金剛石對(duì)霍爾推力器通道壁面抗濺射性能的影響

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上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240

霍爾推力器屬于電推進(jìn)裝置的一種，其電磁場的結(jié)構(gòu)對(duì)于穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。推力器中的放電通道壁面起到保護(hù)磁極的作用，但在長時(shí)間的運(yùn)行過程中通道壁面受到離子的轟擊而發(fā)生濺射削蝕，最終導(dǎo)致磁極暴露在離子流中，此時(shí)霍爾推力器的電磁場會(huì)發(fā)生極大改變，不能維持正常的運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致壽命終結(jié)。對(duì)于提高霍爾推力器壽命的研究主要從兩方面考慮：1)控制離子的運(yùn)動(dòng)，減少其對(duì)壁面的轟擊;2)提高壁面的抗濺射性能，減緩削蝕速率。

一般調(diào)整離子的運(yùn)動(dòng)需要涉及磁場的優(yōu)化，例如莫斯科MIREA學(xué)院與法國SEP公司合作設(shè)計(jì)的ATON-SPT[1]，具有凸向陽極的磁場形狀，能使離子流向通道中心聚集，從而減小對(duì)壁面的轟擊。但優(yōu)化磁場一般需要重新設(shè)計(jì)推力器結(jié)構(gòu)，難度較大[2]，所以對(duì)于現(xiàn)有的推力器來說，主要以提高壁面的抗濺射性能來延長使用壽命，目前常用的通道壁面材料是BNSiO2，其在抗濺射方面的能力并不優(yōu)秀。在國外的一些文獻(xiàn)中，有學(xué)者研究用金剛石來提高電推力器某些部件的抗濺射能力。文獻(xiàn)[3-4]將金剛石作為離子推力器的加速柵極，替代原來的鉬和C-C材料，通過進(jìn)行濺射腐蝕率的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉬和C-C復(fù)合材料的濺射產(chǎn)額分別是金剛石的7～12倍和1.5倍。文獻(xiàn)[5]研究了金剛石作為通道內(nèi)壁材料對(duì)低功率的線型霍爾推力器的影響，通過濺射產(chǎn)額的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)金剛石的濺射產(chǎn)額要比BN陶瓷低25%，在進(jìn)行放電性能測試試驗(yàn)時(shí)，使用金剛石作為通道壁面時(shí)可以在200 V以上的工作電壓下正常運(yùn)行。

以上文獻(xiàn)說明，金剛石有優(yōu)良的抗濺射性能，且有用于某些電推力器上的可能。目前許多電推力器的壽命可達(dá)15 000 h以上，且穩(wěn)態(tài)等離子體推力器(Steady Plasma Thruster，SPT)的壽命一般為幾千小時(shí)，依然有很大提升空間。故本文將對(duì)金剛石用于SPT的可行性和對(duì)壽命提高的效果方面開展研究。

1 金剛石應(yīng)用于霍爾推力器的可 行性分析

雖然金剛石的抗濺射性能優(yōu)于BN陶瓷，可以減緩壁面的削蝕，有提高推力器壽命的價(jià)值，但需要考慮其加工的操作性，并且保證將金剛石替代BN陶瓷后，能夠不影響推力器原有的放電性能。在材料加工方面，可以采用鍍膜的方式將金剛石鍍在氮化硼陶瓷表面，例如化學(xué)氣相沉積法鍍膜(Chemical Vapor Deposition ,CVD)，或者直接制備出毫米級(jí)厚度的金剛石膜[6]。在放電性能方面，推力器的磁場和壁面二次電子發(fā)射是影響霍爾推力器工作的兩個(gè)重要因素，本文從這兩方面進(jìn)行分析。

1.1 金剛石對(duì)磁場的影響

對(duì)于霍爾推力器而言，合適的磁場結(jié)構(gòu)是推力器正常工作的前提條件，適宜的磁場分布可以將電子束縛在通道內(nèi)，使氙原子發(fā)生電離，同時(shí)在通道內(nèi)形成虛擬陰極，使電離出的氙離子加速向出口移動(dòng)。在霍爾推力器中，絕緣通道采用非導(dǎo)磁材料，只作為磁極的保護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)磁力線的走向和場強(qiáng)的分布沒有影響。金剛石與氮化硼陶瓷都不屬于磁性材料，且將氮化硼陶瓷換成金剛石并沒有改變推力器其他部位的結(jié)構(gòu)，推力器的磁場不會(huì)受到影響。

1.2 金剛石對(duì)壁面二次電子發(fā)射的影響

壁面二次電子的發(fā)射會(huì)對(duì)通道內(nèi)電子的傳導(dǎo)產(chǎn)生影響，從而改變通道內(nèi)部的軸向和徑向電勢，或改變電子的密度和溫度，對(duì)離子的運(yùn)動(dòng)和工質(zhì)的電離產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[7]提到BNSiO2的二次電子發(fā)射系數(shù)對(duì)于霍爾推力器最為合適，可以使推力器效率達(dá)到最優(yōu)，但同時(shí)研究表明在加速區(qū)布置二次電子發(fā)射系數(shù)比BNSiO2低的壁面材料可以提高推力器的放電性能。金剛石、BN都屬于寬禁帶材料，電子親和勢低，表面的低能二次電子容易脫離束縛發(fā)射出去，所以兩者的二次電子發(fā)射特性比較相似[8]，且通過不同的制備方法可以使金剛石有不同的二次電子發(fā)射系數(shù)，若金剛石的二次電子發(fā)射系數(shù)比BNSiO2小，還有可能提高推力器性能。

2 金剛石濺射產(chǎn)額測量試驗(yàn)

為研究金剛石對(duì)霍爾推力器壽命的提高程度，本文需要得到金剛石的濺射產(chǎn)額：

式中：Y為濺射產(chǎn)額，表示某一個(gè)能量為E、入射角為θ的離子在材料表面濺射出的原子數(shù)，單位為atom/ion或可換算為mm3/C；Y(E)為濺射能量系數(shù)；Y(θ)為濺射角度系數(shù)[9]。

目前只有文獻(xiàn)[3]通過試驗(yàn)得到了金剛石的濺射產(chǎn)額隨能量變化的關(guān)系曲線Y(E)，但目前沒有文獻(xiàn)給出金剛石濺射產(chǎn)額隨角度變化的關(guān)系，故本文通過試驗(yàn)，補(bǔ)充角度關(guān)系式Y(jié)(θ)。

試驗(yàn)采用稱重法進(jìn)行測量，即通過稱量濺射試驗(yàn)前后試件的質(zhì)量，求出一定時(shí)間內(nèi)的濺射損失質(zhì)量，進(jìn)而得到金剛石的濺射產(chǎn)額。本文采用的試件是4片直徑2 cm、厚度2 mm的圓片，材料為BNSiO2，并在其表面鍍上厚度大約為4～6 μm的金剛石膜，在離子源下經(jīng)過30 h的連續(xù)濺射試驗(yàn)，通過安裝支架的配合，可以使入射的離子與試件表面法向的夾角分別是0°、45°、60°、75°。濺射試驗(yàn)在直徑1.2 m、長為3.36 m的真空艙內(nèi)進(jìn)行，真空度為1.3×10-3Pa，其尺寸和真空度水平可基本保證濺射不受背景粒子的干擾。在濺射試驗(yàn)過程中，離子源采用上?？臻g推進(jìn)研究所提供的SPT-70，在穩(wěn)定運(yùn)行下能提供能量300 eV左右的離子流，采用RPA探針和法拉第筒對(duì)離子流的能量和電流密度進(jìn)行測量，根據(jù)RPA測量得到離子流能量為270 eV，法拉第筒測得離子流密度為1.562 5 mA/cm2。濺射后根據(jù)稱重法得到的濺射產(chǎn)額如表1所示。

表1 濺射產(chǎn)額試驗(yàn)測量結(jié)果Table 1 Sputtering yield of CVD diamond-BN material

本文的試驗(yàn)條件與文獻(xiàn)[10]中測量氮化硼濺射產(chǎn)額的試驗(yàn)條件相同，可以對(duì)比兩種材料的濺射產(chǎn)額隨離子入射角度的變化(見圖1)，可以發(fā)現(xiàn)在0°～90°范圍內(nèi)的金剛石濺射產(chǎn)額均比BN陶瓷小，整體相對(duì)減少75%。兩種材料的濺射產(chǎn)額在0°～60°內(nèi)，都隨著入射角度的增加而增大，但金剛石的變化趨勢更加明顯。

角度關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式[11]：

式中：θopt表示在入射離子的能量不變的條件下，產(chǎn)生濺射產(chǎn)額最多時(shí)對(duì)應(yīng)的離子入射角，由圖1試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定金剛石材料的θopt在60°～75°范圍內(nèi)。f是一個(gè)由試驗(yàn)來確定的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，在Origin中通過擬合確定參數(shù)f為15，如圖2所示。

3 金剛石壁面濺射削蝕的模擬

3.1 仿真模型和方法

數(shù)值計(jì)算是研究推力器壁面濺射腐蝕的主要研究方式，可以節(jié)約大量的試驗(yàn)成本，主要有以下幾種方法：第一種方法是基于試驗(yàn)的半經(jīng)驗(yàn)公式法；第二種方法是基于彈性碰撞原理的簡易解析模型法；第三種方法是全粒子追蹤與直接蒙特卡洛混合算法(Particle In Cell/Direct Simulation Monte Carlo method，PIC/DSMC)。在沒有金剛石鍍膜推力器短壽命試驗(yàn)結(jié)果的情況下，無法使用半經(jīng)驗(yàn)公式法。第三種算法與第二種算法相比，可以模擬推理器內(nèi)真實(shí)的粒子運(yùn)動(dòng)過程[12]，可考慮的影響因素更全面，也曾在文獻(xiàn)[13]中被用來模擬壁面的削蝕。故本文采用第三種方法來模擬SPT-70的濺射削蝕。推力器結(jié)構(gòu)如圖3所示，通道長度L是28 mm，內(nèi)徑R1為20.8 mm，外徑R2為35 mm，設(shè)定整個(gè)內(nèi)外壁都是金剛石材料。

PIC/DSMC混合算法中，可以提供入射到壁面的離子的狀態(tài)參數(shù)，如能量E和角度θ，判斷入射能量E是否大于濺射閾值Eth，其代表使靶材發(fā)生濺射的最小離子能量，根據(jù)文獻(xiàn)[14]其計(jì)算方法如下：

式中：Us和γ分別代表靶材表面束縛能和能量參數(shù)。通過計(jì)算得到C單質(zhì)的濺射閾值為134 eV。

若E大于Eth，則判斷此離子可以使壁面發(fā)生濺射，并將濺射量分配在壁面網(wǎng)格中。在模擬時(shí)還要考慮壁面輪廓?jiǎng)討B(tài)變化，本文采用的方法是每積累一定的濺射深度就對(duì)入射角進(jìn)行修正，如圖4所示，修正后的入射角等于θ+ɑ。

3.2 方法驗(yàn)證

根據(jù)以上方法模擬了BN陶瓷173 h后的壁面形貌變化情況，并與SPT-70運(yùn)行17 h后的短壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)[10]進(jìn)行對(duì)比(見圖5)，可以看出壁面輪廓的模擬結(jié)果基本符合實(shí)際測量值，誤差在可接受的范圍內(nèi)，表明這種模擬方法的模擬結(jié)果具有一定的參考意義，故可以用來模擬采用金剛石壁面后SPT的通道壁面形貌變化的結(jié)果。

3.3 金剛石壁面輪廓的模擬結(jié)果

本文模擬了金剛石壁面在173 h后的輪廓形貌，并將模擬結(jié)果與氮化硼陶瓷壁面輪廓[10]進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。氮化硼陶瓷壁面在距離推力器出口約5 mm的地方就開始發(fā)生濺射，而金剛石壁面在距離通道大約2 mm的地方才出現(xiàn)較明顯削蝕。此外，氮化硼陶瓷壁面的濺射深度要比金剛石大很多。在173 h內(nèi)，金剛石通道內(nèi)外壁的最大濺射深度為0.077 mm和0.068 8 mm，而BN陶瓷通道的內(nèi)外壁面最大濺射深度分別是0.7 mm和0.6 mm，大約是金剛石壁面的10倍和8倍。

模擬結(jié)果說明使用金剛石可以減緩霍爾推力器壁面的削蝕速率，并且削蝕的范圍也有所減小，這是因?yàn)榻饎偸旧淼臑R射產(chǎn)額就比氮化硼陶瓷小，且金剛石的濺射閾值為134 eV，而氮化硼的閾值是60 eV，所以只有在很接近通道出口附近的Xe+才能獲得足夠的能量，使金剛石發(fā)生濺射。

本文還模擬了SPT-70長時(shí)間運(yùn)行后金剛石壁面的內(nèi)壁和外壁的半徑變化，如圖7所示?？梢钥闯鰹R射始終發(fā)生在距離推力器出口2 mm的范圍內(nèi)，而出口附近的壁面濺射深度不斷加深，壁面表面與軸線的夾角越來越大，在5 000 h后會(huì)形成約25°傾斜度，此時(shí)入射離子的實(shí)際入射角也相應(yīng)增大。而本文的試驗(yàn)表明，在入射角大于75°后金剛石的濺射產(chǎn)額已經(jīng)很微弱。所以隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，金剛石壁面的傾斜程度會(huì)明顯增加，導(dǎo)致濺射削蝕的速率減小。

本文以出口處的最大濺射深度作為對(duì)壽命影響的考量，金剛石的內(nèi)外壁面的最大濺射深度如表2所示。根據(jù)表2，金剛石壁面經(jīng)過5 000 h的濺射轟擊，其最大深度在大約0.65 mm的范圍內(nèi)，而在文獻(xiàn)[10]中，氮化硼壁面經(jīng)過173 h的濺射后，出口處的最大濺射深度就已經(jīng)達(dá)到0.65 mm左右。

表2 金剛石通道內(nèi)外壁最大濺射深度Table 2 Maximum depth of inside and outside wall of diamond

以上結(jié)果表明相同厚度的金剛石能承受的濺射時(shí)長比氮化硼陶瓷高出一個(gè)量級(jí)，對(duì)延緩壁面的削蝕有明顯效果。考慮到工藝難度和成本，不宜大面積替換金剛石，可僅將通道出口受到濺射最嚴(yán)重的地方換成金剛石，將壁面設(shè)計(jì)為如圖8所示。

4 結(jié)束語

本文通過試驗(yàn)證明了在相同能量和入射角的離子的濺射下，金剛石的濺射產(chǎn)額要比BN陶瓷小，在入射角為0°～90°的范圍內(nèi)，金剛石的濺射產(chǎn)額比BN相對(duì)減少75%。且通過PIC/DSMC法對(duì)壁面輪廓進(jìn)行模擬的結(jié)果表明0.7 mm厚的金剛石可經(jīng)受5 000～6 000 h的濺射轟擊，而同樣厚度的BN陶瓷只能承受200 h左右的濺射。故金剛石對(duì)于延緩壁面削蝕，延長推力器壽命有明顯的效果。

本文的結(jié)果還需要后續(xù)對(duì)采用金剛石壁面的SPT推力器進(jìn)行短壽命試驗(yàn)，一方面驗(yàn)證壁面輪廓的實(shí)際削蝕情況，另一方面考察對(duì)放電性能和效率的影響。

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