柵控熱陰極中和器數(shù)值仿真改進與試驗研究

賀亞強，郭 寧，谷增杰，李興達，祁康成

（1.蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000；2.電子科技大學光電科學與工程學院，成都 610054）

0 引言

利用微小功率電推進逐步替代化學推進，完成軌道機動和維持任務是目前國際上保障低軌小衛(wèi)星軌道壽命的主流技術方向[1]?？招年帢O必須消耗推進劑且發(fā)射電流太大，不適合作為微小功率電推力器的中和器[2-3]，因而柵控熱陰極中和器成為優(yōu)選[1]。美國Tajmar等[4]將熱陰極中和器應用于場發(fā)射微電推進，所使用的熱陰極中和器可引出100μA電子電流，驗證了柵控熱陰極作為微電推進中和器的可行性[5]。但他們只針對一種結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)下的熱陰極中和器進行了性能試驗研究，沒有給出熱陰極中和器在微電推進方向應用的優(yōu)化設計和理論指導。

理想的熱陰極中和器應該能在最低的功耗下引出最大的電流，可以瞬間啟動發(fā)射電流，并連續(xù)可調(diào)。本文利用Opera軟件針對陰極-柵極間距、柵極電壓、柵極孔半徑和柵極厚度對柵控熱陰極中和器電子發(fā)射特性的影響進行數(shù)值分析研究，并通過試驗對數(shù)值分析結(jié)果進行驗證，對仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性進行分析。

1 柵控熱陰極中和器模型

柵控熱陰極中和器的結(jié)構(gòu)示意圖和Opera建模過程詳見文獻[1]。本文將柵控熱陰極中和器的結(jié)構(gòu)進行簡化并且參照試驗模型對仿真模型進行優(yōu)化設計，得到如圖1所示的仿真模型[6-10]。陰極為圓柱體，仿真過程中通過改變陰極-陽極間距L、陰極-柵極間距D、柵極電壓Ug、陽極電壓Ua、柵極孔半徑r和柵極厚度d，計算陽極電流Ia、柵極截獲電流Ib和電子束軌跡的變化情況。初始參數(shù)的設置：陰極溫度1100℃，逸出功2.1 eV，陰極電壓0 V，陽極電壓300 V。

圖1 柵控熱陰極中和器仿真模型Fig.1 Simulation model of grid controlled hot cathode neutralizer

柵控熱陰極中和器由熱發(fā)射鋇鎢陰極、支撐架、法蘭和引出柵極組成，如圖2所示。核心部分是熱發(fā)射鋇鎢陰極，它的最中間是鋇鎢發(fā)射體。相比于LaB6，鋇鎢陰極的優(yōu)點是電子逸出功低（LaB6近似為2.67 eV，鋇鎢近似為2.06 eV），工作溫度較低，在相同的電子發(fā)射條件下，維持功耗較小。鋇鎢陰極周圍用熱屏和陶瓷包裹，用安裝法蘭連接，安裝法蘭下面是加熱燈絲。為了獲得穩(wěn)定的大電流，每次暴露大氣之后都必須對熱發(fā)射鋇鎢陰極進行激活。激活試驗要經(jīng)歷發(fā)射體排氣、熱激活處理、電激活處理三個歷程，其過程涉及加熱功率、升溫速率、加熱溫度、保溫時長等多個控制參數(shù)。

圖2 柵控熱陰極中和器實物圖Fig.2 grid controlled thermal cathode neutralizer

2 仿真與試驗結(jié)果

柵控熱陰極中和器電子發(fā)射特性試驗在蘭州空間技術物理研究所的TS-5B真空系統(tǒng)中進行，試驗壓力為 5×10-5Pa，圖中L0、D0、r0和d0分別是對應L、D、r和d的歸一化因子，無特定含義。

在柵極電壓100 V，陽極電壓300 V的工況下測試得到的陰極加熱電流I加與電壓U加的關系曲線如圖3所示。

圖3 熱陰極加熱電流與電壓關系曲線Fig.3 Curve of thermal cathode heating current and voltage

圖4為熱陰極加熱電流與陽極電流和柵極截獲電流關系圖。當陰極加熱電流I加達到1.2 A后，繼續(xù)增加陰極加熱電流，由于空間電荷效應的影響，陽極電流變化很小，如果陰極加熱電流太大，陰極溫度太高，陰極壽命會降低，因此選擇陰極加熱電流1.2 A為最佳工作點。在圖3中找出對應的電壓值，得出加熱功率為8 W，后續(xù)試驗均在該加熱功率下進行。

圖4 熱陰極加熱電流與陽極電流和柵極截獲電流的關系曲線Fig.4 Curve of thermal cathode heating current and anode current and grid capture current

2.1 陰極-陽極間距對熱陰極性能的影響規(guī)律

當柵極電壓為100 V，陽極電壓為300 V時，改變陰極-陽極間距L，得到陽極電流與柵極截獲電流的變化情況，如圖5所示。當陰極-陽極間距在5～30L0之間時，陽極電流從47.7 mA減小到6.47 mA，柵極截獲電流從0.14 mA減小到0 mA，變化很明顯；當陰極-陽極間距在30～100L0之間時，陽極電流從6.47 mA減小到4.67 mA，變化不大。這是由于陰極-陽極間距較小時，陽極對電子的作用力大，打到陽極板上的電子數(shù)多；當陰極-陽極間距較大時，陽極對電子的作用力小，此時對電子的作用力主要來自柵極。因此后續(xù)在與推力器進行聯(lián)試試驗時，須將中和器與射頻離子推力器引出離子束的距離控制在30L0之內(nèi)，但也不能離推力器太近，否則陰極受到推力器羽流離子轟擊會引起更多的陰極濺射。

圖5 陽極電流和柵極截獲電流隨著陰極-陽極間距變化曲線Fig.5 Curve of anode current and grid capture current varying with cathode-anode spacing

圖6（a）為陽極電壓300 V時，不同陰極-陽極間距下陽極電流與柵極電壓的關系曲線。當陰極-陽極間距為5L0時，隨著柵極電壓增大，陽極電流從47.2 mA增大到51.7 mA，變化幅度很小，電子引出主要依靠陽極對它的作用力；當陰極-陽極間距為10L0時，隨著柵極電壓增大，陽極電流從15.2 mA增大到26.43 mA，變化比較明顯；當陰極-陽極間距為20L0、30L0、50L0、70L0和100L0時，柵極電壓對陽極電流的影響規(guī)律基本一致。

圖6 不同陰極-陽極間距下陽極電流和柵極截獲電流與柵極電壓的關系曲線Fig.6 Curve of grid voltage，anode current and grid capture currentat different cathode-anode spacing

圖6（b）為陽極電壓300 V時，不同陰極-陽極間距下柵極截獲電流與柵極電壓的關系曲線。當柵極電壓超過300 V時，截獲電流迅速增大，陰極-陽極間距越小，截獲電流增長的越快，這是由于陰極-陽極間距較小時，陽極對電子的吸引使更多的電子突破空間電荷效應的限制從陰極發(fā)射出來；當柵極電壓大于陽極電壓后，柵極對電子的作用力大于陽極對電子的作用力。隨著陰極-陽極間距增大，柵極截獲電流逐漸減小，這是由于隨著陰極-陽極間距增大，陽極對電子的作用力逐漸減弱，電子不易被引出，柵極孔半徑遠大于陰極發(fā)射體半徑，只靠柵極對電子的作用力引出的電子較少，因此隨著陰極-陽極間距增大，柵極截獲電流減小。

2.2 陰極-柵極間距對熱陰極性能的影響規(guī)律

保持其他試驗參數(shù)不變，改變陰極-柵極間距，觀察陽極電流的變化情況。圖7為不同陰極-柵極間距下仿真與試驗陽極電流對比圖，圖中EXP表示試驗結(jié)果，MOD表示仿真結(jié)果。試驗結(jié)果表明，隨著陰極-柵極間距增大，陽極電流逐漸減小，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果趨勢大致相同，但同一陰極-柵極間距下，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果有差異，原因是部分熱量傳到陽極筒和柵極組件上，使得陰極溫度沒有達到仿真設置的溫度。

圖7 陰極-柵極間距對陽極電流影響的仿真與試驗對比曲線Fig.7 Simulation and experimental comparison of the influence of cathode-grid spacing on anode current

圖8（a）為不同陰極-柵極間距下陽極電流與柵極電壓的關系曲線。當柵極電壓在0～300 V時，陽極電流隨著柵極電壓的增大而增大；當柵極電壓大于300 V時，陽極電流隨著柵極電壓的增大而減小，原因是此時柵極電壓大于陽極電壓，導致柵極截獲電流變大，電子打到陽極板上的數(shù)量減小，造成陽極電流減小。隨著陰極-柵極間距的增大，陽極電流逐漸減小且變化幅度也逐漸減小。

圖8（b）為不同陰極-柵極間距下截獲電流與柵極電壓的關系曲線。隨著陰極-柵極間距增大，截獲電流逐漸增大，因此陰極-柵極間距要小，但不能太小，否則陰極與柵極之間會擊穿放電，無法絕緣。

2.3 柵極電壓和陽極電壓對熱陰極性能的影響規(guī)律

圖9為不同柵極電壓下仿真與試驗陽極電流對比曲線。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果變化趨勢相同，數(shù)值上存在差異的原因與之前的分析一致，當柵極電壓為250 V時，陽極電流達到最大值。

圖9 柵極電壓對陽極電流影響仿真與試驗對比曲線Fig.9 Simulation and experimental comparison of the influence of grid voltage on anode current

當陰極-柵極間距為D=D0，陽極電壓300 V時，柵極電壓對陽極電流和截獲電流的影響如圖10（a）所示。當柵極電壓大于300 V時，陽極電流逐漸減小，截獲電流逐漸增大。圖10（b）為總發(fā)射電流與柵極電壓關系曲線，總發(fā)射電流隨著柵極電壓增大而增大，基本呈線性關系。

圖10 陽極電流、柵極截獲電流和總發(fā)射電流與柵極電壓關系曲線Fig.10 Anode current，grid capture current and emission current versus grid voltage

圖11是陽極電壓為300 V、400 V和460 V時，陽極電流與柵極電壓的關系曲線。隨著陽極電壓逐漸增大，陽極電流也逐漸增大，影響很明顯；隨著柵極電壓增大，陽極電流呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，拐點都在與陽極電壓對應的柵極電壓值附近。因此，為了獲得最大的陽極電流，柵極電壓須低于陽極電壓。

圖11 不同陽極電壓時陽極電流與柵極電壓關系曲線Fig.11 Relationship between grid voltage and anode current at different anode voltages

當柵極電壓為100 V時，陽極電流和柵極截獲電流與陽極電壓的關系曲線如圖12所示。隨著陽極電壓增大，陽極電流逐漸增大，柵極截獲電流先增大后減小，這是由于陽極電壓增大會使陽極板對電子的作用力增大，有更多的電子突破空間電荷效應的限制打到陽極板上，使得陽極電流增大。當陽極電壓小于柵極電壓時，隨著陽極電壓增大，雖然有更多的電子被引出，但此時柵極電壓更高，部分電子受到柵極的作用力被截獲，柵極截獲電流增大；而當陽極電壓大于柵極電壓時，陽極對電子的作用力逐漸增大，更多的電子無法被柵極截獲而直接打到陽極板上，柵極截獲電流逐漸減小。

圖12 陽極電流和柵極截獲電流與陽極電壓關系曲線Fig.12 Curve of anode voltage and anode current and grid capture current

2.4 柵極孔半徑對熱陰極性能的影響規(guī)律

圖13為不同柵極孔半徑下，仿真與試驗陽極電流對比曲線，試驗結(jié)果和仿真結(jié)果相差不大。當柵極孔半徑在6～8r0時，陽極電流從5.4 mA增大到17.8 mA，增幅較大；當柵極孔半徑大于10r0之后，陽極電流隨著柵極孔半徑的增大而增大，但增幅明顯減小，這是由于當柵極孔半徑較小時，大部分電子會被柵極攔截，此時柵極截獲電流很大而陽極電流很小；柵極孔半徑在6～8r0之間時，陽極電流變化很明顯，因為這個尺寸間存在一個臨界點，若柵極孔半徑大于該臨界尺寸，就會有大部分電子穿過柵極孔打到陽極板上，陽極電流明顯增加；當柵極孔半徑大于10r0后，柵極孔半徑對陽極電流的影響變小，這是因為此時柵極孔很大，對電子的截獲能力很弱；繼續(xù)增大柵極孔半徑會使柵極對電子的作用力很小，對引出電子幫助不大，電子發(fā)射主要依靠陽極板對電子的吸引，陽極電流變化很小，因此在后續(xù)的優(yōu)化過程中當柵極孔半徑大于10r0后，應該從其他影響因素著手，繼續(xù)增大柵極孔半徑作用不大。

圖13 柵極孔半徑對陽極電流影響的仿真與試驗對比曲線Fig.13 Simulation and experimental comparison of the influence of grid hole radius on anode current

圖14（a）為不同柵極孔半徑下陽極電流與柵極電壓的關系曲線。隨著柵極孔半徑增大，陽極電流逐漸增大；隨著柵極電壓的增大，陽極電流先增大后減小，與之前試驗得出的結(jié)論一致，陽極電流在柵極電壓300 V左右開始下降。

圖14 不同柵極孔半徑下陽極電流和柵極截獲電流與柵極電壓關系曲線Fig.14 Curve of grid voltage，anode current and grid capture current at different grid hole radius

圖14（b）為不同柵極孔半徑下柵極截獲電流與柵極電壓的關系曲線。隨著柵極孔半徑增大，柵極截獲電流逐漸減?。浑S著柵極電壓的增大，柵極截獲電流逐漸增大，當柵極電壓小于300 V時，柵極截獲電流增長較慢，而當柵極電壓大于300 V時，柵極截獲電流增長較快，這些規(guī)律與之前的分析一致。

2.5 柵極厚度對熱陰極性能的影響規(guī)律

圖15為不同柵極厚度下，仿真與試驗陽極電流對比曲線。從仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，柵極厚度對陽極電流和柵極截獲電流的影響很小，因此只加工了厚度為 0.3d0、0.4d0、0.5d0和 0.6d0的柵極零件。試驗和仿真結(jié)果均表明，柵極厚度對陽極電流的影響很小。在后續(xù)優(yōu)化過程中可以將側(cè)重點放到其他幾個關鍵影響因素上。

圖15 柵極厚度對陽極電流影響的仿真與試驗對比曲線Fig.15 Simulation and experimental comparison of the influence of grid thickness on anode current

3 結(jié)論

本文通過建模仿真與試驗相結(jié)合，研究了熱陰極中和器關鍵結(jié)構(gòu)尺寸和工況參數(shù)對中和器電子發(fā)射性能的影響規(guī)律，結(jié)論為：

（1）仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致性好，利用該改進仿真模型評價熱陰極中和器性能的變化趨勢是有效的。

（2）陰極-陽極間距、陰極-柵極間距和柵極孔半徑的變化對熱電子發(fā)射性能的影響較大。當陰極-陽極間距為5～30L0時有利于電子的引出；當陰極-柵極間距從D0增大到4D0時，陽極電流從24.34 mA減小到11.46 mA，較小的陰極-柵極間距有利于電子的引出；隨著柵極孔半徑增大，電子發(fā)射性能開始增長較快，最后趨于穩(wěn)定，當柵極孔半徑從6r0增大到8r0時，陽極電流從3.82 mA增大到15.28 mA，變化明顯。設計優(yōu)化過程中通過增大柵極孔半徑可以增大陽極電流，但柵極孔半徑大于8r0后，對陽極電流影響較??；柵極厚度對電子發(fā)射性能影響很小，在后續(xù)設計優(yōu)化過程中可以不考慮，直接選擇厚度為0.5d0的柵極即可。

（3）試驗發(fā)現(xiàn)，隨著柵極電壓增大，電子發(fā)射性能先增大后變小，拐點在柵極電壓值處于陽極電壓值附近，因此在設計優(yōu)化過程中要使柵極電壓略低于陽極電壓，此時電子發(fā)射性能最好。當柵極電壓一定時，隨著陽極電壓增大陽極電流逐漸增大，柵極截獲電流先增大后減小。當柵極電壓100 V、陽極電壓300 V時，陽極電流達到17.74 mA，柵極截獲電流僅為0.03 mA，陰極加熱功率為8 W。