LaB6空心阴极放电电压波动现象及发生机理

杨 威， 史 楷， 谷增杰， 贾艳辉， 刘明正

(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)

空心阴极是离子推力器和霍尔推力器的核心部件，是限制电推力器寿命和可靠性的关键因素之一[1]。空心阴极不仅为电推力器内部气体放电提供原初电子，同时作为中和器用来中和电推力器喷出离子。随着深空探测任务的深入论证，要求电推进系统寿命能够达到数万小时[2]。为满足电推进系统需求，空心阴极部件寿命要求至少能够达到40 000 h[2]。在电推进系统中钡钨(多孔钨浸渍4BaO+CaO+Al2O3)和六硼化镧(LaB6)被广泛应用。相比钡钨发射体材料，LaB6发射体具有更高的电子发射密度、更低的高温蒸发率和更强的抗中毒能力[3]，因此LaB6发射体将作为长寿命高可靠空心阴极发射体材料的首选。

由于电推进系统的特点，地面试验或在轨工作时采用间歇性工作的方式。胡竟等[4]描述了离子推力器工作时会出现阳极电压波动的现象，这对离子推力器性能和可靠性造成了严重的影响；郭宁等[5]对离子推力器LaB6空心阴极失效模式及对离子推力器的影响进行了分析和总结；Capece等[3]开展了工质气体中氧含量对钡钨阴极发射特性的影响；Polk等[6]研究了工质气体中不同含量的氧等对钡钨阴极寿命及阴极腐蚀情况；于志强等[7]、张岩等[8]对钡钨扩散阴极的特性进行了整理；张强基[9]对LaB6材料进行了失效分析。而关于LaB6阴极放电波动原因的研究鲜见报道。因此，从应用角度考虑，作为导致离子推力器工作过程中性能退化、寿命缩短的直接原因——空心阴极电压放电电压波动有必要进行深入研究。

为此，对LaB6空心阴极在间歇性工作放电电压波动的现象进行研究，试验分析了LaB6空心阴极放电电压波动的原因及机理。

1 LaB6空心阴极试验装置

空心阴极试验选用的TS-5B系列地面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和寿命验证的试验平台，真空舱直径500 mm、长度1 200 mm，配备抽速为1 300 L/s的磁悬浮分子泵，本底真空度优于5×10-5Pa。空心阴极温度采用光学高温计(WGG2-201型)直接对阴极顶测试，该仪器测试精度一般为±20 ℃以内。

LaB6空心阴极试验装置为平板三极管结构，试验原理如图1所示。

工质气体选用高纯氙气，纯度≥99.999 5%(其中H2的体积分数1×10-6，O2的体积分数为0.1×10-6，H2O的体积分数为0.1×10-6，CO2的体积分数为0.1×10-6),使用质量流量计控制工质流率。由于空心阴极产品特点在试验期间只能通过空心阴极阳极电压和阴极顶温度间接表征LaB6空心阴极内部发射体温度[10]。

图1 空心阴极试验电连接方式Fig.1 Electrical connection mode of hollow cathode

2 试验结果与讨论

空心阴极采用间隙性放电的工作方式，发射电流为20 A、触持极电流为0.6 A、工质气体流率为0.272 mg/s。试验期间持续工作24 h冷却2 h为一个循环，每500 h开舱检查阴极状态，并将空心阴极置于温度约为30 ℃的环境中。

实验中选用的LaB6空心阴极在寿命试验期间阳极电压变化如图2所示。

图2 空心阴极放电电压随工作时间变化Fig.2 Variation of discharge voltage of hollow cathode varies with working time

从图2可以看出，空心阴极首次入舱后阳极电压呈逐渐下降的趋势，累计工作10～20 h后放电电压将逐渐恢复平稳，电压变化之小于1 V。开始工作后LaB6空心阴极在500 h试验前保持持续工作状态，观察其在试验期间放电电压，波动约±0.2 V。但空心阴极初次暴露大气后，其放电电压出现了大幅变化，升高约3.5 V。在第2个500 h区间内电，其放电电压呈持续下降趋势，随后的多次暴露大气均出现了放电电压先升高后下降的趋势，通过该现象可以确定空心阴极在暴露大气时出现了发射体污染的现象。图3、图4分别为试验结束后对空心阴极发射体材料微观形貌及能谱图。

由表面形貌(图3)可以看出，该阴极发射体表面出现絮状化合物，结合能谱图可知发射体材料已发生了严重氧化。

当LaB6发射体暴露大气后，LaB6发射体与氧发生反应为

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

(1)

式(1)中：glass为氧化物为玻璃态；crystal为氧化物为晶体形态。

LaB6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1 141 ℃[11]，该氧化物不容易清除。而生成的B2O3的熔点近似为450 ℃，当温度接近1 000 ℃时B2O3，蒸发明显。因此在LaB6空心阴极在暴露大气(或轻微氧化)后，首先发射体要在温度为100 ℃的条件下预处理，去除阴极管、发射体、阴极顶等零件表面吸附的O2，然后使发射体温度提升至400～500 ℃,使得表面的B2O3在工质气体的喷吹下排出发射体内部，而表面的La(BO2)3在发射体内部离子的清洗下随着工质气体排出发射体内部。

图3 LaB6发射体微观形貌Fig.3 Microstructure of LaB6 emitter

图4 发射体表面能谱图Fig.4 Surface energy spectrum of emitter

为了验证LaB6空心阴极试验期间电压波动是由于暴露大气后LaB6空心阴极吸附大气中的氧气引起的，选取另外一只LaB6空心阴极开展暴露大气试验。空心阴极在进舱前依次使用加热电流为1、4 A进行发射体处理，预处理温度近似为100、400 ℃。在工作25 h后，关闭空心阴极并且停止供气。当发射体冷却至700 ℃左右(Wen等[11]曾发现在富氧条件下，700 ℃时LaB6发射体将出现轻微氧化)，开启真空舱放气阀，使LaB6空心阴极直接暴露在大气下。待空心阴极冷却后，重新启动工作。图5为试验过程中空心阴极阳极电压变化情况。

图5中在充入大气后空心阴极再次工作时，阳极电压出现明显上涨，且电压振荡较大，工作30 h后阳极电压逐渐恢复至暴露大气前状态，但其放电波动仍比之前要大，该现象与第1只LaB6空心阴极阳极电压变化相同。

图5 空心阴极放电电压随时间变化Fig.5 Discharge voltage of hollow cathode varies with time

3 间隙性放电电压波动分析

LaB6空心阴极发射体中毒一般由工作环境或工质气体中的氧气吸附在发射体表面，并形成偶极子，从而改变了发射体表面电势和功函数。因此当LaB6空心阴极中毒后发射体表面发射电流密度将减少，为了维持发射体表面发射电流密度，只能通过提高空心阴极放电电压保持空心阴极额恒流输出。由Richardson-Dushman公式，中毒前后发射电流密度变化可以推导为

J/J0={AT2exp[-(φ/kT)]}/{A0T2×

exp[-(φ0/kT)}=

(A/A0)exp[(φ0-φ)/kT]

(2)

式(2)中：J0阴极未中毒前发射电流密度；A0为未中毒前发射常数；φ0为未中毒前功函数；J为阴极中毒后发射电流密度；A为发射常数；φ为功函数；T为发射体温度；k为玻尔兹曼常数。

在近似计算中一般认为中毒后发射常数A不发生变化，因此，中毒后发射电流密度关系可以表示为

J/J0=exp-(eΔφ/kT)

(3)

式(3)中：Δφ=φ-φ0为中毒前后逸出功变化，并且吸附的气体决定功函数的变化，可以表示为

Δφ=δmθM/ε

(4)

式(4)中：δm为阴极表面吸附位气体密度；θ为气体的覆盖度；M为吸附气体形成的偶极矩；ε为介电常数。

引起电流密度表面的主要因素为发射体材料的逸出功发生了变化。而发射体逸出功变化由发射体表面气体吸附形成的偶极矩强决定。偶极子的强度则由吸附气体的类型决定。

表面吸附大体上可以分为物理吸附和化学吸附两种两大类。在物理吸附[图6(a)]中，吸附气体受范德瓦作用，作用力来源于分子偶极矩的涨落。在化学吸附[图6(b)、图6(c)]中，吸附气体与阴极表面发生化学反应，在吸附过程中吸附气体被化学键束缚在阴极表面，其作用力比范德瓦力强得多，但作用距离较小。 化学吸附所需的吸附热量由中毒气体与阴极表面化学反应提供，例如氧吸附在钨表面时，吸附热约为194 kcal/mol[12]，如此高的吸附热均由氧在钨表面化学反应提供。因此化学吸附导致吸附表面电荷间形成更大的偶极矩，化学吸附后LaB6阴极表面电势增加， LaB6发射体表面逸出功变大。

d为正、负电荷间距离图6 物理吸附和化学吸附Fig.6 Physical adsorption and chemical adsorption

阴极表面气体吸附的量可以用等温方程描述，Brunauer、Emmett和Teller在1938年兰米尔方程基础上提出的等温吸附方程(BET方程)[10]，BET方程改写为

(5)

式(5)中:c为与被吸附有关的常数；x=P/P0，其中P为中毒气体压强，P0为在温度T下气体蒸气压；n为单层吸附最大个数。

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

(6)

式(6)中：Q为吸附热；Q1为气体液化热；R为气体常数。单分子层吸附时n=1，此时式(5)变为朗缪尔等温吸附方程：

θ=cx/(1+cx)

(7)

将式(4)、式(6)、式(7)代入式(3)中得

(8)

从式(8)可以看出，发射体表面逸出功变化主要取决于气体的压强和阴极的温度。在温度不变且同种气体的条件下,气体吸附的量越大、压强越高,表面发射电子密度越小。

由于不同气体在阴极表面形成的偶极矩和气体的吸附热不同，导致其表面气体吸附类型和数量完全不同。LaB6发射体材料，镧是一种吸附中心，硼是另外一种吸附中心，因此假设气体被吸附在两个不同类型的吸附中心。式(4)吸附气体引起的功函数变化可表示为

Δφ=(δm/ε)(±Maθa±Mbθb)

(9)

式(9)中：Ma为吸附位a的偶极矩；θa为吸附位a的覆盖度；Mb为吸附位b的偶极矩；θb为吸附位b的覆盖度，且偶极矩表示为M=ed,即单位电荷与距离的乘积。正负号表示偶极子的取向可以增加或减小表面功函数。稳重计算假设发射体表面吸附面a和b均为单分子覆盖,即表达式θ=θa+θb,θ=2。

氧和镧的结合要比氧和硼的结合牢固[12]，氧和镧之间的电荷转移结果，是将表面形成电荷偶极矩，导致功函数增加，进而降低LaB6发射体电子发射能力。式(8)是偶极矩与基底的电负性(xm)和吸附气体的电负性(xf)有关,其表达式为

Mfm=k(xm-xf)

(10)

功函数和偶极矩之间的关系可以改写为功函数与吸附气体的电负性的关系[13]，即

Δφ=σmθk(xm-xf)/ε

(11)

由于对LaB6发射体而言氧是大气中最敏感的气体[12,14]，氧形成的偶极子相比其他气体的要强，氧的相对电负性为3.5，而氢和氮的电负性一般为2.1、2.8。因此当发射体暴露大气后，氧与发射体表面形成较强的偶极矩，导致发射体表面逸出功将增加，在维持同样发射电流的条件下，空心阴极的表面温度和阳极电压均会上升。

当采用小电流预处理的方法讲发射体表面吸附的氧清除或随着空心阴极的放电时间增加，内部离子对发射体表面的清洗作用，使LaB6发射体表面吸附的氧脱附，LaB6发射体的活性恢复，此时空性阴极的阳极电压逐渐降低。

4 结论

介绍了兰州空间技术物理研究所研制的20 A LaB6空心阴极间歇性工作过程中放电电压波动的问题，并针对该问题进行了分析，建立了影响发射体表面电子发射密度及影响发射体表面功函数的关系式，并通过试验验证了假设，得出了如下结论。

(1)LaB6空心阴极在暴露大气后，发射体表面将吸附大量气体。吸附的气体在LaB6发射体表面形成较强偶极矩，当空心阴极再次工作时其放电电压将升高。

(2)LaB6发射体表面吸附气体偶极矩的强度与所吸附气体的类型、压强、发射体的温度均有较大关系，其中氧气所形成的偶极矩对发射体材料表面逸出功影响最大。

(3)LaB6空心阴极在暴露大气后，可通过对发射体低温加热预处理的方式，可以去除暴露大气后吸附在发射体表面的氧气和反应生成的低熔点氧化物，使发射体恢复活性，降低暴露大气对LaB6空心阴极放电电压的影响。