六硼化镧空心阴极加热效率研究

刘 玺，林祖伦，祁康成

(电子科技大学光电信息学院，成都 610054)

六硼化镧空心阴极的应用十分广泛，如在航空航天、离子源、工业、设备制造以及科学研究等方面。其中航空航天就是一个非常重要的应用领域。空心阴极是离子和霍尔推进系统[1-2]的关键部件。电推进技术发展和系统应用证明，空心阴极不仅对电推进系统工作效率和可靠性的影响非常重要，而且也是限制电推进系统长寿命的主要因素[3]。

从电推进系统需求角度，按发射电流的大小，空心阴极分为低电流阴极，中等电流阴极和高电流阴极[4-5]。

按不同的阴极材料，空心阴极可分为传统的Ba-W阴极和LaB6阴极[6]两大类。国际上，俄国和美国在空心阴极领域处于领先地位，俄国采用LaB6阴极， 技术成熟， 工作稳定寿命长， 美国采用特殊Ba-W阴极，克服了传统Ba-W阴极缺点，也达到了长的工作寿命。

传统Ba-W阴极的优点是逸出功低，阴极温度低，加热功率小，加热的技术难度低，但易中毒，暴露于大气后需要进行复杂的激活处理，甚至完全失去活性。LaB6阴极克服了传统Ba-W阴极的缺点，其抗中毒能力和抗离子轰击能力强，可以长期暴露于大气而不需特殊激活处理。

目前LaB6阴极的高温加热技术还是国际性难题，相对Ba-W阴极而言， LaB6阴极逸出功较高，因而工作温度更高[7]。这可能带来以下一些问题：高温下热量散失，使发射效率降低；加热器在高温下再结晶变脆易断，影响阴极的性能和寿命；阴极材料在高温下与难熔金属发生化学反应等。

对于空心阴极而言，加热效率是非常重要的一个热力学指标，这直接关系到空心阴极在高温工作环境下的加热功率。加热效率的提高不但可以保证空心阴极稳定的正常工作状态，还能够大幅度的减少热能的损失，从而达到降低加热功率的目的。本文主要研究的是热屏蔽层对加热效率的影响，在建立理论模型并进行热力学计算的基础之上，通过实验对计算结论加以验证。

1 理论计算

建立理论计算数学模型如图1所示。

图1 理论计算数学模型

为使计算简便，可以将LaB6发射体及其附属结构都近似看为规则图形。其中， LaB6发射体的近似模型为一半径为r，长为l的圆柱体。

在实际情况下，物体各处产生的热辐射因为受热程度不均、表面粗糙程度不同等原因不尽相同，使得计算变得相当复杂。由于本文只是初步探讨热屏蔽层对热辐射损失的抑制作用而不精确计算，故对物理模型进行简化处理(在理想真空条件下，无热对流，忽略热传导，只计热辐射，且表面各处产生热辐射均等)。此时，热辐射所导致的热能损失就只与发射体表面及热屏蔽层对其产生的影响有关。

LaB6发射体圆柱模型分为上、下圆面和侧面。下面逐一进行分析：

①上表面 未加任何热屏蔽物，故可将此处热辐射所导致的热能损失视为直接损耗。

②侧面 为施加热屏蔽层的部分，故而这一部分也是重点探讨的一部分。同上可知：

在物理模型中，热屏蔽层是一个半径比LaB6发射体要大一些的同心空心圆柱筒(半径设为R)，由于同一半径指向上LaB6发射体侧面任一点和与之对应热屏蔽层上一点的距离都相等，为R-r(热屏蔽层厚度不计)， 故在计算时可将此二者在空间中抽象为两个面积分别为2πrl和2πRl的矩形(间距为R-r)，此时热屏蔽层的隔热效果由热量损耗程度体现，热量损耗可由Pw表示。

若在此二者之间再增加一个热屏蔽层，则隔热效果将会更加明显。为了通过更加直观的数据对比将热屏蔽层的隔热效果呈现出来，我们将实际模型抽象为下面一个较于方便计算的理想模型。具体参数设计如下：在真空环境中有两块平行面板A和B。A板有恒定的温度TA=400 K，用水流冷却来保持B板的温度TB=300 K。现在A、B两板之间平行地插入另一平板C，如果三板均近似视作黑体，则在达到热平衡时，进行计算如下：

由斯特藩-玻尔兹曼定律，在三板的辐射达到平衡时， C板应有：

故

不插入C板时，水流吸收热量为：

插入C板后则变为：

相对变化为：

即由于C板的插入减少了热辐射损失，如果再多插入几块平板还可以进一步减少辐射损失。

需要特别注明的是，在以上理想模型中，采用了冷却水来模拟实际情况下的热耗散机制，这就避免了一系列复杂的高难度计算。因为以上各个模型的建立并非是要精确计算出热损耗的具体数值，而是要从中体现出热屏蔽层在隔热效应中发挥的重要作用。

③下表面 与上表面的直接裸露于外界不同，下表面由于整体结构设计的原因，紧挨支撑结构，且中央开孔与下端的两个进气孔相互错开，这样就有效地减少了热辐射所带来的能量损失。

2 实验

高温加热试验的试验仪器连接如图2所示。直流电源Vf提供加热丝的加热电压，通过热传导加热LaB6发射体。通过电压表与电流表可以分别测得加热电压Vf和加热电流If的大小。用光学高温计测试阴极温度。试验在高真空环境中进行。

实验选用钽金属作为支撑管材料，石墨作为隔离材料，高纯钨铼合金丝作为加热丝，氮化硼(BN)作为高温结构陶瓷。

装配好器件，然后进行高温加热试验。加热前要使用真空镀膜机[8]将真空度抽至实验要求的范围。

图2 试验原理图

当加热功率到达100 W以上时，保持加热电压不变，持续加热数小时，以测定器件的稳定性。试验时偶有杂质分解或表面放气造成真空度和阴极电流的微变属于正常现象。但放气太多时应适当调节真空计的测量量程，防止超过真空计量程损坏规管。

阴极电流的变化反应了电阻的变化。当电流突然变小至0 A，表明此时电阻无穷大，很有可能是加热丝发生熔断现象，应立即停止加热，关闭电压输出，防止对器件造成进一步的损害。

为研究热屏蔽层的保温作用，进行了对比试验。在电压0 ～8 V的情况下，分别测量有无热屏蔽层的阴极器件的相关参数，研究热屏蔽层对加热效率的贡献。

3 结果分析

图3给出了没有加热屏蔽层与加了热屏蔽层的两种阴极器件的伏安特性曲线。位于图中上方曲线代表的是没有加热屏蔽层的伏安特性曲线，而下方的曲线则代表加了热屏蔽层的伏安特性曲线。可以看出，在相同的加热电压下，后者的阴极电流更小，加热功率更低。这表明有热屏蔽层的阴极器件的加热效率更高，也就充分证明了热屏蔽层能有效地起到保温的作用，对减小热量散失，提高加热效率起着较大作用。

图3 伏安特性曲线

图4分别绘制出了有、无屏蔽层的阴极器件(由于阴极内部温度不易观察，故此处为钨顶)温度——加热功率曲线图。图中带圆点曲线表示有热屏蔽层的阴极器件温度，而带三角形点曲线则代表没有热屏蔽层的阴极器件温度。从图中可以看出，在相等的加热功率下有屏蔽层的阴极温度更高，故而在达到相同温度时，加有屏蔽层的阴极的加热功率更低。这表明，加有屏蔽层后阴极的加热效率有了较大提高。

图4 加热功率曲线

表1更为直观地反应出了LaB6空心阴极加热效率在有、无屏蔽层情况下的区别。

表1 LaB6 空心阴极在有、无热屏蔽层情况下的加热效率对比

4 结论

通过增加热屏蔽层能够有效地反射热辐射，减少热能的散失，降低加热功率，提高加热效率。实验证明，阴极组件在加有热屏蔽层后，其加热效率提高了17 %左右，这与理论计算结果基本一致。

[ 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] 张天平，唐福俊，田华兵.国外电推进系统空心阴极技术[ 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，冉启钧.六硼化镧阴极[ M] .成都：成都电讯工程学院出版社， 1998.1-5.

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

[ 8] 李军建.真空镀膜技术.成都：电子科技大学出版社， 2005.64-67.