Page 20 - 《真空与低温》2025年第5期

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 559

激活和老炼试验为三极放电模式，自持放电为二极 e 2 ( V a −V k n k −n a )
J e = − n k + T e （3）
工作模式，空心阴极筛选试验要求点火成功后稳态 m(ν en + ν ei ) d ak d ak
工作时 V a ≤30 V。 式中：“–”为电子电流方向与离子电流方向相反，
右边第一项为漂移电流，第二项为扩散电流。
开始
式（3）给 出 了 J e 与 ν en 、 ν ei 、 V k 、 V a 、 d ak 、 n k 、 n a 、
打开气阀，设定m Xe T e 的函数关系，是分析空心阴极 V a 变化的基本
方程。
设定I h ，输出V h
保持3 min
3.2 V a 增大因素分析
设定I k 、I a ，输出V k 、V a
空心阴极为 J e 恒流输出，根据式（3）可以定性
给出 V a 增大原因。
设定脉冲参数，输出V i
N 点火成功 （1） ν en 、ν e 对 i V a 影响
Y 在真空压力不变的情况下，ν en 、ν e 为常数。如
i
激活试验
−
0
−
保持40 h 果真空舱出现漏点，除了 e –Xe 碰撞外，还有 e 与
自持试验 大气分子碰撞，ν e 将变大，则在其他物理量不变的
n
循环5次
情况下，只有 V a 增大才能保持 J e 恒定。
老炼试验
循环50次
（2） d a 对 k V a 影响
V a 、V k 关闭
d a 会影响 ∇V ak和 ∇n ak，如果 d a 增大，则在其他
k
k
关闭气阀 物理量不变的情况下，只有 V a 增大才能保持 J e 恒
定。V a 受 d a 影响非常敏感，因此，筛选试验中
k
结束 d ak
设置为固定值。
图 3 LHC-3 L 筛选试验流程 （3） V k 对 V a 影响
Fig. 3 Procedure for LHC-3 L screening test V k 会影响 ∇V ak，V k 由触持极工艺和触持电流

I k 决定。在筛选试验中，I k 设为定值，且 I k 设定好
3 V a 增大因素研究
后，V k 为仅在微小范围内变化。如果 V k 异常增大，
3.1 J e -V a 理论模型 则在其他物理量不变的情况下，只有 V a 增大才能
根据空心阴极电子发射原理，阳极轴向电子电 保持 J e 恒定。
流密度 J e 可用部分电离气体的漂移-扩散理论 [9] （4） n k 、n a 对 V a 影响
描述： n k 首先会影响方程漂移电流。在其他物理量
( )
1 ∇n ak T e 不变的情况下，n k 减小时，V a 必须增大才能保持
J e = E ak + （1） J e
η
恒定。其次，在其他物理量不变的情况下，n k –n a 减
n k
−
−
+
式中：η 为 e –Xe 和 0 e –Xe 碰撞的总电阻率；E a 为 小， ∇n ak将减小，只有 V a 增大才能保持 J e 恒定。影
k
阳极-触持极间的电场强度；n k 为触持孔处的等离 响 n k 减小的因素包括发射体电子发射能力不足，
子体密度； ∇n ak为阳极-触持极间的等离子体密度 热屏保温性能差，触持孔变大，供气质量流率降
梯度；T e 为电子温度。其中： 低等。
m(ν en + ν ei )

η =
 （5） T e 对 V a 影响

 2
 n k e

 T e 会影响扩散电流，阳极收集的 T e 通常由加



 V a −V k
 ∂V ak （2）
 E ak = −∇V ak = − = − 速电场 E a 决定，如果出现 T e 减小，在其他物理量
k

 ∂z d ak


 不变的情况下，只有 V a 增大才能保持 J e 恒定。


 ∂n ak n a −n k
∇n ak = =


∂z d ak 3.3 试验验证
式中：m 为电子质量；e 为电子电量；ν en 、ν e 分别为 本节仅从筛选试验角度开展筛选次数、d ak 、
i
0
−
e –Xe 、e –Xe 碰撞频率； ∇V ak为阳极-触持极间的 ˙ m Xe、V k 对 V a 增大影响的试验验证，验证结果如下。
−
+
电位梯度；V k 、V a 分别为触持极电位和阳极电位； （1） 筛选次数对 V a 影响
n a 为阳极等离子体密度。将式（2）代入式（1），得： 在筛选试验中，因空心阴极发射体电子发射能