C12A7空心陰極研究進(jìn)展

華志偉，韓 鈺，王平陽(yáng)，杭觀榮

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2.哈爾濱電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)力系，哈爾濱 150030；3.上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112）

0 引言

空心陰極作為電推力器的關(guān)鍵組件，承擔(dān)著提供用于電離推進(jìn)劑原子的初始電子和中和離子束流的重要任務(wù)，在霍爾推力器和離子推力器中都是不可或缺的?？招年帢O的性能和壽命與整個(gè)電推進(jìn)系統(tǒng)密切相關(guān)[1-2]。發(fā)射體是空心陰極中發(fā)射電子的關(guān)鍵零件。目前電推進(jìn)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最為成熟的空心陰極發(fā)射體主要有鋇鎢（BaO-W）和六硼化鑭（LaB6）兩類。BaO-W發(fā)射體的逸出功約為2.1 eV，工作溫度在1 200℃左右，對(duì)工質(zhì)純度要求極高，點(diǎn)火前需要復(fù)雜的激活程序；LaB6的電子發(fā)射能力比BaO-W強(qiáng)，對(duì)工質(zhì)純度的要求可低一個(gè)量級(jí)，但逸出功高達(dá)2.7 eV，工作溫度通常超過1 400℃，維持放電所需的功率也更高[3]。隨著空間任務(wù)的拓展，新一代空心陰極被要求具有更低的工作溫度、更高的效率和更強(qiáng)的抗中毒能力，對(duì)其他類型工質(zhì)如碘、鉍、鎂等也應(yīng)當(dāng)具有兼容性。

本文將介紹C12A7材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，回顧國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)C12A7空心陰極的研究歷程，總結(jié)各類陰極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、試驗(yàn)結(jié)果、存在的問題以及關(guān)鍵技術(shù)等，討論C12A7空心陰極技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景，期望為C12A7空心陰極在電推進(jìn)技術(shù)中的應(yīng)用提供參考。

1 C12A7空心陰極研究進(jìn)展

C12A7電子化合物作為一種新型發(fā)射體材料，早期報(bào)道的理論逸出功可低至0.6 eV[4]。在相同發(fā)射電流密度的條件下，C12A7電子化合物的理論熱發(fā)射溫度遠(yuǎn)低于其他兩種發(fā)射體材料，如圖1所示[5]。如此低的工作溫度意味著空心陰極將會(huì)在結(jié)構(gòu)、材料和應(yīng)用場(chǎng)景上產(chǎn)生巨大變革。雖然后續(xù)試驗(yàn)測(cè)得的C12A7發(fā)射體的有效逸出功高于理論值，但其工作溫度和抗中毒特性仍然具有優(yōu)勢(shì)。

圖1 不同類型發(fā)射體材料的發(fā)射電流密度與溫度的關(guān)系Fig.1 The Relationship between emission current density and temperature of different emitter materials

1.1 C12A7電子化合物

七鋁酸十二鈣（12CaO·7Al2O3），簡(jiǎn)稱C12A7，由Matsuishi等[5]于2003年首次報(bào)道。如圖2（a）所示，C12A7單胞分子式為[Ca24Al28O64]4++2O2-，晶格的主體框架由12個(gè)堅(jiān)固的納米籠腔構(gòu)成，所以C12A7化學(xué)穩(wěn)定性極優(yōu)。C12A7單個(gè)籠腔結(jié)構(gòu)模型如圖2（b）所示，兩個(gè)O2-分別占據(jù)12個(gè)籠腔中的任意兩個(gè)，由于籠腔內(nèi)游離的O2-束縛較低，O2-極易被其他離子如 H-、O-、F-、Cl-以及 e-等取代，形成一類衍生物。其中O2-被e-取代后形成的C12A7：e-是一種可在室溫條件下穩(wěn)定存在的電子化合物，如圖2（c）所示。C12A7電子化合物繼承了C12A7的晶體結(jié)構(gòu)，在300℃以下氧氣無法重新進(jìn)入籠腔取代電子，因此具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；如果C12A7籠腔內(nèi)的O2-完全被e-替換，理論上電子濃度可高達(dá)2.33×1021cm-3，因此還具有較低的逸出功、較高的電子發(fā)射效率等特性[6]。C12A7：e-在電子發(fā)射材料方面顯示的較高的應(yīng)用潛力引起了電推進(jìn)空心陰極學(xué)者的關(guān)注[7]。

1.2 國(guó)外C12A7空心陰極研究歷程

1.2.1 科羅拉多州立大學(xué)

2011年，Rand等[8]首次將C12A7電子化合物熔融物作為發(fā)射體材料應(yīng)用于空心陰極。該陰極以無熱子的方式點(diǎn)火啟動(dòng)，發(fā)射電流最高達(dá)3.6 A，雖然工作時(shí)長(zhǎng)最高達(dá)到數(shù)十分鐘，但頻繁的閃爍和熄滅說明陰極放電不穩(wěn)定[8]。

圖2 C12A7及C12A7電子化合物的晶體結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structural model of C12A7 and C12A7：e-

2013年，Rand等[9]將合成的C12A7切片和石墨基底共同置于陰極管內(nèi)，此次C12A7空心陰極工作時(shí)長(zhǎng)達(dá)到數(shù)小時(shí)。該陰極隨后與AFRL H6 6 kW霍爾推力器進(jìn)行了聯(lián)試，點(diǎn)火情況如圖3所示[10]。陰極氣體流率為10 cm3/min Xe，推力器工作在9 A、2.71 kW，單次工作時(shí)長(zhǎng)最高達(dá)0.5 h，推力器效率為52.6%，略低于LaB6空心陰極54.4%的工作效率。Rand認(rèn)為C12A7陰極放電不穩(wěn)定是由于發(fā)射體形狀不規(guī)則，熱電子發(fā)射區(qū)域變化所致。

圖3 C12A7空心陰極與AFRLH6霍爾推力器聯(lián)試點(diǎn)火情況Fig.3 AFRL H6 Hall thruster operating in conjunction with electride hollow cathode

Rand等[10]還與Busek公司合作，利用該公司的碘儲(chǔ)供系統(tǒng)進(jìn)行了碘工質(zhì)C12A7空心陰極測(cè)試。碘工質(zhì)C12A7空心陰極如圖4所示[9]。碘陰極同樣以無熱子方式啟動(dòng)，發(fā)射電流3～15 A，工作氣體流率為13 cm3/min碘，觸持極電流維持在0.3 A。在共計(jì)20 h碘工質(zhì)測(cè)試后，沒有觀察到C12A7空心陰極明顯的中毒或退化跡象[11]。

圖4 碘工質(zhì)C12A7空心陰極Fig.4 C12A7 electride hollow cathode operating on iodine

1.2.2 美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室

2017年，McDonald等制成了一個(gè)空心圓柱形C12A7發(fā)射體，替代原有的LaB6發(fā)射體裝填進(jìn)入一個(gè)20 A的石墨空心陰極中。該陰極利用外部加熱器啟動(dòng)，加熱功率約33 W，不到LaB6陰極的五分之一。盡管工作電流低至30～150 mA，但由于陰極是為L(zhǎng)aB6設(shè)計(jì)的，隔熱效果過于良好，導(dǎo)致初次試驗(yàn)中C12A7出現(xiàn)了過熱退化的跡象，工作16 h后，發(fā)射體有肉眼可見的明顯褪色，說明C12A7發(fā)射體發(fā)生了氧化或者過熱分解。為了避免發(fā)射體過熱導(dǎo)致的性能下降，采用一個(gè)銅制散熱結(jié)構(gòu)來控制陰極的溫度。如圖5所示[11]，陰極管由銅材料制成，發(fā)射體也被包裹上一層銅箔，以便快速地將發(fā)射體中的熱量導(dǎo)出，這款陰極最終在30 mA的電流條件下穩(wěn)定工作了8 h左右，C12A7發(fā)射體自持工作所需的放電功率最低為18 W。此外，他們還比較了C12A7與其他發(fā)射材料的熱發(fā)射性能，C12A7發(fā)射體的有效發(fā)射電流密度至少為20～40 mA/cm2。

圖5 銅散熱結(jié)構(gòu)的C12A7空心陰極Fig.5 The C12A7 hollow cathode with copper heat sink configuration

1.2.3 德累斯頓工業(yè)大學(xué)

Drobny等[12-13]于2016年最早研發(fā)了C12A7空心陰極。嘗試了不同的發(fā)射體形狀和陰極配置、采用了各種不銹鋼、銅等材料，但一直未能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定放電。經(jīng)歷多次迭代后，最終設(shè)計(jì)出一款碟形發(fā)射體陰極，該陰極同樣采用了良好散熱的銅質(zhì)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射體的快速散熱。點(diǎn)火電路設(shè)置如圖6所示，采用偏置電壓?jiǎn)?dòng)陰極，穩(wěn)態(tài)電流最高達(dá)到5 A。

圖6 發(fā)射體負(fù)偏壓?jiǎn)?dòng)電路Fig.6 Electrical setup for cathode operation with the possibility to negatively bias the emitter insert

碟形C12A7空心陰極與TUD-H3-P霍爾推力器聯(lián)試穩(wěn)定運(yùn)行了數(shù)小時(shí)，聯(lián)試情況如圖7（b）所示[12]。最新的長(zhǎng)壽命試驗(yàn)結(jié)果表明，這款碟形C12A7空心陰極在2 A的電流條件下穩(wěn)定工作了最高950 h，這是迄今為止報(bào)道的C12A7空心陰極的最高工作時(shí)長(zhǎng)[13]。

圖7 碟形C12A7空心陰極與TUD-H3-P霍爾推力器聯(lián)試Fig.7 Disk-emitter C12A7 electride hollow cathode and its TUD-H3-P Hall-effect thruster

1.3 國(guó)內(nèi)C12A7空心陰極的研究進(jìn)展

哈爾濱工業(yè)大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早開展C12A7空心陰極研發(fā)工作的單位。研究人員測(cè)試了圓柱形C12A7空心陰極的放電特性，并考察了其耐氧化能力，結(jié)果表明，C12A7空心陰極可在氧氣濃度高達(dá)1.8%的混合氙氣下放電[14]。上海交通大學(xué)開發(fā)的C12A7空心陰極在無熱子和外部加熱的條件下均可啟動(dòng)，點(diǎn)火溫度在1 000～1 100℃。該陰極與一臺(tái)小功率霍爾推力器成功聯(lián)試，并在200 V、1 A的條件下穩(wěn)定運(yùn)行了數(shù)個(gè)小時(shí)[14]，如圖8所示。該校還開展了C12A7空心陰極在碘工質(zhì)條件下的點(diǎn)火特性測(cè)試以及C12A7發(fā)射體退化和失效的微觀分析工作。北京工業(yè)大學(xué)近年來一直專注于C12A7電子化合物的快速制備以及性能提升，為國(guó)內(nèi)開發(fā)C12A7空心陰極提供高質(zhì)量發(fā)射體材料[6，15]。

圖8 上海交大研發(fā)的C12A7空心陰極與一臺(tái)低功率霍爾推力器聯(lián)試Fig.8 Joint operation of C12A7 electride hollow cathode and a low power HET developed by SJTU

2 存在問題與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 逸出功測(cè)量

C12A7電子化合物空心陰極自首次測(cè)試以來已有10年，但人們對(duì)其放電機(jī)制和失效機(jī)制的理解仍有不足，這些問題阻礙了C12A7空心陰極長(zhǎng)壽命和點(diǎn)火循環(huán)試驗(yàn)的開展，因此目前無法將其與BaO-W或LaB6陰極進(jìn)行比較。復(fù)雜的表面也導(dǎo)致了C12A7逸出功的不確定：早期的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明，C12A7的理論逸出功可低至0.6 eV，但Rand等[10]試驗(yàn)測(cè)得的逸出功均比理論值高，且隨試驗(yàn)時(shí)間變化，這主要是由于熱電子發(fā)射時(shí)的高溫對(duì)發(fā)射體表面籠腔結(jié)構(gòu)造成破壞所致。而管狀發(fā)射體空心陰極內(nèi)部的等離子體密度、溫度以及壓力數(shù)值的獲取難度較大，使得C12A7發(fā)射體的有效逸出功很難從工作特性中測(cè)試出來[7]。目前普遍認(rèn)為C12A7電子化合物的實(shí)際逸出功大約在2.4 eV左右，接近于BaO-W發(fā)射體[16-17]。C12A7逸出功的不確定性及其背后復(fù)雜的表面反應(yīng)導(dǎo)致研究者難以準(zhǔn)確掌握影響C12A7電子發(fā)射性能與壽命的因素及規(guī)律，因而限制了該材料在空心陰極中的工程應(yīng)用。

2.2 發(fā)射體過熱

C12A7電子化合物熔點(diǎn)較低，約為1 230℃。國(guó)外文獻(xiàn)表明，C12A7空心陰極引出電流為數(shù)百毫安到1 A的條件下，發(fā)射體工作溫度可低于1 000℃，而在高電流下工作則容易過熱[5]。上海交通大學(xué)開發(fā)的C12A7空心陰極在工作電流4 A的條件下，最高溫度達(dá)到1 290℃，高于發(fā)射體熔點(diǎn)1 275℃。相較于LaB6和BaO-W空心陰極，C12A7發(fā)射體更容易淤積熱量的原因主要有兩點(diǎn)，表面破損的籠腔層使其呈現(xiàn)出高電阻甚至絕緣態(tài)，在高電流下容易產(chǎn)生額外的歐姆熱；其次是C12A7的熱導(dǎo)率較低，約為4.5 W·m-1·K-1[18]，熱量無法快速?gòu)陌l(fā)射表面轉(zhuǎn)移。過熱除了可能導(dǎo)致發(fā)射體的軟化熔融以外，長(zhǎng)時(shí)間處于較高溫度下也會(huì)使發(fā)射體逐步分解成其他的鈣鋁化合物，造成熱發(fā)射性能的快速退化。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)C12A7空心陰極性能提升和更高壽命的關(guān)鍵在于保證發(fā)射體安全的工作溫度，應(yīng)根據(jù)電子化合物的特性優(yōu)化C12A7陰極的熱設(shè)計(jì)，包括采用散熱更好的材料以及可實(shí)現(xiàn)快速散熱的新型結(jié)構(gòu)。從材料角度，提高C12A7電子化合物的電子濃度可以進(jìn)一步降低逸出功，提高電導(dǎo)率。C12A7具有陶瓷材料的脆硬特性，發(fā)射體可加工性能的提升對(duì)于保證新型陰極設(shè)計(jì)的可行性同樣重要[6]。此外，C12A7空心陰極的放電機(jī)制和失效機(jī)制與傳統(tǒng)空心陰極差別很大，建立適用于電子化合物的放電模型對(duì)于優(yōu)化C12A7空心陰極工程設(shè)計(jì)、加速開發(fā)進(jìn)程十分必要。

3 結(jié)論與展望

C12A7空心陰極自首次測(cè)試至今已有10年，但國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)不多，技術(shù)尚不成熟，C12A7發(fā)射體的放電和過熱機(jī)制有待進(jìn)一步探索。C12A7空心陰極已由最初頻繁的振蕩熄滅發(fā)展到目前可穩(wěn)定放電、持續(xù)工作時(shí)間近1 000 h。與各類型霍爾推力器的成功聯(lián)試也證明了C12A7空心陰極具有實(shí)際應(yīng)用能力。高電流下的發(fā)射體過熱退化是目前困擾C12A7空心陰極的最大問題，而在毫安級(jí)低電流下工作時(shí)，發(fā)射體工作溫度低于1 000℃，有望滿足小電流空心陰極中工質(zhì)流量與維持功率的嚴(yán)苛要求，因此更適合微小功率電推進(jìn)系統(tǒng)，是立方星等小衛(wèi)星任務(wù)的理想選擇。除用作電子源和中和器之外，國(guó)外也在開展將C12A7發(fā)射體應(yīng)用于空心陰極推力器以及無工質(zhì)空心陰極的探索工作。