楊 威， 史 楷， 谷增杰， 賈艷輝， 劉明正

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點實驗室， 蘭州 730000)

空心陰極是離子推力器和霍爾推力器的核心部件，是限制電推力器壽命和可靠性的關(guān)鍵因素之一[1]?？招年帢O不僅為電推力器內(nèi)部氣體放電提供原初電子，同時作為中和器用來中和電推力器噴出離子。隨著深空探測任務(wù)的深入論證，要求電推進系統(tǒng)壽命能夠達(dá)到數(shù)萬小時[2]。為滿足電推進系統(tǒng)需求，空心陰極部件壽命要求至少能夠達(dá)到40 000 h[2]。在電推進系統(tǒng)中鋇鎢(多孔鎢浸漬4BaO+CaO+Al2O3)和六硼化鑭(LaB6)被廣泛應(yīng)用。相比鋇鎢發(fā)射體材料，LaB6發(fā)射體具有更高的電子發(fā)射密度、更低的高溫蒸發(fā)率和更強的抗中毒能力[3]，因此LaB6發(fā)射體將作為長壽命高可靠空心陰極發(fā)射體材料的首選。

由于電推進系統(tǒng)的特點，地面試驗或在軌工作時采用間歇性工作的方式。胡竟等[4]描述了離子推力器工作時會出現(xiàn)陽極電壓波動的現(xiàn)象，這對離子推力器性能和可靠性造成了嚴(yán)重的影響；郭寧等[5]對離子推力器LaB6空心陰極失效模式及對離子推力器的影響進行了分析和總結(jié)；Capece等[3]開展了工質(zhì)氣體中氧含量對鋇鎢陰極發(fā)射特性的影響；Polk等[6]研究了工質(zhì)氣體中不同含量的氧等對鋇鎢陰極壽命及陰極腐蝕情況；于志強等[7]、張巖等[8]對鋇鎢擴散陰極的特性進行了整理；張強基[9]對LaB6材料進行了失效分析。而關(guān)于LaB6陰極放電波動原因的研究鮮見報道。因此，從應(yīng)用角度考慮，作為導(dǎo)致離子推力器工作過程中性能退化、壽命縮短的直接原因——空心陰極電壓放電電壓波動有必要進行深入研究。

為此，對LaB6空心陰極在間歇性工作放電電壓波動的現(xiàn)象進行研究，試驗分析了LaB6空心陰極放電電壓波動的原因及機理。

1 LaB6空心陰極試驗裝置

空心陰極試驗選用的TS-5B系列地面設(shè)備是蘭州空間技術(shù)物理研究所自主研制的用于空心陰極篩選和壽命驗證的試驗平臺，真空艙直徑500 mm、長度1 200 mm，配備抽速為1 300 L/s的磁懸浮分子泵，本底真空度優(yōu)于5×10-5Pa?？招年帢O溫度采用光學(xué)高溫計(WGG2-201型)直接對陰極頂測試，該儀器測試精度一般為±20 ℃以內(nèi)。

LaB6空心陰極試驗裝置為平板三極管結(jié)構(gòu)，試驗原理如圖1所示。

工質(zhì)氣體選用高純氙氣，純度≥99.999 5%(其中H2的體積分?jǐn)?shù)1×10-6，O2的體積分?jǐn)?shù)為0.1×10-6，H2O的體積分?jǐn)?shù)為0.1×10-6，CO2的體積分?jǐn)?shù)為0.1×10-6),使用質(zhì)量流量計控制工質(zhì)流率。由于空心陰極產(chǎn)品特點在試驗期間只能通過空心陰極陽極電壓和陰極頂溫度間接表征LaB6空心陰極內(nèi)部發(fā)射體溫度[10]。

圖1 空心陰極試驗電連接方式Fig.1 Electrical connection mode of hollow cathode

2 試驗結(jié)果與討論

空心陰極采用間隙性放電的工作方式，發(fā)射電流為20 A、觸持極電流為0.6 A、工質(zhì)氣體流率為0.272 mg/s。試驗期間持續(xù)工作24 h冷卻2 h為一個循環(huán)，每500 h開艙檢查陰極狀態(tài)，并將空心陰極置于溫度約為30 ℃的環(huán)境中。

實驗中選用的LaB6空心陰極在壽命試驗期間陽極電壓變化如圖2所示。

圖2 空心陰極放電電壓隨工作時間變化Fig.2 Variation of discharge voltage of hollow cathode varies with working time

從圖2可以看出，空心陰極首次入艙后陽極電壓呈逐漸下降的趨勢，累計工作10～20 h后放電電壓將逐漸恢復(fù)平穩(wěn)，電壓變化之小于1 V。開始工作后LaB6空心陰極在500 h試驗前保持持續(xù)工作狀態(tài)，觀察其在試驗期間放電電壓，波動約±0.2 V。但空心陰極初次暴露大氣后，其放電電壓出現(xiàn)了大幅變化，升高約3.5 V。在第2個500 h區(qū)間內(nèi)電，其放電電壓呈持續(xù)下降趨勢，隨后的多次暴露大氣均出現(xiàn)了放電電壓先升高后下降的趨勢，通過該現(xiàn)象可以確定空心陰極在暴露大氣時出現(xiàn)了發(fā)射體污染的現(xiàn)象。圖3、圖4分別為試驗結(jié)束后對空心陰極發(fā)射體材料微觀形貌及能譜圖。

由表面形貌(圖3)可以看出，該陰極發(fā)射體表面出現(xiàn)絮狀化合物，結(jié)合能譜圖可知發(fā)射體材料已發(fā)生了嚴(yán)重氧化。

當(dāng)LaB6發(fā)射體暴露大氣后，LaB6發(fā)射體與氧發(fā)生反應(yīng)為

xLa(BO2)3(crystal)+La2-xO21-6x(glass)

(1)

式(1)中：glass為氧化物為玻璃態(tài)；crystal為氧化物為晶體形態(tài)。

LaB6與氧接觸后首先生成La-B-O，在此基礎(chǔ)成核生長，最后生成La(BO2)3，La(BO2)3的熔點為1 141 ℃[11]，該氧化物不容易清除。而生成的B2O3的熔點近似為450 ℃，當(dāng)溫度接近1 000 ℃時B2O3，蒸發(fā)明顯。因此在LaB6空心陰極在暴露大氣(或輕微氧化)后，首先發(fā)射體要在溫度為100 ℃的條件下預(yù)處理，去除陰極管、發(fā)射體、陰極頂?shù)攘慵砻嫖降腛2，然后使發(fā)射體溫度提升至400～500 ℃,使得表面的B2O3在工質(zhì)氣體的噴吹下排出發(fā)射體內(nèi)部，而表面的La(BO2)3在發(fā)射體內(nèi)部離子的清洗下隨著工質(zhì)氣體排出發(fā)射體內(nèi)部。

圖3 LaB6發(fā)射體微觀形貌Fig.3 Microstructure of LaB6 emitter

圖4 發(fā)射體表面能譜圖Fig.4 Surface energy spectrum of emitter

為了驗證LaB6空心陰極試驗期間電壓波動是由于暴露大氣后LaB6空心陰極吸附大氣中的氧氣引起的，選取另外一只LaB6空心陰極開展暴露大氣試驗?？招年帢O在進艙前依次使用加熱電流為1、4 A進行發(fā)射體處理，預(yù)處理溫度近似為100、400 ℃。在工作25 h后，關(guān)閉空心陰極并且停止供氣。當(dāng)發(fā)射體冷卻至700 ℃左右(Wen等[11]曾發(fā)現(xiàn)在富氧條件下，700 ℃時LaB6發(fā)射體將出現(xiàn)輕微氧化)，開啟真空艙放氣閥，使LaB6空心陰極直接暴露在大氣下。待空心陰極冷卻后，重新啟動工作。圖5為試驗過程中空心陰極陽極電壓變化情況。

圖5中在充入大氣后空心陰極再次工作時，陽極電壓出現(xiàn)明顯上漲，且電壓振蕩較大，工作30 h后陽極電壓逐漸恢復(fù)至暴露大氣前狀態(tài)，但其放電波動仍比之前要大，該現(xiàn)象與第1只LaB6空心陰極陽極電壓變化相同。

圖5 空心陰極放電電壓隨時間變化Fig.5 Discharge voltage of hollow cathode varies with time

3 間隙性放電電壓波動分析

LaB6空心陰極發(fā)射體中毒一般由工作環(huán)境或工質(zhì)氣體中的氧氣吸附在發(fā)射體表面，并形成偶極子，從而改變了發(fā)射體表面電勢和功函數(shù)。因此當(dāng)LaB6空心陰極中毒后發(fā)射體表面發(fā)射電流密度將減少，為了維持發(fā)射體表面發(fā)射電流密度，只能通過提高空心陰極放電電壓保持空心陰極額恒流輸出。由Richardson-Dushman公式，中毒前后發(fā)射電流密度變化可以推導(dǎo)為

J/J0={AT2exp[-(φ/kT)]}/{A0T2×

exp[-(φ0/kT)}=

(A/A0)exp[(φ0-φ)/kT]

(2)

式(2)中：J0陰極未中毒前發(fā)射電流密度；A0為未中毒前發(fā)射常數(shù)；φ0為未中毒前功函數(shù)；J為陰極中毒后發(fā)射電流密度；A為發(fā)射常數(shù)；φ為功函數(shù)；T為發(fā)射體溫度；k為玻爾茲曼常數(shù)。

在近似計算中一般認(rèn)為中毒后發(fā)射常數(shù)A不發(fā)生變化，因此，中毒后發(fā)射電流密度關(guān)系可以表示為

J/J0=exp-(eΔφ/kT)

(3)

式(3)中：Δφ=φ-φ0為中毒前后逸出功變化，并且吸附的氣體決定功函數(shù)的變化，可以表示為

Δφ=δmθM/ε

(4)

式(4)中：δm為陰極表面吸附位氣體密度；θ為氣體的覆蓋度；M為吸附氣體形成的偶極矩；ε為介電常數(shù)。

引起電流密度表面的主要因素為發(fā)射體材料的逸出功發(fā)生了變化。而發(fā)射體逸出功變化由發(fā)射體表面氣體吸附形成的偶極矩強決定。偶極子的強度則由吸附氣體的類型決定。

表面吸附大體上可以分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種兩大類。在物理吸附[圖6(a)]中，吸附氣體受范德瓦作用，作用力來源于分子偶極矩的漲落。在化學(xué)吸附[圖6(b)、圖6(c)]中，吸附氣體與陰極表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在吸附過程中吸附氣體被化學(xué)鍵束縛在陰極表面，其作用力比范德瓦力強得多，但作用距離較小。 化學(xué)吸附所需的吸附熱量由中毒氣體與陰極表面化學(xué)反應(yīng)提供，例如氧吸附在鎢表面時，吸附熱約為194 kcal/mol[12]，如此高的吸附熱均由氧在鎢表面化學(xué)反應(yīng)提供。因此化學(xué)吸附導(dǎo)致吸附表面電荷間形成更大的偶極矩，化學(xué)吸附后LaB6陰極表面電勢增加， LaB6發(fā)射體表面逸出功變大。

d為正、負(fù)電荷間距離圖6 物理吸附和化學(xué)吸附Fig.6 Physical adsorption and chemical adsorption

陰極表面氣體吸附的量可以用等溫方程描述，Brunauer、Emmett和Teller在1938年蘭米爾方程基礎(chǔ)上提出的等溫吸附方程(BET方程)[10]，BET方程改寫為

(5)

式(5)中:c為與被吸附有關(guān)的常數(shù)；x=P/P0，其中P為中毒氣體壓強，P0為在溫度T下氣體蒸氣壓；n為單層吸附最大個數(shù)。

c=exp[(Q-Q1)/RT]

(6)

式(6)中：Q為吸附熱；Q1為氣體液化熱；R為氣體常數(shù)。單分子層吸附時n=1，此時式(5)變?yōu)槔士姞柕葴匚椒匠蹋?/p>

θ=cx/(1+cx)

(7)

將式(4)、式(6)、式(7)代入式(3)中得

(8)

從式(8)可以看出，發(fā)射體表面逸出功變化主要取決于氣體的壓強和陰極的溫度。在溫度不變且同種氣體的條件下,氣體吸附的量越大、壓強越高,表面發(fā)射電子密度越小。

由于不同氣體在陰極表面形成的偶極矩和氣體的吸附熱不同，導(dǎo)致其表面氣體吸附類型和數(shù)量完全不同。LaB6發(fā)射體材料，鑭是一種吸附中心，硼是另外一種吸附中心，因此假設(shè)氣體被吸附在兩個不同類型的吸附中心。式(4)吸附氣體引起的功函數(shù)變化可表示為

Δφ=(δm/ε)(±Maθa±Mbθb)

(9)

式(9)中：Ma為吸附位a的偶極矩；θa為吸附位a的覆蓋度；Mb為吸附位b的偶極矩；θb為吸附位b的覆蓋度，且偶極矩表示為M=ed,即單位電荷與距離的乘積。正負(fù)號表示偶極子的取向可以增加或減小表面功函數(shù)。穩(wěn)重計算假設(shè)發(fā)射體表面吸附面a和b均為單分子覆蓋,即表達(dá)式θ=θa+θb,θ=2。

氧和鑭的結(jié)合要比氧和硼的結(jié)合牢固[12]，氧和鑭之間的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)果，是將表面形成電荷偶極矩，導(dǎo)致功函數(shù)增加，進而降低LaB6發(fā)射體電子發(fā)射能力。式(8)是偶極矩與基底的電負(fù)性(xm)和吸附氣體的電負(fù)性(xf)有關(guān),其表達(dá)式為

Mfm=k(xm-xf)

(10)

功函數(shù)和偶極矩之間的關(guān)系可以改寫為功函數(shù)與吸附氣體的電負(fù)性的關(guān)系[13]，即

Δφ=σmθk(xm-xf)/ε

(11)

由于對LaB6發(fā)射體而言氧是大氣中最敏感的氣體[12,14]，氧形成的偶極子相比其他氣體的要強，氧的相對電負(fù)性為3.5，而氫和氮的電負(fù)性一般為2.1、2.8。因此當(dāng)發(fā)射體暴露大氣后，氧與發(fā)射體表面形成較強的偶極矩，導(dǎo)致發(fā)射體表面逸出功將增加，在維持同樣發(fā)射電流的條件下，空心陰極的表面溫度和陽極電壓均會上升。

當(dāng)采用小電流預(yù)處理的方法講發(fā)射體表面吸附的氧清除或隨著空心陰極的放電時間增加，內(nèi)部離子對發(fā)射體表面的清洗作用，使LaB6發(fā)射體表面吸附的氧脫附，LaB6發(fā)射體的活性恢復(fù)，此時空性陰極的陽極電壓逐漸降低。

4 結(jié)論

介紹了蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的20 A LaB6空心陰極間歇性工作過程中放電電壓波動的問題，并針對該問題進行了分析，建立了影響發(fā)射體表面電子發(fā)射密度及影響發(fā)射體表面功函數(shù)的關(guān)系式，并通過試驗驗證了假設(shè)，得出了如下結(jié)論。

(1)LaB6空心陰極在暴露大氣后，發(fā)射體表面將吸附大量氣體。吸附的氣體在LaB6發(fā)射體表面形成較強偶極矩，當(dāng)空心陰極再次工作時其放電電壓將升高。

(2)LaB6發(fā)射體表面吸附氣體偶極矩的強度與所吸附氣體的類型、壓強、發(fā)射體的溫度均有較大關(guān)系，其中氧氣所形成的偶極矩對發(fā)射體材料表面逸出功影響最大。

(3)LaB6空心陰極在暴露大氣后，可通過對發(fā)射體低溫加熱預(yù)處理的方式，可以去除暴露大氣后吸附在發(fā)射體表面的氧氣和反應(yīng)生成的低熔點氧化物，使發(fā)射體恢復(fù)活性，降低暴露大氣對LaB6空心陰極放電電壓的影響。