空心陰極放電振蕩的頻譜分析試驗

馮 杰，趙 勇，王尚民，劉 超，岳士超，賈艷輝

(蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

空心陰極是一種高效的電子源，由于克服了金屬絲狀陰極存在的壽命短的缺點，且其具有可以在較低的電壓下發(fā)射較大的電流的優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于離子推力器、霍爾推力器等多種靜電型推力器中[1-4]。但被用作不同用途時，空心陰極所處的環(huán)境也不相同。如空心陰極作離子推力器主陰極時，放電室內(nèi)的錐形或圓筒形金屬電極充當(dāng)了陽極，此時背景氣氛中同時外加了環(huán)尖或會切磁場?？招年帢O做離子推力器中和器時，空心陰極發(fā)射電子電流，用以中和呈正電性的離子束流，此時由離子束流充當(dāng)陽極。再如當(dāng)空心陰極充當(dāng)霍爾推力器的放電陰極時，它同時起到了放電主陰極和中和器的角色，推力器尚未引出束流時，陰極發(fā)射的電子進入放電通道作為原初電子誘發(fā)放電，此時的陽極為霍爾推力器底部金屬電極。一旦當(dāng)放電腔內(nèi)成功建立了放電過程并引出束流后，就由霍爾推力器的束流充當(dāng)陽極，此時由束流引出空心陰極內(nèi)部的電子電流，并起到束流中正離子的效果。因此，以陽極狀態(tài)來區(qū)分，空心陰極有兩種典型工作狀態(tài)，一是由金屬電極作為陽極的情況，該情況多見于主陰極模式。第二種是由推力器噴出的離子束流作陽極，該情況多見于中和器模式[5]。

通常，在對陰極進行大批次的組件級篩選試驗時，出于試驗成本及方便性考慮，基本都采用金屬陽極結(jié)構(gòu)，如美國于1990年基于SERT Ⅱ型推力器結(jié)構(gòu)加工了鉬材質(zhì)陽極，以此作為工裝對放電陰極開展了5 000 h的長壽命考核[6]。美國2009年針對XIPS—25放電陰極進行的壽命考核雖然采用了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的放電室模擬器方案，加入了磁場環(huán)境，但依然采用金屬陽極。金屬陽極結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于可以準(zhǔn)確、便捷的獲得陰極關(guān)鍵放電參數(shù)。但這種考核方式忽略了等離子體環(huán)境可能帶來的振蕩作用。

根據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果，推力器本身存在多種類型的振蕩，如從試驗上觀測的霍爾推力器的電離振蕩(10～100 kHz)、軸向等離子體輸運振蕩(100～1 000 kHz)、電子回旋振蕩(10 MHz附近)、Langmuire振蕩(1 000 MHz)等多種振蕩。一些仿真工作也證實了振蕩的存在，如NASA開發(fā)的1D仿真代碼成功預(yù)測了稱為“呼吸模式”或“狩獵—捕捉模式”的頻率為16 kHz左右的振蕩[7-10]。仿真與實驗值的數(shù)值出入來自于工質(zhì)供氣流量、放電電流的不同。

空心陰極自身同樣也存在不同類型的振蕩[11-15]。典型的有：

1)50～1 000 kHz之間的等離子體放電振蕩。

2)放電回路調(diào)制振蕩。這種情況常見于當(dāng)空心陰極從點模式進入到羽流模式時，對應(yīng)電壓振蕩也會從點模式下的幾伏特升高至羽流模式下的十幾伏特，此時如果電壓振蕩足夠大，則會引起電源的調(diào)制困難，最終導(dǎo)致回路中出現(xiàn)分布在100～1 000 Hz之間的放電振蕩。

3)“predator-prey(捕食者—獵物模式)”的分布在50～250 kHz之間的放電振蕩。當(dāng)放電電流增大時，空心陰極羽流區(qū)中的電離比率將對應(yīng)增大，并導(dǎo)致電離不穩(wěn)定性，該情況下等離子體放電會消耗掉大部分中性氣體并引起相應(yīng)的振蕩，大部分時候這種振蕩的頻率范圍都在50～250 kHz之間。具體數(shù)值則與放電空間的幾何尺寸及具體元器件尺寸相關(guān)。這種電離不穩(wěn)定性在試驗中最易觀測到，如一些研究中利用探針觀測離子飽和電流時就監(jiān)測到了這種振蕩[16]，一般來說，這種振蕩可以通過合適的選擇供氣流量或在陰極羽流區(qū)中施加合適方向的磁場來避免。

以上提及的不同類型振蕩，如空心陰極在羽流模式下的電路調(diào)制振蕩或推力器的放電振蕩，在實際工作中會通過“離子束流—陰極羽流”間的相互作用發(fā)生耦合，并對推力器或陰極的關(guān)鍵部位組件或放電陶瓷腔起到加速腐蝕的負(fù)面效果[17-18]，極大的降低推力器、陰極的工作壽命。而當(dāng)采用前述的金屬陽極結(jié)構(gòu)進行性能考核時，這種由于氣體放電帶來的振蕩作用就被忽略了。

目前國內(nèi)外大部分關(guān)于空心陰極的研究均集中在其電流—電壓特性研究或是長壽命性能的考核，較少有針對不同類型陽極對陰極放電特性的影響。因此，有必要深入分析陽極板結(jié)構(gòu)和與離子束流作為陽極時的異同，并確認(rèn)其引起振蕩的主要頻率分量，以在設(shè)計放電回路時避開這些可能導(dǎo)致電源發(fā)生諧振的頻率分量。

1 試驗裝置及產(chǎn)品

試驗裝置及產(chǎn)品包括推力器、真空艙、PPU及供氣管路。真空艙體積1.5 m3，設(shè)備由兩臺分子泵維持真空，工作真空度在10-3Pa量級。PPU(電源處理單元)為自研產(chǎn)品，放電電壓、電壓振蕩、電流、電流振蕩則使用ROHDE&SCHWARZ RTE 1034型示波器進行監(jiān)控。由于PPU遙測值、示波器電信號波形圖均為由多種放電效應(yīng)疊加后得到的時域信號，無法從中分析得知導(dǎo)致放電回路不穩(wěn)定性存在的原因，因此使用示波器的數(shù)學(xué)運算功能，將試驗過程中獲取的時域圖實時轉(zhuǎn)為FFT變換后的頻譜圖，從而方便對結(jié)果進行準(zhǔn)確分析。試驗系統(tǒng)裝置如圖1所示。

圖1 真空試驗系統(tǒng)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the hollow cathode test facility

試驗分2種情況進行：

1)使用直徑為10 cm的鉬制圓形金屬板作為陽極，陰極前端面與陽極間距離5 cm。

2)使用推力器離子束流作為虛擬陽極，推力器的口徑為10 cm，陰極前端面距離推力器中軸線位置5 cm。試驗中采用同一支陰極，采用推力器噴出離子束作為虛擬陽極時，陰極前方不懸掛陽極板。

在2種情況下進行試驗時采用的整體流程相似，首先將陽極電流設(shè)為0.8 A固定點，其次由小至大(0～5 sccm)變化供氣流量并監(jiān)測其放電電壓和放電峰峰值，特別注意陰極達到羽狀工作模式時的流率閾值。同時，采用示波器實時對不同工作點下的放電波形時域圖進行頻譜變化獲得對應(yīng)的FFT分析結(jié)果。試驗當(dāng)中對每個工況點進行3次測量，取其平均值進行折線圖的繪制。

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 金屬陽極試驗結(jié)果

首先采用陽極板結(jié)構(gòu)進行試驗，在將陽極電流設(shè)為0.8 A固定點后，由小至大變化供氣流量并監(jiān)測其放電電壓和放電峰峰值，具體結(jié)果如圖2所示。

圖2 放電參數(shù)與供氣流量之間的關(guān)系(金屬陽極)Fig.2 Relationship between discharge parameters and gas flow(metal anode)

從圖2中容易看出，空心陰極放電電壓、放電電壓峰峰值與供氣流量之間均呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即供氣流量越大，放電電壓越低。同時，當(dāng)空心陰極供氣流量小至某閾值以下時，空心陰極的放電振蕩會突然加劇，引起電源調(diào)制困難，本試驗中該閾值為0.1 sccm。這是由于供氣流量較大時，陰極工作在較穩(wěn)定的點模式下，當(dāng)供氣流量增大時，陰極則會對應(yīng)進入工作不穩(wěn)定的羽狀模式。羽狀模式下放電電壓的明顯升高是由于供氣流量過小，氣體工質(zhì)無法提供充足的離子轟擊發(fā)射體表面以維持陰極本身自持放電，這時PPU為繼續(xù)保證額定量的電子電流發(fā)射，就會提升輸出電壓，電壓值由提升至30 V以上，電源輸出功率提升、空心陰極電子發(fā)射效率下降。

為進一步分析造成振蕩發(fā)生的原因，分別對4、2、0.1 sccm 3種不同的供氣流量下的放電電壓信號進行FFT變化，得出對應(yīng)頻域結(jié)果，具體如圖3所示。

圖3 不同供氣流量下放電電壓的FFT分析結(jié)果(金屬陽極)Fig.3 FFT analysis results of discharge voltage under different gas supply flow(metal anode)

圖3供氣流量依次減小，可以看出，當(dāng)供氣流量分別為4 sccm和2 sccm時，放電電壓信號的FFT分析結(jié)果無任何分量，陰極工作相對穩(wěn)定，兩者的背景噪聲可被認(rèn)為是白噪聲，這與圖2中的結(jié)果相符合。這是因為當(dāng)供氣流量為4 sccm和2 sccm時，空心陰極工作在點狀模式下，放電回路工作穩(wěn)定，電路中無明顯振蕩。

其次，將空心陰極的供氣流量降至0.1 sccm時，空心陰極進入羽狀工作模式，此時從FFT分析結(jié)果可看出，放電電壓工作頻域圖上出現(xiàn)了8 MHz、16 MHz兩個峰值。這是因為此時陰極已經(jīng)進入到了羽狀模式，此時陰極實際上是在較小的供氣流量下提供較大的放電電流，同時空心陰極羽流區(qū)中的電離比率將對應(yīng)增大，并導(dǎo)致電離不穩(wěn)定。這種陰極自身的振蕩被耦合至放電回路中，最終出現(xiàn)了8 MHz、16 MHz對應(yīng)的振蕩分量。

因此，采用金屬陽極結(jié)構(gòu)時，僅當(dāng)空心陰極工作在不穩(wěn)定的羽狀模式下時，電路中才會出現(xiàn)較為明顯的振蕩分量。

2.2 虛擬陽極試驗結(jié)果

為了與金屬陽極的情況進行對比，按照同樣的方式由小至大調(diào)整空心陰極供氣流量，同樣將離子束流大小設(shè)為固定點0.8 A。試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 放電參數(shù)與供氣流量之間的關(guān)系(虛擬陽極)Fig.4 Relationship between discharge parameters and gas flow(virtual anode)

從圖4中可以看出，以離子束流作為陽極時，陰極放電電壓、放電電壓振蕩與供氣流量之間的關(guān)系與采用金屬陽極時并不相同。

采用金屬陽極時，陰極的放電電壓、放電電壓振蕩與供氣流量之間均呈現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著供氣流量的增大，放電電壓明顯下降。但使用離子束流作陽極時，隨著供氣流量的增大，陰極放電電壓出現(xiàn)了輕微的上升，兩者間呈正相關(guān)關(guān)系。與此同時，對應(yīng)的放電電壓振蕩值幾乎沒有變化。

這是因為使用金屬板作陽極時，放電區(qū)域中的工質(zhì)氣體都來自于空心陰極內(nèi)部，陰極的放電電壓，也就是陰極接地端和陽極板之間的電位差由空心陰極內(nèi)部發(fā)射體至觸持極的壓降以及觸持極至陽極板之間的壓降兩部分加和而成。其中，前一部分占據(jù)了壓降的主要部分，此時當(dāng)供氣流量增大時，陰極內(nèi)部氣壓升高，由于陰極內(nèi)部溫度恒定，因此陰極內(nèi)部可用于參與氣體放電的工質(zhì)氣體原子數(shù)明顯上升。這樣，就無需外部電場提供額外的功率以維持額定點工作電流的輸出。

但是采用推力器束流作為陽極時，一旦陰極發(fā)射出的電子電流發(fā)生變化，從束流中就會出現(xiàn)對應(yīng)數(shù)量的離子予以補充，對于陰極而言，發(fā)射電子電流和收集離子電流在儀器上的讀數(shù)實際上無法區(qū)分。陰極放電電壓隨著供氣流量的輕微上升使本來穩(wěn)定的離子束流空間電位在更多氣體注入后發(fā)生了輕微的上升，這樣就會從陰極內(nèi)部引出額外的電子電流，為保證空心陰極的自持穩(wěn)定性，陰極的放電電壓就會輕微上升，以提供額外的放電功率。

類似于陽極板的情況，采用推力器束流作為陽極時，同樣變化了3種不同的供氣流量，4.0、2.0和0.1 sccm，并對比不同流量下放電電壓信號的FFT分析結(jié)果，具體如圖5所示。

從圖5可以看出不同供氣流量下空心陰極的放電頻域基本上沒有明顯變化。采用供氣流量為4.0、2.0 sccm時，空心陰極處于點狀工作模式，工作相對穩(wěn)定，但不同于采用金屬陽極時的情況，頻域信號已在2.8 MHz處和15 MHz處出現(xiàn)了較為明顯的尖峰，這兩處尖峰是離子聲速振蕩和離子在磁場約束下的運動引起。在圖5(c)中，將供氣流量降為0.1 sccm時，F(xiàn)FT峰值出現(xiàn)在11、2 MHz處。頻率分量不同于采用金屬陽極結(jié)構(gòu)時，這是因為兩者的工作模式不同，采用金屬陽極時，電路中收集的電流全部來自于陰極發(fā)射的電子電流，因此回路中對應(yīng)的振蕩分量也是來源于由電子電流構(gòu)成的陰極羽流區(qū)的放電不穩(wěn)定性。而采用離子束流作為陽極時，空心陰極不但對外發(fā)射電子電流，同時會收集來自于離子推力器束流中的呈正電性的離子，因此兩種情況下，兩者的實際工作背景氣氛不同，這就導(dǎo)致了采用虛陽極時，放電回路的振蕩分量包含了來自于離子振蕩的分量。

圖5 不同供氣流量下放電電壓的FFT結(jié)果(虛擬陽極)Fig.5 FFT analysis results of discharge voltage under different gas supply flow(virtual anode)

2.3 金屬陽極、虛擬陽極振蕩分量結(jié)果對比

為進一步分析采用金屬陽極以及虛擬陽極的區(qū)別，取空心陰極放電電流為0.8 A時的情況進行對比，并繪制對應(yīng)直方圖，結(jié)果如圖6所示。

圖6 額定點下金屬、虛擬陽極放電電流特性對比Fig.6 Comparison of metal anode and virtual anode

對比圖6(a)和圖6(c)發(fā)現(xiàn)，使用金屬陽極時，電流分布在820～860 mA的范圍內(nèi)，放電振蕩為0.04 A。在同一額定點下使用虛擬負(fù)載時，電流分布則擴展到0.2～3.0 A范圍內(nèi)，放電振蕩為2.8 A。也即對同一臺PPU(電源處理單元)使用穩(wěn)壓模式工作在同一額定點下輸出同等大小電流時，使用虛擬陽極將帶來比金屬陽極劇烈得多的電流振蕩。

3 結(jié)論

1)空心陰極在采用兩種不同類型陽極工作時，基本放電特性存在不同，采用陽極板時為負(fù)阻、采用虛擬陽極時為正阻性。

2)采用虛擬陽極工作時，即使將空心陰極供氣流量調(diào)整為0，空心陰極也不會進入到羽流模式。采用金屬陽極工作時則不同，空心陰極存在一明確的轉(zhuǎn)變閾值點。

3)空心陰極采用兩種不同類型的陽極進行工作時，在空心陰極不供氣時的特性完全不同：采用陽極板時無電流輸出，無任何其它振蕩分量；采用以離子束流的虛擬陽極時依然有電流輸出，且存在明顯更大的振蕩分量。