Page 90 - 《真空与低温》2025年第3期

李志伟等：面向空间应用的铱-氧化钇灯丝研制 361

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0 引言 的电子束流和推进器的推力成正比关系 ，实现
近年来，商业航天发展迅猛。2023 年，全球共 10 mN 的推力需要 150 mA 以上的发射电流，大幅
超过了现有的铱-氧化钇热发射灯丝的发射能力。
完成 223 次航天发射活动，发射各类航天器 2 945 个，
另外，由于航天飞行器在轨运行时几乎无法维修或
发射质量达到 1 490 t。其中，仅 SpaceX 一家公司
者替换耗材，因此零部件的寿命越长越好。热发射
就完成了 96 次发射，使“星链”部署的小卫星数量
灯丝在工作时处于高温状态，是各种航天零部件中
累计超过 5 000 颗 。数量巨大的航天飞行器对各
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最脆弱易损的一种。因此，作为离子推进器等的核
种在轨零部件提出了庞大的需求。热发射灯丝可
心部分，热发射灯丝常常是影响航天飞行器寿命的
以提供真空中的自由电子，配合工质或稀薄气体电
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关键因素 。本文面向空间应用的特殊场景，通过
离可以提供离子。基于热发射灯丝的电子源和离
设计螺旋形灯丝结构提高铱-氧化钇灯丝的发射能
子源广泛应用在离子推进器的电离源 、各类电推
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力，并通过增加支撑结构的方式提高灯丝的抗振动
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进器的中和器 、检漏仪及质谱仪的电离源 、电
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冲击性能和工作寿命。
离真空计 [5-6] 等场景中。空间应用所具有的发射成
本高、发射时振动冲击大、元件不可替换、在轨温 1 样品制备

差大等特点对灯丝的各项性能指标提出了严苛的 1.1 螺旋形灯丝的制备
要求。 灯丝的发射电流和发射面积直接相关。为了
现有的热发射灯丝以钨丝 、钍钨丝 、铱-氧 提高灯丝发射电流，将铱丝绕制成了螺旋状以获得
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化钇灯丝 [4-5] 等为主。其中，钍钨丝的发射性能较 更大的发射面积。铱-氧化钇灯丝的制备分为准备
好，但是具有放射性。钨丝的发射性能低，且抗氧 丝材、配置电泳液、电泳、烧结等几个基本步骤 。
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化性能较差 。铱-氧化钇灯丝无放射性，抗氧化性 如图 1（a）所示，铱-氧化钇螺旋灯丝表面呈白色。
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能好，但是发射性能较低。在氦质谱检漏仪以及电 从图 1（b）的扫描电子显微镜照片可以看出，烧结
离真空计中，传统的铱-氧化钇灯丝大多是直丝的 后灯丝的表面上形成了致密的氧化钇涂层结构。
结构，且发射电流一般在 0.1~10 mA 的范围 [6-7] 。随 为了测试灯丝的发射性能，将灯丝通过电阻焊装配
着商业航天发射能力的提升以及载荷需求的提升， 到底座上，并在灯丝的一侧安装收集极，如图 1（c）
部分空间应用对热发射灯丝的总发射电流提出了 所示。收集极的材料为钽，厚度为 0.1 mm，与灯丝
较高要求。例如，卫星电推进器中的中和器提供 的间距约为 1 mm。

10 μm

（a）光学照片 （b）扫描电镜照片 （c）灯丝的装配图
图 1 铱-氧化钇灯丝
Fig. 1 The structures of iridium-yttrium oxide filaments

1.2 绝缘支撑结构的制备
螺旋灯丝的体积较大，容易因发生焊点脱落、
灯丝变形、断裂等问题进而影响工作寿命。因此，
在螺旋灯丝中间引入了绝缘支撑结构以提高灯丝
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的强度和寿命 ，如图 2 所示。首先，制备螺旋内
（a）示意图 （b）实物图
径为 1.5 mm 的螺旋灯丝，将其焊接到测试底座上，
然后用直径为 1 mm 的石英棒穿过灯丝，并通过高 图 2 绝缘支撑结构
温胶粘接在测试底座上。 Fig. 2 Insulated support structure