趙志偉，張?zhí)炱?2，冉文亮，李 璇

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省空間電推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

空心陰極是離子推力器和霍爾推力器中不可或缺的部件，二者依靠空心陰極發(fā)射電子進(jìn)行點(diǎn)火啟動(dòng)、維持放電和中和離子束流[1]。在推力器長期工作過程中，空心陰極的加熱器、發(fā)射體、觸持極、節(jié)流孔等功能結(jié)構(gòu)件會(huì)逐漸損耗[2-5]，當(dāng)這些損耗達(dá)到相應(yīng)限度閾值時(shí)，就會(huì)使空心陰極失去發(fā)射額定電子的能力從而失效，相應(yīng)地，推力器也會(huì)隨之失效。許多實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用表明，空心陰極在和推力器耦合放電的過程中存在壽命損耗速度過快的問題[6-9]，這與單獨(dú)實(shí)驗(yàn)時(shí)空心陰極和平板電極之間的放電有較為明顯的差異。為便于敘述與區(qū)別，本文將空心陰極與平板陽極之間的放電稱為獨(dú)立放電，將空心陰極在離子推力器或霍爾推力器中的放電稱為耦合放電。

美國基于六硼化鑭發(fā)射體研制的空心陰極，其設(shè)計(jì)壽命已達(dá)到十萬小時(shí)并且通過了獨(dú)立放電壽命實(shí)驗(yàn)[10]。但加州理工大學(xué)在對(duì)30 cm離子推力器進(jìn)行長時(shí)間耦合放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)2萬小時(shí)左右觸持極就發(fā)生了嚴(yán)重的損耗，3萬小時(shí)觸持極頂被完全侵蝕，無法繼續(xù)工作[11]。國內(nèi)在對(duì)80 mm霍爾推力器進(jìn)行耦合放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)空心陰極的觸持極損耗速度明顯加快，耦合放電壽命大約只有獨(dú)立放電壽命的27[12]?，F(xiàn)階段，當(dāng)由空心陰極失效決定的推力器壽命無法滿足航天任務(wù)的要求時(shí)，多采用安裝多臺(tái)推力器或在一臺(tái)推力器中安裝多個(gè)陰極的方式來延長壽命，如密歇根大學(xué)研制的能夠安裝3個(gè)陰極的格柵式離子推力器[13]，國內(nèi)外的霍爾推力器也大多配備2個(gè)空心陰極[14]。本文基于空心陰極獨(dú)立放電與耦合放電之間的差異，梳理了空心陰極在推力器中耦合放電加速損耗的現(xiàn)象和機(jī)理，對(duì)不同因素在空心陰極壽命損耗中產(chǎn)生的作用及其影響方式進(jìn)行了分析和綜述，并根據(jù)已有機(jī)理解釋這一問題的局限性提出了后續(xù)研究的構(gòu)想。

1 空心陰極放電損耗現(xiàn)象

空心陰極的失效形式包括：加熱器失效、發(fā)射體失效、結(jié)構(gòu)件失效等[15]。其中加熱器只在空心陰極點(diǎn)火前的準(zhǔn)備階段工作，并且由于其在空心陰極中的位置，一般不會(huì)受到工質(zhì)流率、放電電流、磁場等因素的影響，因此它的失效與這些條件沒有明顯關(guān)系。而發(fā)射體、節(jié)流孔、觸持極等功能結(jié)構(gòu)部件受空心陰極的放電條件影響較為明顯。因此，本文著重討論空心陰極的這些部件在獨(dú)立放電與耦合放電中損耗現(xiàn)象和機(jī)理的區(qū)別。

無論是在獨(dú)立放電還是在耦合放電模式下，隨著陰極工作時(shí)長的積累，這些結(jié)構(gòu)件都會(huì)產(chǎn)生損耗，具體表現(xiàn)為：①節(jié)流孔(陰極孔)磨損，孔徑逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致管內(nèi)壓力下降，點(diǎn)火越來越困難，直到徹底無法點(diǎn)火，同時(shí)節(jié)流孔和觸持極小孔的擴(kuò)大，會(huì)使離子輕易地進(jìn)入管內(nèi)產(chǎn)生濺射腐蝕；②觸持極磨損，觸持極小孔擴(kuò)大，觸持極頂斷裂或脫落，無法引出電子；③觸持極管腐蝕，導(dǎo)致發(fā)生形變，嚴(yán)重時(shí)可能造成脫落或短路。空心陰極各結(jié)構(gòu)及其位置如圖1所示，以上所提到的情況中任何一個(gè)的發(fā)生都會(huì)導(dǎo)致空心陰極失效，而耦合放電無疑會(huì)加速這一過程。在耦合放電中，大部分的空心陰極壽命終結(jié)，都是因?yàn)榘l(fā)生了以上類型的結(jié)構(gòu)件失效。

圖1 空心陰極結(jié)構(gòu)示意圖

2 離子推力器中的主陰極受損機(jī)理

離子推力器由空心陰極、柵極以及一個(gè)相對(duì)封閉的放電室組成，其中主陰極與中和陰極的位置和作用有所不同，其工作環(huán)境和特性也有不小的差異，目前暫未有人對(duì)中和陰極的壽命損耗問題進(jìn)行研究，由于缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)的支撐，此處只討論主陰極的壽命損耗機(jī)理。在離子推力器中，工質(zhì)分別通過主陰極和陽極分配器進(jìn)入放電室，放電室內(nèi)電離產(chǎn)生的電子最終撞擊在陽極上，離子經(jīng)過柵極加速噴出產(chǎn)生推力。理想狀態(tài)下，放電室電壓一般為28 V，低于材料的濺射閾值(30 V)，而采用氙工質(zhì)的離子推力器放電室陽極電壓普遍高于這個(gè)值[16]。在與離子推力器耦合放電時(shí)，空心陰極結(jié)構(gòu)件的損耗主要來自于放電室內(nèi)的離子濺射，離子的能量和通量越大，造成的濺射腐蝕越嚴(yán)重。

2.1 離子濺射加速陰極損耗

2.1.1 離子通量過高導(dǎo)致的損耗

過高的等離子體密度是導(dǎo)致空心陰極在離子推力器放電室內(nèi)損耗加劇的重要原因之一[17-20]，由于離子推力器放電室的封閉性[21-22]，耦合放電中離子只能通過柵極離開放電室，尚未被引出的離子只能暫時(shí)聚集在放電室內(nèi)，而獨(dú)立放電中產(chǎn)生的等離子體暴露在整個(gè)真空倉中，在真空泵的作用下不能大量累積，因此耦合放電時(shí)空心陰極周圍的等離子體密度明顯高于獨(dú)立放電。同時(shí)由于觸持極附近電勢梯度較大，受到觸持極低電位的吸引，觸持極附近的一些離子向觸持極加速運(yùn)動(dòng)，增加了撞擊在觸持極上的離子通量，增強(qiáng)了觸持極和節(jié)流孔的濺射程度，甚至通過觸持極小孔和節(jié)流孔進(jìn)入陰極管內(nèi)，轟擊發(fā)射體，導(dǎo)致其溫度異常升高。這些情況都會(huì)使陰極受到的腐蝕加劇，壽命縮短。除此以外，放電室內(nèi)還存在能量遠(yuǎn)高于平均能量的高能離子，這些高能離子在空心陰極的損耗中起著重要的作用，以下進(jìn)行詳述。

2.1.2 離子能量過高導(dǎo)致的損耗

高能離子產(chǎn)生的主要原因之一是放電振蕩[23-24]，包括電壓振蕩和電流振蕩，耦合放電中這種振蕩明顯大于獨(dú)立放電。現(xiàn)有的一些研究顯示，這種放電振蕩的劇烈程度與陰極-陽極間距以及陽極結(jié)構(gòu)有顯著關(guān)系。南洋理工大學(xué)針對(duì)陰極-陽極間距對(duì)空心陰極放電特性的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)觸持極與陽極的間距越大，陽極電壓越高，同時(shí)放電振蕩越明顯，隨著陰極-陽極間距的增加，陽極電壓單調(diào)遞增。當(dāng)間距在20～40 mm之間時(shí)，空心陰極以點(diǎn)模式運(yùn)行；而當(dāng)間距增大至45 mm之后，空心陰極的工作模式逐漸過渡到羽流模式，如圖2所示[25]。同時(shí)陽極電壓大幅升高，數(shù)值接近原來的兩倍，電壓振蕩幅度也明顯增大。點(diǎn)模式下，放電電流在4 A和10 A時(shí)的振蕩幅度分別為0和9；而當(dāng)工作模式過渡為羽流模式時(shí)，4 A和10 A下的振蕩幅度分別增大到12和15，如圖3所示[25]。大幅度的振蕩能夠顯著增強(qiáng)離子能量，提高離子對(duì)觸持極等的濺射腐蝕強(qiáng)度，由此可知，在空心陰極結(jié)構(gòu)件的損耗中，陰極-陽極間距起著重要作用。在間距的雙向調(diào)節(jié)過程中，點(diǎn)模式和羽流模式對(duì)應(yīng)的間距界限有一定的滯后性，但在不同的放電電流下沒有明顯差別，說明觸持極到陽極距離對(duì)放電特性的影響與放電電流無關(guān)，至于是否受到其他因素的干擾尚不清楚。

圖2 不同陰極-陽極間距下的陰極羽流形貌

圖3 陰極—陽極間距對(duì)陽極電壓及其振蕩幅度的影響

北京理工大學(xué)關(guān)于陽極結(jié)構(gòu)對(duì)空心陰極放電特性的影響進(jìn)行了研究，用于對(duì)比的2個(gè)陽極分別是：①直徑20 cm、長度20 cm的環(huán)形陽極，前端面距離觸持極0.5 cm；②直徑15 cm的平板陽極，距離觸持極7 cm，測量區(qū)域邊界距離觸持極0.5 cm。測量方案如圖4所示[26]。結(jié)果表明，雖然環(huán)形陽極下陽極電壓略低于平板陽極，但其放電室內(nèi)空間電勢空間分布明顯更復(fù)雜，電勢振蕩遠(yuǎn)高于平板陽極，如圖5和圖6所示[26]。在兩組實(shí)驗(yàn)中，等離子體的最高電位分別出現(xiàn)在軸線上距離觸持極5 cm的位置(平板陽極)以及徑向上r=2 cm的位置(環(huán)形陽極)，這可能與電子的運(yùn)動(dòng)軌跡有關(guān)。

圖4 兩種陽極結(jié)構(gòu)下測量區(qū)域示意圖

圖5 環(huán)形陽極下的平均電位和振幅

圖6 平板陽極下的平均電位和振幅

以上研究表明，陽極結(jié)構(gòu)以及觸持極到陽極之間的距離是影響空心陰極放電特性的重要因素之一。較小的間距和簡單的陽極結(jié)構(gòu)不利于產(chǎn)生復(fù)雜的電場，其電場分布也不容易發(fā)生較大的變化，規(guī)則且穩(wěn)定的電場有利于維持較低的陽極電壓和較小的電壓振蕩。而過大的間距和復(fù)雜的陽極結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生復(fù)雜且多變的電場分布，這樣的電場更容易導(dǎo)致大幅度的電壓振蕩。值得注意的是，環(huán)形電極以及離子推力器的陽極，其各部分到觸持極的間距是不同的，而陽極整體又要保持在同一個(gè)電位，這很容易引起放電振蕩，振蕩導(dǎo)致羽流中離子能量超過陽極電壓，造成的侵蝕率高于獨(dú)立放電[27-28]。

另一些研究表明，對(duì)空心陰極造成濺射腐蝕的高能離子的產(chǎn)生與加速和離子聲波有關(guān)[29-32]。當(dāng)初始電子的馬赫數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大振幅的離子聲波，并可以觀察到大量反流的高能離子[33]。這一理論指出，等離子體中的電勢振蕩以及產(chǎn)生高能離子的多少，強(qiáng)烈依賴于電子的能量。日本國家航空航天實(shí)驗(yàn)室測量了14 cm離子推力器放電室內(nèi)多個(gè)位置的電子能量分布函數(shù)，發(fā)現(xiàn)軸線附近的點(diǎn)，電子能量普遍具有2個(gè)峰值，其中距離觸持極較近的點(diǎn)，大部分電子能量只有12 eV左右，而軸線上距離觸持極較遠(yuǎn)的以及遠(yuǎn)離軸線的電子，其能量峰值普遍超過30 eV，同時(shí)整個(gè)放電室內(nèi)的電子能量不符合麥克斯韋分布[34]。高能電子頻繁碰撞離子，對(duì)離子進(jìn)行加熱，并影響局部的電場分布，造成等離子體的異常電阻率以及空間電勢振蕩[35]。電子能量不符合麥克斯韋分布的原因還不清楚，但在異常的電子能量分布前提下，對(duì)空心陰極損耗的數(shù)值模擬結(jié)果與耦合放電實(shí)際結(jié)果具有較好的一致性，說明電子能量在空心陰極損耗中的確起著重要作用。

2.2 磁場和中性氣體緩解陰極損耗

2.2.1 磁場

空心陰極獨(dú)立放電時(shí)沒有外加磁場，而與離子推力器耦合放電中，一般會(huì)施加磁場以約束放電室內(nèi)的等離子體。北京航空航天大學(xué)測量了不同磁場強(qiáng)度下空心陰極觸持極的腐蝕位置分布及強(qiáng)度，各組的實(shí)驗(yàn)條件如表1所示[36]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示[36]。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度為0時(shí)，空心陰極的腐蝕主要集中在一點(diǎn)上，程度較重。隨著磁場強(qiáng)度增加，空心陰極的腐蝕面積擴(kuò)大，程度減輕。原因是磁場限制了等離子體尤其是電子的徑向運(yùn)動(dòng)，那么碰撞產(chǎn)生的速度分量便集中在軸向上，使得原本集中于某一點(diǎn)的濺射變得分散了，要破壞空心陰極結(jié)構(gòu)，需要更強(qiáng)的濺射總能量。因此，磁場的存在，一定程度上緩解了空心陰極的損耗，延長了壽命。

圖7 不同磁場強(qiáng)度下陰極腐蝕情況

2.2.2 中性氣體

同時(shí)在該實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員還研究了陽極流率對(duì)陰極的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1和圖8所示[36]。在放電電流、磁場強(qiáng)度、陰極流率等其他條件一致的情況下，陽極流率越大，空心陰極的腐蝕程度越輕。這是因?yàn)閺年枠O分配器流入的工質(zhì)氣體距離觸持極較近，這些中性氣體原子在受到電子和離子的碰撞時(shí)，會(huì)降低電子和離子的溫度并阻礙其運(yùn)動(dòng)，對(duì)緩解放電振蕩和減少離子對(duì)觸持極等的濺射有一定作用。

表1 陰極腐蝕點(diǎn)位置實(shí)驗(yàn)的推力器操作條件

圖8 不同陽極流率下陰極腐蝕情況

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，背景氣體壓力對(duì)空心陰極的放電穩(wěn)定性有一定程度的影響，背景氣體壓力越高，空心陰極放電越穩(wěn)定，雖然羽流范圍有明顯擴(kuò)大，但振蕩反而變小。同時(shí)，平均離子能量和離子能量峰值均隨背壓的增大而減小，如圖9～圖11所示[37]。同理，背景中性氣體分子在受到電子和離子碰撞的同時(shí)，會(huì)使羽流中電子和離子能量降低，緩解了振蕩和觸持極等的損耗。

圖9 不同背壓下陰極羽流形貌

圖10 不同背壓和電流下的離子能量分布

圖11 電流標(biāo)準(zhǔn)差隨背壓的變化

3 霍爾推力器中的陰極受損機(jī)理

霍爾推力器的工作原理與離子推力器有所不同，在霍爾推力器中，工質(zhì)氣體在環(huán)形通道中與電子碰撞發(fā)生電離，離子在電場作用下被加速，產(chǎn)生推力[38-39]。根據(jù)空心陰極安裝位置的不同，霍爾推力器中的陰極安裝方式分為中置與偏置兩種，當(dāng)前大多數(shù)的霍爾推力器采用陰極偏置的安裝方式。在偏置陰極霍爾推力器中，決定空心陰極壽命損耗速度的則主要是羽流中的離子能量和通量[40]。

3.1 離子濺射加速陰極損耗

3.1.1 離子通量過高導(dǎo)致的損耗

雖然沒有離子推力器那樣封閉的放電室，但由于霍爾推力器的羽流發(fā)散角較大，偏置陰極的觸持極往往處在霍爾推力器羽流區(qū)域內(nèi)。因此陰極周圍的等離子體密度同樣很高，羽流中的離子受到陽極加速，已經(jīng)具有較高的能量。當(dāng)其運(yùn)動(dòng)到觸持極附近時(shí)，在局部電場的作用下，能量進(jìn)一步提高，造成的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。

3.1.2 離子能量過高導(dǎo)致的損耗

霍爾推力器的陽極為一環(huán)形通道，與離子推力器的陽極相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度相對(duì)較低。但是在偏置陰極霍爾推力器中，觸持極與陽極各部分的距離也有一定差異，導(dǎo)致觸持極到陽極之間的電場為非對(duì)稱分布。因此放電振蕩在霍爾推力器中同樣存在。

由陽極結(jié)構(gòu)以及陰極—陽極間距所導(dǎo)致的霍爾推力器放電振蕩，其現(xiàn)象和機(jī)理與離子推力器類似，此處不再贅述。北京理工大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，空心陰極與霍爾推力器耦合放電時(shí)有明顯的電流振蕩，且振蕩幅度隨放電電流的增加而迅速增大。而在空心陰極獨(dú)立放電中雖然也有微小的振蕩，但振幅不大且基本不受放電電流的影響[41]。加州理工學(xué)院通過實(shí)驗(yàn)研究，將振蕩分為高頻振蕩和低頻振蕩兩種。高頻振蕩的頻率在200 kHz～1 MHz之間，主要由離子聲波引起；低頻振蕩頻率為50～200 kHz，振幅較大[42]。當(dāng)放電電流、陰極流率或者磁場發(fā)生改變時(shí)，振蕩也隨之改變，其振幅可能增大，并導(dǎo)致陰極放電模式從點(diǎn)模式逐漸向羽流模式轉(zhuǎn)變。圖12為放電電流振蕩幅度隨陰極流率的變化情況[42]。一般來說，較大的電流使得陽極電壓更低，但所需的流率相應(yīng)較大，在給定的放電電流下，流率越大等離子體密度也越大，平均離子能量和陽極電壓更低，更容易維持穩(wěn)定的放電[29]。而最惡劣的情況一般發(fā)生在放電電流較大而陰極流率較小的情況下，此時(shí)由于離子數(shù)量較少因而導(dǎo)致平均離子能量增強(qiáng)。進(jìn)一步地，在低頻振蕩中，特別是70～90 kHz的振蕩在陰極附近達(dá)到峰值，這種振蕩是由電勢梯度驅(qū)動(dòng)的[43]。這表明結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陽極對(duì)耦合放電的電場分布和放電穩(wěn)定性的確會(huì)產(chǎn)生不利影響。

圖12 不同陰極流率下電流振蕩幅度

密歇根大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在中置陰極霍爾推力器羽流中存在非經(jīng)典的電子輸運(yùn)，這會(huì)導(dǎo)致空心陰極與霍爾推力器耦合放電的不穩(wěn)定性增強(qiáng)。羽流中同時(shí)存在離子聲波(500～1 250 kHz)與反漂移波(50～400 kHz)[44]。離子聲波沿縱向傳播，其本質(zhì)是由沿磁場方向運(yùn)動(dòng)的電子漂移傳播的，而反漂移波本質(zhì)上是旋轉(zhuǎn)的，又稱為旋轉(zhuǎn)波。離子聲波在平行于外加磁場的方向上使有效碰撞頻率增強(qiáng)，超過經(jīng)典碰撞頻率兩個(gè)數(shù)量級(jí)。反漂移波促進(jìn)了一個(gè)依賴于電子漂移方向的各向異性碰撞頻率，徑向有效碰撞頻率比經(jīng)典碰撞頻率高出3個(gè)數(shù)量級(jí)?？偟膩碚f，離子聲波導(dǎo)致電子對(duì)離子的加熱以及更陡峭的電勢梯度，而低頻的大幅度振蕩與瞬態(tài)電勢結(jié)構(gòu)相關(guān)。密歇根大學(xué)的研究表明，非經(jīng)典的離子加速的確發(fā)生在空心陰極附近。因此，離子聲波的存在是導(dǎo)致空心陰極耦合放電振蕩與高能離子產(chǎn)生的重要原因之一。

3.2 磁場緩解陰極損耗

在哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的磁聚焦霍爾推力器中，羽流區(qū)施加了軸向磁場，限制了等離子體的徑向運(yùn)動(dòng)，使得霍爾推力器的羽流發(fā)散角大幅度減小，因而在大角度上的離子通量顯著降低。這種發(fā)散角的收斂能夠在軸向上保持較長的一段距離，當(dāng)羽流發(fā)散角足夠小，使得觸持極處于羽流區(qū)之外時(shí)，撞擊在觸持極上的離子通量也會(huì)降低，有效地減弱了羽流中的離子對(duì)空心陰極觸持極的濺射程度[45]。日本航空航天勘探局分別測量了有磁場和無磁場時(shí)空心陰極的點(diǎn)火和持續(xù)放電特性，圖13為觸持極電壓振蕩、電流振蕩、平均電壓、點(diǎn)火電壓分別在有無磁場情況下的對(duì)比[46]。由于局部和瞬態(tài)的電勢梯度對(duì)等離子體的加熱受到磁場的影響，對(duì)電子的影響尤其明顯。電離不穩(wěn)定性強(qiáng)烈依賴于電子溫度，而磁場的存在顯著縮小了電子的拉莫爾回旋半徑，使得小范圍內(nèi)電子與其他離子的碰撞頻率大幅度增加。因而被電場加熱的電子在磁場的作用下頻繁碰撞從而失去能量，溫度降低，這一機(jī)制有效降低了電離不穩(wěn)定性。

圖13 磁場對(duì)電流和電壓特性的影響

在空心陰極管內(nèi)，來自發(fā)射體的原初電子電離中性氣體，產(chǎn)生的電子和離子均通過陰極尾部的節(jié)流孔進(jìn)入放電室。部分離子由于具有較大的徑向速度分量，會(huì)在向下游運(yùn)動(dòng)的過程中無法通過節(jié)流孔而撞擊在節(jié)流孔板上產(chǎn)生濺射腐蝕，導(dǎo)致節(jié)流孔徑擴(kuò)大，逐漸難以維持管內(nèi)氣壓而無法點(diǎn)火[1,15]。同理，部分電子通過節(jié)流孔后會(huì)撞擊在觸持極內(nèi)壁上，造成電流損失[47]，這是引起空心陰極放電振蕩的另一個(gè)原因。雖然使用六硼化鑭材料作為觸持極進(jìn)行電流補(bǔ)償能夠緩解振蕩[48]，但這種思路目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，且更換材料容易帶來其他方面的問題。

而磁場能夠減小離子對(duì)節(jié)流孔的撞擊以及電子的損失：平行于軸線方向的磁場能夠抑制等離子體的徑向運(yùn)動(dòng)，這一作用針對(duì)電子尤其明顯，當(dāng)電子的徑向運(yùn)動(dòng)被抑制，那么撞擊在觸持極上的電子數(shù)量就會(huì)大大降低，電流損失也隨之降低，有利于緩解放電振蕩，如圖14所示[49]。

圖14 磁場強(qiáng)度對(duì)電流和電壓振蕩幅度的影響

當(dāng)磁場足夠強(qiáng)時(shí)，離子的徑向運(yùn)動(dòng)也被抑制，因而離子能夠更多地通過節(jié)流孔而不是撞擊在節(jié)流孔板上，這樣能夠有效地保護(hù)空心陰極的結(jié)構(gòu)件，這一機(jī)制在離子推力器中同樣存在。俄羅斯高流電子研究所的相關(guān)研究也表明，磁場具有減小電子束直徑的作用，但其對(duì)電子束直徑的影響是非單調(diào)的，當(dāng)磁場強(qiáng)度特別大時(shí)，電子束直徑反而會(huì)急劇增加[50]。同時(shí)，當(dāng)電子束直徑小于節(jié)流孔和觸持極孔的孔徑時(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)磁場是非必要的。因此，針對(duì)特定規(guī)格的空心陰極，利用磁場緩解損耗時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況靈活處理，此外還要綜合考慮到磁場對(duì)推力器性能參數(shù)等其他方面的影響。

4 結(jié)論

4.1 當(dāng)前研究結(jié)論

綜合離子推力器與霍爾推力器目前的研究成果，可以得出以下結(jié)論。

1)空心陰極與離子推力器和霍爾推力器耦合放電過程中，其工作特性、壽命及所處的等離子體環(huán)境的確與獨(dú)立放電存在較大的差異。

2)空心陰極在與離子推力器和霍爾推力器耦合放電時(shí)，造成其壽命縮短的主要原因是大量高能離子對(duì)結(jié)構(gòu)件的腐蝕破壞。

3)高能離子的產(chǎn)生來源于耦合放電振蕩，放電振蕩在空心陰極與離子推力器和霍爾推力器耦合放電過程中均存在，振蕩可能由復(fù)雜的陽極結(jié)構(gòu)及局部瞬態(tài)電場、陡峭的電勢梯度、不正確的放電電流、陽極流率及離子聲波所導(dǎo)致。

4)磁場能夠?qū)招年帢O起到保護(hù)作用：①在離子推力器中，軸向磁場使得陰極表面原本集中的腐蝕變得分散，程度減輕；②在磁聚焦霍爾推力器中，磁場大幅度減小了羽流發(fā)散角，當(dāng)空心陰極的觸持極不再處于羽流范圍內(nèi)時(shí)，轟擊觸持極的離子通量顯著減小；③在空心陰極內(nèi)部，磁場會(huì)限制等離子體的徑向運(yùn)動(dòng)，不僅可以減輕節(jié)流孔板受到的離子濺射，還能夠減小觸持極上的電流損失，抑制放電振蕩。

5)中性氣體對(duì)空心陰極的腐蝕有緩解作用，不管是陽極的工質(zhì)氣體，還是其他背景氣體，都能夠吸收高能離子的能量，保護(hù)陰極。但在工程應(yīng)用中，空間背景壓力很低，陽極流率也受到多方面的限制，實(shí)際上能產(chǎn)生的效果并不明顯。

4.2 后續(xù)研究計(jì)劃

耦合放電振蕩高度依賴于電子能量，并且電子能量一般不符合麥克斯韋分布。不同頻率的振蕩，其特性有明顯區(qū)別，產(chǎn)生振蕩的機(jī)理尚不清楚，放電室和羽流中等離子體參數(shù)目前也沒有良好的模型，已有的理論和假設(shè)無法很好地解釋這些問題。未來還需要進(jìn)一步的研究，全面總結(jié)空心陰極壽命損耗加速的現(xiàn)象和機(jī)理。

1)測量空心陰極獨(dú)立放電與耦合放電時(shí)濺射觸持極的離子能量分布函數(shù)，或進(jìn)行獨(dú)立放電與耦合放電的壽命實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行對(duì)比，明確對(duì)于特定的空心陰極及推力器型號(hào)，耦合放電對(duì)壽命損耗的加速系數(shù)。

2)測量獨(dú)立放電與耦合放電兩種情況下放電室內(nèi)或羽流中的等離子體特性，明確等離子體中粒子溫度、密度、電勢等參數(shù)的空間分布情況，分析其與壽命損耗速度之間的聯(lián)系。