短間隙真空弧放電電極活躍現(xiàn)象的實驗研究

許人友，萬翔，楊林，陳磊

（中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621900）

1 前言

真空弧放電主要通過陰極斑燒蝕陰極材料形成等離子體，在衛(wèi)星的推進領(lǐng)域具有很高應用價值。陰極斑附近形成的等離子體射流中包含大量的電子和高速離子，在擴散過程中可以直接形成推力。通過等離子體羽流的擴散和柵極加速離子，脈沖真空弧離子推進器一般具有較高的反沖比，除此之外，脈沖真空弧離子推進器具有裝置簡單、尺寸小和質(zhì)量輕的優(yōu)點，因此適用于微納衛(wèi)星的變軌和調(diào)姿。

近年來，短間隙真空弧(short vacuum arc: SVA)引起研究者很大的興趣。在傳統(tǒng)的長間隙真空弧(traditional large gap vacuum arc: TLVA)放電過程中，等離子體主要由陰極表面的陰極斑產(chǎn)生，在低于1000A的放電電流下，陽極一般呈現(xiàn)惰性。當放電電流達到幾千安培時，陽極開始參與放電并產(chǎn)生陽極斑等現(xiàn)象。而SVA放電過程中，放電電流在幾十到幾百安培情況下，陰極斑與陽極斑共同出現(xiàn)，共同產(chǎn)生等離子體。目前，商用微納衛(wèi)星真空弧推進裝置的放電電流遠低于1000A，其放電形式為陰極弧放電，即依靠TLVA中的陰極斑產(chǎn)生等離子體。短間隙真空弧放電可以在低于1000A的電流下，通過陰極斑和陽極斑產(chǎn)生更稠密的等離子體，進而在相同的電流下形成更強的推力。因此，短間隙真空弧在電推進領(lǐng)域擁有很大的應用價值。

短間隙真空弧中活躍的陽極過程對其在電推進領(lǐng)域的應用十分重要，陽極過程的活躍程度與短間隙真空弧產(chǎn)生的推力有緊密的聯(lián)系。研究者對TLVA的陽極過程進行了詳細的研究。實驗表明，陽極過程的活躍程度與放電間隙等因素有關(guān)，但影響SVA陽極過程的因素仍不清楚。本文通過SVA放電實驗和高速攝影技術(shù)，獲得了低電流SVA活躍的陽極過程圖像，揭示電極間隙，陰極直徑影響SVA陽極參與放電活躍程度的規(guī)律，為短間隙真空弧離子源的應用提供參考。

2 實驗設(shè)置

放電實驗在真空腔內(nèi)進行，實驗過程中，通過分子泵使腔體氣壓保持在10-3Pa以下。實驗整體設(shè)置如圖1所示。一對金屬絲電極被安裝在真空腔內(nèi)，通過真空腔外安裝的千分尺可以調(diào)節(jié)電極間隙。上面的電極連接負脈沖，下面的電極接地。脈沖電流源可以輸出脈寬為20μs的方波，電流大小為300A。

圖1 實驗裝置示意圖

通過高速相機(intensified couple charge device: ICCD)獲得電極間放電過程的圖像。ICCD的曝光時間設(shè)置為200ns。通過相機前端安裝的微距鏡頭，最終獲得的圖像分辨率優(yōu)于10μm/單個像素。本實驗中采用純度優(yōu)于99%的銅絲作為電極。實驗前，電極表面經(jīng)過磨平、拋光、乙醇清洗等步驟，以消除電極表面氧化或污垢對放電過程的影響。通過羅氏線圈測量放電電流，通過示波器獲得放電電流波形和高速相機輸出的同步觸發(fā)信號，通過數(shù)字延遲發(fā)生器觸發(fā)脈沖電流源、高速攝像機、示波器，并確保相機觀測時刻一致。

3 實驗結(jié)果

為了研究陰極結(jié)構(gòu)對陽極過程的影響，本研究在相同的放電電流下采用了不同的陰極直徑和電極間距進行放電實驗，通過高速相機獲得電極放電的圖像。如圖2所示，(a)(b)(c)三幅圖中陽極的直徑均為1000μm，放電電流均為300A，陰極直徑分別是500μm、1000μm和500μm，電極間隙分別為150μm、150μm和300μm。

在圖2(a)中，陰極斑集中在陰極端面的上半部分，距離陰極斑較近的陽極區(qū)域產(chǎn)生了很多亮斑。陰極表面、陽極表面以及電極間隙產(chǎn)生了強烈的輝光，此時，陽極積極參與放電過程。

在圖2(b)中，一些陰極斑均勻地分布在陰極端面上，此時，陽極表面僅發(fā)出微弱的光，陽極幾乎呈現(xiàn)惰性。比較(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，增大陰極的直徑會引起陽極過程變得不活躍。圖3(a)(b)(c)是圖2(a)(b)(c)放電過程的示意圖。通過比較圖2和圖3中的(a)和(b)，可以發(fā)現(xiàn)，增大陰極直徑使得陰極斑在陰極端面的分布上更加分散。由于陰極斑點是等離子體射流的發(fā)射中心，陰極斑的分布影響陰極射流的分布。較為稀疏的陰極斑分布會使陰極射流的分布變得分散，這使得陰極射流與陽極表面作用產(chǎn)生的熱通量密度降低了。因而，陽極表面的峰值溫度降低，陽極斑現(xiàn)象消失，陽極變得不活躍。

圖2 不同陰極結(jié)構(gòu)對放電過程的影響

圖3 不同陰極結(jié)構(gòu)下的等離子體射流分布示意圖

在圖3(c)中，陰極斑出現(xiàn)在陰極的端面和側(cè)面，陽極表面僅有微弱的輝光，陽極幾乎呈現(xiàn)惰性。通過比較圖2中的(a)和(c)，可以看出，當間隙距離增加時，陽極過程變的不活躍。對比圖2和圖3中的(a)(c)，可以發(fā)現(xiàn)增大間隙使得陰極等離子體在電極間的擴散作用增強，陽極附近的等離子體密度下降。這使陰極射流與陽極表面作用產(chǎn)生的熱通量密度也降低了，陽極表面的溫度分布更均勻，陽極表面的峰值溫度降低。因此，在圖2(c)中觀察到陽極幾乎呈現(xiàn)惰性。Beilis的計算結(jié)果表明，電極間隙的增加會使陽極的溫度降低，陽極變得不活躍，這與本文的實驗結(jié)果相吻合。

4 討論與分析

真空弧放電陽極現(xiàn)象的活躍程度與陽極附近的電流密度有直接聯(lián)系，陽極在受到等離子體加熱后達到材料熔點或沸點時，陽極才會出現(xiàn)較為明顯的現(xiàn)象。在長間隙真空弧放電過程中，形成陽極斑現(xiàn)象一般需要陽極附近的電流密度要達到107A/m2以上。陰極斑是陰極等離子體的發(fā)射中心，陰極斑附近的電流密度很高。短間隙放電過程中，陽極與陰極斑之間的距離很小，陽極受到高密度等離子體加熱。陰極斑處的電流密度約為1012A/m2，根據(jù)陰極斑等離子體的擴散規(guī)律，即等離子體密度與距離平方成反比，推斷本實驗放電過程中，陽極斑附近的電流密度約為106-8A/m2。盡管短間隙放電電流較小，陽極附近的電流密度可以達到TLVA陽極斑附近電流密度，等離子體對陽極的加熱效應可以使陽極局部的溫度達到陽極材料的熔點或沸點，陽極現(xiàn)象較為活躍。因此，短間隙低電流放電產(chǎn)生的活躍的陽極現(xiàn)象與陰極斑高密度等離子體射流對陽極表面的轟擊有直接聯(lián)系。

本文實驗結(jié)果可以佐證上述觀點，即活躍的陽極現(xiàn)象僅出現(xiàn)在距離陰極斑較近的區(qū)域。在TLVA中，陽極斑的直徑可以達到幾厘米，而本文中的陽極斑直徑低于1毫米。這是由于陰極斑等離子體密度在擴散過程中不斷下降，距離陰極斑較遠的陽極區(qū)域，其附近的等離子體密度較低，等離子體的加熱效應不足以使該位置的溫度達到材料的熔沸點，因而距離陰極斑較遠的位置呈現(xiàn)惰性。同理，增大電極半徑和增大電極間隙都會使陽極附近的等離子體分布發(fā)生改變，進而影響陽極參與放電的活躍程度。應該指出，本實驗中增加間隙距離使陽極過程變的不活躍，但這與TLVA的實驗結(jié)果相矛盾。在Kong等人的工作中，增加間隙距離會使TLVA中陽極過程更加活躍。這種差異可能是SVA與TLVA的陽極斑形成機制不同引起的。對于TLVA，增加間隙距離會增強等離子弧柱的收縮效應，陽極附近的電流密度增加，因此，陽極過程變得更加活躍。而對于SVA，增加電極間距離，陽極表面與陰極斑之間的距離增大，陰極射流在電極間的擴散效應增加，陽極附近的電流密度降低，陽極過程變得不活躍。

除此之外，陽極的輝光現(xiàn)象和亮斑現(xiàn)象值得額外的關(guān)注。眾多研究表明，真空弧放電的離子主要在陰極斑位置產(chǎn)生，離子電流受制于放電電流的大小。而陽極參與放電，能夠提高離子產(chǎn)額，例如，陽極斑模式，絕熱陽極弧模式。短間隙真空弧放電，在較低的電流下陽極有明顯的亮斑和輝光現(xiàn)象并產(chǎn)生了陽極燒蝕現(xiàn)象，因此，可能提供更高的離子產(chǎn)額。短間隙真空弧放電的離子電流值得進一步研究。

5 結(jié)語

本文通過高速攝影技術(shù)獲得了清晰的SVA放電圖像，通過實驗分別研究了電極間距、陰極半徑對SVA陽極過程的影響。得到的結(jié)論如下：

（1）SVA中陽極參與放電的活躍程度與陰極斑在陰極表面的分布有直接聯(lián)系。增大陰極直徑會使陰極斑的分布變得分散，陰極等離子體加熱陽極效應降低，陽極過程變得不活躍。

（2）SVA中陽極參與放電的活躍程度受到電極距離的影響。增大電極距離會使陽極附近的等離子體密度降低，陽極受到的加熱效應降低，陽極過程變得不活躍。

（3）SVA中陽極參與放電伴隨有明顯的發(fā)光情況，這表明放電形成了陽極離子。SVA陽極參與放電可能產(chǎn)生更大的離子電流，這有待于進一步研究。