等離子體接觸器放電特性試驗研究

馮 杰，王彥龍，劉明正，田立成，劉士永，張健新

(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

空間站執(zhí)行任務(wù)期間面臨的常見問題之一是空間站與等離子體相互作用而產(chǎn)生的高懸浮電位問題。根據(jù)國際上的大量研究，空間站的表面電位通?？梢赃_(dá)到電子溫度的數(shù)倍[1-5]。高懸浮電位會帶來熱控涂層擊穿等不良效應(yīng)[6-8]，進而影響到空間站的正常工作。

解決該問題的有效方法之一是采用具備電子發(fā)射能力的等離子體接觸器以進行主動電位控制[9]。作為等離子體接觸器核心組件的空心陰極是一種高效的間熱式陰極，其原理為通過熱子加熱發(fā)射體產(chǎn)生熱電子轟擊工質(zhì)氣體形成等離子體，其中離子轟擊發(fā)射體以維持發(fā)射電子所需的溫度，多余電子則被觸持極引出形成所需的電子電流。電子電流的大小由外加電場決定，工質(zhì)氣體流量、引出電子電流的大小比例將決定空心陰極的具體工作模式。空心陰極工作在弧光區(qū)，具備在低電壓條件下引出大電流的優(yōu)勢。

Christian與Ferguson等于2004年分別報道了使用等離子體接觸器將懸浮電位控制在±40 V和-25 V以上的結(jié)果[9-10]，田立成[10]等建立的等效電路模型、楊昉[11]等建立的等效電容模型、Ferguson[12]等建立的穩(wěn)態(tài)模型也證實了該產(chǎn)品用于電位主動控制領(lǐng)域的可行性。國內(nèi)已開展了多項針對等離子體接觸器核心組件——空心陰極的驗證工作，如上?？臻g推進研究所開展的壽命驗證及陰極放電特性試驗研究[13-14]。蘭州空間技術(shù)物理研究所成功完成了LHC-5型空心陰極的相應(yīng)地面環(huán)境試驗、性能測試與壽命考核試驗，并完成了相應(yīng)的在軌點火試驗驗證[15]。在此基礎(chǔ)上，本文對接觸器產(chǎn)品工作參數(shù)對其放電特性的影響規(guī)律進行了試驗研究。試驗分別以單接觸器布局與雙接觸器布局開展，用以為產(chǎn)品的在軌飛行提供可供參考的地面試驗數(shù)據(jù)并揭示兩種不同布局模式下接觸器表現(xiàn)出的不同特性。

1 試驗方法及裝置

本試驗系統(tǒng)如圖1所示，試驗系統(tǒng)主要由供氣、供電系統(tǒng)、地測系統(tǒng)以及真空設(shè)備組成。真空艙容積為φ1.0 m×3.0 m，真空艙配備一臺機械泵、一臺分子泵以及兩臺低溫泵，試驗期間真空度可維持在10-3Pa量級。

圖1 等離子體接觸器測試設(shè)備示意圖Fig.1 Electrical test configuration of plasma contactor unit

真空艙配備inhA公司的KRO-4000S型流量控制器來控制接觸器供氣流量。艙內(nèi)外供氣管路內(nèi)表面均進行電拋光處理，工質(zhì)氣體為宇航級高純氙氣。試驗所用陽極電源、觸持電源以及加熱電源均為Agilent 6653A型穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，控制精度優(yōu)于1%，采樣讀數(shù)測量精度優(yōu)于1.5%FS。試驗的主要條件如表1所示。

表1 等離子體接觸器試驗條件Tab.1 Test conditions of plasma contactor

試驗用點火電源為自主研制，目的是為空心陰極提供幅值大于900 V，放電間隔為10 ms的點火脈沖，從而增加陰極點火成功率。

當(dāng)接觸器完成點火并成功進入自持放電階段后，使用Tektronix高壓探頭以及Agilent1147B電流探頭測量觸持電壓、鉗位電壓、觸持電流、陽極電流等關(guān)鍵參數(shù)。試驗用真空艙艙壁為不銹鋼材質(zhì)，每次進行試驗前均嚴(yán)格對艙壁進行打磨，以去除艙壁上存在的可能影響到等離子體接觸器放電參數(shù)的多余物。試驗中艙壁起到接收電子電流的作用，相當(dāng)于推力器測試或者是空心陰極組件測試中的陽極。

試驗分為兩個階段進行：第一階段僅采用單支接觸器產(chǎn)品進行測試；第二階段則兩支接觸器同時工作，并監(jiān)測該系統(tǒng)工作特性。等離子接觸器的核心組件為LHC-5型空心陰極，該產(chǎn)品已完成在軌點火工作試驗驗證[7]?？招年帢O的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 空心陰極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of hollow cathode structure

2 試驗結(jié)果分析及討論

2.1 單接觸器放電特性

試驗的供氣、供電方式如圖1所示，但同時安裝兩支接觸器。試驗中，首先僅對1號接觸器進行點火，進行單接觸器放電特性測試。期間2號接觸器保持為關(guān)機狀態(tài)。

圖3所示為接觸器鉗位電壓隨氙氣流率的變化情況，可以看出，鉗位電壓與氙氣流率間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即流率越大，鉗位電壓越小。這是由于等離子體接觸器采用的空心陰極為小孔型陰極，當(dāng)供氣流率越大時，空心陰極內(nèi)部的氣壓越大、等離子體密度也越大，此時只需要較小的電壓值就可以引出額定大小的陽極電流。因此，試驗結(jié)果表現(xiàn)為氙氣流率越大、鉗位電壓越低的現(xiàn)象。

圖4所示為兩個不同流率點下等離子體接觸器鉗位電壓隨偏置電流變化的趨勢?？梢钥闯?，鉗位電壓與偏置電流之間呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

當(dāng)接觸器的偏置電流從1 A變化至7 A時，偏置電壓對應(yīng)上升，而且當(dāng)供氣流率較大時，同一發(fā)射電流下的偏置電壓會更大。在發(fā)射電流為1 A時，采用0.9 mg/s的流率供氣，接觸器鉗位電壓為14 V。采用1.8 mg/s的流率供氣時，接觸器對應(yīng)的鉗位電壓為17 V。兩者相比較，后者比前者高3 V。

圖3 鉗位電壓隨氙氣流率的變化Fig.3 Change of clamping voltage with Xeon flow rate

圖4 鉗位電壓隨偏置電流的變化Fig.4 Change of clamping voltage with bias current

由于接觸器用陰極組件為小孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)偏置電流一定時，提高供氣流率會使陰極內(nèi)部中性氣體密度增大，對應(yīng)的等離子體電離度將減小、等離子體電阻增大。鉗位電壓是電子電流在陰極頂與艙壁間產(chǎn)生的電位降，在數(shù)值上等于等離子體電阻與放電電流的乘積。由于提高供氣流率時等離子體電阻較原來更高，而偏置電流為固定值，因此，鉗位電壓值會隨著流率的增大而升高。

圖5為對應(yīng)的等效阻抗的變化情況。從圖5可以看出，當(dāng)偏置電流增大時等效阻抗呈明顯下降趨勢，這是由于偏置電流增大時供氣流率為恒定值，此時接觸器與艙體之間的電離更為充分，當(dāng)工質(zhì)氣體電離得越充分，等離子體的電阻率就會越低，對應(yīng)的也就呈現(xiàn)出等效阻抗下降的趨勢。

圖5 等效阻抗隨偏置電流的變化Fig.5 Change of equivalent resistance with bias current

圖6為等離子體接觸器觸持電壓隨偏置電流的變化情況，可以看出，接觸器的觸持電壓與偏置電流之間呈現(xiàn)出典型的負(fù)阻抗特性,這與作為其核心組件的空心陰極組件的伏安特性相同[14]。空心陰極組件工作在氣體放電曲線的弧光放電區(qū)，當(dāng)其發(fā)射電流不超過轉(zhuǎn)變點時，靜態(tài)伏安特性都呈現(xiàn)為負(fù)阻特性。因此，當(dāng)單支等離子體接觸器處于穩(wěn)定放電狀態(tài)時，接觸器呈現(xiàn)出了與單陰極類似的伏安特性。

圖6 觸持電壓隨偏置電流的變化Fig.6 Change of keeper voltage with bias current

圖7所示為與圖6相對應(yīng)的等效電阻的變化情況，可以看出流率的變化對等離子體接觸器的觸持等效電阻的影響并不大，這是由于觸持極與陰極頂?shù)木嚯x很小，一般僅為2～3 mm，在這么小的區(qū)域中，等離子體電離率引起的接觸器放電特性的變化體現(xiàn)得并不明顯。

圖7 等效觸持阻抗隨偏置電流的變化Fig.7 Change of equivalent keeper resistance with bias current

2.2 雙接觸器放電特性

圖8和圖9為在試驗艙內(nèi)同時吊裝兩支等離子體接觸器進行試驗時偏置電壓、觸持電壓隨供氣流率的變化。試驗期間，兩支接觸器產(chǎn)品距艙壁的距離均控制為70 cm。

圖8 觸持電壓隨供氣流率的變化Fig.8 Change of keeper voltage with gas flow

圖8為在采用雙接觸器布局時，調(diào)整供氣流率對1#、2#接觸器產(chǎn)品觸持電壓及整艙偏置電壓影響的曲線?？梢钥闯?，隨著氙氣流率的增大，整艙的偏置電壓出現(xiàn)下降。這可以從部分電離等離子體的電阻率表達(dá)式中得到解釋

(1)

式中：η為電阻率；m為電子質(zhì)量；υei為“電子-離子”碰撞頻率；υen為“電子-中性粒子”碰撞頻率；e為電子電量；n為等離子體密度。當(dāng)氙氣流率增大時，等離子體密度上升，由于等離子電阻率與密度呈反比，因此，等離子體電阻率將對應(yīng)下降，等離子體電阻也將對應(yīng)下降。而試驗中采用恒流源，整個回路中的電流為一恒定值，偏置電壓為電阻與電流的乘積，因此，整艙的偏置電壓也將下降。

圖9 發(fā)射電流隨供氣流率的變化Fig.9 Change of emission current with gas flow

接觸器產(chǎn)品在軌工作時的一項重要參數(shù)是其發(fā)射電流，為確定雙接觸器布局時產(chǎn)品工作穩(wěn)定性，測試了不同流率點下接觸器的發(fā)射電流。

圖9為在采用雙接觸器布局時，調(diào)整供氣流率對1#、2#接觸器產(chǎn)品發(fā)射電流影響的曲線。試驗期間，艙外外加偏置電源開路電壓為50 V、預(yù)設(shè)電流為5.0 A。雖然兩支接觸器的安裝位置完全對稱，與艙壁的間距均為70 cm，但成功點火后，系統(tǒng)并未按照預(yù)期的兩支空心陰極各發(fā)射5 A電流的工況工作，而是1號接觸器發(fā)射2 A左右的電子電流，2號接觸器發(fā)射8 A左右的電子電流。

由于采用雙接觸器布局并成功建立起自持放電后，A，B機的負(fù)極均和設(shè)備艙體連接在一起，而其正極則通過電離后建立的等離子體通道和艙壁連接在一起。因此，A，B機兩支回路為并聯(lián)關(guān)系。即A，B兩機兩端的電壓大小相同，但是流過兩條回路的電流則分別由兩路的等效電阻決定。

分別以三極管模式對A，B機進行組件級的伏安特性測試，測試方法為在1.1 mg/s的流率點下固定陰極組件的觸持電流為額定值3.0 A，并將發(fā)射電流以0.1 A為梯度從0.0 A開始增大，最終根據(jù)測量值分別擬合出A，B機的伏安特性，具體可以表達(dá)為

UA=33.64IA-0.179

(2)

UB=26.55IB-0.178

(3)

根據(jù)A，B機之間的并聯(lián)關(guān)系，可得

UA=UB

(4)

IA+IB=10 A

(5)

式中：UA為A機兩端的電壓；UB為B機兩端的電壓；IA為A機發(fā)射的電子電流；IB為B機發(fā)射的電子電流。求解式(2)至式(4)，得出IA=7.9 A,IB=2.1 A，這與圖9所示的采用雙接觸器格局工作時兩支接觸器在1.1 mg/s工況點下的測量值一致。其他幾個流率點，如1.3 mg/s，1.5 mg/s，1.8 mg/s時的情況類似。因此，如果需要采用A+B機的工作策略時，需要選用伏安特性盡可能接近的產(chǎn)品以消除這種發(fā)射電流差異大的情況。

3 結(jié)論

對接觸器產(chǎn)品的伏安特性進行了試驗研究，結(jié)果表明：

1)影響等離子體接觸器伏安特性的主要是發(fā)射電流與供氣流率兩項因素，單接觸器的伏安特性呈現(xiàn)出鉗位電壓與發(fā)射電流呈正阻特性、觸持電壓與發(fā)射電流呈負(fù)阻特性的基本特點。

2)當(dāng)艙內(nèi)同時吊裝兩支接觸器時，產(chǎn)品的伏安特性對于發(fā)射電流的影響非常明顯。兩支接觸器的發(fā)射電流會呈現(xiàn)出一支發(fā)射電流明顯大于額定電流，另一支小于額定電流的現(xiàn)象。這是由于兩支接觸器的伏安特性存在細(xì)微差別而引起。如果需要采用該種布局策略，則需要選擇伏安特性盡量一致的陰極進行試驗。

目前的研究僅得到了初步的雙等離子體接觸器同時工作時的一些基礎(chǔ)的特性參數(shù)，后續(xù)將深化對等離子體接觸器特性以及接觸器布局對實際工作特性影響的研究。