劉 璽，林祖?zhèn)悾羁党?/p>

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都 610054)

六硼化鑭空心陰極的應(yīng)用十分廣泛，如在航空航天、離子源、工業(yè)、設(shè)備制造以及科學(xué)研究等方面。其中航空航天就是一個非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域?？招年帢O是離子和霍爾推進(jìn)系統(tǒng)[1-2]的關(guān)鍵部件。電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)應(yīng)用證明，空心陰極不僅對電推進(jìn)系統(tǒng)工作效率和可靠性的影響非常重要，而且也是限制電推進(jìn)系統(tǒng)長壽命的主要因素[3]。

從電推進(jìn)系統(tǒng)需求角度，按發(fā)射電流的大小，空心陰極分為低電流陰極，中等電流陰極和高電流陰極[4-5]。

按不同的陰極材料，空心陰極可分為傳統(tǒng)的Ba-W陰極和LaB6陰極[6]兩大類。國際上，俄國和美國在空心陰極領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，俄國采用LaB6陰極， 技術(shù)成熟， 工作穩(wěn)定壽命長， 美國采用特殊Ba-W陰極，克服了傳統(tǒng)Ba-W陰極缺點(diǎn)，也達(dá)到了長的工作壽命。

傳統(tǒng)Ba-W陰極的優(yōu)點(diǎn)是逸出功低，陰極溫度低，加熱功率小，加熱的技術(shù)難度低，但易中毒，暴露于大氣后需要進(jìn)行復(fù)雜的激活處理，甚至完全失去活性。LaB6陰極克服了傳統(tǒng)Ba-W陰極的缺點(diǎn)，其抗中毒能力和抗離子轟擊能力強(qiáng)，可以長期暴露于大氣而不需特殊激活處理。

目前LaB6陰極的高溫加熱技術(shù)還是國際性難題，相對Ba-W陰極而言， LaB6陰極逸出功較高，因而工作溫度更高[7]。這可能帶來以下一些問題：高溫下熱量散失，使發(fā)射效率降低；加熱器在高溫下再結(jié)晶變脆易斷，影響陰極的性能和壽命；陰極材料在高溫下與難熔金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等。

對于空心陰極而言，加熱效率是非常重要的一個熱力學(xué)指標(biāo)，這直接關(guān)系到空心陰極在高溫工作環(huán)境下的加熱功率。加熱效率的提高不但可以保證空心陰極穩(wěn)定的正常工作狀態(tài)，還能夠大幅度的減少熱能的損失，從而達(dá)到降低加熱功率的目的。本文主要研究的是熱屏蔽層對加熱效率的影響，在建立理論模型并進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)之上，通過實(shí)驗(yàn)對計(jì)算結(jié)論加以驗(yàn)證。

1 理論計(jì)算

建立理論計(jì)算數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

圖1 理論計(jì)算數(shù)學(xué)模型

為使計(jì)算簡便，可以將LaB6發(fā)射體及其附屬結(jié)構(gòu)都近似看為規(guī)則圖形。其中， LaB6發(fā)射體的近似模型為一半徑為r，長為l的圓柱體。

在實(shí)際情況下，物體各處產(chǎn)生的熱輻射因?yàn)槭軣岢潭炔痪⒈砻娲植诔潭炔煌仍虿槐M相同，使得計(jì)算變得相當(dāng)復(fù)雜。由于本文只是初步探討熱屏蔽層對熱輻射損失的抑制作用而不精確計(jì)算，故對物理模型進(jìn)行簡化處理(在理想真空條件下，無熱對流，忽略熱傳導(dǎo)，只計(jì)熱輻射，且表面各處產(chǎn)生熱輻射均等)。此時，熱輻射所導(dǎo)致的熱能損失就只與發(fā)射體表面及熱屏蔽層對其產(chǎn)生的影響有關(guān)。

LaB6發(fā)射體圓柱模型分為上、下圓面和側(cè)面。下面逐一進(jìn)行分析：

①上表面 未加任何熱屏蔽物，故可將此處熱輻射所導(dǎo)致的熱能損失視為直接損耗。

②側(cè)面 為施加熱屏蔽層的部分，故而這一部分也是重點(diǎn)探討的一部分。同上可知：

在物理模型中，熱屏蔽層是一個半徑比LaB6發(fā)射體要大一些的同心空心圓柱筒(半徑設(shè)為R)，由于同一半徑指向上LaB6發(fā)射體側(cè)面任一點(diǎn)和與之對應(yīng)熱屏蔽層上一點(diǎn)的距離都相等，為R-r(熱屏蔽層厚度不計(jì))， 故在計(jì)算時可將此二者在空間中抽象為兩個面積分別為2πrl和2πRl的矩形(間距為R-r)，此時熱屏蔽層的隔熱效果由熱量損耗程度體現(xiàn)，熱量損耗可由Pw表示。

若在此二者之間再增加一個熱屏蔽層，則隔熱效果將會更加明顯。為了通過更加直觀的數(shù)據(jù)對比將熱屏蔽層的隔熱效果呈現(xiàn)出來，我們將實(shí)際模型抽象為下面一個較于方便計(jì)算的理想模型。具體參數(shù)設(shè)計(jì)如下：在真空環(huán)境中有兩塊平行面板A和B。A板有恒定的溫度TA=400 K，用水流冷卻來保持B板的溫度TB=300 K。現(xiàn)在A、B兩板之間平行地插入另一平板C，如果三板均近似視作黑體，則在達(dá)到熱平衡時，進(jìn)行計(jì)算如下：

由斯特藩-玻爾茲曼定律，在三板的輻射達(dá)到平衡時， C板應(yīng)有：

故

不插入C板時，水流吸收熱量為：

插入C板后則變?yōu)椋?/p>

相對變化為：

即由于C板的插入減少了熱輻射損失，如果再多插入幾塊平板還可以進(jìn)一步減少輻射損失。

需要特別注明的是，在以上理想模型中，采用了冷卻水來模擬實(shí)際情況下的熱耗散機(jī)制，這就避免了一系列復(fù)雜的高難度計(jì)算。因?yàn)橐陨细鱾€模型的建立并非是要精確計(jì)算出熱損耗的具體數(shù)值，而是要從中體現(xiàn)出熱屏蔽層在隔熱效應(yīng)中發(fā)揮的重要作用。

③下表面 與上表面的直接裸露于外界不同，下表面由于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，緊挨支撐結(jié)構(gòu)，且中央開孔與下端的兩個進(jìn)氣孔相互錯開，這樣就有效地減少了熱輻射所帶來的能量損失。

2 實(shí)驗(yàn)

高溫加熱試驗(yàn)的試驗(yàn)儀器連接如圖2所示。直流電源Vf提供加熱絲的加熱電壓，通過熱傳導(dǎo)加熱LaB6發(fā)射體。通過電壓表與電流表可以分別測得加熱電壓Vf和加熱電流If的大小。用光學(xué)高溫計(jì)測試陰極溫度。試驗(yàn)在高真空環(huán)境中進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)選用鉭金屬作為支撐管材料，石墨作為隔離材料，高純鎢錸合金絲作為加熱絲，氮化硼(BN)作為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。

裝配好器件，然后進(jìn)行高溫加熱試驗(yàn)。加熱前要使用真空鍍膜機(jī)[8]將真空度抽至實(shí)驗(yàn)要求的范圍。

圖2 試驗(yàn)原理圖

當(dāng)加熱功率到達(dá)100 W以上時，保持加熱電壓不變，持續(xù)加熱數(shù)小時，以測定器件的穩(wěn)定性。試驗(yàn)時偶有雜質(zhì)分解或表面放氣造成真空度和陰極電流的微變屬于正常現(xiàn)象。但放氣太多時應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)真空計(jì)的測量量程，防止超過真空計(jì)量程損壞規(guī)管。

陰極電流的變化反應(yīng)了電阻的變化。當(dāng)電流突然變小至0 A，表明此時電阻無窮大，很有可能是加熱絲發(fā)生熔斷現(xiàn)象，應(yīng)立即停止加熱，關(guān)閉電壓輸出，防止對器件造成進(jìn)一步的損害。

為研究熱屏蔽層的保溫作用，進(jìn)行了對比試驗(yàn)。在電壓0 ～8 V的情況下，分別測量有無熱屏蔽層的陰極器件的相關(guān)參數(shù)，研究熱屏蔽層對加熱效率的貢獻(xiàn)。

3 結(jié)果分析

圖3給出了沒有加熱屏蔽層與加了熱屏蔽層的兩種陰極器件的伏安特性曲線。位于圖中上方曲線代表的是沒有加熱屏蔽層的伏安特性曲線，而下方的曲線則代表加了熱屏蔽層的伏安特性曲線?？梢钥闯?，在相同的加熱電壓下，后者的陰極電流更小，加熱功率更低。這表明有熱屏蔽層的陰極器件的加熱效率更高，也就充分證明了熱屏蔽層能有效地起到保溫的作用，對減小熱量散失，提高加熱效率起著較大作用。

圖3 伏安特性曲線

圖4分別繪制出了有、無屏蔽層的陰極器件(由于陰極內(nèi)部溫度不易觀察，故此處為鎢頂)溫度——加熱功率曲線圖。圖中帶圓點(diǎn)曲線表示有熱屏蔽層的陰極器件溫度，而帶三角形點(diǎn)曲線則代表沒有熱屏蔽層的陰極器件溫度。從圖中可以看出，在相等的加熱功率下有屏蔽層的陰極溫度更高，故而在達(dá)到相同溫度時，加有屏蔽層的陰極的加熱功率更低。這表明，加有屏蔽層后陰極的加熱效率有了較大提高。

圖4 加熱功率曲線

表1更為直觀地反應(yīng)出了LaB6空心陰極加熱效率在有、無屏蔽層情況下的區(qū)別。

表1 LaB6 空心陰極在有、無熱屏蔽層情況下的加熱效率對比

4 結(jié)論

通過增加熱屏蔽層能夠有效地反射熱輻射，減少熱能的散失，降低加熱功率，提高加熱效率。實(shí)驗(yàn)證明，陰極組件在加有熱屏蔽層后，其加熱效率提高了17 %左右，這與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

[ 1] Goebeo D G， Watkins M.Hollow Cathodes for Ion and Hall Thrusters[ R] .AIAA 2005-4239， 2005.

[ 2]Dan M Doebel， Ron M Watkins.High Current Hollow Cathodes for High Power Ion and Hall Thrusters.AIAA， 2005-4239.

[ 3] 張?zhí)炱?，唐?？?，田華兵.國外電推進(jìn)系統(tǒng)空心陰極技術(shù)[ J].上海航天， 2008， 1：39-45.

[ 4]Gallagher H E.Poisoning of LaB6 Cathodes[ J] .JAppl Phys，1969， 40：44-51.

[ 5]Patterson M J， Domonkos M T， Carpenter C.Recent Development Activities in Hollow Cathode Technology[ R] .IEPC-01-270， 2001.

[ 6] 成建波，冉啟鈞.六硼化鑭陰極[ M] .成都：成都電訊工程學(xué)院出版社， 1998.1-5.

[ 7]Mandell M J， Katz I.Theory of Hollow Cathodeoperation in Spot and Plume Modes[ R] .A IAA， 1994-3134.

[ 8] 李軍建.真空鍍膜技術(shù).成都：電子科技大學(xué)出版社， 2005.64-67.