冷啟動(dòng)空心陰極結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵特性分析

丁 繼，郭 寧，谷增杰，唐?？?，王 進(jìn)

（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）

冷啟動(dòng)空心陰極結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵特性分析

丁 繼，郭 寧，谷增杰，唐?？。?進(jìn)

（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）

冷啟動(dòng)空心陰極啟動(dòng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，是空間用空心陰極發(fā)展的重要方向。對比介紹了三種主要的冷啟動(dòng)空心陰極結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)。分析了點(diǎn)火特性與工質(zhì)流率、孔徑、電極距離和電源之間的關(guān)系，穩(wěn)態(tài)特性與放電電流、工質(zhì)流率和發(fā)射體的材料之間的關(guān)系，以及主要的失效機(jī)理和相應(yīng)的改善方法。得到的結(jié)論可以為冷啟動(dòng)空心陰極結(jié)構(gòu)、參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

空心陰極；冷啟動(dòng)；點(diǎn)火特性

0 引言

空心陰極是一種真空電子源器件，具有電子發(fā)射效率高、結(jié)構(gòu)牢固可靠、壽命長的特點(diǎn)[1]，被廣泛用于空間電推進(jìn)、航天器主動(dòng)電位控制、電動(dòng)力學(xué)系繩等領(lǐng)域。

按照點(diǎn)火方式的不同，將空心陰極劃分為熱啟動(dòng)和冷啟動(dòng)空心陰極，熱啟動(dòng)空心陰極啟動(dòng)前需通過加熱器預(yù)熱發(fā)射體，直到發(fā)射體溫度達(dá)到足夠的熱電子發(fā)射溫度，通過觸持極和發(fā)射體之間施加電壓實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)[2]；冷啟動(dòng)空心陰極不用加熱器預(yù)熱發(fā)射體，依靠高壓擊穿觸持極和發(fā)射體之間的工質(zhì)氣體，建立高電壓低電流的輝光放電快速加熱發(fā)射體，發(fā)射體的溫度持續(xù)升高以致發(fā)射的熱電子電流足夠大，從而過渡到低電壓大電流的弧光放電實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。

目前空間電推進(jìn)系統(tǒng)主要應(yīng)用的是熱啟動(dòng)空心陰極，啟動(dòng)時(shí)間較長（150～220 s），加熱功率較大（100 W級），加熱器的存在降低了系統(tǒng)可靠性[3]。冷啟動(dòng)空心陰極可以將啟動(dòng)時(shí)間減少到毫秒級，減小啟動(dòng)過程功率消耗；沒有加熱器和配套電源，減小了體積和重量；避免因加熱器失效導(dǎo)致陰極失效，提高了系統(tǒng)可靠性。冷啟動(dòng)空心陰極的優(yōu)勢有助于實(shí)現(xiàn)空間電推進(jìn)系統(tǒng)的小型化和快速響應(yīng)，從而拓展空間電推進(jìn)系統(tǒng)在微小衛(wèi)星、姿軌控系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

國外從上世紀(jì)80年代開始研究冷啟動(dòng)空心陰極技術(shù)，研制了不同結(jié)構(gòu)的冷啟動(dòng)空心陰極，放電電流覆蓋0.2～50 A，并對其點(diǎn)火特性、穩(wěn)態(tài)特性、失效機(jī)理等進(jìn)行了測試。相同參數(shù)的冷啟動(dòng)與熱啟動(dòng)空心陰極相比，冷啟動(dòng)空心陰極啟動(dòng)過程功率和工質(zhì)流率降低了2～3倍，啟動(dòng)時(shí)間減少了4個(gè)數(shù)量級[4]。國內(nèi)的冷啟動(dòng)空心陰極研發(fā)工作近幾年才開始，主要工作集中在技術(shù)研究階段，技術(shù)成熟度和國外相比有明顯差距。因此，通過對結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵特性的分析，掌握影響其性能的主要影響因素及規(guī)律，可以為加速國內(nèi)冷啟動(dòng)空心陰極的研發(fā)進(jìn)程提供參考。

1 冷啟動(dòng)空心陰極的原理和結(jié)構(gòu)

按照氣體放電理論，當(dāng)電極之間間隙、氣體壓力適宜時(shí)，在電極之間施加足夠高的電壓，會(huì)發(fā)生氣體擊穿。氣體擊穿后，隨放電電流增大，氣體擊穿會(huì)發(fā)展為高電壓低電流的輝光放電。輝光放電產(chǎn)生的等離子體在陰極表面形成鞘層，離子在鞘層電壓作用下加速轟擊陰極、加熱陰極。當(dāng)陰極溫度足夠高時(shí)，其表面可發(fā)射較高密度熱電子，使氣體放電進(jìn)入低電壓大電流的弧光放電階段。在空心陰極中，陰極為發(fā)射體或者陰極頂，陽極為觸持極或者陽極壁。當(dāng)空心陰極放電進(jìn)入弧光放電階段后，下游電位高于空心陰極電位時(shí)，即可持續(xù)從空心陰極中引出電子。

如圖1所示，冷啟動(dòng)空心陰極包括：發(fā)射體、陰極頂、陰極管、熱屏、觸持極等，區(qū)別熱啟動(dòng)空心陰極沒有加熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，冷啟動(dòng)空心陰極可以分為三類：陰極頂節(jié)流型、觸持極頂節(jié)流型以及內(nèi)置點(diǎn)火電極型。

圖1 冷啟動(dòng)空心陰極三種結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Three differentconfigurationsof heaterlesshollow cathode

1.1 陰極頂節(jié)流型

圖1（a）結(jié)構(gòu)的陰極頂上有較小的節(jié)流孔，依靠擊穿觸持極和陰極頂之間的氣體形成高密度等離子體擴(kuò)散到發(fā)射體區(qū)域?qū)崿F(xiàn)啟動(dòng)。當(dāng)陰極啟動(dòng)完成后，陰極頂節(jié)流孔的長徑比決定發(fā)射體的加熱方式以及空心陰極的穩(wěn)態(tài)特性。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是穩(wěn)態(tài)工作期間，高密度等離子體集中在發(fā)射體區(qū)，發(fā)射體的電流發(fā)射效率較高；缺點(diǎn)是觸持極孔徑較大，不易維持點(diǎn)火需要的壓力。

1.2 觸持極頂節(jié)流型

圖1（b）結(jié)構(gòu)的觸持極頂小孔孔徑較小，陰極頂小孔孔徑較大或者沒有陰極頂結(jié)構(gòu)。當(dāng)觸持極與發(fā)射體之間施加高壓時(shí)，由于無陰極頂節(jié)流孔對電場屏蔽衰減，發(fā)射體表面容易形成較強(qiáng)電場，從而得到相對較低的點(diǎn)火電壓。但該結(jié)構(gòu)不能將高密度等離子體集中在發(fā)射體區(qū)，不利于提高發(fā)射體電流發(fā)射效率。該結(jié)構(gòu)在冷啟動(dòng)空心陰極中應(yīng)用較多，2013年以色列的Vekselman等[5]和2015年英國Iliopoulos等[6]均采用此結(jié)構(gòu)的冷啟動(dòng)空心陰極進(jìn)行研究。

1.3 內(nèi)置點(diǎn)火電極型

圖1（c）結(jié)構(gòu)中發(fā)射體與陰極管之間通過絕緣層絕緣，陰極管在點(diǎn)火過程中充當(dāng)點(diǎn)火電極。該結(jié)構(gòu)優(yōu)勢是增大電極間工質(zhì)氣體壓力，降低擊穿電壓；缺點(diǎn)是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。上世紀(jì)80年代，美國NASA實(shí)驗(yàn)室Aston[7]以此結(jié)構(gòu)研制了冷啟動(dòng)空心陰極并成功點(diǎn)火運(yùn)行，但該樣件在100次點(diǎn)火試驗(yàn)后發(fā)射體被嚴(yán)重的濺射腐蝕。1985年，Schatz[8]在Aston的結(jié)構(gòu)上通過在發(fā)射體外側(cè)和前端增加鉭保護(hù)層，增加點(diǎn)火瞬間的工質(zhì)流率等措施解決了發(fā)射體濺射腐蝕問題。

2 點(diǎn)火特性分析

點(diǎn)火特性是冷啟動(dòng)空心陰極區(qū)別于熱啟動(dòng)空心陰極的主要特性，包括氣體擊穿和自持放電建立兩方面的內(nèi)容。在氣體放電中，氣體擊穿滿足帕邢定律，擊穿電壓隨著電極距離和氣體壓力乘積的增加先降低后升高，存在最小值；氣體擊穿后，隨放電電流增加，放電將經(jīng)歷輝光放電和弧光放電兩個(gè)主要自持放電階段。

2.1 氣體擊穿

Schatz[8]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，工質(zhì)流率越大，陰極頂孔徑越小，點(diǎn)火電壓越低。當(dāng)工質(zhì)流率較小時(shí)，電極距離對點(diǎn)火電壓影響較為明顯，距離過近或者過遠(yuǎn)都將導(dǎo)致點(diǎn)火電壓升高；當(dāng)工質(zhì)流率較大時(shí)，距離的影響較小。1997年，俄羅斯Arkhipov[9]采用1 kV、10 kHz脈沖電源作為點(diǎn)火電源，當(dāng)工質(zhì)流率小于0.4 mg/s時(shí)，點(diǎn)火需要的脈沖大于10個(gè)；當(dāng)工質(zhì)流率大于0.45 mg/s時(shí)，1～2個(gè)脈沖便可以成功啟動(dòng)。2001年，烏克蘭Loyan等[10]在M3.01和M1.07冷啟動(dòng)空心陰極的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火電壓隨著工質(zhì)流率的增加先降低后升高，點(diǎn)火電壓存在最小值；2007年，烏克蘭Koshelev等[11]在一款0.2～0.5 A陰極的試驗(yàn)中得到了相同結(jié)論。Iliopoulos等[6]通過部件可更換的冷啟動(dòng)空心陰極原理樣機(jī)對點(diǎn)火特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著工質(zhì)流率增加，電極距離增大，點(diǎn)火電壓降低；采用圖2中小孔邊緣內(nèi)凸的觸持極結(jié)構(gòu)，可以將點(diǎn)火電壓降低20%，改變陰極頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對點(diǎn)火電壓影響不明顯；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，電極距離越大，工質(zhì)流率越大，點(diǎn)火電壓的一致性更高。2016年，以色列Lev等[12]在點(diǎn)火特性測試中得到點(diǎn)火電壓均低于400 V，并認(rèn)為隨著陰極接近壽命終點(diǎn)，點(diǎn)火電壓將逐漸升高，可以通過測試點(diǎn)火電壓來預(yù)測壽命的終點(diǎn)。2013年，電子科技大學(xué)的魏輝[13]試驗(yàn)中得到了工質(zhì)流率越大，需要的點(diǎn)火電壓越低的結(jié)論，但工質(zhì)流率過大時(shí)，電極之間出現(xiàn)嚴(yán)重的放電打火現(xiàn)象。2016年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)歐陽磊等[14]發(fā)現(xiàn)增加工質(zhì)流率，點(diǎn)火電壓逐漸降低，但隨著觸持極和發(fā)射體之間的距離增大，點(diǎn)火電壓升高。

圖2 小孔邊緣內(nèi)凸的觸持極結(jié)構(gòu)Fig.2 Sharp keeperorifice，dimensions

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，冷啟動(dòng)空心陰極的點(diǎn)火電壓與工質(zhì)流率和觸持極孔徑密切相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，工質(zhì)流率越大，觸持極孔徑越小，內(nèi)部壓力越高，點(diǎn)火電壓越低。觸持極到陰極的距離對點(diǎn)火電壓影響的結(jié)論尚不一致，出現(xiàn)差異的原因可能處于帕邢曲線的不同區(qū)間。

2.2 自持放電建立

Schatz[8]認(rèn)為氣體擊穿并不等于點(diǎn)火成功，要穩(wěn)定的建立自持弧光放電，需要使空心陰極和電源工作在圖3所示的C點(diǎn)，B點(diǎn)是不穩(wěn)定點(diǎn)，A點(diǎn)是輝光放電的點(diǎn)。1996年，徐學(xué)基[15]認(rèn)為要使氣體放電向弧光放電過渡，要求電源有足夠高的開路電壓和較低的輸出阻抗，同時(shí)提出了輝光放電向弧光放電過渡的方法，在一定氣壓下增加放電電流或在一定的電流下增加氣壓。2002年，日本學(xué)者菅井秀郎[16]提出了相似的結(jié)論。

圖3 空心陰極自持放電穩(wěn)定工作點(diǎn)曲線圖Fig.3 The point to obtain the steady self-sustaining discharge

Murashko等[4]在冷啟動(dòng)空心陰極M1.05與空間電推進(jìn)系統(tǒng)聯(lián)機(jī)測試中發(fā)現(xiàn)，自持放電建立存在三種不同過程，如圖4所示，一種是經(jīng)過4 ms左右的約700 V高壓輝光放電，過渡到10 ms左右的約250 V輝光放電，最后過渡到弧光放電；另一種經(jīng)過6 ms左右的約700 V高壓輝光放電直接進(jìn)入弧光放電；最后一種經(jīng)過2 ms左右的約250 V的輝光放電直接進(jìn)入弧光放電，在點(diǎn)火過程中，三種現(xiàn)象隨機(jī)出現(xiàn)。

Vekselman等[5]在點(diǎn)火特性測試中發(fā)現(xiàn)，如圖5（上）所示，點(diǎn)火過程分為擊穿、加熱和維持三個(gè)階段。其中擊穿階段的擊穿電壓約1 000 V；加熱階段為電壓300 V、電流40 mA左右的輝光放電，發(fā)射體在此階段被加熱；維持階段為電壓30 V、電流300 mA左右的弧光放電，空心陰極穩(wěn)定工作在此階段。圖5（下）為觀察到的點(diǎn)火過程中伴隨的發(fā)光現(xiàn)象。（a）為氣體擊穿瞬間，在電極之間隨機(jī)出現(xiàn)不規(guī)則發(fā)光現(xiàn)象；（b）為剛進(jìn)入輝光放電，等離子密度變高，輪廓變得均勻?qū)ΨQ；（c）為輝光放電后期，等離子逐漸擴(kuò)散開，發(fā)光的亮度減弱但發(fā)光區(qū)域變大；（d）為弧光放電，形成高密度等離子體。

圖4 自持放電建立三種不同過程Fig.4 Three differentprocesses to obtain the self-sustaining discharge

圖5 點(diǎn)火過程中三個(gè)階段及伴隨的發(fā)光現(xiàn)象Fig.5 Three stagesof the ignition processand the lighting observed

歐陽磊等[14]發(fā)現(xiàn)，如圖6所示，隨著點(diǎn)火電壓從200 V上升到600 V，（a）啟動(dòng)分為未點(diǎn)著過程、（b）過渡過程和（c）穩(wěn)定點(diǎn)著過程，其中穩(wěn)定點(diǎn)著過程包含擊穿和自持兩個(gè)階段，一定范圍內(nèi)隨著點(diǎn)火電壓的增大，點(diǎn)火時(shí)間逐漸縮短。

通過以上分析，氣體擊穿以后，可以經(jīng)過輝光放電過渡到弧光放電，也可以直接建立弧光放電。整個(gè)過程受工作參數(shù)和電源的控制，增加放電電流或工質(zhì)流率可以使放電朝著弧光放電過渡。同時(shí)，要建立穩(wěn)定的自持放電，需要電源有較高的輸出電壓和較低的輸出電阻。

圖6 點(diǎn)火過程中三個(gè)不同點(diǎn)火過程Fig.6 Three differentprocessesduring ignition

3 穩(wěn)態(tài)特性分析

穩(wěn)定、自持的建立弧光放電，標(biāo)志空心陰極啟動(dòng)過程完成，空心陰極進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)工作階段。穩(wěn)態(tài)特性反應(yīng)了空心陰極穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的性能，主要包括放電特性和熱特性。

Koshelev[11]嘗試尋找冷啟動(dòng)空心陰極穩(wěn)定、高效率運(yùn)行的內(nèi)部壓力區(qū)間，發(fā)現(xiàn)壓力在1.3×103～1.3× 104Pa范圍內(nèi)放電穩(wěn)定，在5.3×103～7.9×103Pa范圍內(nèi)放電電壓最低，超過1.3×104Pa時(shí)放電不穩(wěn)定。2011年，Loyan等[10]對50 A級大電流冷啟動(dòng)空心陰極進(jìn)行穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，放電電流越大，放電電壓越低，空心陰極溫度越高；通過更換低功函數(shù)材料的發(fā)射體可以有效降低空心陰極溫度。2015年，Lev等[17]為了減小空心陰極熱損失，采用功函數(shù)低的BaO-W作為發(fā)射體的材料，采用導(dǎo)熱低、耐溫高的Ta材料制作空心陰極高溫結(jié)構(gòu)，并將結(jié)構(gòu)厚度減至0.35 mm。2016年，Lev等[12]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著放電電流或者工質(zhì)流率的增加，維持電子發(fā)射的鞘層電壓降低，觸持極電壓降低；陽極電壓隨著工質(zhì)流率的增加降低，放電電流的變化對陽極電壓影響不明顯。隨著放電電流的增加，氣體放電過程中消耗的能量增加；隨著工質(zhì)流率的減小，鞘層電壓升高，導(dǎo)致功耗增加，空心陰極溫度隨之升高；因?yàn)辄c(diǎn)火電壓與空心陰極結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，觸持極電壓和觸持極溫度與發(fā)射體密切相關(guān)，可以通過監(jiān)測點(diǎn)火電壓、觸持極電壓和觸持極溫度來確定是否到達(dá)壽命的終點(diǎn)。

通過分析發(fā)現(xiàn)，冷啟動(dòng)空心陰極穩(wěn)態(tài)特性與放電電流、工質(zhì)流率和材料結(jié)構(gòu)等參數(shù)密切相關(guān)。

4 失效機(jī)理分析

長壽命、高可靠是空間應(yīng)用對空心陰極的普遍要求，冷啟動(dòng)空心陰極由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和啟動(dòng)條件與傳統(tǒng)的熱啟動(dòng)空心陰極不同，其失效模式和失效機(jī)理也和熱啟動(dòng)空心陰極有一定差異。

冷啟動(dòng)空心陰極利用高電壓實(shí)現(xiàn)氣體擊穿，隨后經(jīng)歷高電壓小電流的輝光放電才能完成點(diǎn)火。因此，點(diǎn)火期間粒子能量較高，對電極有很強(qiáng)的濺射腐蝕效應(yīng)?？招年帢O反復(fù)進(jìn)行冷啟動(dòng)，濺射腐蝕效應(yīng)累積，可導(dǎo)致陰極因結(jié)構(gòu)受濺射腐蝕破壞而失效。這是冷啟動(dòng)空心陰極區(qū)別于熱啟動(dòng)空心陰極的主要失效機(jī)理。Aston[7]的陰極樣件在100次點(diǎn)火試驗(yàn)發(fā)射體被嚴(yán)重濺射腐蝕后失效，Schatz[8]通過在發(fā)射體外添加保護(hù)層和增加點(diǎn)火瞬間的工質(zhì)流率的方法有效的減緩了失效速度，在3 430次點(diǎn)火試驗(yàn)后，雖然電極仍然存在濺射腐蝕的現(xiàn)象，但孔徑等主要結(jié)構(gòu)尺寸沒有明顯變化。Arkhipov[9]研究了電極質(zhì)量耗損速度與工質(zhì)流率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)?shù)墓べ|(zhì)流率區(qū)間電極消耗速度存在最小值。Koshelev[18]采用光譜法研究了點(diǎn)火過程中發(fā)射體的消耗速度，得到放電電流越大發(fā)射體消耗越快的結(jié)論。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，對于冷啟動(dòng)空心陰極，點(diǎn)火期間的濺射腐蝕問題需要重點(diǎn)關(guān)注。同時(shí)，通過減小放電電流，增加工質(zhì)流率的方法可以降低濺射腐蝕速率。

5 結(jié)論

通過對國內(nèi)外冷啟動(dòng)空心陰極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、點(diǎn)火特性、穩(wěn)態(tài)特性和失效機(jī)理的分析，得到結(jié)論：

（1）冷啟動(dòng)空心陰極主要有三種結(jié)構(gòu)，其中觸持極頂節(jié)流型能夠滿足降低點(diǎn)火電壓和結(jié)構(gòu)簡單的需求，是目前主要應(yīng)用的結(jié)構(gòu)；

（2）點(diǎn)火特性與工質(zhì)流率、孔徑、電極距離和電源密切相關(guān)，一定范圍內(nèi)，工質(zhì)流率越大，孔徑越小，發(fā)射體區(qū)的內(nèi)部壓力越大，點(diǎn)火電壓越低，增加放電電流和工質(zhì)流率，可以促進(jìn)弧光放電的建立，足夠高的開路電壓和較低的輸出電阻有利于穩(wěn)定的建立弧光放電；

（3）穩(wěn)態(tài)特性與工質(zhì)流率、放電電流和發(fā)射體的材料密切相關(guān)，增加工質(zhì)流率，放電電壓和溫度均降低，增加放電電流，放電電壓降低，溫度升高，功函數(shù)低的發(fā)射體可有效降低空心陰極溫度；

（4）冷啟動(dòng)空心陰極點(diǎn)火期間的濺射腐蝕問題需要重點(diǎn)關(guān)注，空心陰極可因結(jié)構(gòu)受濺射腐蝕破壞而失效，同時(shí)通過減小放電電流，增加工質(zhì)流率的方法可以降低濺射腐蝕速率。

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ANALYSISON CONFIGURATIONSAND KEY CHARACTERISTICSOFHEATERLESS HOLLOW CATHODE

DING Ji，GUO Ning，GU Zeng-jie，TANG Fu-jun，WANG Jin
（Scienceand Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Heaterless hollow cathode is one of the most important development directions for the onboard hollow cathode for its quick start，simple structure and high reliability. Three different main configurations and their advantages and disadvantages were introduced. The relationship between ignition characteristics and mass flow rate，aperture，electrode distance and power supply，steady state characteristics and discharge current，mass flow rate and emitter material were analyzed. The main failure mechanism and corresponding improvement methods were discussed. The conclusion obtained could provide reference for the design and optimization of the heaterless hollow cathode’s configuration and operational parameters.

hollow cathode；heaterless；ignition characteristics

V439+.1

A

1006-7086（2017）04-0230-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.009

2017-05-26

丁繼（1989-），男，重慶人，碩士研究生，主要從事為空間電推進(jìn)技術(shù)與工程。E-mail：dingjicn@hotmail.com。