，發現軸線附近的點，電子能量普遍具有2個峰值，其中距離觸持極較近的點，大部分電子能量只有12 eV左右，而軸線上距離觸持極較遠的以及遠離軸線的電子，其能量峰值普遍超過30 eV，同時整個放電室內的電子能量不符合麥克斯韋分布[34]。高能電子頻繁碰撞離子，對離子進行加熱，并影響局部的電場分布，造成等離子體的異常電阻率以及空間電勢振蕩[35]。電子能量不符合麥克斯韋分布的原因還不清楚，但在異常的電子能量分布前提下，對空心陰極損耗的數值模擬結果與耦合放電實際結果具有較好的一致性，說明電子能量在空心陰極損耗中的確起著重要作用。

2.2 磁場和中性氣體緩解陰極損耗

2.2.1 磁場

空心陰極獨立放電時沒有外加磁場，而與離子推力器耦合放電中，一般會施加磁場以約束放電室內的等離子體。北京航空航天大學測量了不同磁場強度下空心陰極觸持極的腐蝕位置分布及強度，各組的實驗條件如表1所示[36]，實驗結果如圖7所示[36]。當外加磁場強度為0時，空心陰極的腐蝕主要集中在一點上，程度較重。隨著磁場強度增加，空心陰極的腐蝕面積擴大，程度減輕。原因是磁場限制了等離子體尤其是電子的徑向運動，那么碰撞產生的速度分量便集中在軸向上，使得原本集中于某一點的濺射變得分散了，要破壞空心陰極結構，需要更強的濺射總能量。因此，磁場的存在，一定程度上緩解了空心陰極的損耗，延長了壽命。

圖7 不同磁場強度下陰極腐蝕情況

2.2.2 中性氣體

同時在該實驗中，實驗人員還研究了陽極流率對陰極的影響，實驗數據及結果如表1和圖8所示[36]。在放電電流、磁場強度、陰極流率等其他條件一致的情況下，陽極流率越大，空心陰極的腐蝕程度越輕。這是因為從陽極分配器流入的工質氣體距離觸持極較近，這些中性氣體原子在受到電子和離子的碰撞時，會降低電子和離子的溫度并阻礙其運動，對緩解放電振蕩和減少離子對觸持極等的濺射有一定作用。

表1 陰極腐蝕點位置實驗的推力器操作條件

圖8 不同陽極流率下陰極腐蝕情況

哈爾濱工業大學研究發現，背景氣體壓力對空心陰極的放電穩定性有一定程度的影響，背景氣體壓力越高，空心陰極放電越穩定，雖然羽流范圍有明顯擴大，但振蕩反而變小。同時，平均離子能量和離子能量峰值均隨背壓的增大而減小，如圖9～圖11所示[37]。同理，背景中性氣體分子在受到電子和離子碰撞的同時，會使羽流中電子和離子能量降低，緩解了振蕩和觸持極等的損耗。

圖9 不同背壓下陰極羽流形貌

圖10 不同背壓和電流下的離子能量分布

圖11 電流標準差隨背壓的變化

3 霍爾推力器中的陰極受損機理

霍爾推力器的工作原理與離子推力器有所不同，在霍爾推力器中，工質氣體在環形通道中與電子碰撞發生電離，離子在電場作用下被加速，產生推力[38-39]。根據空心陰極安裝位置的不同，霍爾推力器中的陰極安裝方式分為中置與偏置兩種，當前大多數的霍爾推力器采用陰極偏置的安裝方式。在偏置陰極霍爾推力器中，決定空心陰極壽命損耗速度的則主要是羽流中的離子能量和通量[40]。

3.1 離子濺射加速陰極損耗

3.1.1 離子通量過高導致的損耗

雖然沒有離子推力器那樣封閉的放電室，但由于霍爾推力器的羽流發散角較大，偏置陰極的觸持極往往處在霍爾推力器羽流區域內。因此陰極周圍的等離子體密度同樣很高，羽流中的離子受到陽極加速，已經具有較高的能量。當其運動到觸持極附近時，在局部電場的作用下，能量進一步提高，造成的腐蝕相當嚴重。

3.1.2 離子能量過高導致的損耗

霍爾推力器的陽極為一環形通道，與離子推力器的陽極相比，結構復雜程度相對較低。但是在偏置陰極霍爾推力器中，觸持極與陽極各部分的距離也有一定差異，導致觸持極到陽極之間的電場為非對稱分布。因此放電振蕩在霍爾推力器中同樣存在。

由陽極結構以及陰極—陽極間距所導致的霍爾推力器放電振蕩，其現象和機理與離子推力器類似，此處不再贅述。北京理工大學研究發現，空心陰極與霍爾推力器耦合放電時有明顯的電流振蕩，且振蕩幅度隨放電電流的增加而迅速增大。而在空心陰極獨立放電中雖然也有微小的振蕩，但振幅不大且基本不受放電電流的影響[41]。加州理工學院通過實驗研究，將振蕩分為高頻振蕩和低頻振蕩兩種。高頻振蕩的頻率在200 kHz～1 MHz之間，主要由離子聲波引起；低頻振蕩頻率為50～200 kHz，振幅較大[42]。當放電電流、陰極流率或者磁場發生改變時，振蕩也隨之改變，其振幅可能增大，并導致陰極放電模式從點模式逐漸向羽流模式轉變。圖12為放電電流振蕩幅度隨陰極流率的變化情況[42]。一般來說，較大的電流使得陽極電壓更低，但所需的流率相應較大，在給定的放電電流下，流率越大等離子體密度也越大，平均離子能量和陽極電壓更低，更容易維持穩定的放電[29]。而最惡劣的情況一般發生在放電電流較大而陰極流率較小的情況下，此時由于離子數量較少因而導致平均離子能量增強。進一步地，在低頻振蕩中，特別是70～90 kHz的振蕩在陰極附近達到峰值，這種振蕩是由電勢梯度驅動的[43]。這表明結構復雜的陽極對耦合放電的電場分布和放電穩定性的確會產生不利影響。

圖12 不同陰極流率下電流振蕩幅度

密歇根大學研究發現，在中置陰極霍爾推力器羽流中存在非經典的電子輸運，這會導致空心陰極與霍爾推力器耦合放電的不穩定性增強。羽流中同時存在離子聲波(500～1 250 kHz)與反漂移波(50～400 kHz)[44]。離子聲波沿縱向傳播，其本質是由沿磁場方向運動的電子漂移傳播的，而反漂移波本質上是旋轉的，又稱為旋轉波。離子聲波在平行于外加磁場的方向上使有效碰撞頻率增強，超過經典碰撞頻率兩個數量級。反漂移波促進了一個依賴于電子漂移方向的各向異性碰撞頻率，徑向有效碰撞頻率比經典碰撞頻率高出3個數量級。總的來說，離子聲波導致電子對離子的加熱以及更陡峭的電勢梯度，而低頻的大幅度振蕩與瞬態電勢結構相關。密歇根大學的研究表明，非經典的離子加速的確發生在空心陰極附近。因此，離子聲波的存在是導致空心陰極耦合放電振蕩與高能離子產生的重要原因之一。

3.2 磁場緩解陰極損耗

在哈爾濱工業大學研制的磁聚焦霍爾推力器中，羽流區施加了軸向磁場，限制了等離子體的徑向運動，使得霍爾推力器的羽流發散角大幅度減小，因而在大角度上的離子通量顯著降低。這種發散角的收斂能夠在軸向上保持較長的一段距離，當羽流發散角足夠小，使得觸持極處于羽流區之外時，撞擊在觸持極上的離子通量也會降低，有效地減弱了羽流中的離子對空心陰極觸持極的濺射程度[45]。日本航空航天勘探局分別測量了有磁場和無磁場時空心陰極的點火和持續放電特性，圖13為觸持極電壓振蕩、電流振蕩、平均電壓、點火電壓分別在有無磁場情況下的對比[46]。由于局部和瞬態的電勢梯度對等離子體的加熱受到磁場的影響，對電子的影響尤其明顯。電離不穩定性強烈依賴于電子溫度，而磁場的存在顯著縮小了電子的拉莫爾回旋半徑，使得小范圍內電子與其他離子的碰撞頻率大幅度增加。因而被電場加熱的電子在磁場的作用下頻繁碰撞從而失去能量，溫度降低，這一機制有效降低了電離不穩定性。

圖13 磁場對電流和電壓特性的影響

在空心陰極管內，來自發射體的原初電子電離中性氣體，產生的電子和離子均通過陰極尾部的節流孔進入放電室。部分離子由于具有較大的徑向速度分量，會在向下游運動的過程中無法通過節流孔而撞擊在節流孔板上產生濺射腐蝕，導致節流孔徑擴大，逐漸難以維持管內氣壓而無法點火[1,15]。同理，部分電子通過節流孔后會撞擊在觸持極內壁上，造成電流損失[47]，這是引起空心陰極放電振蕩的另一個原因。雖然使用六硼化鑭材料作為觸持極進行電流補償能夠緩解振蕩[48]，但這種思路目前還處于實驗階段，且更換材料容易帶來其他方面的問題。

而磁場能夠減小離子對節流孔的撞擊以及電子的損失：平行于軸線方向的磁場能夠抑制等離子體的徑向運動，這一作用針對電子尤其明顯，當電子的徑向運動被抑制，那么撞擊在觸持極上的電子數量就會大大降低，電流損失也隨之降低，有利于緩解放電振蕩，如圖14所示[49]。

圖14 磁場強度對電流和電壓振蕩幅度的影響

當磁場足夠強時，離子的徑向運動也被抑制，因而離子能夠更多地通過節流孔而不是撞擊在節流孔板上，這樣能夠有效地保護空心陰極的結構件，這一機制在離子推力器中同樣存在。俄羅斯高流電子研究所的相關研究也表明，磁場具有減小電子束直徑的作用，但其對電子束直徑的影響是非單調的，當磁場強度特別大時，電子束直徑反而會急劇增加[50]。同時，當電子束直徑小于節流孔和觸持極孔的孔徑時，進一步增強磁場是非必要的。因此，針對特定規格的空心陰極，利用磁場緩解損耗時需要根據實際情況靈活處理，此外還要綜合考慮到磁場對推力器性能參數等其他方面的影響。

4 結論

4.1 當前研究結論

綜合離子推力器與霍爾推力器目前的研究成果，可以得出以下結論。

1)空心陰極與離子推力器和霍爾推力器耦合放電過程中，其工作特性、壽命及所處的等離子體環境的確與獨立放電存在較大的差異。

2)空心陰極在與離子推力器和霍爾推力器耦合放電時，造成其壽命縮短的主要原因是大量高能離子對結構件的腐蝕破壞。

3)高能離子的產生來源于耦合放電振蕩，放電振蕩在空心陰極與離子推力器和霍爾推力器耦合放電過程中均存在，振蕩可能由復雜的陽極結構及局部瞬態電場、陡峭的電勢梯度、不正確的放電電流、陽極流率及離子聲波所導致。

4)磁場能夠對空心陰極起到保護作用：①在離子推力器中，軸向磁場使得陰極表面原本集中的腐蝕變得分散，程度減輕；②在磁聚焦霍爾推力器中，磁場大幅度減小了羽流發散角，當空心陰極的觸持極不再處于羽流范圍內時，轟擊觸持極的離子通量顯著減小；③在空心陰極內部，磁場會限制等離子體的徑向運動，不僅可以減輕節流孔板受到的離子濺射，還能夠減小觸持極上的電流損失，抑制放電振蕩。

5)中性氣體對空心陰極的腐蝕有緩解作用，不管是陽極的工質氣體，還是其他背景氣體，都能夠吸收高能離子的能量，保護陰極。但在工程應用中，空間背景壓力很低，陽極流率也受到多方面的限制，實際上能產生的效果并不明顯。

4.2 后續研究計劃

耦合放電振蕩高度依賴于電子能量，并且電子能量一般不符合麥克斯韋分布。不同頻率的振蕩，其特性有明顯區別，產生振蕩的機理尚不清楚，放電室和羽流中等離子體參數目前也沒有良好的模型，已有的理論和假設無法很好地解釋這些問題。未來還需要進一步的研究，全面總結空心陰極壽命損耗加速的現象和機理。

1)測量空心陰極獨立放電與耦合放電時濺射觸持極的離子能量分布函數，或進行獨立放電與耦合放電的壽命實驗并進行對比，明確對于特定的空心陰極及推力器型號，耦合放電對壽命損耗的加速系數。

2)測量獨立放電與耦合放電兩種情況下放電室內或羽流中的等離子體特性，明確等離子體中粒子溫度、密度、電勢等參數的空間分布情況，分析其與壽命損耗速度之間的聯系。