大电流冲击对空心阴极放电影响的研究

冯 杰，唐福俊，李 娟，杨 威，谷增杰，王倩楠

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

大电流冲击对空心阴极放电影响的研究

冯 杰，唐福俊，李 娟，杨 威，谷增杰，王倩楠

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

通过试验方法验证了外加于阳极上的瞬时大电流冲击对空心阴极放电的影响，在高于10-3Pa真空度的环境下，利用外加阳极板与阴极构成三极管放电结构，在阳极板上施加不同幅值的大电流，同时使用示波器监测阴极电参数波形变化。研究发现，高于35 A的瞬时电流冲击会导致阴极发射电流在30 ms时间内掉落到0 A，随后缓慢恢复正常值。不同孔径阴极的抗冲击能力存在差异，而且对于同一阴极而言，在不同的工作点下其抗冲击能力亦存在差异。

电推进；空心阴极；大电流冲击

0 引言

六硼化镧阴极由于其优异的抗中毒能力，被广泛使用于电推进系统当中。空心阴极通常有两种工作模式：二极管模式、三极管模式（以下空心阴极简称阴极）。

二极管模式是指通过在阴极触持极上施加正电位而引出电子电流。三极管模式则是在二极管模式基础上再外加一个阳极电位，阳极形状视具体需求而定，可以是平板型，也可以是仿推力器的圆锥型[1]，NASA采用的阳极筒即为这种形式。离子推力器的主阴极工作在三极管模式下，此时推力器放电室的金属壁面充当了阳极。离子推力器的中和器在推力器未引出束流前，依靠自身触持极引出电子，处于二极管工作模式，当推力器引出由呈正电性的束流后，束流充当了中和器的阳极，此时的中和器工作于三极管模式下。对阴极进行组件级的性能测试时，通常采用一个由难熔金属板制作而成的阳极，金属阳极板上外加一个恒流源以引出电子。外加恒流源的大小按照阴极在推力器上的实际工况而定。

这种性能测试方法相对通用且易于操作，存在的问题是无法模拟出推力器实际的等离子体环境对于阴极的影响。在实际的工程应用中发现，不仅阴极的放电特性会影响到推力器的整体性能表现，反过来，由于打火等异常现象而导致的瞬时大电流冲击也会影响到阴极的性能表现。

无论是在性能测试当中或者是在实际工作过程中，研究者都较多的关注调整阴极与推力器的相对位置、气电工况以优化推力器的性能。但较少有关于推力器本身的电参数振荡，尤其是瞬时的大电流冲击对阴极放电特性的影响。阴极在推力器中起到提供电子的作用。衡量阴极的主要参数为阳极电压、触持电压以及两者的电压参数振荡。引出同样大小电流所需要的电压值越低，就表明阴极的引出效率越高。另外，根据Polk等的研究成果，阴极的电参数振荡越小[2-3]，阴极的寿命也就越长。

阴极的阳极电压、触持电压与阴极本身的结构、尺寸以及供气情况相关，一般在10～30 V左右，电压的振荡值则通常小于3 V。当电压值过高或者电压振荡值过高时，阴极就会进入所谓的“羽状”模式[4-7]，这种模式下阴极内部的等离子体密度、等离子体电势都会发生振荡，进而会导致推力器的工作状态不稳定。

试验利用TS-5A真空测试设备，在阴极稳定自持放电后，在阳极板上施加一个瞬时大电流冲击，同时监控阴极本身放电特性的变化，得到了不同幅值电流振荡下阴极放电特性的变化。

1 实验系统及方案

用于试验验证的试验装置包括阴极组件、供电系统、测试设备以及真空舱，其结构与气、电连接方式如图1所示。真空舱采用TS-5A系列真空舱，真空舱腔室形状为圆柱形，长1.0 m，直径0.5 m，极限真空度为10-4Pa量级。

图1 空心阴极试验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of hollow cathode test equipment1.真空环境舱；2.阳极；3.触持极；4.加热器；5.氙气；6.点火点源；7.触持极电源；8.阳极电源；9.加热电源；10.供气管路；11.质量流量计；12.高纯氙气

试验所设计的触持电源、点火电源都连接在触持极上。点火时先通过加热电源，施加7.5 A的加热电流，3 min后开点火电源进行点火，同时在触持极、阳极上设置60 V的开路电压，以方便引出电子。点火成功后，维持放电5 min，再进行各种参数的测量。试验所用工质气体为纯度高于99.999 5%的推进级氙气，其中氧气、水蒸气等对空心阴极的发射能力有影响的杂质成分比例均低于0.1 mg/L。此外，还在试验前对供气管路、转接头等进行严格的检漏与真空出气，阴极试验时的真空舱真空度优于5.0×10-3Pa。试验中需要测量系统上施加瞬时变化的电流信号。该信号则由外部电源施加在图1所示的阳极板上。阴极受该信号后产生的电参数变化则由外接的双通道示波器进行测量。

试验中所采用的阴极结构如图2所示，具体由阴极管、加热器、触持极、发射体、热屏、法兰盘等几部分构成。

图2 阴极结构示意图Fig.2 Schematic diagram of hollow cathode1.阴极管；2.加热器；3.阴极顶；4.触持极；5.发射体；6.热屏；7.法兰盘

由于阴极实际工作时，是和推力器的阳极构成了一个三极管放电系统，在这种放电模式下，一旦阳极上由于打火或者其他原因而出现一个大电流冲击，将有可能导致阴极放电特性受到影响。为确认这种过程的具体影响，设计使用图1所示的阳极板代替推力器的实际阳极来模拟这种影响。根据JPL的研究结果，阴极的放电特性与其阴极孔径大小直接相关。为验证这种影响，设计了孔径为0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm的三支阴极进行试验。

2 实验结果及讨论

2.1 不同孔径阴极放电特性分析

为获得初步的放电特性参数，首先将三支阴极都在1.0 mL/min的供气条件下进行点火性能测试。图3所示为进行性能测试时的放电情况，可以看出，阴极出口区域与阳极板之间即形成了明亮的羽流区。试验过程中，主要关心阳极电压、触持电压值随着流率拉偏的变化情况，如图4所示。三支不同的阴极，试验都在三极管模式下进行，触持电流都设置为0.6 A、阳极电压为4.6 A，试验中，只是调整供气流率。可以看出，曲线基本呈现出孔径越小，阳极电压、触持电压越低的趋势。

图3 阴极三极管放电效果图Fig.3 The effect of hollow cathode discharge

图4 阴极孔径变化对阳极电压和触持电压的影响Fig.4 The influence of the change of hollow cathode aperture on anode voltage，keeper voltage

再测量不同孔径阴极的阳极电压随流率的变化，测量结果如图5所示，可以看出，在0.7～1.3 mL/ min的供气流率范围内，阴极呈现出了阴极孔径越大，阳极振荡越大的趋势。这是由于当阴极孔径越大时，阴极内部的气压会越小，而且更加容易受到流率本身的影响。反之，当阴极孔径较小时，阴极内部的气压更高，阳极振荡也相应更小。图5表现出来的触持振荡趋势，也是基于同样的原因。

图5 阴极孔径变化对于阳极电压和触持电压振荡的影响Fig.5 Influence of the variation of the hollow cathode aperture on the voltage oscillation

另外，阳极振荡随阴极孔径的变化存在一个折点，如流率过大，同样会导致阳极振荡的上升。而阳极的振荡越大时，不仅会造成推力器放电室内的放电不够稳定，而且会导致触持极处于不稳定的工作状态中。这种状态下，触持极本身将遭受到更多高能离子轰击，最终导致阴极失效。

因此，对于固定规格的阴极，可以找出一个合适的工作点，阴极在该工作点下，能够保证尽量小的阳极振荡、触持振荡幅值。图4、图5中所显示的进行流率拉偏时，不同孔径所呈现出的电参数及其振荡的不同可以通过Poiseuille定律对阴极内部的气压进行估算来解释。

阴极发射体内部尺寸较小，无法直接测量其内部气压变化。但由于阴极内部的气体流动属于层流，Poiseuille定律可以定量的判断阴极孔径变化对于电参数振荡的影响[8-10]。

通常而言，为了增大阴极内部的气压，阴极的出口处都将会被设计成为一个很窄的圆柱形过渡段。该圆柱段的长度l与直径d的比值将会直接影响阴极管内部的气压及具体的放电模式变化。在阴极内部不考虑湍流时，可以按修正后的Poiseuille公式计算其中的气压变化。

式中：p1为小孔前的压力，Pa；p2为小孔后的压力，对于阴极孔，一般可忽略之；Q为工质流量，mL/min；ζ为黏性系数，ζ=2.3×10-4Tr（0.71+0.29/Tr）；Tr=T（˚K）/289.7，T为气体温度；l和d为小孔的长和直径，cm。仅考虑黏性导致的热节流效应。

式（1）中p1与Q0.5和l0.5成正比，与d2成反比。

根据式（1），对给出的三支阴极的内部气压进行估算，得到结果如表1所列。

表1 试验中用阴极内部气压值Table1 Internal pressure value of cathode in test

根据式（1）折算出具体的气压值，对比0.6 mm与1.0 mm的孔的参数值。发现1.0 mm孔径下的气压相对于0.6 mm时减小了约53.6%。而阳极电压则对应的增加了约30.23%，触持电压对应增加了约43.03%。阳极电压振荡对应增加了60%，触持电压增加了约102%。

可见阴极小孔孔径对于阴极内部气压、触持电压、阳极电压及电参数的振荡都有明显的影响。当两支阴极内部的气压值相差达到1倍时，这种效应更加明显。

试验所用的三种不同孔径大小的空心阴极，其阴极管长度、直径等几何尺寸完全相同，只有阴极顶孔径大小不同。在该条件下，三支阴极内部的气压将会存在差异。根据表1估算结果，孔径越小，阴极内部气压越高。因此，对于阴极而言，适当的提高流率能够减小其放电维持电压。

2.2 大电流冲击对于阴极放电特性影响

离子推力器在实际工作环境中，发生过由于推力器栅极间打火而导致阳极上突然出现大电流，进而导致空心阴极出现熄灭或者电参数异常等情况。为了模拟这种情况，设计实验，即在图1所示的阳极板上外加30～40 A的瞬间大电流，并监控阴极电参数的变化来模拟这种过程。由于电参数的变化存在突发性，因此使用示波器的触发功能来进行监测。针对每支阴极，试验进行三次，对最稳定的试验结果进行分析。

图6中给出了HC-01，即小孔为0.6 mm的阴极在外部施加一个35 A大电流后的电参数变化曲线。从测试结果发现，当在外加大电流后，触持电流会在瞬间，约100 ms的时间内，由原来的1.6 A掉落到0 A，随后缓慢恢复到正常的工况电流。

图6 HC-01阴极受大电流干扰后电参数的变化Fig.6 The change of electrical parameters of HC-01 hollow cathode under high current interference

图7、图8中分别给出了另外两种孔径HC-02、HC-03型阴极在受大电流影响后的电参数变化曲线。类似于HC-01型阴极的是，两者在受到外界影响后，触持电流同样在约100 ms的时间内，由原来的1.6 A掉落到0 A。但是，随后触持电流没有再回复至原来的额定工况电流1.6 A。观察真空舱内，发现阴极放电无法自持，出现了熄弧现象。同时，电源模块上的各项电流参数也变为0 A。电压呈现出开路状态约60 V。

因此，对比图6和图8得出结论，将阴极小孔选定为0.6 mm时，阴极本身的电压振荡更小。同时，在外部的电参数出现突变时，其抗干扰能力也更强。

2.3 试验结果分析

从最终测试结果可以看出，不同孔径阴极的基本放电参数存在区别。

对于气、电参数的优化可以使得空心阴极的工作性能更加的稳定。当阴极本身的工作性能更加稳定时，其抗外界电流干扰能力也非常明显的得到了增强。因此，对于阴极本身的优化。不但应该寻找一个合适的孔径值，而且应该在该孔径值下做优化，使得其能够稳定的工作在抗外界干扰能力更强的工况下。

图7 HC-02阴极受大电流干扰后电参数的变化Fig.7 The change of electrical parameters of HC-02 hollow cathode under high current interference

图8 HC-03阴极受大电流干扰后电参数变化Fig.8 The change of electrical parameters of HC-03 hollow cathode under high current interference

3 小结

研究结果表明，不同阴极孔的阴极在同一个额定工况下的抗外界电流干扰能力不同。试验验证的最优异的小孔值为0.6 mm。对于同一支阴极而言，工作在不同的气、电参数下的抗干扰能力存在差异，存在一个最优点，在该工作点下，阴极的抗外界电流振荡能力最强。试验得出的最优气、电参数为供气1.0 mL/min、供电1.6 A。

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STUDY OF INSTANTANEOUS HIGH CURRENT IMPULSE ON HOLLOW CATHODE DISCHARGE

FENG Jie，TANG Fu-jun，LI Juan，YANG Wei，GU Zeng-jie,WANG Qian-nan
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

In this paper，the effect of instantaneous high current impulse on the cathode discharge is verified by the experimental method.Under the environment of higher than 10E-5Pa vacuum，the anode structure and the cathode are used to form the triode discharge structure.Value of the high current，colleagues uses the oscilloscope to detect the cathodic electrical parameters of the waveform changes.The study found that an instantaneous current shock above 35A would cause the cathode emission current to drop to 0A within 30ms and then slowly rise to normal values.There is a difference in the impact resistance of the cathodes with different pore diameters，and there is also a difference in impact resistance at different operating points for the same cathode.

electric propulsion；hollow cathodes；high current impulse

V439

A

1006-7086（2017）02-0110-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.02.010

2016-12-13

冯杰（1988-），男，甘肃渭源人，硕士研究生，从事空间电推进方面的研究。E-mail：fengjie1988@163.com。