Page 19 - 《真空与低温》2025年第5期

558 真空与低温 第 31 卷 第 5 期

附加电极，由阳极电源施加正电位 V a ，利用阳极-触 其有效试验空间 Φ800 mm×1 200 mm，本底真空压
−5
持极间的电场 E a 加速从触持孔出来的电子。图 1 力低于 5×10 Pa，工作压力在 ˙ m Xe =2 mg/s 下优于
k
−2
中，oyz 是以触持孔为原点，oz 指向阳极，oy 指向竖 2×10 Pa。供电系统包括加热电源、触持电源、阳
直径向的坐标系。 极电源、点火电源，其中，加热电源、触持电源和阳
极电源采用可编程 TDK-Lambda 电源，分别提供
5 V h
0～30 V、0～100 V、0～80 V 连续可调电压；点火
V a
电源为可编程脉冲电源，提供 800～1 200 V/4～10 μs
3 4 2 1 6
E ak
y 的点火电压；所有电源具有远程采样功能。供气系
Xe
z o 统由氙气瓶、减压阀、流量计、截止阀及供气管路
8 9 7 组成，流量计采用 Brooks 0～2 mg/s 质量流量控制
11
10 器。测控系统由控制器、通讯卡、工控机组成，实
V k
现对真空压力、温度、试验数据和运行时序的远程
1. 阴极管；2. 发射体；3. 阴极顶；4. 加热器；5. 安装法兰；6. 供 测控；控制器采用西门子 SIMATIC S7-1500，用于
气法兰；7. 触持筒；8. 触持顶；9. 热屏；10. 绝缘器；11. 阳极。 控制机械泵、分子泵、真空规、减压阀、流量计、截

图 1 空心阴极结构 止阀的开/关，以及加热电源、触持电源、阳极电源、
Fig. 1 Structure of hollow cathode 点火电源启动/断电，以及自动采集运行时间及相

应时序下的加热电流/电压、触持电流/电压，阳极
1.2 工作原理
电流/电压数据；通讯卡为西门子 CB1241 板卡，通
空心阴极工作原理为：在真空条件下，给阴极
过 RS485 接口实现控制器与工控机之间的通信和
管一定质量流率的氙气，启动加热电源，将发射体
数据交换。图 2 中，I h 、I k 、I a 分别为加热电流、触持
缓慢加热到 2 000 K 左右，发射体表面逸出的热电
电流和阳极电流；d a 为阳极与触持间距离； ˙ m Xe为
k
−
子经过鞘层加速后形成原初电子 e ，e 通过电离碰
−
氙气质量流率。
−
撞使氙原子 Xe 电离，在阴极放电室内形成 e 、Xe +
0
（氙离子）和 Xe 组成的高密度初级等离子体气体， TS-5C真空舱 阳极电源
0
从阴极孔扩散进入阴极顶-触持极顶空间。此时启 触持电源 控 通
I a I k 制 讯 工控机
动触持电源和高压脉冲点火电源，初级等离子体中 I h 点火电源 器 卡
−
+
的 e 和少数能量较高 Xe 在触持电场作用下从阴极 加热电源
·
孔导出，形成弧光放电等离子体，表明点火成功。 d ak m Xe
此后，由于阴极放电室等离子体中的离子在发射体 截止阀 流量计 减压阀 Xe气瓶
表面双鞘层加速下不断轰击发射体，使发射体在关 图 2 TS5C 试验系统
闭加热电源的情况下也能够维持发射电子所需的 Fig. 2 Test system of TS5C
温度，实现自持弧光放电。仅依靠触持电场引出电
2.2 试验流程
子电流的方法称为二极放电模式，只是电流较小，
[8]
如果要产生更大电子电流，需要在触持顶外接入外 LHC-3L 空心阴极筛选试验流程 如图 3 所示，
V i 为点火电压。试验主要包括激活试验、自持试
挂阳极，给阳极施加 V a ，加速从自触持孔引出的
验、老炼试验。激活试验要求持续放电 40 h，再冷
电子，形成阳极电流，这种放电模式称为三极放电
却 40 min，目的是依靠空心阴极持续放电产生的高
模式。
温对发射体进行净化，使得空心阴极具备正常的电
2 筛选试验方法
子发射能力。自持放电要求持续放电 2 min，再冷
2.1 试验系统 却 40 min 为一次循环，如此循环 5 次，目的是测试
空心阴极筛选试验系统包括真空系统、供气 空心阴极在给定点火参数和工作参数下循环启动
系统、供电系统、测控系统，如图 2 所示。真空系 能力及自持稳定时长。老炼试验要求持续放电
统为 TS-5C，是兰州空间技术物理研究所 2023 年 20 min，再冷却 40 min，如此循环 50 次，目的是通过
研制的大气量空心阴极筛选与寿命考核试验设备， 重复多次启动稳定产品性能参数，剔除异常产品。