離子推力器柵極非預期電擊穿評述

冉文亮，張?zhí)炱?2*，趙志偉，李 璇

（1.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；2.甘肅省空間電推進技術(shù)重點實驗室：蘭州 730000）

0 引言

離子電推進相比其他電推進具有高比沖、高效率、在軌壽命長、推力精確且高分辨率連續(xù)可調(diào)等技術(shù)優(yōu)勢，能夠最大限度地提升衛(wèi)星載荷比。在南北位保、高精度姿態(tài)軌道耦合控制、無拖曳控制等任務中，離子推力器具有無可比擬的優(yōu)勢。但是無論在軌測試還是地面試驗結(jié)果均顯示，離子推力器工作時存在非預期電擊穿現(xiàn)象，造成離子推力器的推力輸出波動乃至推力損失，影響推力器的應用效能，使其服役壽命顯著縮短，甚至導致整個任務失敗。

我國自20 世紀70 年代開始電推進技術(shù)研究，幾十年來先后研制了系列化離子電推進工程產(chǎn)品，現(xiàn)亟需從機理層面對離子推力器電擊穿現(xiàn)象開展研究，全面掌握電擊穿特性及其微觀規(guī)律，準確識別離子推力器發(fā)生柵極非預期電擊穿的機理，以便能夠提出標本兼治的非預期電擊穿綜合抑制方法。

本文基于離子推力器實際工作過程中柵極發(fā)生的非預期電擊穿現(xiàn)象，闡述非預期電擊穿對柵極組件、電推進系統(tǒng)以及航天任務的影響，梳理柵極組件在不同環(huán)境下發(fā)生非預期電擊穿的機理，對不同類型的非預期電擊穿及其危害進行分析和綜述，最后提出后續(xù)研究的構(gòu)想。

1 非預期電擊穿現(xiàn)象及其影響

離子推力器非預期電擊穿從起因上看，為束流的微小擾動或瞬時中斷又加載；從現(xiàn)象來看，為推力器工作時柵極表面或柵極與外殼之間或雙柵極之間絕緣表面出現(xiàn)瞬時火花或發(fā)光現(xiàn)象；從結(jié)果來看，會造成柵極表面出現(xiàn)不均勻分布的熱斑點或紋痕；從本質(zhì)上說，為柵極之間強電場局部瞬時畸變引起的電流突增。

離子推力器正常工作時，其屏柵極處于正電位（一般為1500V），加速柵極處于負電位（一般為-200V）。兩電極間距小于1mm 且存在極高的電位差，使得柵極組件在工作時極易發(fā)生非預期電擊穿，直觀表現(xiàn)為柵極組件局部放電閃光。圖1(a)是增強型高速相機（ICCD）拍到的柵極組件發(fā)生沿面閃絡(luò)瞬間；圖1(b)是沿面閃絡(luò)瞬間的典型放電波形，其中黃線代表屏柵電壓，綠線代表加速柵電壓，藍線代表加速柵電流。離子推力器發(fā)生非預期電擊穿通常在一瞬間，此時加速柵電流突然增大、屏柵電壓突降至0；放電結(jié)束后，柵極電壓會在ms 時間內(nèi)迅速恢復至初始值。

圖1 離子推力器非預期電擊穿的直觀表現(xiàn)Fig.1 Visual representation of unexpected electric breakdown of the ion thruster grid

離子推力器非預期電擊穿經(jīng)常發(fā)生于柵極之間的間隙和絕緣支撐面，擊穿發(fā)生時柵極電壓突降、回路電流突增、發(fā)光強度激增，柵極組件和電源側(cè)電壓形成低頻振蕩電壓信號，使得受控和可恢復的束流（推力）中斷，嚴重時可導致中和器或放電室陰極熄滅等。對離子電推進系統(tǒng)而言，擊穿將導致其工作可靠性降低；對航天任務而言，擊穿嚴重時將導致實際輸出推力小于預期水平、預定正常工作被臨時中斷、連續(xù)穩(wěn)定推力輸出被破壞甚至電推進系統(tǒng)失效等。

2 柵極非預期電擊穿的機理及特性研究

2.1 真空電擊穿

1）真空擊穿

真空電擊穿即真空放電發(fā)展形成的放電電流較大的火花放電和電弧放電，其過程主要分為電子發(fā)射、火花放電和電弧放電3 個階段。其主要成因是等離子體與加速柵表面相互作用，形成柵表面微爆炸和場致電子發(fā)射，其中電子發(fā)射對極間放電起決定性作用。加速柵表面微凸起、電介質(zhì)薄膜、吸附物和雜質(zhì)微粒等因素導致電場局部畸變，于是柵極表面微凸起在場致效應下發(fā)射電子，電子發(fā)射電流對表面微凸起進行焦耳加熱，能量富集后出現(xiàn)微爆炸，形成等離子體羽流；伴隨著電流的增大，等離子體進一步發(fā)展，放電轉(zhuǎn)為火花放電階段，當電流高于閾值電流時，火花放電過程自持；當有足夠的功率維持放電，則在火花放電的最后階段形成真空電弧。

離子推力器柵極間尖端放電過程中，可以將柵極表面的毛刺、濺射沉積物抽象等效為拋物面針，并設(shè)針頂端曲率半徑為，平面間隙距離為，極間電壓為。研究表明，沿平面間隙軸心離針頂端距離處的電場強度為

離子推力器柵極間產(chǎn)生擊穿放電的閾值電壓為

在離子推力器柵極系統(tǒng)中，柵極間距遠大于尖端曲率半徑，此情形下，極間電暈放電閾值電壓遠高于極間電壓。

通常情況下，離子推力器加速柵尖端電極直徑在100μm～1mm 量級，柵極間距離控制在0.8～1.2mm 之間，因此，尖端電極中點與屏柵孔邊緣連線形成的夾角變化范圍比較大。尖端放電區(qū)域電場分布由高壓電極幾何構(gòu)型和空間電荷共同決定。離子推力器加速柵尖端放電模型如圖2所示，電場線分布采用正則近似（紅色虛線）。捷克學者Sigmond 已證明，電場線采用正則分布近似，與采用復雜計算獲得的電場線分布沒有本質(zhì)區(qū)別。

圖2 離子推力器電擊穿半解析模型[3]Fig.2The semi-analytical model of electric breakdown of ion thruster[3]

2）真空沿面閃絡(luò)

真空沿面閃絡(luò)是指在真空強電場下，沿柵極絕緣支撐材料表面發(fā)生放電從而導致電擊穿的物理現(xiàn)象。目前認為真空沿面閃絡(luò)的產(chǎn)生機制符合二次電子發(fā)射雪崩（SEEA）模型，沿面閃絡(luò)起始于絕緣體、負電極和真空表面交界的三結(jié)合點處，主要原因是該點附近存在高場強的局部電場；陰極在場致效應和高溫條件的激發(fā)下發(fā)射電子，電子在電場加速下轟擊絕緣支撐表面并激發(fā)二次電子；由于靜電場的存在，電子繼續(xù)向陽極運動，并在運動過程中繼續(xù)轟擊絕緣支撐表面，產(chǎn)生更多新的二次電子，該循環(huán)持續(xù)發(fā)展形成電子發(fā)射雪崩；根據(jù)電子激勵解吸附原理，電子轟擊柵極組件表面，造成柵極表面氣體解吸附，從而產(chǎn)生中性粒子和帶電離子，最終發(fā)生沿面閃絡(luò)，過程如圖3所示。綜上，SEEA 模型可以分為4 個階段：①陰極在場致效應和高溫激發(fā)下發(fā)射電子；②電子轟擊柵極絕緣支撐表面產(chǎn)生二次電子；③大量電子轟擊柵極材料表面引發(fā)出氣；④電子碰撞氣體分子使其電離發(fā)生沿面閃絡(luò)。

圖3 真空沿面閃絡(luò)SEEA 模型[3]Fig.3 SEEA model of vacuum flash over along the surface[3]

2.2 低氣壓電擊穿

1）低氣壓擊穿

在不同電壓下所發(fā)生的低氣壓電擊穿具有不同的擊穿性質(zhì)。低氣壓電擊穿的放電模式26-27]主要有湯生放電、輝光放電、火花放電以及電弧放電4 種。圖4為低氣壓下氣體發(fā)生電擊穿放電的典型伏安特性曲線。

圖4 低氣壓氣體放電的典型直流伏安特性曲線[28]Fig.4 Typical DC volt-ampere characteristics of low pressure gas discharge[28]

湯生放電的伏安特性曲線如圖5所示，曲線根據(jù)伏安特性不同分為、和三部分：區(qū)域內(nèi)，電極間的電壓很低，間隙中流過的電流很小，從0 上升至趨于飽和時電流達到最大值（飽和電流值），約為10A 量級；區(qū)域內(nèi)，在外界因素作用（光電離等）下陰極向外發(fā)射電子，電子在電場加速下獲得較大的動量，并在運動過程中與氣體分子發(fā)生碰撞，使氣體分子被電離，致區(qū)域內(nèi)的帶電粒子數(shù)目驟增，放電電流變大；區(qū)域內(nèi)，氣體分子碰撞電離所產(chǎn)生的正離子也可從電場中獲得相應的動量，這些離子使得氣體分子進一步電離，放電電流逐步增大，形成氣體分子碰撞與電離的循環(huán)。陰極發(fā)射出的電子由光電離產(chǎn)生，若光電效應消失則區(qū)域內(nèi)電流會立刻中斷，屬于非自持放電。當施加在離子推力器柵極間的電壓大于柵極擊穿閾值電壓時，該區(qū)域的放電電流會突然增大，此時即使中斷加載在柵極的外加電源，擊穿放電現(xiàn)象依然能維持，柵極間出現(xiàn)自持放電擊穿，如輝光放電、火花放電或電弧放電。

圖5 湯森放電的伏安特性曲線[28]Fig.5 The volt-ampere characteristic curve of Townsend discharge[28]

2）低氣壓沿面閃絡(luò)

柵極組件的絕緣支撐和外界氣體接觸面上容易發(fā)生沿接觸面放電現(xiàn)象，若這種放電發(fā)展到具有氣體貫穿性的電擊穿時，則會出現(xiàn)低氣壓沿面閃絡(luò)。經(jīng)實驗驗證，當氣體或絕緣支撐單獨存在時，發(fā)生電擊穿所需要的擊穿電壓遠高于氣體發(fā)生沿面閃絡(luò)的擊穿電壓。究其原因可概括為以下3 點：①柵極組件的絕緣支撐與柵極表面之間并非緊密接觸，存在極小的氣體間隙，因絕緣支撐的介電常數(shù)高于氣體的介電常數(shù)，導致氣體間隙中的電場強度遠高于平均電場，不均勻的電場分布促使局部放電，放電產(chǎn)生的帶電粒子運動到絕緣支撐表面，引起絕緣支撐與柵極表面間的電場分布畸變，使得沿面閃絡(luò)的擊穿電壓變??；②空氣濕度及柵極表面吸附氣體、水分等小分子的解吸附；③加工工藝、安裝等原因造成柵極表面不平整以及表面電阻不均勻，從而導致電場分布不均勻。

3 非預期電擊穿的類型及危害性評估

非預期電擊穿具瞬態(tài)特性，可根據(jù)電參數(shù)的變化對其進行間接表征，因此根據(jù)電擊穿的不同類型，以電壓電流波形為依據(jù)提出抑制判據(jù)具有重要意義。真空和低氣壓下的柵極非預期電擊穿主要對應5 種放電類型，應根據(jù)其特性和危害性進行策略評估：

1）湯生放電極易向輝光放電轉(zhuǎn)換，由于放電電流較小，產(chǎn)生能量在柵極組件可接受范圍，故對離子推力器性能影響可忽略不計。

2）輝光放電是一種自持放電，其放電電流僅有幾mA，電流密度小。輝光放電的產(chǎn)生機理是陰極在受到來自陽極正離子的轟擊后產(chǎn)生了二次電子；放電時，柵極表面存在穩(wěn)定亮斑，但間隙未形成自持性的貫穿導通通道。輝光放電會造成離子推力器的柵極表面出現(xiàn)分布不均勻的熱斑點或紋痕，但因放電電流較小，沉積能量較低，對柵極組件的損傷在可接受范圍。

3）火花放電（如圖6 所示）本質(zhì)是柵極組件電極間瞬間導通，表現(xiàn)為瞬時明亮的細帶束放電發(fā)光?；鸹ǚ烹姰a(chǎn)生后將自行熄滅，并迅速在其他位置產(chǎn)生新的火花，電流脈沖寬度為10～10s，宏觀表現(xiàn)為迅速更替的間隙擊穿。在真空或低氣壓環(huán)境下采用高功率電源驅(qū)動時，火花通道將繼續(xù)維持并發(fā)展，放電將轉(zhuǎn)化為更強烈的電弧放電?；鸹ǚ烹姇闺x子推力器柵極表面局部形成熱斑點，引起柵極材料低逸出功區(qū)域的場致熱發(fā)射（肖特基效應），放電沉積能量較大，使得柵極材料局部蒸發(fā)，造成柵極表面損傷，導致柵極表面受損與非預期電擊穿頻次之間的惡性循環(huán)。

圖6 火花放電的典型放電形態(tài)和電壓電流波形Fig.6 Typical discharge form and voltage and current waveforms of spark discharge

4）沿面閃絡(luò)放電（如圖7 所示）本質(zhì)是氣體?絕緣介質(zhì)表面“擊穿”，一般沿柵極間絕緣層、柵極與外殼間絕緣層表面和電極板間絕緣支柱的表面發(fā)展，當形成貫穿性通道時在絕緣層表面產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，其電學特性與火花放電類似。沿面閃絡(luò)放電會使離子推力器柵極表面形成氧化膜、補丁場效應等，進而造成柵極材料物性的改變，如脆性增大、塑性降低等，加速異常閃爍放電，形成惡性循環(huán)，加速柵極腐蝕，降低柵極絕緣性能，嚴重時會導致柵極之間永久短路。

圖7 沿面閃絡(luò)的典型放電形態(tài)和電壓電流波形Fig.7 Typical discharge pattern and voltage and current waveforms of flashover along the surface

5）電弧放電（如圖8 所示）具有低壓大電流特性，表現(xiàn)為柵間出現(xiàn)持續(xù)、明亮的細帶束放電，瞬時放電電流密度可高達10～10A/cm，電流峰值和電壓降遠超火花放電，這是由于柵極之間短路造成的，意味著柵極表面被完全擊穿。電弧放電對離子推力器的影響包括：在加速柵兩孔之間或三孔之間形成“凹槽”“凹坑”等腐蝕形貌，同時在加速柵下游表面出現(xiàn)大量的濺射物沉積，使柵極絕緣性能降低，損傷嚴重，進而導致推力器工作壽命縮短；嚴重時會引起電源處理單元（PPU）屏柵極和加速柵極電源輸出異常，對電源一次母線造成沖擊；不間斷的電弧放電會對柵極表面造成嚴重破壞，濺射腐蝕所產(chǎn)生的多余物及金屬碎屑可能造成柵極之間形成搭橋短路，可能導致柵極、PPU 乃至推力器永久失效。

圖8 電弧放電的典型放電形態(tài)和電壓電流波形Fig.8 Typical discharge form and voltage and current waveforms of arc discharge

本文結(jié)合光電測量手段，統(tǒng)計分析放電電壓電流波形和放電光學行為，獲取特征電壓電流波形參數(shù)；根據(jù)電擊穿的不同類型，以電壓電流波形為依據(jù)，評估非預期電擊穿對PPU 及柵極系統(tǒng)的危害性，并給出相應的處置建議，見表1。

表1 主要電擊穿放電類型的評估及策略Table1 Evaluations for the main types of electrical breakdown discharge and suggestions

4 展望

目前針對離子電推進非預期電擊穿問題，國際上采取抑制電流持續(xù)、快速增長的控制措施：當推力器雙柵極之間電流瞬間增大且達到預設(shè)判據(jù)時，PPU 啟動保護程序，對束流進行中斷再加載，試驗上表現(xiàn)為束流重啟。

國內(nèi)方面，蘭州空間技術(shù)物理研究所開展了較多相關(guān)研究：通過磁場優(yōu)化及柵極形狀設(shè)計，加強柵極組件工作穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強度，控制內(nèi)部濺射沉積物和內(nèi)部低氣壓環(huán)境，設(shè)計高強度陶瓷柵極絕緣屏蔽罩等來抑制離子推力器非預期電擊穿頻次；已就電擊穿誘發(fā)因素和產(chǎn)生機理做出詳細闡述，但目前對離子推力器組件間的耦合效應、系統(tǒng)相互作用效應、空間環(huán)境影響效應等與電擊穿有關(guān)的作用機理仍在探究；已針對不同氣體環(huán)境、不同工況下電擊穿的主要放電類型及統(tǒng)計概率進行研究，但對放電特性、產(chǎn)生機理、發(fā)展過程和影響因素了解有限，尚未獲得具有參考性的放電抑制判據(jù)；已結(jié)合離子推力器在軌測試及地面試驗數(shù)據(jù)對離子推力器非預期天地差異性進行對比研究，但仍未系統(tǒng)掌握離子推力器電擊穿的深層次規(guī)律。

離子推力器非預期電擊穿是非常復雜的非預期放電現(xiàn)象，后續(xù)還需開展深入的理論研究和專項試驗研究，才能提出標本兼治的非預期電擊穿抑制策略，最終實現(xiàn)對非預期放電的主動抑制和控制。