LaB6空心阴极中毒特性

杨 威，张天平，龙建飞，郭 宁，刘明正，谷增杰

(1. 兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室， 甘肃 兰州 730000；2. 国防科技大学 空天科学学院， 湖南 长沙 410073； 3. 南华大学 核科学技术学院， 湖南 衡阳 421001)

图1 空心阴极结构示意Fig.1 Schematic diagram of hollow cathode structure

空心阴极是电推进系统的核心部件之一，也是限制电推进系统的寿命和可靠性的关键因素之一[1-2]。根据不同任务需求，一般要求空心阴极寿命为数万小时[3]。空心阴极在工作时一般选用氙气作为工质气体，其体积分数要求一般为99.999 5%。空心阴极长时间工作，工质气体中杂质(氧和水)与LaB6(六硼化镧)发射体持续发生反应，最终将导致其中毒[4-5]。空心阴极内部发射体中毒后其性能会出现大幅波动，此时电推力器性能也随之变化[6-7]，最终将影响整星变轨轨道位置或错过最佳变轨时机。空心阴极的工作过程如图1所示，工质气体通过阴极管进入发射体内，工质气体在阴极顶限流小孔的作用下，阴极内的气体压力通常要比管外的压力高几个数量级，大约可达1～2 kPa[6-7]。利用加热器将发射体加热到1800 K左右，在触持极与发射体之间施加数百伏的点火电压后，在发射体内部产生气体放电。在气体放电建立起来以后，阴极管内会产生高密度的等离子体，在发射体表面产生亚微米尺度的等离子体鞘层，发射体表面形成了107V/m的强电场，发射体在表面的场增强效应作用下对外发射热电子。如果发射体发生中毒，在放电时发射体表面逸出功将增加，表面电子发射密度将下降。

1951年，Lafferty在研究一些化合物的发射性能时，发现LaB6阴极具有优异的发射性能[4]。后续LaB6阴极的使用经验表明，发射体材料对微量活性气体十分敏感，导致空心阴极在使用过程中性能退化，是影响阴极寿命的重要因素之一[5，8]。目前尚未有文献对LaB6空心阴极中毒特性展开研究。

本文采用了实验方法，统计了实验期间阴极顶温度和阳极电压变化情况，并采用表面分析方法对空心阴极寿命实验期间中毒样品进行了研究，结合实验期间出现的阴极顶温度偏高和异常现象进行了分析，以揭示空心阴极发射体中毒及恢复的规律。

1 实验装置

空心阴极寿命实验选用的是TS-5B地面测试设备，该设备是兰州空间技术物理研究所自主研制的用于空心阴极筛选、性能测试和寿命实验的实验平台。真空舱直径500 mm、长度1200 mm，配备抽速为1300 L/s的磁悬浮分子泵，本底真空度优于5×10-5Pa。

本文基于两支LaB6空心阴极(LHC20-1和LHC20-2)的寿命实验开展研究，空心阴极发射体材料为多晶LaB6，工质气体选用高纯氙气，体积分数≥99.999 5%(其中H2的体积分数为0.000 1%，O2、H2O、CO2的体积分数均为0.000 01%),使用质量流量计控制工质流率。LaB6空心阴极实验装置为平板三极管结构，实验原理如图2所示。空心阴极的阴极顶温度采用光学高温计(WGG2-201型)直接对阴极顶进行测量。

图2 空心阴极实验原理Fig.2 Circuit diagram for the hollow cathode in a triode configuration

2 实验结果

空心阴极采用持续放电工作方式，阳极电流为20 A，触持极电流为0.6 A，工质气体流率为0.272 mg/s。为了验证LaB6空心阴极暴露大气后的性能变化，实验期间间隔500 h开舱，后将LaB6空心阴极暴露于大气内24 h。实验期间记录空心阴极电压和阴极顶温度等关键特性的变化。图3是寿命实验期间空心阴极阳极电压变化情况。

图3 寿命实验期间空心阴极阳极电压变化Fig.3 Anode voltage variation of hollow cathode during life test

通过图3可以看出，空心阴极每次出舱暴露大气后，均会出现阳极电压上升问题，但持续工作50 h后阳极电压又恢复至正常值。其中LHC20-1空心阴极完成1500 h寿命实验后继续实验时出现电压持续偏高的现象，当完成2000 h实验检查后再次开展实验时，空心阴极阳极电压出现持续升高并无下降的现象。

在LaB6空心阴极产品中，阴极顶内侧与LaB6发射体接触，两者的温度相差不多(根据文献[9]，阴极顶温度与发射体温度相差约100 ～200 ℃)，故实验期间可通过监测阴极顶温度间接表征发射体温度。寿命实验过程中LaB6空心阴极的阴极顶温度变化情况如图4所示。

图4 寿命实验期间阴极顶温度变化Fig.4 Variation of cathode plate temperature during life test

由图4可以看出，每次空心阴极出舱暴露于大气后，阴极顶的温度则上升100～150 ℃，而LHC20-2空心阴极在工作1500 h后则出现了阴极顶温度持续上升的现象，此时阴极顶温度升高约200 ℃。

3 分析与讨论

3.1 暴露大气对空心阴极放电的影响分析

LaB6对氧和水非常敏感，当与氧接触后首先生成La—B—O，在此基础成核生长，最后生成La(BO2)3。La(BO2)3的熔点为1141 ℃，氧化物不容易清除；而生成的B2O3的熔点近似为450 ℃，当温度接近1000 ℃时，B2O3蒸发明显[10-11]。在富氧条件下LaB6发射体与氧将发生以下反应：

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

(1)

通过以上反应式可以看出，LaB6发射体氧化后发射体表面生成La(BO2)3和氧化镧，该化合物的逸出功远高于LaB6发射体，因此造成了发射体表面逸出功变大。根据Richardson-Dushman公式，阴极表面发射电子电流密度与温度之间关系可以表示为：

je=βT2e-eφ/kT

(2)

式中：je是发射电子电流密度；T是发射体表面温度；φ为表面功函数(单位为eV)；e为电子电量；k是玻尔兹曼常数；β=4πmeqk2/h3为理论常数，其中me是电子质量，q是电子电量，h是普朗克常量。

空心阴极工作在恒流模式，空心阴极发射的总电流密度和发射体表面状态有很大关系[13-14]。阴极发射体表面总电流密度j可以表示为：

j=ji-jrev+je

(3)

式中，ji是表面离子电流密度，jrev是电子返流密度。

离子电流和电子返流密度由发射体内部的等离子体密度ne、电子温度Te(单位为eV)和表面的鞘层电压φsheath决定。发射电子电流密度与发射体表面温度T相关，用Richardson-Dushman公式描述[10，13]。阴极表面离子电流密度可以表示为：

(4)

式中，ni为鞘层边缘离子密度，vi为玻姆速率，mi为离子质量。

电子返流电流是空心阴极筒内部高能电子通过发射体表面鞘层到达发射体表面形成的电流[15]，其密度可以表示为：

(5)

空心阴极自持放电靠发射体区离子回轰热量维持发射体热电子发射，空心阴极热模型在文献[16]中已有如下结论：

ji(φsheath+0.5Te+φV-φWf)

=-jφWf+2Tejrev+ji(φsheath+0.5Te+φV)

(6)

式中，φWf、φV和Te单位均为eV。发射体表面电子发射率和其表面的功函数φWf(经验值)相关，同时电子返流也会在发射体表面产生热，平均电子动能为2Te。离子轰击发射体表面热量产生的动能为φsheath+0.5Te，电离电势为φV。

式(6)说明，自持放电时，内部离子的轰击发射体表面为空心阴极提供热能，发射电子带走热能，带走的热能正比于发射体的逸出功。当氧进入发射体区后将与发射体表面硼和镧发生反应(1)，生成的氧化物导致表面的逸出功增加，发射电子带走的热量增多[11，16-17]。为了维持总发射电流不变，空心阴极放电电压将升高，从而增加鞘层电压以增大离子回轰发射体产生的热量。

以上分析说明，发射体逸出功升高，必然会表现出空心阴极自持放电电压升高及阴极顶温度的升高。因此，暴露大气后的空心阴极放电电压及阴极顶温度均有所升高的实验现象反映出发射体的逸出功的升高，即出现了中毒现象。短时间工作后放电电压及阴极顶温度降低，反映出发射体的逸出功逐渐降低，发射能力逐渐恢复正常水平。这些现象说明，暴露大气造成的阴极中毒是一种轻微的中毒现象，空心阴极放电工作时具有一定的自我清洁能力。

3.2 严重氧化对空心阴极放电的影响

LHC20-1空心阴极在寿命实验后期阳极电压持续升高，实验后经检查确认为：供气系统压力传感器密封圈损坏，大气漏入(漏率约为103Pa·m3/s)LHC20-1空心阴极供气系统，从而导致LaB6发射体及阴极管等均出现了严重中毒现象。

为了确定寿命实验过程中LaB6空心阴极是否中毒，将LHC20-2空心阴极解剖分析。

正常空心阴极LaB6发射体结构致密，呈紫红色。观察失效空心阴极内部LaB6发射体，发现空心阴极发射体区域呈疏松形貌，表面呈暗紫色，发射体内表面附着一层白色物质，如图5所示。

图5 中毒空心阴极LaB6发射体状态Fig.5 Morphology of poisoned LaB6 emitters

由图5可以初步断定，LHC20-2空心阴极的LaB6发射体已严重氧化。扫描电子显微镜照片显示，发射体表面已变为疏松的多孔结构(见图6)。能谱仪分析表明(见图7)，发射体表面的主要成分为B(64.03%)、O(29.83%)及La(6.14%)。B/La比例约为10.4，发射体表面氧元素含量较高，说明发射体表面应为LaB6与氧化镧的混合物。

图6 LaB6发射体断面微观形貌Fig.6 Cross section morphology of LaB6 emitter

图7 发射体断面能谱图(LHC20-2)Fig.7 Emitter cross section energy spectrum (LHC20-2)

在图3和图4中，LHC20-2空心阴极在1500 h前，其电压和阴极顶温度的变化规律与LHC20-1空心阴极基本相同，暴露大气后出现轻微中毒，经过短时间放电工作后即可恢复。但1500 h后，放电电压持续升高，据此可以断定，供气系统在本次暴露大气实验后因重新装配不良而产生漏气，从而造成发射体的持续氧化，随着氧化层的加厚，发射体的逸出功增高，表现为放电电压和阴极顶温度持续升高。该空心阴极的实验数据进一步说明发射体氧化中毒是造成空心阴极维持电压和阴极顶温度升高的内在原因。

4 结论

LaB6空心阴极暴露在大气中会出现轻微的中毒现象，主要原因是LaB6与吸附氧发生反应，生成硼和镧的氧化物，导致发射体表面逸出功增加，通过持续加热或离子轰击可以解决恢复阴极的活性。LaB6空心阴极在大气环境中存放造成的性能下降是一种可恢复的轻微中毒现象。当氙气体积分数不高或系统存在漏气时，LaB6表面会逐渐生成高逸出功的氧化层，使放电电压及阴极顶温度升高，甚至导致空心阴极永久失效。因此，通过监测空心阴极放电电压的变化情况，可以间接判断空心阴极的中毒与激活情况、工作气体的体积分数以及供气系统的气密性。大气中存放对LaB6空心阴极的性能不会造成永久性的影响。LaB6空心阴极使用时应特别注意工质气体的体积分数和供气系统的气密性。

后续计划在相同等离子体条件下，测试工作温度及工质气体杂质含量对LaB6空心阴极中毒率的影响；确定LaB6发射体中毒阈值，同时根据实验结果建立内部等离子体模型与发射体表面环境耦合模型。