原子氧環(huán)境對(duì)空心陰極影響的地面模擬試驗(yàn)研究

馮 杰，劉明正，王彥龍，陳新偉，王 蒙，楊俊泰，田立成

（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）

0 引言

近些年來(lái)，我國(guó)在低地球軌道（LEO）的任務(wù)，如空間站電位主動(dòng)控制系統(tǒng)、重力梯度衛(wèi)星等日益增多。LEO（高度為200～600 km范圍）環(huán)境中含有N、O、Ar、He和H等多種成分，其中原子氧由于其強(qiáng)氧化性[1]及在LEO中性大氣中的數(shù)量占比高達(dá)80%而被視為重要的空間環(huán)境因素之一。在LEO航天產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，通常使用地面試驗(yàn)來(lái)模擬研究原子氧對(duì)航天器的影響。

空心陰極是電位主動(dòng)控制系統(tǒng)、離子推力器、霍爾推力器的核心組件，是影響單機(jī)及系統(tǒng)長(zhǎng)壽命及高可靠的主要限制因素之一[2-3]。為驗(yàn)證空心陰極的壽命及可靠性，國(guó)外開(kāi)展過(guò)多項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)，如美國(guó)完成了“深空一號(hào)”離子推力器陰極16 000 h的空間飛行驗(yàn)證試驗(yàn)以及30 000 h的地面驗(yàn)證試驗(yàn)[4-6]。另外，美國(guó)設(shè)計(jì)的大發(fā)射電流鋇鎢空心陰極隨NEXT離子推力器在輸入功率6.9 kW、束流3.52 A工況下進(jìn)行了地面壽命考核，截至2007年9月累計(jì)完成了 11 570 h的考核試驗(yàn)[7]。國(guó)內(nèi)，蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LHC-5L型空心陰極已裝配于SJ-9A衛(wèi)星離子電推進(jìn)系統(tǒng)LIPS-200離子推力器作為主陰極及中和器，并于2012年11月完成了在軌超過(guò)240次的點(diǎn)火工作試驗(yàn)[8]。但這些試驗(yàn)僅對(duì)空心陰極的基本性能進(jìn)行了測(cè)試，并未涉及原子氧對(duì)空心陰極影響的研究。

空心陰極在低軌工作時(shí)長(zhǎng)期暴露于原子氧環(huán)境中，由于其工作溫度較高，構(gòu)成空心陰極的鉭、鈦、六硼化鑭等材料有可能在高溫下與原子氧發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致陰極組件失效，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)或單機(jī)產(chǎn)品在軌失效。因此，有必要開(kāi)展原子氧環(huán)境對(duì)空心陰極影響的研究工作。

雖然可以直接通過(guò)在軌飛行驗(yàn)證的方法來(lái)開(kāi)展原子氧效應(yīng)試驗(yàn)，但該方法不僅成本昂貴，而且無(wú)法對(duì)產(chǎn)品故障進(jìn)行及時(shí)分析。地面模擬試驗(yàn)方法則沒(méi)有這些限制，可以使用較低的成本、依據(jù)所需的條件開(kāi)展試驗(yàn)，并在短時(shí)間內(nèi)獲得所需的試驗(yàn)結(jié)果。本次試驗(yàn)中通入的原子氧通量密度按照空心陰極在軌運(yùn)行期間慣性姿態(tài)下1年的總通量進(jìn)行折算，期間空心陰極按照額定工況進(jìn)行循環(huán)點(diǎn)火試驗(yàn)，并采用鎢錸5-26熱電偶監(jiān)測(cè)陰極管溫度。試驗(yàn)后，對(duì)空心陰極組件進(jìn)行解剖，通過(guò)XPS分析空心陰極關(guān)鍵部位的成分，最終通過(guò)分析結(jié)果確定原子氧對(duì)空心陰極組件的影響。

1 試驗(yàn)裝置及產(chǎn)品

地面模擬試驗(yàn)在蘭州空間技術(shù)物理研究所的TS-5B系列真空試驗(yàn)裝置中開(kāi)展。該裝置包括LHC-5六硼化鑭空心陰極組件、供電系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、測(cè)試儀器設(shè)備及真空艙，具體見(jiàn)圖1所示。真空艙容積為φ0.5 m×1.1 m(L)，配備螺桿泵和分子泵，考核試驗(yàn)中工作真空度保持在10-4Pa的量級(jí)。在空心陰極觸持極前7.0cm處放置鉬制圓形陽(yáng)極板以模擬離子推力器中的陽(yáng)極筒。艙內(nèi)配備量程為 0.68 mg/s的 BROOKS SLA5850S 流量控制器控制陰極供氣流量。供氣管路在真空艙外使用不銹鋼管，艙內(nèi)使用波紋管，所有管路內(nèi)表面均進(jìn)行電拋光處理，工質(zhì)氣體為高純氙氣。

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

原子氧由真空艙側(cè)面通入，原子氧的通量密度為 1.2×1016AO/(cm2·s) ，試驗(yàn)累計(jì)進(jìn)行 60 h，用以模擬空心陰極在軌飛行1年期間受到原子氧影響的總量。試驗(yàn)中，空心陰極進(jìn)行循環(huán)開(kāi)關(guān)機(jī)操作，陰極供氣流量設(shè)置為0.136 mg/s，加熱電流設(shè)置為7.5 A。當(dāng)真空艙內(nèi)壓力恒定后，開(kāi)啟加熱電源，加熱2 min后，開(kāi)啟觸持電源、點(diǎn)火電源進(jìn)行點(diǎn)火。陰極點(diǎn)火成功后，于10 s內(nèi)關(guān)閉加熱電源，持續(xù)放電15 min后關(guān)閉陰極。期間使用鎢錸5-26熱電偶測(cè)量陰極管溫度。冷卻期間，停止對(duì)空心陰極的氙氣供應(yīng)并持續(xù)通入原子氧，冷卻30 min后進(jìn)行下一次放電試驗(yàn)。

測(cè)溫系統(tǒng)采用3路電源供電。采用30 V、25 A的恒流源為加熱器供電。點(diǎn)火電源脈沖電壓900～1000 V、t≤5 000 μs，用以為點(diǎn)火過(guò)程提供脈沖高壓擊穿工質(zhì)氣體，進(jìn)而建立自持放電過(guò)程。試驗(yàn)中使用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集陽(yáng)極電壓、陽(yáng)極電流、觸持電壓、觸持電流、流量等關(guān)鍵性能參數(shù)，并將其每隔1 min寫(xiě)入工控機(jī)硬盤(pán)。

試驗(yàn)完畢后，對(duì)空心陰極進(jìn)行解剖，并對(duì)其陰極管斷面及內(nèi)壁面進(jìn)行XPS分析，以確定原子氧在高溫下對(duì)于陰極的影響。

參試產(chǎn)品為由蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LHC-5型六硼化鑭空心陰極，其幾何結(jié)構(gòu)與研制工藝均與已應(yīng)用于LHT-100、LIPS-200推力器產(chǎn)品完成在軌飛行試驗(yàn)驗(yàn)證的空心陰極一致?？招年帢O組件主要包括陰極管、加熱絲、發(fā)射體、熱屏、觸持極和法蘭等，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 LHC-5 空心陰極結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the LHC-5 hollow cathode

2 原子氧效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)

航天器所用材料在原子氧作用下，其力學(xué)、熱學(xué)、熱電子發(fā)射特性都會(huì)發(fā)生變化，這將導(dǎo)致航天器關(guān)鍵部組件無(wú)法穩(wěn)定工作，進(jìn)而對(duì)航天器的正常工作產(chǎn)生明顯影響。因此，為準(zhǔn)確理解原子氧對(duì)空心陰極的影響并獲得空心陰極工作期間溫度變化的準(zhǔn)確情況，試驗(yàn)中使用熱電偶監(jiān)測(cè)陰極管溫度。圖3為陰極在工作期間，從開(kāi)始加熱至關(guān)閉加熱電源期間陰極管的溫度變化曲線。由于空心陰極的熱平衡溫度與放電電流大小直接相關(guān)，為更加接近空心陰極在軌工作真實(shí)工況，試驗(yàn)中設(shè)置了0、3和5 A三種不同大小的陽(yáng)極電流。

從圖3可以看出，陰極管溫度首先升高，當(dāng)達(dá)到建立自持放電所需閾值時(shí)陰極點(diǎn)火成功。對(duì)應(yīng)的，陰極管的溫度將立即下降至熱平衡點(diǎn)。持續(xù)放電15 min后，關(guān)閉陰極觸持、陽(yáng)極電源，由于外部電場(chǎng)消失，等離子體放電無(wú)法維持，陰極管的溫度將立即下降。試驗(yàn)結(jié)果表明，陰極管溫度降至250 ℃需要約900 s。而且，陽(yáng)極電流越大，空心陰極降至同樣溫度所需的時(shí)間越長(zhǎng)。

圖3 陰極管溫度隨工作時(shí)間的變化曲線Fig.3 Cathode tube temperature vs work time

陽(yáng)極電流與陰極管溫度之間呈現(xiàn)出的正比關(guān)系可以通過(guò)圖4所示的函數(shù)關(guān)系給出解釋。圖4為陽(yáng)極功率、陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流之間的關(guān)系，可以看出，當(dāng)陽(yáng)極電流增大時(shí)，空心陰極的陽(yáng)極電壓會(huì)隨之下降，但由于陽(yáng)極電流的增大速率要超過(guò)陽(yáng)極電壓的減小速率，使得陽(yáng)極功率總體上呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。對(duì)于某種特定的空心陰極而言，其散熱能力是一定的。因此，當(dāng)增大陽(yáng)極電流，陽(yáng)極功率上升時(shí)，除去通過(guò)真空輻射損失掉的熱量外，其他熱量均沉積在空心陰極本體上，使得陰極管的溫度對(duì)應(yīng)上升。

圖4 陽(yáng)極電壓和功率隨陽(yáng)極電流的變化曲線Fig.4 Anode voltage and power vs anode current

當(dāng)模擬試驗(yàn)進(jìn)行至第40 h時(shí)，空心陰極點(diǎn)火后僅6 min即出現(xiàn)熄弧。之后空心陰極失效，無(wú)法正常工作。為確認(rèn)導(dǎo)致空心陰極失效的原因，拆解空心陰極，發(fā)現(xiàn)鉭材質(zhì)的陰極管上出現(xiàn)了長(zhǎng)度為15mm的縱向裂紋，開(kāi)裂端面呈現(xiàn)出明顯的疏松層狀形貌；除鉭管外其他部位均無(wú)異常。為確認(rèn)導(dǎo)致鉭管開(kāi)裂的原因，使用XPS對(duì)陰極管斷面及內(nèi)壁面進(jìn)行了成分分析。

3 成分檢測(cè)與分析

3.1 成分檢測(cè)方法簡(jiǎn)述

原子氧試驗(yàn)前使用英國(guó)Oxford公司的X-Max50型X射線能譜儀對(duì)陰極管的成分進(jìn)行分析。試驗(yàn)后陰極鉭管斷面及內(nèi)壁面的成分分析則使用美國(guó)PE公司的PHI-5400型X射線光電子能譜儀，分析室真空度為1.0×10-8Pa，用C1s電子校正樣品的核電效應(yīng)，其電子結(jié)合能為285.10 eV。

3.2 試驗(yàn)前陰極管成分分析

在進(jìn)行原子氧試驗(yàn)前，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。從陰極管端面提取少量片狀樣品采用X射線能譜儀（EDS）進(jìn)行成分分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 陰極管 EDS 圖譜Fig.5 EDS spectrum of the cathode tube

從圖5可以看出，試驗(yàn)前陰極管除了主要成分Ta外，只含B、C兩種元素。其中，B來(lái)自于與鉭管接觸的六硼化鑭發(fā)射體材料，是由于六硼化鑭中活性較強(qiáng)的B原子在與鉭管長(zhǎng)期接觸過(guò)程中會(huì)擴(kuò)散至鉭晶格中；C元素則來(lái)自于成分分析時(shí)黏附樣品使用的導(dǎo)電膠。因此可以認(rèn)為，試驗(yàn)前陰極管成分單一，不含其他雜質(zhì)。

3.3 陰極管斷面成分分析

當(dāng)原子氧試驗(yàn)結(jié)束后，為確定原子氧對(duì)空心陰極的影響，對(duì)陰極進(jìn)行了解剖并對(duì)對(duì)應(yīng)部位進(jìn)行了XPS分析。圖6為空心陰極暴露在原子氧環(huán)境中60 h后的陰極管斷面XPS全譜圖，錄譜范圍為0～1400 eV。由圖可知，空心陰極斷面的元素組成包括 Ta、O、C。

圖6 陰極管斷面的 XPS 圖譜Fig.6 XPS pattern of the cathode tube section

為了研究以上所述各元素的化學(xué)狀態(tài)，通過(guò)窄掃描得到了各元素的高分辨率XPS圖，對(duì)其進(jìn)行高斯擬合得到的Ta4f峰由結(jié)合能為28.70、30.78和32.95 eV 的三峰構(gòu)成（見(jiàn)圖7(a)）。Ta2O5中 Ta4f的結(jié)合能為26.8 eV，在上述三峰范圍之內(nèi)，證實(shí)暴露在原子氧輻照下的陰極管斷面出現(xiàn)了Ta2O5。圖7(b)中C1s具有2個(gè)雙重態(tài)位置峰（285.10和287.32 eV），其中結(jié)合能為285.10 eV的C1s用于校正樣品的核電效應(yīng)；結(jié)合能為287.32 eV的峰對(duì)應(yīng)于用于隔離六硼化鑭發(fā)射體與陰極管的碳化鉭。圖7(c)所示的O1s出現(xiàn)了1個(gè)結(jié)合能為533.3 eV的峰值，經(jīng)過(guò)標(biāo)定，其對(duì)應(yīng)的是金屬氧化物中O2-的化學(xué)價(jià)態(tài)，此處即對(duì)應(yīng)Ta2O5[9-10]。

圖7 陰極管斷面成分中各元素的高分辨率XPS圖譜Fig.7 High-definition XPS spectra of elements in the cathode tube section

3.4 陰極管內(nèi)壁面成分分析

圖8為經(jīng)歷原子氧試驗(yàn)測(cè)試后的陰極管內(nèi)壁面XPS圖譜。由圖可知，陰極管內(nèi)壁面和陰極管斷面的XPS寬掃描譜具有相似的特點(diǎn)，空心陰極內(nèi)壁面的主要元素組成也是Ta、O、C。

圖8 陰極管內(nèi)壁面的 XPS 圖譜Fig.8 XPS spectrum over a wide energy range on the inner face of the cathode tube

空心陰極內(nèi)壁面成分中各元素的高分辨率XPS圖譜如圖9所示，對(duì)其在常規(guī)方法去除本底后進(jìn)行高斯擬合得到的Ta4f峰由結(jié)合能為30.82和32.81 eV 的雙峰構(gòu)成（參見(jiàn)圖9(a)），對(duì)應(yīng)于 Ta5+的化學(xué)價(jià)態(tài)。由O元素的XPS窄掃描譜（圖9(c)）可以看到，譜峰的結(jié)合能是535 eV，對(duì)應(yīng)于金屬氧化物中O2-的化學(xué)價(jià)態(tài)。因此可以判定，陰極管內(nèi)壁面有Ta2O5存在。

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[11]，當(dāng)環(huán)境溫度大于250 ℃時(shí)，金屬鉭會(huì)按照以下方式反應(yīng)并生成氧化物：

圖9 陰極管內(nèi)壁面成分中各元素的高分辨率XPS圖譜Fig.9 XPS spectra of the cathode tube inner face

導(dǎo)致陰極管開(kāi)裂的氧化鉭是在高溫下形成的，因此可以判定氧化鉭中的O元素主要來(lái)自于在加熱狀態(tài)下進(jìn)行的原子氧試驗(yàn)過(guò)程而非試驗(yàn)后陰極管在常溫狀態(tài)下對(duì)氧的吸附。試驗(yàn)中陰極持續(xù)工作在高溫環(huán)境下，關(guān)機(jī)冷卻后由于高純氙氣已停止通入，此時(shí)鉭材質(zhì)的陰極管就會(huì)在沒(méi)有保護(hù)氣體的情況下發(fā)生氧化。這一過(guò)程不斷重復(fù)，陰極管被氧化部分會(huì)變得膨脹、疏松，并由于應(yīng)力作用最終開(kāi)裂。陰極管開(kāi)裂后，作為工質(zhì)氣體的高純氙氣無(wú)法穩(wěn)定地通入空心陰極發(fā)射體區(qū)，因此空心陰極就會(huì)出現(xiàn)熄弧。為此，應(yīng)優(yōu)化空心陰極的在軌點(diǎn)火流程，保證陰極在斷電后繼續(xù)通入高純氙氣作為保護(hù)氣體，直至陰極的溫度下降至250 ℃的臨界氧化溫度以下才可停止供氣。

4 結(jié)束語(yǔ)

原子氧環(huán)境對(duì)空心陰極影響的地面模擬試驗(yàn)研究表明，如果六硼化鑭型空心陰極長(zhǎng)期工作在不加任何保護(hù)措施的LEO原子氧環(huán)境中，陰極管將在高溫下與原子氧發(fā)生反應(yīng)，生成膨松的Ta2O5，導(dǎo)致陰極管斷裂，最終使得空心陰極失效。因此，六硼化鑭型空心陰極在LEO工作期間，應(yīng)該制定正確的關(guān)機(jī)策略，例如使空心陰極在到達(dá)安全閾值溫度之前在其中持續(xù)通入保護(hù)氣體，以避免發(fā)生氧化反應(yīng)而對(duì)陰極組件造成損傷。

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