濕熱環(huán)境對(duì)改進(jìn)型鋇鎢發(fā)射體空心陰極放電特性的影響

，，

蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

六硼化鑭空心陰極由于具備抗中毒能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于離子推力器、霍爾推力器及空間站接觸器等產(chǎn)品中[1]。蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LHC-5型六硼化鑭空心陰極已隨20 cm口徑離子推力器以及10 cm霍爾推力器完成了在軌飛行驗(yàn)證[2]，且各項(xiàng)性能參數(shù)均符合預(yù)期值。雖然六硼化鑭空心陰極具備成熟度高、抗中毒能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但基于現(xiàn)有六硼化鑭空心陰極設(shè)計(jì)的推力器，由于六硼化鑭材料本身的高逸出功，存在推力器陽(yáng)極電壓較高的問(wèn)題。放電室內(nèi)的離子在陽(yáng)極電壓的加速作用下會(huì)刻蝕屏柵并使其發(fā)生結(jié)構(gòu)失效[3]，最終使得推力器壽命終止。該機(jī)制已成為六硼化鑭陰極推力器的主要失效模式之一。

國(guó)內(nèi)外研制的大口徑離子推力器的陽(yáng)極電壓通常大于30 V，盡管采用了調(diào)整柵極孔徑排列方式、厚度、磁場(chǎng)位形調(diào)整、改善供氣方式等諸多改進(jìn)措施，但仍未見(jiàn)陽(yáng)極電壓實(shí)現(xiàn)本質(zhì)性降低的報(bào)道?，F(xiàn)有LIPS系列推力器所采用的為陽(yáng)極電壓較高的六硼化鑭陰極，但目前還未對(duì)低電壓的空心陰極做過(guò)相應(yīng)的研究，這成了進(jìn)一步提高推力器壽命的重大制約因素。

解決離子推力器壽命的有效途徑之一是采用陽(yáng)極電壓更低的鋇鎢陰極。該類(lèi)陰極能有效地降低離子推力器的陽(yáng)極電壓。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的初步測(cè)量結(jié)果，同一規(guī)格型號(hào)的陰極，鋇鎢型陰極陽(yáng)極電壓低于六硼化鑭型約3～4 V[4-5]；據(jù)估算，使用鋇鎢型陰極后，屏柵壽命可以提升至22 000 h。傳統(tǒng)鋇鎢陰極存在抗中毒能力差的問(wèn)題，當(dāng)在含水量較高的環(huán)境中暴露較長(zhǎng)時(shí)間后，鋇鎢陰極的發(fā)射體會(huì)發(fā)生中毒，陰極電子發(fā)射能力將下降。為獲得同樣大小的電子電流，推力器陽(yáng)極電壓會(huì)對(duì)應(yīng)上升，屏柵刻蝕加劇，這將最終導(dǎo)致推力器壽命無(wú)法達(dá)到預(yù)期要求。

為解決未來(lái)新型推力器的長(zhǎng)壽命要求，蘭州空間技術(shù)物理研究所研制了強(qiáng)抗中毒能力的LHC-3改進(jìn)型鋇鎢發(fā)射體空心陰極，在相對(duì)濕度95%、溫度32℃的濕熱試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行了陰極抗中毒能力測(cè)試，隨后在TS-5A真空試驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行了組件級(jí)和推力器級(jí)的性能測(cè)試，通過(guò)與同型號(hào)六硼化鑭進(jìn)行對(duì)比證明了其應(yīng)用于未來(lái)型號(hào)任務(wù)的可行性。

1 試驗(yàn)裝置及產(chǎn)品

本次試驗(yàn)裝置包括空心陰極產(chǎn)品本體、供氣系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及真空艙。真空艙體積1.5m3左右，極限真空度為10-4Pa量級(jí)，真空度使用一臺(tái)分子泵及一臺(tái)機(jī)械泵維持。

試驗(yàn)用加熱電源為Agilent6653A型穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，控制精度優(yōu)于1%，采樣讀數(shù)測(cè)量精度優(yōu)于1.5%FS。陽(yáng)極、觸持電源為AgilentN5749A型穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，控制精度優(yōu)于1%，采樣讀數(shù)測(cè)量精度優(yōu)于1.5%FS，陰極頂測(cè)溫采用WGG2-201光學(xué)高溫計(jì)。

試驗(yàn)用點(diǎn)火電源連接在陰極觸持極上，可以為陰極提供幅值大于900 V、放電間隔為10 ms的點(diǎn)火脈沖。陰極在穩(wěn)定自持放電后的電參數(shù)，如：觸持電壓、陽(yáng)極電壓、觸持電壓振蕩、陽(yáng)極電壓振蕩則采用Tektronix高壓探頭采集。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

試驗(yàn)采用的陽(yáng)極為直徑10 cm、厚度2 mm的圓形金屬鈦板,試驗(yàn)采用宇航級(jí)高純氙氣進(jìn)行供氣，供氣純度優(yōu)于99.999 5%。

參試產(chǎn)品為2支改進(jìn)型鋇鎢陰極和2支六硼化鑭陰極，在下文中分別以“改進(jìn)型鋇鎢-1”、“改進(jìn)型鋇鎢-2”、“六硼化鑭-1”、“六硼化鑭-2”為標(biāo)識(shí)。

圖1 空心陰極試驗(yàn)裝置原理Fig.1 Schematic diagram of hollow cathode test facility

4支參試陰極產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸完全一致，唯一不同處為其所采用的發(fā)射體材料。改進(jìn)型鋇鎢陰極采用蘭州空間技術(shù)物理研究所新研制的具有強(qiáng)抗中毒能力的新型鋇鎢材料作為發(fā)射體。后者則采用傳統(tǒng)的多晶六硼化鑭材料作為發(fā)射體，與已經(jīng)用于LHT-100、LIPS-200推力器產(chǎn)品的空心陰極保持一致。而與傳統(tǒng)鋇鎢陰極相比，改進(jìn)型鋇鎢陰極采用新工藝，在構(gòu)成發(fā)射體的鎢海綿基體中浸入了鈧的氧化物。鎢基體小孔中形成了一層均勻的、納米尺寸的氧化物，陰極工作時(shí)，發(fā)射體一旦被加熱，其表面就會(huì)形成一層Ba-Sc-O成分的化合物薄膜，從而改善了陰極的發(fā)射特性以及抗中毒特性?？招年帢O組件主要分為：陰極管、加熱絲、發(fā)射體、熱屏、觸持極、法蘭等部分，具體如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 改進(jìn)型鋇鎢陰極抗中毒能力測(cè)試

空心陰極裝配推力器后需要經(jīng)歷貯存、轉(zhuǎn)運(yùn)、試驗(yàn)等過(guò)程，期間將會(huì)暴露在濕熱環(huán)境中。發(fā)射體受到水、氧等成分影響后，其發(fā)射性能有可能降低，影響到推力器的正常工作[5-8]。

已有一些工作對(duì)鋇鎢空心陰極的抗中毒能力進(jìn)行了研究，但這些研究大部分是對(duì)鋇鎢型材料本身的抗中毒能力進(jìn)行了測(cè)試，并未進(jìn)行組件級(jí)的測(cè)試。為獲取更具參考性的結(jié)果，本文設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)LHC-3型空心陰極進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)在濕熱環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行，為模擬發(fā)射場(chǎng)的濕熱環(huán)境，試驗(yàn)過(guò)程中采用一支鋇鎢型陰極與一支六硼化鑭陰極，在相對(duì)濕度95%、溫度32℃的環(huán)境中放置10×24 h，試驗(yàn)前后分別測(cè)試空心陰極的關(guān)鍵性能參數(shù)，用以判斷陰極性能是否發(fā)生衰退。

圖3所示為L(zhǎng)HC-3空心陰極經(jīng)歷濕熱試驗(yàn)前后在二極管模式下測(cè)試的觸持電壓對(duì)比。從圖中可以看出，暴露在嚴(yán)苛濕熱環(huán)境10×24 h后，兩種空心陰極的性能參數(shù)變化不大，變化幅度均在1 V范圍內(nèi)，陰極性能未出現(xiàn)衰退?？梢?jiàn)，改進(jìn)型鋇鎢空心陰極具備較強(qiáng)的抗中毒能力。

2.2 鋇鎢型陰極組件級(jí)點(diǎn)火特性分析

首先，對(duì)鋇鎢型空心陰極及六硼化鑭型空心陰極的性能進(jìn)行了組件級(jí)性能對(duì)比。由于空心陰極的放電模式會(huì)影響到陰極的放電特性，因此所有的性能測(cè)試均在同樣的工況點(diǎn)下進(jìn)行，陰極的點(diǎn)火特性測(cè)試均是在三極管模式下進(jìn)行。

六硼化鑭型空心陰極點(diǎn)火時(shí)間如圖4所示，鋇鎢型空心陰極點(diǎn)火時(shí)間如圖5所示。

測(cè)試方法為：設(shè)置觸持電壓為60 V，觸持電流0.6 A，氙氣流率0.108 8 mg/s。設(shè)置陽(yáng)極電壓為60 V，陽(yáng)極電流1.6 A。點(diǎn)火時(shí)序?yàn)樵O(shè)置加熱電流7.5 A，開(kāi)加熱3 min后，開(kāi)觸持電源、點(diǎn)火電源進(jìn)行點(diǎn)火。點(diǎn)火成功后維持20 min，冷卻20 min，循環(huán)50次，監(jiān)測(cè)每次點(diǎn)火的點(diǎn)火時(shí)間與點(diǎn)火功率。

圖4 六硼化鑭型空心陰極點(diǎn)火時(shí)間Fig.4 Ignition time as a function of number of cycles

圖5 鋇鎢型空心陰極點(diǎn)火時(shí)間Fig.5 Ignition time as a function of number of cycles

測(cè)試結(jié)果表明，六硼化鑭型空心陰極與鋇鎢型空心陰極的點(diǎn)火成功率均為100%。為計(jì)算兩類(lèi)不同發(fā)射體空心陰極的點(diǎn)火時(shí)間波動(dòng)性，對(duì)點(diǎn)火時(shí)間的極差進(jìn)行了計(jì)算。六硼化鑭陰極的點(diǎn)火時(shí)間分布在180～225 s的范圍內(nèi)，2支陰極點(diǎn)火時(shí)間的極差分別為41 s、28 s，平均值為34.5 s。鋇鎢陰極的點(diǎn)火時(shí)間分布在180～230 s的范圍內(nèi)，2支陰極點(diǎn)火時(shí)間的極差分別為20 s、12 s，平均值為16 s。兩者對(duì)比，鋇鎢陰極的點(diǎn)火時(shí)間與六硼化鑭型無(wú)明顯差別，但鋇鎢型空心陰極的點(diǎn)火的一致性更好。

表1所列為空心陰極50次點(diǎn)火的點(diǎn)火功率平均值，鋇鎢型空心陰極的平均點(diǎn)火功率為57.96 W，六硼化鑭型的平均點(diǎn)火功率為74.13W。即獲得同樣大小的發(fā)射電流，六硼化鑭型空心陰極要額外消耗約16 W左右功率。這是因?yàn)楂@取同樣大小的發(fā)射電流密度，鋇鎢型陰極所需的溫度要低于六硼化鑭型空心陰極。也就是說(shuō)，采用同樣的熱子設(shè)計(jì)，鋇鎢型陰極僅需較低的加熱功率就可以成功點(diǎn)火。

表1 點(diǎn)火功率平均值

可以通過(guò)Richardson-Dushman公式[9-11]來(lái)解釋加鋇鎢型陰極加熱功率較低的現(xiàn)象。

(1)

式中：J是發(fā)射電流密度；A是與發(fā)射體材料相關(guān)的常數(shù)，對(duì)于六硼化鑭材料是120 A·cm-2·K-2；T是開(kāi)氏溫度；e是電子電量；k是玻爾茲曼常數(shù)；φ是發(fā)射體的功函。由式(1)可以看出，當(dāng)發(fā)射體功函較低時(shí)，僅需較低的溫度就可以獲取同等大小的發(fā)射電流密度。這就是鋇鎢陰極的點(diǎn)火功率低于六硼化鑭陰極的原因。

圖6給出了2種空心陰極以三極管模式工作、發(fā)射2.2 A電流時(shí)陰極頂溫度隨點(diǎn)火時(shí)間的變化。從圖6中可以看出，設(shè)計(jì)完全相同的空心陰極，采用鋇鎢材質(zhì)的發(fā)射體時(shí)，其熱平衡溫度要比采用六硼化鑭發(fā)射體時(shí)低250℃。也就是說(shuō)，采用較低加熱功率就可以維持鋇鎢型陰極的自持放電。而由于陰極的放電電流為恒定值，因此鋇鎢型陰極工作時(shí)所需的維持電壓也相應(yīng)更低。

圖6 陰極頂溫度隨點(diǎn)火時(shí)間的變化Fig.6 Cathode tip temperature as function of time

2.3 鋇鎢型陰極推力器級(jí)點(diǎn)火特性分析

最后，將LHC-3型鋇鎢空心陰極安裝于離子推力器進(jìn)行測(cè)試，并與六硼化鑭型陰極的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由于LHC-3型空心陰極的發(fā)射電流設(shè)計(jì)值較低，因此試驗(yàn)采用10 cm口徑離子推力器進(jìn)行。

圖7所示為2種空心陰極與10 cm口徑離子推力器匹配后不同工況點(diǎn)下主觸電壓及陽(yáng)極電壓的對(duì)比。10個(gè)工況點(diǎn)下使用鋇鎢型空心陰極時(shí)的主觸電壓最大值為9.12 V，最小值為8.06 V。使用六硼化鑭型空心陰極時(shí)主觸電壓最大值為14.45 V，最小值為13.44 V?？招年帢O與離子推力器匹配時(shí)電壓所表現(xiàn)的趨勢(shì)與組件級(jí)測(cè)試時(shí)完全相同，即采用鋇鎢型空心陰極時(shí)的電壓明顯低于采用六硼化鑭型陰極時(shí)。圖7所示的陽(yáng)極電壓規(guī)律也相同，采用鋇鎢型空心陰極時(shí)的陽(yáng)極電壓參數(shù)低于采用六硼化鑭型約8～10 V。由于限制離子推力器的屏柵極壽命與陽(yáng)極電壓呈反比，因此，采用鋇鎢型空心陰極能夠明顯提升離子推力器的壽命。

圖7 2種陰極電壓變化曲線對(duì)比Fig.7 Comparison of two kinds of cathode voltage variations

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)改進(jìn)型鋇鎢空心陰極進(jìn)行了相對(duì)濕度95%、溫度32℃的持續(xù)240 h試驗(yàn)考核并測(cè)試試驗(yàn)后電性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)型鋇鎢陰極在組件級(jí)別具有較強(qiáng)的抗中毒能力。對(duì)設(shè)計(jì)完全一致的改進(jìn)型鋇鎢空心陰極和六硼化鑭陰極進(jìn)行了組件級(jí)和推力器級(jí)的性能測(cè)試并監(jiān)控陰極頂溫度，發(fā)現(xiàn)同樣工作點(diǎn)下前者的工作溫度低于后者250℃。組件級(jí)陽(yáng)極電壓低于六硼化鑭型4～5 V，推力器級(jí)陽(yáng)極電壓低于六硼化鑭型8～10 V。

以上結(jié)果表明，改進(jìn)型鋇鎢陰極的抗中毒能力相較于傳統(tǒng)型陰極明顯提升，可以滿足推力器應(yīng)用需求。另外，改進(jìn)型鋇鎢陰極無(wú)論是在組件級(jí)或者推力器級(jí)下各工作點(diǎn)的性能均優(yōu)于六硼化鑭型陰極，這意味著較低的離子推力器屏柵刻蝕率，并為未來(lái)大功率、長(zhǎng)壽命離子或者霍爾推力器的主陰極及中和器提供了新的選擇。

盡管改進(jìn)型鋇鎢陰極在抗中毒能力、電性能方面均表現(xiàn)優(yōu)異，但現(xiàn)有工作僅研究了小發(fā)射電流陰極，應(yīng)用范圍較窄。未來(lái)將對(duì)大發(fā)射電流鋇鎢空心陰極的開(kāi)展相應(yīng)研究，測(cè)試驗(yàn)證其抗中毒能力，以為改進(jìn)型鋇鎢空心陰極在未來(lái)型號(hào)中的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。