湿热环境对改进型钡钨发射体空心阴极放电特性的影响

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兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理国防科技重点实验室，兰州 730000

六硼化镧空心阴极由于具备抗中毒能力强的优点，因此被广泛地应用于离子推力器、霍尔推力器及空间站接触器等产品中[1]。兰州空间技术物理研究所研制的LHC-5型六硼化镧空心阴极已随20 cm口径离子推力器以及10 cm霍尔推力器完成了在轨飞行验证[2]，且各项性能参数均符合预期值。虽然六硼化镧空心阴极具备成熟度高、抗中毒能力强等优点，但基于现有六硼化镧空心阴极设计的推力器，由于六硼化镧材料本身的高逸出功，存在推力器阳极电压较高的问题。放电室内的离子在阳极电压的加速作用下会刻蚀屏栅并使其发生结构失效[3]，最终使得推力器寿命终止。该机制已成为六硼化镧阴极推力器的主要失效模式之一。

国内外研制的大口径离子推力器的阳极电压通常大于30 V，尽管采用了调整栅极孔径排列方式、厚度、磁场位形调整、改善供气方式等诸多改进措施，但仍未见阳极电压实现本质性降低的报道。现有LIPS系列推力器所采用的为阳极电压较高的六硼化镧阴极，但目前还未对低电压的空心阴极做过相应的研究，这成了进一步提高推力器寿命的重大制约因素。

解决离子推力器寿命的有效途径之一是采用阳极电压更低的钡钨阴极。该类阴极能有效地降低离子推力器的阳极电压。根据国内外的初步测量结果，同一规格型号的阴极，钡钨型阴极阳极电压低于六硼化镧型约3～4 V[4-5]；据估算，使用钡钨型阴极后，屏栅寿命可以提升至22 000 h。传统钡钨阴极存在抗中毒能力差的问题，当在含水量较高的环境中暴露较长时间后，钡钨阴极的发射体会发生中毒，阴极电子发射能力将下降。为获得同样大小的电子电流，推力器阳极电压会对应上升，屏栅刻蚀加剧，这将最终导致推力器寿命无法达到预期要求。

为解决未来新型推力器的长寿命要求，兰州空间技术物理研究所研制了强抗中毒能力的LHC-3改进型钡钨发射体空心阴极，在相对湿度95%、温度32℃的湿热试验环境中进行了阴极抗中毒能力测试，随后在TS-5A真空试验舱内进行了组件级和推力器级的性能测试，通过与同型号六硼化镧进行对比证明了其应用于未来型号任务的可行性。

1 试验装置及产品

本次试验装置包括空心阴极产品本体、供气系统、供电系统以及真空舱。真空舱体积1.5m3左右，极限真空度为10-4Pa量级，真空度使用一台分子泵及一台机械泵维持。

试验用加热电源为Agilent6653A型稳压稳流电源，控制精度优于1%，采样读数测量精度优于1.5%FS。阳极、触持电源为AgilentN5749A型稳压稳流电源，控制精度优于1%，采样读数测量精度优于1.5%FS，阴极顶测温采用WGG2-201光学高温计。

试验用点火电源连接在阴极触持极上，可以为阴极提供幅值大于900 V、放电间隔为10 ms的点火脉冲。阴极在稳定自持放电后的电参数，如：触持电压、阳极电压、触持电压振荡、阳极电压振荡则采用Tektronix高压探头采集。试验装置如图1所示。

试验采用的阳极为直径10 cm、厚度2 mm的圆形金属钛板,试验采用宇航级高纯氙气进行供气，供气纯度优于99.999 5%。

参试产品为2支改进型钡钨阴极和2支六硼化镧阴极，在下文中分别以“改进型钡钨-1”、“改进型钡钨-2”、“六硼化镧-1”、“六硼化镧-2”为标识。

图1 空心阴极试验装置原理Fig.1 Schematic diagram of hollow cathode test facility

4支参试阴极产品的结构尺寸完全一致，唯一不同处为其所采用的发射体材料。改进型钡钨阴极采用兰州空间技术物理研究所新研制的具有强抗中毒能力的新型钡钨材料作为发射体。后者则采用传统的多晶六硼化镧材料作为发射体，与已经用于LHT-100、LIPS-200推力器产品的空心阴极保持一致。而与传统钡钨阴极相比，改进型钡钨阴极采用新工艺，在构成发射体的钨海绵基体中浸入了钪的氧化物。钨基体小孔中形成了一层均匀的、纳米尺寸的氧化物，阴极工作时，发射体一旦被加热，其表面就会形成一层Ba-Sc-O成分的化合物薄膜，从而改善了阴极的发射特性以及抗中毒特性。空心阴极组件主要分为：阴极管、加热丝、发射体、热屏、触持极、法兰等部分，具体如图2所示。

2 试验结果及讨论

2.1 改进型钡钨阴极抗中毒能力测试

空心阴极装配推力器后需要经历贮存、转运、试验等过程，期间将会暴露在湿热环境中。发射体受到水、氧等成分影响后，其发射性能有可能降低，影响到推力器的正常工作[5-8]。

已有一些工作对钡钨空心阴极的抗中毒能力进行了研究，但这些研究大部分是对钡钨型材料本身的抗中毒能力进行了测试，并未进行组件级的测试。为获取更具参考性的结果，本文设计试验对LHC-3型空心阴极进行了测试。试验在湿热环境试验箱内进行，为模拟发射场的湿热环境，试验过程中采用一支钡钨型阴极与一支六硼化镧阴极，在相对湿度95%、温度32℃的环境中放置10×24 h，试验前后分别测试空心阴极的关键性能参数，用以判断阴极性能是否发生衰退。

图3所示为LHC-3空心阴极经历湿热试验前后在二极管模式下测试的触持电压对比。从图中可以看出，暴露在严苛湿热环境10×24 h后，两种空心阴极的性能参数变化不大，变化幅度均在1 V范围内，阴极性能未出现衰退。可见，改进型钡钨空心阴极具备较强的抗中毒能力。

2.2 钡钨型阴极组件级点火特性分析

首先，对钡钨型空心阴极及六硼化镧型空心阴极的性能进行了组件级性能对比。由于空心阴极的放电模式会影响到阴极的放电特性，因此所有的性能测试均在同样的工况点下进行，阴极的点火特性测试均是在三极管模式下进行。

六硼化镧型空心阴极点火时间如图4所示，钡钨型空心阴极点火时间如图5所示。

测试方法为：设置触持电压为60 V，触持电流0.6 A，氙气流率0.108 8 mg/s。设置阳极电压为60 V，阳极电流1.6 A。点火时序为设置加热电流7.5 A，开加热3 min后，开触持电源、点火电源进行点火。点火成功后维持20 min，冷却20 min，循环50次，监测每次点火的点火时间与点火功率。

图4 六硼化镧型空心阴极点火时间Fig.4 Ignition time as a function of number of cycles

图5 钡钨型空心阴极点火时间Fig.5 Ignition time as a function of number of cycles

测试结果表明，六硼化镧型空心阴极与钡钨型空心阴极的点火成功率均为100%。为计算两类不同发射体空心阴极的点火时间波动性，对点火时间的极差进行了计算。六硼化镧阴极的点火时间分布在180～225 s的范围内，2支阴极点火时间的极差分别为41 s、28 s，平均值为34.5 s。钡钨阴极的点火时间分布在180～230 s的范围内，2支阴极点火时间的极差分别为20 s、12 s，平均值为16 s。两者对比，钡钨阴极的点火时间与六硼化镧型无明显差别，但钡钨型空心阴极的点火的一致性更好。

表1所列为空心阴极50次点火的点火功率平均值，钡钨型空心阴极的平均点火功率为57.96 W，六硼化镧型的平均点火功率为74.13W。即获得同样大小的发射电流，六硼化镧型空心阴极要额外消耗约16 W左右功率。这是因为获取同样大小的发射电流密度，钡钨型阴极所需的温度要低于六硼化镧型空心阴极。也就是说，采用同样的热子设计，钡钨型阴极仅需较低的加热功率就可以成功点火。

表1 点火功率平均值

可以通过Richardson-Dushman公式[9-11]来解释加钡钨型阴极加热功率较低的现象。

(1)

式中：J是发射电流密度；A是与发射体材料相关的常数，对于六硼化镧材料是120 A·cm-2·K-2；T是开氏温度；e是电子电量；k是玻尔兹曼常数；φ是发射体的功函。由式(1)可以看出，当发射体功函较低时，仅需较低的温度就可以获取同等大小的发射电流密度。这就是钡钨阴极的点火功率低于六硼化镧阴极的原因。

图6给出了2种空心阴极以三极管模式工作、发射2.2 A电流时阴极顶温度随点火时间的变化。从图6中可以看出，设计完全相同的空心阴极，采用钡钨材质的发射体时，其热平衡温度要比采用六硼化镧发射体时低250℃。也就是说，采用较低加热功率就可以维持钡钨型阴极的自持放电。而由于阴极的放电电流为恒定值，因此钡钨型阴极工作时所需的维持电压也相应更低。

图6 阴极顶温度随点火时间的变化Fig.6 Cathode tip temperature as function of time

2.3 钡钨型阴极推力器级点火特性分析

最后，将LHC-3型钡钨空心阴极安装于离子推力器进行测试，并与六硼化镧型阴极的数据进行对比分析。由于LHC-3型空心阴极的发射电流设计值较低，因此试验采用10 cm口径离子推力器进行。

图7所示为2种空心阴极与10 cm口径离子推力器匹配后不同工况点下主触电压及阳极电压的对比。10个工况点下使用钡钨型空心阴极时的主触电压最大值为9.12 V，最小值为8.06 V。使用六硼化镧型空心阴极时主触电压最大值为14.45 V，最小值为13.44 V。空心阴极与离子推力器匹配时电压所表现的趋势与组件级测试时完全相同，即采用钡钨型空心阴极时的电压明显低于采用六硼化镧型阴极时。图7所示的阳极电压规律也相同，采用钡钨型空心阴极时的阳极电压参数低于采用六硼化镧型约8～10 V。由于限制离子推力器的屏栅极寿命与阳极电压呈反比，因此，采用钡钨型空心阴极能够明显提升离子推力器的寿命。

图7 2种阴极电压变化曲线对比Fig.7 Comparison of two kinds of cathode voltage variations

3 结束语

对改进型钡钨空心阴极进行了相对湿度95%、温度32℃的持续240 h试验考核并测试试验后电性能参数，发现改进型钡钨阴极在组件级别具有较强的抗中毒能力。对设计完全一致的改进型钡钨空心阴极和六硼化镧阴极进行了组件级和推力器级的性能测试并监控阴极顶温度，发现同样工作点下前者的工作温度低于后者250℃。组件级阳极电压低于六硼化镧型4～5 V，推力器级阳极电压低于六硼化镧型8～10 V。

以上结果表明，改进型钡钨阴极的抗中毒能力相较于传统型阴极明显提升，可以满足推力器应用需求。另外，改进型钡钨阴极无论是在组件级或者推力器级下各工作点的性能均优于六硼化镧型阴极，这意味着较低的离子推力器屏栅刻蚀率，并为未来大功率、长寿命离子或者霍尔推力器的主阴极及中和器提供了新的选择。

尽管改进型钡钨阴极在抗中毒能力、电性能方面均表现优异，但现有工作仅研究了小发射电流阴极，应用范围较窄。未来将对大发射电流钡钨空心阴极的开展相应研究，测试验证其抗中毒能力，以为改进型钡钨空心阴极在未来型号中的应用打下良好的基础。