Page 18 - 《真空与低温》2025年第5期
P. 18

田 恺等：影响空心阴极筛选试验中阳极电压增大的因素研究                                        557


              核心组件，空心阴极放电稳定性将直接影响电推进                            统角度出发提出了空心阴极性能试验、验收和鉴
              的性能和可靠性，因此，在空心阴极完成批量生产                            定试验及寿命试验的基本流程及方法。2018 年，
                                                                                               [6]
              后，需要对所有产品进行筛选，剔除不合格产品。                            兰州空间技术物理研究所冯杰等 针对空心阴极
              阳极电压（Anode Voltage，V a ）是空心阴极筛选试验                 在筛选试验自持放电阶段因息弧率高而导致合格
              中必须控制的一个关键参数，V a 增大会使阴极发射                         率低的问题，提出了利用正交试验提升空心阴极组
              的羽流等离子体对阴极顶和触持极的溅射腐蚀增                             件筛选合格率。目前，随着电推进技术在空间应用
              强，缩短阴极寿命，同时导致空心阴极功耗增大并                            中的不断深化，空心阴极的长寿命、高可靠性需求
              伴随电推进推力振荡。影响               V a  增大的原因很多，          对研制工艺及地面筛选试验提出了更高要求，迫切
              包括发射体纯度和密度、阴极加工及装配工艺、工                            需要建立精量化评估体系与试验标准。
              质气体质量流率、触持极与阳极间距、试验环境真                                 本文以兰州空间技术物理研究所研制的                    LHC-
              空压力等。国内外在空心阴极筛选试验研究方面                             3L  型空心阴极为研究对象，系统阐述其电子发射
              的文献较少。2006 年，美国加州理工学院                   JPL  实    原理与筛选试验方法。通过理论建模与试验验证，
                             [1]
              验室 Jameson 等 开展了空心阴极在稳态放电条件                       重点揭示了空心阴极筛选试验中阳极电压增大的
              下阳极结构对        V a  影响的试验研究。其中，空心阴                 关键影响因素，并通过试验数据验证了理论分析的
              极发射体为多孔钨浸渍的铝酸钡钙盐；阴极管为                             可靠性。研究结果不仅深化了对空心阴极放电特
              Φ6.35 mm  的钼铼管；阴极顶材料为钨，阴极孔直径                      性的理论认知，还为建立统一的筛选流程及其评价
              为  1 mm；触持极材料为石墨，触持孔直径为                4.6 mm。    标准提供了科学依据。
              外挂阳极形状分别为圆筒、锥筒、锥筒与圆筒组                              1 空心阴极电子发射原理
              合起来的类推力器形状，其中，圆筒阳极尺寸为
                                                                 1.1 空心阴极结构
              Φ5 cm×12 cm，锥筒阳极尺寸与离子推力器尺寸相                                                                    [7]
                                                                     LHC-3L  空心阴极由阴极体和触持极组成 ，
              同，类推力器阳极的锥段最小直径为                  5 cm，柱段直
                                                                如图   1 所示。阴极体包括阴极管、发射体、阴极顶、
              径为   30 cm。固定触持-阳极间距离，当氙气质量流
                                                                加热器、安装法兰和供气法兰。阴极管为细长空
              率  ˙ m Xe为  0.54 mg/s，阳极电流  I a 为  25 A  时，圆筒的
                                                                心钽管，其上游端为供气法兰，下游端连接阴极顶，
              V a  在  16～17 V，锥筒的  V a  在  25～26 V，说明阳极形
                                                                主要作用是支撑加热器和发射体，充当阴极放电室
              状会对    V a 产生强烈影响。2019 年，新加坡南洋理
                                                                和供电地；发射体为          LaB 6 空心圆筒结构，安装在阴
                             [2]
              工大   Potrivitu 等 开展了阳极形状对          LaB 6 空心阴      极管内部靠近阴极顶的位置，主要作用是发射热电
              极放电影响的试验研究。该试验采用的发射体为                             子；阴极顶为圆形钨板，中心有节流孔，主要作用是
              Φ8 mm×2 mm   圆板，外挂阳极有         4 个不同形状：半           阻滞内部工质气体以增加阴极管内部压力，同时聚
              圆与正方形平板组合体、圆板、长圆筒、短圆筒，                            焦电子束；加热器由钨铼加热丝和陶瓷附件、引线
                                         2
                                                           2
                                                 2
              对 应 表 面 积 分 别为      411.3 cm 、 95 cm 、 411.3 cm 、  组成，安装在阴极管外部靠近发射体部位；加热丝
                   2
              95 cm 。在   ˙ m Xe为  0.79 mg/s 和  I a 为  12 A  的典型工  由加热电源施加正电位          V h ，给发射体加热使其达到
              况下，V a  由大到小分别为短圆筒           76 V、长圆筒    36 V、    能够发射电子的温度。供气法兰位于阴极管上游
              组合体平板      34 V  和圆板   22 V。兰州空间技术物理              顶端，连接储供系统供气管路。安装法兰位于阴极
              研究所是国内较早开展空间电推进用空心阴极研                             管上游靠近供气法兰位置，提供空心阴极与推力器
              制、生产、测评的单位 。2007 年，兰州空间技术                         之间的安装接口。触持极安装在阴极体外部，由触
                                   [3]
              物理研究所张天平等 针对空心阴极单机产品研                             持筒、触持顶和热屏组成，主要为羽流等离子体提
                                  [4]
              制过程中需要开展的各种摸底试验提出了较为详                             供放电通道，保护阴极体免受离子溅射。触持筒为
              细的试验方法和试验流程，包括阴极工作模式选择、                           空心钽管，与阴极管同轴，其下游端为中心开孔的
              阴极几何参数和工作参数敏感性试验评价、加热                             钽触持顶；触持极由触持电源施加正电位                     V k ，利用
              特性试验和点火试验程序、阴极电源间的匹配性、                            触持顶-阴极顶间电场           E k 加速来自阴极顶的发射
                                                                                       c
              阴极暴露试验和激活处理、阴极性能和磨损试验，                            电子；热屏为多层钽皮筒状结构，安装在触持极管
              但该文并没有对试验中出现的异常现象及其控制                             内表面，用于屏蔽加热器的径向热辐射。阴极体与
              措施进行论述。2010 年，张天平等 又从电推进系                         触持极之间通过绝缘器实现电隔离。阳极为外部
                                              [5]
   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23