LaB6空心陰極放電電壓波動(dòng)現(xiàn)象及發(fā)生機(jī)理

楊 威， 史 楷， 谷增杰， 賈艷輝， 劉明正

(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)

空心陰極是離子推力器和霍爾推力器的核心部件，是限制電推力器壽命和可靠性的關(guān)鍵因素之一[1]?？招年帢O不僅為電推力器內(nèi)部氣體放電提供原初電子，同時(shí)作為中和器用來(lái)中和電推力器噴出離子。隨著深空探測(cè)任務(wù)的深入論證，要求電推進(jìn)系統(tǒng)壽命能夠達(dá)到數(shù)萬(wàn)小時(shí)[2]。為滿(mǎn)足電推進(jìn)系統(tǒng)需求，空心陰極部件壽命要求至少能夠達(dá)到40 000 h[2]。在電推進(jìn)系統(tǒng)中鋇鎢(多孔鎢浸漬4BaO+CaO+Al2O3)和六硼化鑭(LaB6)被廣泛應(yīng)用。相比鋇鎢發(fā)射體材料，LaB6發(fā)射體具有更高的電子發(fā)射密度、更低的高溫蒸發(fā)率和更強(qiáng)的抗中毒能力[3]，因此LaB6發(fā)射體將作為長(zhǎng)壽命高可靠空心陰極發(fā)射體材料的首選。

由于電推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，地面試驗(yàn)或在軌工作時(shí)采用間歇性工作的方式。胡竟等[4]描述了離子推力器工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)陽(yáng)極電壓波動(dòng)的現(xiàn)象，這對(duì)離子推力器性能和可靠性造成了嚴(yán)重的影響；郭寧等[5]對(duì)離子推力器LaB6空心陰極失效模式及對(duì)離子推力器的影響進(jìn)行了分析和總結(jié)；Capece等[3]開(kāi)展了工質(zhì)氣體中氧含量對(duì)鋇鎢陰極發(fā)射特性的影響；Polk等[6]研究了工質(zhì)氣體中不同含量的氧等對(duì)鋇鎢陰極壽命及陰極腐蝕情況；于志強(qiáng)等[7]、張巖等[8]對(duì)鋇鎢擴(kuò)散陰極的特性進(jìn)行了整理；張強(qiáng)基[9]對(duì)LaB6材料進(jìn)行了失效分析。而關(guān)于LaB6陰極放電波動(dòng)原因的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，從應(yīng)用角度考慮，作為導(dǎo)致離子推力器工作過(guò)程中性能退化、壽命縮短的直接原因——空心陰極電壓放電電壓波動(dòng)有必要進(jìn)行深入研究。

為此，對(duì)LaB6空心陰極在間歇性工作放電電壓波動(dòng)的現(xiàn)象進(jìn)行研究，試驗(yàn)分析了LaB6空心陰極放電電壓波動(dòng)的原因及機(jī)理。

1 LaB6空心陰極試驗(yàn)裝置

空心陰極試驗(yàn)選用的TS-5B系列地面設(shè)備是蘭州空間技術(shù)物理研究所自主研制的用于空心陰極篩選和壽命驗(yàn)證的試驗(yàn)平臺(tái)，真空艙直徑500 mm、長(zhǎng)度1 200 mm，配備抽速為1 300 L/s的磁懸浮分子泵，本底真空度優(yōu)于5×10-5Pa?？招年帢O溫度采用光學(xué)高溫計(jì)(WGG2-201型)直接對(duì)陰極頂測(cè)試，該儀器測(cè)試精度一般為±20 ℃以?xún)?nèi)。

LaB6空心陰極試驗(yàn)裝置為平板三極管結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)原理如圖1所示。

工質(zhì)氣體選用高純氙氣，純度≥99.999 5%(其中H2的體積分?jǐn)?shù)1×10-6，O2的體積分?jǐn)?shù)為0.1×10-6，H2O的體積分?jǐn)?shù)為0.1×10-6，CO2的體積分?jǐn)?shù)為0.1×10-6),使用質(zhì)量流量計(jì)控制工質(zhì)流率。由于空心陰極產(chǎn)品特點(diǎn)在試驗(yàn)期間只能通過(guò)空心陰極陽(yáng)極電壓和陰極頂溫度間接表征LaB6空心陰極內(nèi)部發(fā)射體溫度[10]。

圖1 空心陰極試驗(yàn)電連接方式Fig.1 Electrical connection mode of hollow cathode

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

空心陰極采用間隙性放電的工作方式，發(fā)射電流為20 A、觸持極電流為0.6 A、工質(zhì)氣體流率為0.272 mg/s。試驗(yàn)期間持續(xù)工作24 h冷卻2 h為一個(gè)循環(huán)，每500 h開(kāi)艙檢查陰極狀態(tài)，并將空心陰極置于溫度約為30 ℃的環(huán)境中。

實(shí)驗(yàn)中選用的LaB6空心陰極在壽命試驗(yàn)期間陽(yáng)極電壓變化如圖2所示。

圖2 空心陰極放電電壓隨工作時(shí)間變化Fig.2 Variation of discharge voltage of hollow cathode varies with working time

從圖2可以看出，空心陰極首次入艙后陽(yáng)極電壓呈逐漸下降的趨勢(shì)，累計(jì)工作10～20 h后放電電壓將逐漸恢復(fù)平穩(wěn)，電壓變化之小于1 V。開(kāi)始工作后LaB6空心陰極在500 h試驗(yàn)前保持持續(xù)工作狀態(tài)，觀察其在試驗(yàn)期間放電電壓，波動(dòng)約±0.2 V。但空心陰極初次暴露大氣后，其放電電壓出現(xiàn)了大幅變化，升高約3.5 V。在第2個(gè)500 h區(qū)間內(nèi)電，其放電電壓呈持續(xù)下降趨勢(shì)，隨后的多次暴露大氣均出現(xiàn)了放電電壓先升高后下降的趨勢(shì)，通過(guò)該現(xiàn)象可以確定空心陰極在暴露大氣時(shí)出現(xiàn)了發(fā)射體污染的現(xiàn)象。圖3、圖4分別為試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)空心陰極發(fā)射體材料微觀形貌及能譜圖。

由表面形貌(圖3)可以看出，該陰極發(fā)射體表面出現(xiàn)絮狀化合物，結(jié)合能譜圖可知發(fā)射體材料已發(fā)生了嚴(yán)重氧化。

當(dāng)LaB6發(fā)射體暴露大氣后，LaB6發(fā)射體與氧發(fā)生反應(yīng)為

xLa(BO2)3(crystal)+La2-xO21-6x(glass)

(1)

式(1)中：glass為氧化物為玻璃態(tài)；crystal為氧化物為晶體形態(tài)。

LaB6與氧接觸后首先生成La-B-O，在此基礎(chǔ)成核生長(zhǎng)，最后生成La(BO2)3，La(BO2)3的熔點(diǎn)為1 141 ℃[11]，該氧化物不容易清除。而生成的B2O3的熔點(diǎn)近似為450 ℃，當(dāng)溫度接近1 000 ℃時(shí)B2O3，蒸發(fā)明顯。因此在LaB6空心陰極在暴露大氣(或輕微氧化)后，首先發(fā)射體要在溫度為100 ℃的條件下預(yù)處理，去除陰極管、發(fā)射體、陰極頂?shù)攘慵砻嫖降腛2，然后使發(fā)射體溫度提升至400～500 ℃,使得表面的B2O3在工質(zhì)氣體的噴吹下排出發(fā)射體內(nèi)部，而表面的La(BO2)3在發(fā)射體內(nèi)部離子的清洗下隨著工質(zhì)氣體排出發(fā)射體內(nèi)部。

圖3 LaB6發(fā)射體微觀形貌Fig.3 Microstructure of LaB6 emitter

圖4 發(fā)射體表面能譜圖Fig.4 Surface energy spectrum of emitter

為了驗(yàn)證LaB6空心陰極試驗(yàn)期間電壓波動(dòng)是由于暴露大氣后LaB6空心陰極吸附大氣中的氧氣引起的，選取另外一只LaB6空心陰極開(kāi)展暴露大氣試驗(yàn)。空心陰極在進(jìn)艙前依次使用加熱電流為1、4 A進(jìn)行發(fā)射體處理，預(yù)處理溫度近似為100、400 ℃。在工作25 h后，關(guān)閉空心陰極并且停止供氣。當(dāng)發(fā)射體冷卻至700 ℃左右(Wen等[11]曾發(fā)現(xiàn)在富氧條件下，700 ℃時(shí)LaB6發(fā)射體將出現(xiàn)輕微氧化)，開(kāi)啟真空艙放氣閥，使LaB6空心陰極直接暴露在大氣下。待空心陰極冷卻后，重新啟動(dòng)工作。圖5為試驗(yàn)過(guò)程中空心陰極陽(yáng)極電壓變化情況。

圖5中在充入大氣后空心陰極再次工作時(shí)，陽(yáng)極電壓出現(xiàn)明顯上漲，且電壓振蕩較大，工作30 h后陽(yáng)極電壓逐漸恢復(fù)至暴露大氣前狀態(tài)，但其放電波動(dòng)仍比之前要大，該現(xiàn)象與第1只LaB6空心陰極陽(yáng)極電壓變化相同。

圖5 空心陰極放電電壓隨時(shí)間變化Fig.5 Discharge voltage of hollow cathode varies with time

3 間隙性放電電壓波動(dòng)分析

LaB6空心陰極發(fā)射體中毒一般由工作環(huán)境或工質(zhì)氣體中的氧氣吸附在發(fā)射體表面，并形成偶極子，從而改變了發(fā)射體表面電勢(shì)和功函數(shù)。因此當(dāng)LaB6空心陰極中毒后發(fā)射體表面發(fā)射電流密度將減少，為了維持發(fā)射體表面發(fā)射電流密度，只能通過(guò)提高空心陰極放電電壓保持空心陰極額恒流輸出。由Richardson-Dushman公式，中毒前后發(fā)射電流密度變化可以推導(dǎo)為

J/J0={AT2exp[-(φ/kT)]}/{A0T2×

exp[-(φ0/kT)}=

(A/A0)exp[(φ0-φ)/kT]

(2)

式(2)中：J0陰極未中毒前發(fā)射電流密度；A0為未中毒前發(fā)射常數(shù)；φ0為未中毒前功函數(shù)；J為陰極中毒后發(fā)射電流密度；A為發(fā)射常數(shù)；φ為功函數(shù)；T為發(fā)射體溫度；k為玻爾茲曼常數(shù)。

在近似計(jì)算中一般認(rèn)為中毒后發(fā)射常數(shù)A不發(fā)生變化，因此，中毒后發(fā)射電流密度關(guān)系可以表示為

J/J0=exp-(eΔφ/kT)

(3)

式(3)中：Δφ=φ-φ0為中毒前后逸出功變化，并且吸附的氣體決定功函數(shù)的變化，可以表示為

Δφ=δmθM/ε

(4)

式(4)中：δm為陰極表面吸附位氣體密度；θ為氣體的覆蓋度；M為吸附氣體形成的偶極矩；ε為介電常數(shù)。

引起電流密度表面的主要因素為發(fā)射體材料的逸出功發(fā)生了變化。而發(fā)射體逸出功變化由發(fā)射體表面氣體吸附形成的偶極矩強(qiáng)決定。偶極子的強(qiáng)度則由吸附氣體的類(lèi)型決定。

表面吸附大體上可以分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種兩大類(lèi)。在物理吸附[圖6(a)]中，吸附氣體受范德瓦作用，作用力來(lái)源于分子偶極矩的漲落。在化學(xué)吸附[圖6(b)、圖6(c)]中，吸附氣體與陰極表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在吸附過(guò)程中吸附氣體被化學(xué)鍵束縛在陰極表面，其作用力比范德瓦力強(qiáng)得多，但作用距離較小。 化學(xué)吸附所需的吸附熱量由中毒氣體與陰極表面化學(xué)反應(yīng)提供，例如氧吸附在鎢表面時(shí)，吸附熱約為194 kcal/mol[12]，如此高的吸附熱均由氧在鎢表面化學(xué)反應(yīng)提供。因此化學(xué)吸附導(dǎo)致吸附表面電荷間形成更大的偶極矩，化學(xué)吸附后LaB6陰極表面電勢(shì)增加， LaB6發(fā)射體表面逸出功變大。

d為正、負(fù)電荷間距離圖6 物理吸附和化學(xué)吸附Fig.6 Physical adsorption and chemical adsorption

陰極表面氣體吸附的量可以用等溫方程描述，Brunauer、Emmett和Teller在1938年蘭米爾方程基礎(chǔ)上提出的等溫吸附方程(BET方程)[10]，BET方程改寫(xiě)為

(5)

式(5)中:c為與被吸附有關(guān)的常數(shù)；x=P/P0，其中P為中毒氣體壓強(qiáng)，P0為在溫度T下氣體蒸氣壓；n為單層吸附最大個(gè)數(shù)。

c=exp[(Q-Q1)/RT]

(6)

式(6)中：Q為吸附熱；Q1為氣體液化熱；R為氣體常數(shù)。單分子層吸附時(shí)n=1，此時(shí)式(5)變?yōu)槔士姞柕葴匚椒匠蹋?/p>

θ=cx/(1+cx)

(7)

將式(4)、式(6)、式(7)代入式(3)中得

(8)

從式(8)可以看出，發(fā)射體表面逸出功變化主要取決于氣體的壓強(qiáng)和陰極的溫度。在溫度不變且同種氣體的條件下,氣體吸附的量越大、壓強(qiáng)越高,表面發(fā)射電子密度越小。

由于不同氣體在陰極表面形成的偶極矩和氣體的吸附熱不同，導(dǎo)致其表面氣體吸附類(lèi)型和數(shù)量完全不同。LaB6發(fā)射體材料，鑭是一種吸附中心，硼是另外一種吸附中心，因此假設(shè)氣體被吸附在兩個(gè)不同類(lèi)型的吸附中心。式(4)吸附氣體引起的功函數(shù)變化可表示為

Δφ=(δm/ε)(±Maθa±Mbθb)

(9)

式(9)中：Ma為吸附位a的偶極矩；θa為吸附位a的覆蓋度；Mb為吸附位b的偶極矩；θb為吸附位b的覆蓋度，且偶極矩表示為M=ed,即單位電荷與距離的乘積。正負(fù)號(hào)表示偶極子的取向可以增加或減小表面功函數(shù)。穩(wěn)重計(jì)算假設(shè)發(fā)射體表面吸附面a和b均為單分子覆蓋,即表達(dá)式θ=θa+θb,θ=2。

氧和鑭的結(jié)合要比氧和硼的結(jié)合牢固[12]，氧和鑭之間的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)果，是將表面形成電荷偶極矩，導(dǎo)致功函數(shù)增加，進(jìn)而降低LaB6發(fā)射體電子發(fā)射能力。式(8)是偶極矩與基底的電負(fù)性(xm)和吸附氣體的電負(fù)性(xf)有關(guān),其表達(dá)式為

Mfm=k(xm-xf)

(10)

功函數(shù)和偶極矩之間的關(guān)系可以改寫(xiě)為功函數(shù)與吸附氣體的電負(fù)性的關(guān)系[13]，即

Δφ=σmθk(xm-xf)/ε

(11)

由于對(duì)LaB6發(fā)射體而言氧是大氣中最敏感的氣體[12,14]，氧形成的偶極子相比其他氣體的要強(qiáng)，氧的相對(duì)電負(fù)性為3.5，而氫和氮的電負(fù)性一般為2.1、2.8。因此當(dāng)發(fā)射體暴露大氣后，氧與發(fā)射體表面形成較強(qiáng)的偶極矩，導(dǎo)致發(fā)射體表面逸出功將增加，在維持同樣發(fā)射電流的條件下，空心陰極的表面溫度和陽(yáng)極電壓均會(huì)上升。

當(dāng)采用小電流預(yù)處理的方法講發(fā)射體表面吸附的氧清除或隨著空心陰極的放電時(shí)間增加，內(nèi)部離子對(duì)發(fā)射體表面的清洗作用，使LaB6發(fā)射體表面吸附的氧脫附，LaB6發(fā)射體的活性恢復(fù)，此時(shí)空性陰極的陽(yáng)極電壓逐漸降低。

4 結(jié)論

介紹了蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的20 A LaB6空心陰極間歇性工作過(guò)程中放電電壓波動(dòng)的問(wèn)題，并針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了分析，建立了影響發(fā)射體表面電子發(fā)射密度及影響發(fā)射體表面功函數(shù)的關(guān)系式，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了假設(shè)，得出了如下結(jié)論。

(1)LaB6空心陰極在暴露大氣后，發(fā)射體表面將吸附大量氣體。吸附的氣體在LaB6發(fā)射體表面形成較強(qiáng)偶極矩，當(dāng)空心陰極再次工作時(shí)其放電電壓將升高。

(2)LaB6發(fā)射體表面吸附氣體偶極矩的強(qiáng)度與所吸附氣體的類(lèi)型、壓強(qiáng)、發(fā)射體的溫度均有較大關(guān)系，其中氧氣所形成的偶極矩對(duì)發(fā)射體材料表面逸出功影響最大。

(3)LaB6空心陰極在暴露大氣后，可通過(guò)對(duì)發(fā)射體低溫加熱預(yù)處理的方式，可以去除暴露大氣后吸附在發(fā)射體表面的氧氣和反應(yīng)生成的低熔點(diǎn)氧化物，使發(fā)射體恢復(fù)活性，降低暴露大氣對(duì)LaB6空心陰極放電電壓的影響。