栅控热阴极中和器数值仿真改进与试验研究

贺亚强，郭 宁，谷增杰，李兴达，祁康成

（1.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；2.电子科技大学光电科学与工程学院，成都 610054）

0 引言

利用微小功率电推进逐步替代化学推进，完成轨道机动和维持任务是目前国际上保障低轨小卫星轨道寿命的主流技术方向[1]。空心阴极必须消耗推进剂且发射电流太大，不适合作为微小功率电推力器的中和器[2-3]，因而栅控热阴极中和器成为优选[1]。美国Tajmar等[4]将热阴极中和器应用于场发射微电推进，所使用的热阴极中和器可引出100µA电子电流，验证了栅控热阴极作为微电推进中和器的可行性[5]。但他们只针对一种结构参数和工况参数下的热阴极中和器进行了性能试验研究，没有给出热阴极中和器在微电推进方向应用的优化设计和理论指导。

理想的热阴极中和器应该能在最低的功耗下引出最大的电流，可以瞬间启动发射电流，并连续可调。本文利用Opera软件针对阴极-栅极间距、栅极电压、栅极孔半径和栅极厚度对栅控热阴极中和器电子发射特性的影响进行数值分析研究，并通过试验对数值分析结果进行验证，对仿真结果与试验结果的一致性进行分析。

1 栅控热阴极中和器模型

栅控热阴极中和器的结构示意图和Opera建模过程详见文献[1]。本文将栅控热阴极中和器的结构进行简化并且参照试验模型对仿真模型进行优化设计，得到如图1所示的仿真模型[6-10]。阴极为圆柱体，仿真过程中通过改变阴极-阳极间距L、阴极-栅极间距D、栅极电压Ug、阳极电压Ua、栅极孔半径r和栅极厚度d，计算阳极电流Ia、栅极截获电流Ib和电子束轨迹的变化情况。初始参数的设置：阴极温度1100℃，逸出功2.1 eV，阴极电压0 V，阳极电压300 V。

图1 栅控热阴极中和器仿真模型Fig.1 Simulation model of grid controlled hot cathode neutralizer

栅控热阴极中和器由热发射钡钨阴极、支撑架、法兰和引出栅极组成，如图2所示。核心部分是热发射钡钨阴极，它的最中间是钡钨发射体。相比于LaB6，钡钨阴极的优点是电子逸出功低（LaB6近似为2.67 eV，钡钨近似为2.06 eV），工作温度较低，在相同的电子发射条件下，维持功耗较小。钡钨阴极周围用热屏和陶瓷包裹，用安装法兰连接，安装法兰下面是加热灯丝。为了获得稳定的大电流，每次暴露大气之后都必须对热发射钡钨阴极进行激活。激活试验要经历发射体排气、热激活处理、电激活处理三个历程，其过程涉及加热功率、升温速率、加热温度、保温时长等多个控制参数。

图2 栅控热阴极中和器实物图Fig.2 grid controlled thermal cathode neutralizer

2 仿真与试验结果

栅控热阴极中和器电子发射特性试验在兰州空间技术物理研究所的TS-5B真空系统中进行，试验压力为 5×10-5Pa，图中L0、D0、r0和d0分别是对应L、D、r和d的归一化因子，无特定含义。

在栅极电压100 V，阳极电压300 V的工况下测试得到的阴极加热电流I加与电压U加的关系曲线如图3所示。

图3 热阴极加热电流与电压关系曲线Fig.3 Curve of thermal cathode heating current and voltage

图4为热阴极加热电流与阳极电流和栅极截获电流关系图。当阴极加热电流I加达到1.2 A后，继续增加阴极加热电流，由于空间电荷效应的影响，阳极电流变化很小，如果阴极加热电流太大，阴极温度太高，阴极寿命会降低，因此选择阴极加热电流1.2 A为最佳工作点。在图3中找出对应的电压值，得出加热功率为8 W，后续试验均在该加热功率下进行。

图4 热阴极加热电流与阳极电流和栅极截获电流的关系曲线Fig.4 Curve of thermal cathode heating current and anode current and grid capture current

2.1 阴极-阳极间距对热阴极性能的影响规律

当栅极电压为100 V，阳极电压为300 V时，改变阴极-阳极间距L，得到阳极电流与栅极截获电流的变化情况，如图5所示。当阴极-阳极间距在5～30L0之间时，阳极电流从47.7 mA减小到6.47 mA，栅极截获电流从0.14 mA减小到0 mA，变化很明显；当阴极-阳极间距在30～100L0之间时，阳极电流从6.47 mA减小到4.67 mA，变化不大。这是由于阴极-阳极间距较小时，阳极对电子的作用力大，打到阳极板上的电子数多；当阴极-阳极间距较大时，阳极对电子的作用力小，此时对电子的作用力主要来自栅极。因此后续在与推力器进行联试试验时，须将中和器与射频离子推力器引出离子束的距离控制在30L0之内，但也不能离推力器太近，否则阴极受到推力器羽流离子轰击会引起更多的阴极溅射。

图5 阳极电流和栅极截获电流随着阴极-阳极间距变化曲线Fig.5 Curve of anode current and grid capture current varying with cathode-anode spacing

图6（a）为阳极电压300 V时，不同阴极-阳极间距下阳极电流与栅极电压的关系曲线。当阴极-阳极间距为5L0时，随着栅极电压增大，阳极电流从47.2 mA增大到51.7 mA，变化幅度很小，电子引出主要依靠阳极对它的作用力；当阴极-阳极间距为10L0时，随着栅极电压增大，阳极电流从15.2 mA增大到26.43 mA，变化比较明显；当阴极-阳极间距为20L0、30L0、50L0、70L0和100L0时，栅极电压对阳极电流的影响规律基本一致。

图6 不同阴极-阳极间距下阳极电流和栅极截获电流与栅极电压的关系曲线Fig.6 Curve of grid voltage，anode current and grid capture currentat different cathode-anode spacing

图6（b）为阳极电压300 V时，不同阴极-阳极间距下栅极截获电流与栅极电压的关系曲线。当栅极电压超过300 V时，截获电流迅速增大，阴极-阳极间距越小，截获电流增长的越快，这是由于阴极-阳极间距较小时，阳极对电子的吸引使更多的电子突破空间电荷效应的限制从阴极发射出来；当栅极电压大于阳极电压后，栅极对电子的作用力大于阳极对电子的作用力。随着阴极-阳极间距增大，栅极截获电流逐渐减小，这是由于随着阴极-阳极间距增大，阳极对电子的作用力逐渐减弱，电子不易被引出，栅极孔半径远大于阴极发射体半径，只靠栅极对电子的作用力引出的电子较少，因此随着阴极-阳极间距增大，栅极截获电流减小。

2.2 阴极-栅极间距对热阴极性能的影响规律

保持其他试验参数不变，改变阴极-栅极间距，观察阳极电流的变化情况。图7为不同阴极-栅极间距下仿真与试验阳极电流对比图，图中EXP表示试验结果，MOD表示仿真结果。试验结果表明，随着阴极-栅极间距增大，阳极电流逐渐减小，仿真结果与试验结果趋势大致相同，但同一阴极-栅极间距下，试验结果与仿真结果有差异，原因是部分热量传到阳极筒和栅极组件上，使得阴极温度没有达到仿真设置的温度。

图7 阴极-栅极间距对阳极电流影响的仿真与试验对比曲线Fig.7 Simulation and experimental comparison of the influence of cathode-grid spacing on anode current

图8（a）为不同阴极-栅极间距下阳极电流与栅极电压的关系曲线。当栅极电压在0～300 V时，阳极电流随着栅极电压的增大而增大；当栅极电压大于300 V时，阳极电流随着栅极电压的增大而减小，原因是此时栅极电压大于阳极电压，导致栅极截获电流变大，电子打到阳极板上的数量减小，造成阳极电流减小。随着阴极-栅极间距的增大，阳极电流逐渐减小且变化幅度也逐渐减小。

图8（b）为不同阴极-栅极间距下截获电流与栅极电压的关系曲线。随着阴极-栅极间距增大，截获电流逐渐增大，因此阴极-栅极间距要小，但不能太小，否则阴极与栅极之间会击穿放电，无法绝缘。

2.3 栅极电压和阳极电压对热阴极性能的影响规律

图9为不同栅极电压下仿真与试验阳极电流对比曲线。仿真结果与试验结果变化趋势相同，数值上存在差异的原因与之前的分析一致，当栅极电压为250 V时，阳极电流达到最大值。

图9 栅极电压对阳极电流影响仿真与试验对比曲线Fig.9 Simulation and experimental comparison of the influence of grid voltage on anode current

当阴极-栅极间距为D=D0，阳极电压300 V时，栅极电压对阳极电流和截获电流的影响如图10（a）所示。当栅极电压大于300 V时，阳极电流逐渐减小，截获电流逐渐增大。图10（b）为总发射电流与栅极电压关系曲线，总发射电流随着栅极电压增大而增大，基本呈线性关系。

图10 阳极电流、栅极截获电流和总发射电流与栅极电压关系曲线Fig.10 Anode current，grid capture current and emission current versus grid voltage

图11是阳极电压为300 V、400 V和460 V时，阳极电流与栅极电压的关系曲线。随着阳极电压逐渐增大，阳极电流也逐渐增大，影响很明显；随着栅极电压增大，阳极电流呈现先增大后减小的趋势，拐点都在与阳极电压对应的栅极电压值附近。因此，为了获得最大的阳极电流，栅极电压须低于阳极电压。

图11 不同阳极电压时阳极电流与栅极电压关系曲线Fig.11 Relationship between grid voltage and anode current at different anode voltages

当栅极电压为100 V时，阳极电流和栅极截获电流与阳极电压的关系曲线如图12所示。随着阳极电压增大，阳极电流逐渐增大，栅极截获电流先增大后减小，这是由于阳极电压增大会使阳极板对电子的作用力增大，有更多的电子突破空间电荷效应的限制打到阳极板上，使得阳极电流增大。当阳极电压小于栅极电压时，随着阳极电压增大，虽然有更多的电子被引出，但此时栅极电压更高，部分电子受到栅极的作用力被截获，栅极截获电流增大；而当阳极电压大于栅极电压时，阳极对电子的作用力逐渐增大，更多的电子无法被栅极截获而直接打到阳极板上，栅极截获电流逐渐减小。

图12 阳极电流和栅极截获电流与阳极电压关系曲线Fig.12 Curve of anode voltage and anode current and grid capture current

2.4 栅极孔半径对热阴极性能的影响规律

图13为不同栅极孔半径下，仿真与试验阳极电流对比曲线，试验结果和仿真结果相差不大。当栅极孔半径在6～8r0时，阳极电流从5.4 mA增大到17.8 mA，增幅较大；当栅极孔半径大于10r0之后，阳极电流随着栅极孔半径的增大而增大，但增幅明显减小，这是由于当栅极孔半径较小时，大部分电子会被栅极拦截，此时栅极截获电流很大而阳极电流很小；栅极孔半径在6～8r0之间时，阳极电流变化很明显，因为这个尺寸间存在一个临界点，若栅极孔半径大于该临界尺寸，就会有大部分电子穿过栅极孔打到阳极板上，阳极电流明显增加；当栅极孔半径大于10r0后，栅极孔半径对阳极电流的影响变小，这是因为此时栅极孔很大，对电子的截获能力很弱；继续增大栅极孔半径会使栅极对电子的作用力很小，对引出电子帮助不大，电子发射主要依靠阳极板对电子的吸引，阳极电流变化很小，因此在后续的优化过程中当栅极孔半径大于10r0后，应该从其他影响因素着手，继续增大栅极孔半径作用不大。

图13 栅极孔半径对阳极电流影响的仿真与试验对比曲线Fig.13 Simulation and experimental comparison of the influence of grid hole radius on anode current

图14（a）为不同栅极孔半径下阳极电流与栅极电压的关系曲线。随着栅极孔半径增大，阳极电流逐渐增大；随着栅极电压的增大，阳极电流先增大后减小，与之前试验得出的结论一致，阳极电流在栅极电压300 V左右开始下降。

图14 不同栅极孔半径下阳极电流和栅极截获电流与栅极电压关系曲线Fig.14 Curve of grid voltage，anode current and grid capture current at different grid hole radius

图14（b）为不同栅极孔半径下栅极截获电流与栅极电压的关系曲线。随着栅极孔半径增大，栅极截获电流逐渐减小；随着栅极电压的增大，栅极截获电流逐渐增大，当栅极电压小于300 V时，栅极截获电流增长较慢，而当栅极电压大于300 V时，栅极截获电流增长较快，这些规律与之前的分析一致。

2.5 栅极厚度对热阴极性能的影响规律

图15为不同栅极厚度下，仿真与试验阳极电流对比曲线。从仿真分析结果发现，栅极厚度对阳极电流和栅极截获电流的影响很小，因此只加工了厚度为 0.3d0、0.4d0、0.5d0和 0.6d0的栅极零件。试验和仿真结果均表明，栅极厚度对阳极电流的影响很小。在后续优化过程中可以将侧重点放到其他几个关键影响因素上。

图15 栅极厚度对阳极电流影响的仿真与试验对比曲线Fig.15 Simulation and experimental comparison of the influence of grid thickness on anode current

3 结论

本文通过建模仿真与试验相结合，研究了热阴极中和器关键结构尺寸和工况参数对中和器电子发射性能的影响规律，结论为：

（1）仿真结果与试验结果一致性好，利用该改进仿真模型评价热阴极中和器性能的变化趋势是有效的。

（2）阴极-阳极间距、阴极-栅极间距和栅极孔半径的变化对热电子发射性能的影响较大。当阴极-阳极间距为5～30L0时有利于电子的引出；当阴极-栅极间距从D0增大到4D0时，阳极电流从24.34 mA减小到11.46 mA，较小的阴极-栅极间距有利于电子的引出；随着栅极孔半径增大，电子发射性能开始增长较快，最后趋于稳定，当栅极孔半径从6r0增大到8r0时，阳极电流从3.82 mA增大到15.28 mA，变化明显。设计优化过程中通过增大栅极孔半径可以增大阳极电流，但栅极孔半径大于8r0后，对阳极电流影响较小；栅极厚度对电子发射性能影响很小，在后续设计优化过程中可以不考虑，直接选择厚度为0.5d0的栅极即可。

（3）试验发现，随着栅极电压增大，电子发射性能先增大后变小，拐点在栅极电压值处于阳极电压值附近，因此在设计优化过程中要使栅极电压略低于阳极电压，此时电子发射性能最好。当栅极电压一定时，随着阳极电压增大阳极电流逐渐增大，栅极截获电流先增大后减小。当栅极电压100 V、阳极电压300 V时，阳极电流达到17.74 mA，栅极截获电流仅为0.03 mA，阴极加热功率为8 W。