石墨觸持極空心陰極性能實(shí)驗(yàn)研究

楊 威，張?zhí)炱?，馮 杰，王倩楠，劉明正，谷增杰

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

石墨觸持極空心陰極性能實(shí)驗(yàn)研究

楊 威，張?zhí)炱?，馮 杰，王倩楠，劉明正，谷增杰

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

空心陰極觸持極濺射腐蝕會(huì)導(dǎo)致離子推力器性能退化甚至失效，為確保離子推力器長期工作性能穩(wěn)定性，觸持極材料應(yīng)選用濺射腐蝕速率盡可能低的材料。開展不同觸持極結(jié)構(gòu)對空心陰極放電性能的影響研究。最后，進(jìn)行了1 000 h短期地面壽命實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石墨觸持極空心陰極放電性能穩(wěn)定，長期工作觸持極表面的濺射腐蝕不明顯，能夠有效避免空心陰極長時(shí)間工作后因觸持極濺射腐蝕導(dǎo)致的性能退化。

離子推力器；空心陰極；觸持極；高密度石墨；濺射腐蝕；放電性能；

0 引言

空心陰極為離子推力器的核心組件，作為單點(diǎn)失效元器件，決定著離子推力器的壽命和可靠性。1998年NASA發(fā)射的深空1號小行星探測器、2007年火星探測任務(wù)發(fā)射的“黎明號”探測器都使用了離子推力器，要求工作時(shí)間超過30 000 h，而放電室內(nèi)的主放電陰極的濺射腐蝕是制約離子推力器壽命和可靠性的主要因素之一[1-2，4]。在離子推力器地面長壽命考核試驗(yàn)?zāi)┢?，主放電陰極觸持極出現(xiàn)了嚴(yán)重的濺射腐蝕現(xiàn)象，除對主放電陰極自身性能和結(jié)構(gòu)的影響外，離子推力器的性能也會(huì)受到影響，并且濺射產(chǎn)物會(huì)沉積到離子推力器放電室內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)，存在著放電室內(nèi)部污染、甚至短路等的隱患。

國內(nèi)外的專家已對離子推力器主放電陰極的濺射腐蝕開展研究，研究結(jié)果只能定性的描述離子推力器主放電陰極的濺射腐蝕原因[2]。通過采用高密石墨材料作為空心陰極觸持極材料，增強(qiáng)空心陰極觸持極自身的濺射腐蝕能力，最終提高主放電陰極的壽命和可靠性[3]。同時(shí)，對影響石墨觸持極空心陰極放電性能的主要參數(shù)進(jìn)行分析討論并對參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 石墨觸持極空心陰極及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 石墨觸持極空心陰極

為了減少在離子推力器內(nèi)部長時(shí)間工作后空心陰極觸持極的濺射腐蝕，空心陰極的觸持極頂需更換為耐濺射腐蝕的材料[5]。與鉭等金屬相比，高密度石墨材料由于其在離子能量以下時(shí)具有更低的濺射腐蝕率，因此是作為離子推力器主放電陰極觸持極的較為理想的材料[7]。

實(shí)驗(yàn)研究中使用的空心陰極為LHC-20空心陰極，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要組成包括發(fā)射體、加熱器、熱屏、觸持極筒、陰極頂?shù)取?/p>

圖1 LHC-20石墨觸持極（頂）空心陰極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of graphite keeper hollow cathode1.觸持極；2.支撐結(jié)構(gòu)；3.加熱器；4.LaB6發(fā)射體

設(shè)計(jì)空心陰極陰極管、陰極頂?shù)任床捎酶呙芏仁牧希蚴翘荚诟邷亻L時(shí)間工作后會(huì)與鎢形成硬質(zhì)合金材料碳化鎢，導(dǎo)致加熱器等性能受損[3]。

LHC-20空心陰極采用多晶六硼化鑭電子發(fā)射材料作為發(fā)射體，為5 kW電推力器設(shè)計(jì)的放電陰極，設(shè)計(jì)最大發(fā)射電流為20 A。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

空心陰極地面實(shí)驗(yàn)電氣連接示意圖，如圖2所示[7]。石墨觸持空心陰極分別在TS-5B地面設(shè)備、30 cm離子推力器上進(jìn)行了性能測試。TS-5B地面設(shè)備直徑約為500 mm、直段長度約為800 mm的真空容器組成，每個(gè)容器配置抽速為1 300 L/s的磁懸浮分子泵作為主抽真空泵，設(shè)備的本底真空度要求5×10-5Pa，工作真空度優(yōu)于5×10-3Pa。

圖2 空心陰極壽命實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理圖Fig.2 Test apparatus for hollow cathode life test1.真空環(huán)境艙；2.陽極；3.觸持極；4.陰極本體；5.加熱器；6.點(diǎn)火點(diǎn)源；7.觸持極電源；8.陽極電源；9.加熱電源；10.供氣管；11.質(zhì)量流量計(jì)；12.高純氙氣

TS-5B設(shè)備在陽極端，陽極板周圍安裝有循環(huán)冷卻系統(tǒng)，除此之外對空心陰極的工作過程中的熱輻射并未進(jìn)行特殊處理。陰極的流量控制器通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在遠(yuǎn)端控制，實(shí)驗(yàn)期間的陽極電流、觸持極電流、觸持極電壓、陽極電壓、氙氣流量等均通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集系統(tǒng)完成。

加熱器電源、點(diǎn)火電源、陽極電源和觸持極電源均使用恒壓恒流源，所有電源均工作在恒流模式。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用氙氣作為工質(zhì)氣體，純度約為99.999 5%。陽極板采用高密度石墨材料，實(shí)驗(yàn)過程中固定空心陰極與陽極板之間的距離，記錄陰極的放電電壓值及其波動(dòng)值的變化。

2 石墨觸持極性能測試結(jié)果及討論

針對觸持極頂長時(shí)間工作后出現(xiàn)的濺射腐蝕問題[6]，提出個(gè)兩個(gè)解決措施：（1）更換鉭觸持極頂為高密度石墨觸持極頂；（2）增加觸持極頂厚度，提高觸持極壽命。兩個(gè)結(jié)構(gòu)變化會(huì)對空心陰極的放電產(chǎn)生影響?？招年帢O工作時(shí)羽流區(qū)等離子體會(huì)與觸持極發(fā)生相互作用[9]。在與推力器耦合工作時(shí)，觸持極結(jié)構(gòu)會(huì)影響陰極與推力器的耦合電壓，當(dāng)空心陰極工作在羽狀模式時(shí)，空心陰極的放電電壓波動(dòng)較大，由此造成的觸持極損耗也會(huì)增加，NSTAR離子推力器中定義觸持極（陽極）電壓波動(dòng)超過5 V時(shí)即轉(zhuǎn)變?yōu)橛馉钅Ｊ絒10]。因此為了確定石墨觸持極關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，分別開展了不同厚度石墨觸持極及不同觸持極頂?shù)菇墙Y(jié)構(gòu)兩種實(shí)驗(yàn)。

2.1 不同厚度石墨觸持極頂對空心陰極放電性能的影響

實(shí)驗(yàn)首先選用了觸持極頂為0.4 mm、0.8 mm、1.0 mm三種厚度的觸持極開展了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)期間選用同1個(gè)加熱器，在工質(zhì)氣體流率為1 mL/min（氙氣），觸持極電流為0.6 A、陽極電流為4.6 A下開展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。所得到不同厚度觸持極頂對應(yīng)的放電電壓值及其波動(dòng)值（即電壓峰-峰值）變化如圖3所示。

由圖3可以看出，觸持頂厚度為0.4 mm時(shí)，空心陰極的觸持極電壓、陽極電壓、觸持極電壓波動(dòng)值、陽極電壓波動(dòng)值均為最小。通過測試結(jié)果可以得出，觸持極厚度為0.4 mm時(shí)空心陰極工作在陰極的點(diǎn)狀模式下，即陽極電壓、觸持極電壓波動(dòng)均小于5 V，觸持極孔羽流區(qū)呈淡藍(lán)色亮斑。當(dāng)觸持極頂厚度為0.8 mm、1.0 mm時(shí)空心陰極的觸持極電壓、陽極電壓波動(dòng)值均大于6 V，此時(shí)空心陰極工作在羽狀模式，觸持極羽流區(qū)淡藍(lán)色亮斑呈現(xiàn)彌散狀。通過對比觸持頂厚度為0.8 mm、1.0 mm時(shí)的放電特性，未發(fā)現(xiàn)兩者放電性能存在明顯差別（1 V之內(nèi)）。

圖3 不同厚度觸持極頂對空心陰極放電性能的影響曲線圖Fig.3 Keeper voltage and Discharge voltage at different keeper thickness

2.2 不同觸持極孔倒角對空心陰極放電性能的影響

通過不同觸持極厚度實(shí)驗(yàn)確定的結(jié)果并結(jié)合觸持極頂?shù)拈L壽命設(shè)計(jì)需求，提出了在觸持極孔周圍倒斜角的設(shè)計(jì)方案。為了驗(yàn)證觸持極孔倒斜角對空心陰極放電性能的影響，分別制作了觸持極孔倒角0°、30°、45°、60°四種規(guī)格的樣件。實(shí)驗(yàn)在同一個(gè)加熱器上開展，實(shí)驗(yàn)期間的工質(zhì)氣體流率為1.8 mL/min，觸持極電流設(shè)置為0.6 A、陽極電流設(shè)置為20 A。實(shí)驗(yàn)期間分別對空心陰極的觸持極電壓、陽極電壓及其波動(dòng)值進(jìn)行了監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

四種結(jié)構(gòu)的觸持極孔在工作時(shí)，觸持極電壓相差不多，但觸持極電壓的波動(dòng)值相差較大。觸持極孔倒角60°樣本在工作時(shí)電壓波動(dòng)值及波動(dòng)范圍明顯大于其他樣本，而且在此工況下該結(jié)構(gòu)陰極工作在羽狀模式，觸持極的電壓波動(dòng)值大于5 V，且觀察羽流區(qū)的放電狀態(tài)也處于彌散狀態(tài)。觀察四種結(jié)構(gòu)的陽極電壓，在穩(wěn)定工作后，觸持極孔倒角45°的樣本觸持極電壓明顯低于其他樣本陽極電壓值，對比起陽極電壓波動(dòng)值，該結(jié)構(gòu)的樣本工作在點(diǎn)狀模式（臨界狀態(tài)），其他結(jié)構(gòu)觸持極陽極電壓波動(dòng)值均大于5 V，空心陰極處于羽狀模式狀態(tài)下工作，觸持極羽流區(qū)呈現(xiàn)不明顯點(diǎn)狀（處于點(diǎn)狀模式與裝模式過渡區(qū)）[8]。

3 1 000 h壽命實(shí)驗(yàn)考核

LHC-20空心陰極已完成1 000 h階段性壽命考核實(shí)驗(yàn)，其中前800 h為大功率模式，后200 h為小功率模式。大功率模式下陽極電流為20 A，小功率模式下陽極電流為10 A，工質(zhì)氣體流量均為1.8 mL/ min。實(shí)驗(yàn)期間兩支陰極的放電電壓穩(wěn)定，觸持極頂和陰極頂小孔有不同程度的濺射腐蝕。

壽命實(shí)驗(yàn)期間分別對兩支空心陰極進(jìn)行觸持極、陽極電壓及其波動(dòng)值變化監(jiān)測[11]，圖5為壽命實(shí)驗(yàn)期間空心陰極觸持極、陽極電壓及其波動(dòng)值變化情況。

圖4 不同觸持極孔倒角對空心陰極放電性能影響曲線圖Fig.4 Keeper voltage and Discharge voltage at different keeper orificed angle

圖5 空心陰極壽命實(shí)驗(yàn)期間放電性能變化曲線圖Fig.5 Cumulative Time and Voltage Variation

通過壽命實(shí)驗(yàn)期間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出在大功率、小功率模式下觸持極電壓變化不大，陽極電壓變化明顯。大功率模式下空心陰極陽極電壓波動(dòng)值變化在5～8 V內(nèi)，工作在點(diǎn)狀模式臨界區(qū)域。

由于壽命實(shí)驗(yàn)為空心陰極組件級考核，因此石墨觸持極表面未發(fā)現(xiàn)腐蝕，但觸持孔附件有金屬的沉積痕跡，使用三維輪廓儀對觸持極表面進(jìn)行測量，未發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)前有差異。除此之外，陰極頂小孔內(nèi)部表面有明顯變化，陰極頂小孔在壽命實(shí)驗(yàn)期間小孔直徑先變大后變小，對比LHC-5空心陰極長壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果，陰極頂孔尺寸變化規(guī)律和變化范圍相同，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)前后陰極觸持極、陰極孔變化情況圖Fig.6 Close-up views of keeper disk and orifice of cathode before and after operation

4 結(jié)論

通過石墨觸持極結(jié)構(gòu)對空心陰極放電性能影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得到結(jié)論：

（1）更換石墨觸持極后，空心陰極的放電參數(shù)未見顯著變化。地面短期試驗(yàn)結(jié)果表明，石墨觸持極的濺射腐蝕率、壽命優(yōu)于鉭觸持極；

（2）觸持極頂厚度會(huì)對空心陰極的放電性能產(chǎn)生影響。在相同工況下，0.4 mm、0.8 mm、1.0 mm三種厚度的觸持極頂，0.4 mm后石墨觸持極的觸持極電壓、陽極電壓的波動(dòng)值最低；

（3）觸持極孔倒角會(huì)對空心陰極的放電性能產(chǎn)生影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合判斷觸持極頂孔倒角45°時(shí)，空心陰極的放電性能處于相對較佳狀態(tài)。

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EXPERIMENTAL STUDY ON GRAPHITE-KEEPER HOLLOW CATHODE

YANG Wei，ZHANG Tian-ping，F(xiàn)ENG Jie，WANG Qian-nan，LIU Ming-zheng，GU Zeng-jie
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Aiming at extending the ion thruster life，Graphite-Keeper hollow cathodes have been developed.The keeper disk are made of high density graphite，which possesses much higher tolerance to ion impingement compared with conventional metal materials.We made a performance test of different structure keeper.At last in order to validate the keeper performance，we started a performance test of a discharge cathode，until May 2016 the cumulative operation time reached 1 000 hours.The hollow cathode anode voltages，keeper voltages have been almost constant and stable，and no severe degradation has been found on the electrodes.

ionthruster；hollowcathode；contactelectrode；highdensitygraphite；sputteretching；dischargeperformance

V439+.1

A

1006-7086（2017）02-0087-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.02.005

2016-12-09

軍用電子元器件支撐項(xiàng)目（1607XM0004）

楊威（1983-），男，內(nèi)蒙古通遼人，博士研究生，研究方向?yàn)榭臻g電推進(jìn)技術(shù)與工程。E-mail：365955393@qq.com。