50A 长寿命空心阴极研制与试验进展 于学文1 ， 2 ，李云涛 1 ， 2 ，韩罗峰 1 ， 2 ，黄文斌 1 ， 2 ，朱康武 1 ， 2 （1.上海航天控制技术研究所 上海·201109；2.上海市空间智能控制技术重点实验室 上海·201109）
摘要:未来航天任务的深入论证对数十千瓦乃至百千瓦级大功率电推进系统提出迫切需求，相应的，也对作为霍尔推力器与离子推力器核心部件的空心阴极提出更高要求。上海航天控制技术研究所针对大电流长寿命高可靠空心阴极开展研究，研制了基于六硼化镧发射体的 50A 级发射电流的 CHC9 空心阴极原理样机，并开展了点火试验、放电性能测试与短期寿命试验以及与 C25 离子推力器耦合工作等相关验证测试试验。本文对 CHC9 空心阴极的研制进展与试验结果进行介绍，对存在问题进行分析讨论并提出后续改进思路。
关键词:空心阴极，50A，CHC9，试验进展。
1 引言 未来航天任务的深入论证对数十千瓦乃至百千瓦级大功率电推进系统提出迫切需求。空心阴极是电推力器的核心部件，作为主流采用的电推力器，每台霍尔推力器需要一个空心阴极作为放电阴极，每台离子推力器则需要配备两个空心阴极分别作为放电阴极与中和器。空心阴极是影响电推进系统整体效率、可靠性与寿命的主要因素之一。为满足未来大功率、超大功率电推进系统的应用需求，国内外主要研制单位针对大电流长寿命高可靠空心阴极开展了卓有成效的理论研究及研制与试验工作。国外美国、日本、英国、法国、俄罗斯、意大利等国广泛开展了大电流空心阴极的研究，尤其是美国 JPL 针对下一代高功率霍尔电推进的应用需求，经过十数年的连续研究，研制了多规格系列化的六硼化镧（LaB 6 ）长寿命空心阴极，覆盖 300A 以下发射电流，部分已得到工程验证。国内兰州空间技术物理研究所在其成熟产品 5A 空心阴极的基础上扩展研制了 100A 空心阴极原理样机，并开展了相关测试试验 [1-6] 。国内其它单位尚未见有 50A 以上大电流空心阴极研制的报道。
上海航天控制技术研究所针对大电流、长寿命、高可靠空心阴极开展研究，研制了基于LaB 6 发射体的CHC系列空心阴极原理样机，并开展了点火试验、放电性能测试、短期寿命试验等各种验证、测试试验。本文主要对 50A 级 CHC9 空心阴极的研制进展与试验情况进行介绍，对存在问题进行分析讨论并提出后续改进思路。
2 阴极研制 根据发射体材料不同，目前最常用的阴极可分为钡钨空心阴极和 LaB 6 空心阴极。与钡钨阴极相比，LaB 6 具有电子发射密度高、高温蒸发率低、抗中毒能力强等显著特点。发射电流密度大，利于实现大电流引出，并可以有效减小空心阴极体积，使得阴极结构紧凑，减小散热面，提高加热器热效率；高温蒸发率低和抗中毒能力强，更容易实现长寿命并降低对氙气纯度的要求从而降低试验与运行成本 [7-9] 。LaB 6 发射体尤其适用于大电流长寿命阴极，故 CHC 系列空心阴极都采用多晶 LaB 6 作为电子发射体材料。但 LaB 6 逸出功函数（eV）比钡钨发射体的高，导致 LaB 6 空心阴极工作温度比钡钨阴极高三四百度，在相同的电子发射条件下，其维持功率更高，这对高温加热器设计、对空心阴极热设计以及材料与工艺提出更严苛的要求。
图 1
六硼化镧发射体
基于多晶 LaB 6 发射体的 CHC9 空心阴
极原理样机如下图所示。该阴极采用整体加工的阴极管和触持极，并分别试验了钼和高密度石墨两种材料；采用自主研制的高温加热器，以高纯度氧化铝和氮化硼陶瓷绝缘；其设计额定发射电流为 50A。
图 2
CHC9 空心阴极原理样机 3 试验配置 对 CHC9 空心阴极开展了点火试验、电流引出试验、短期寿命试验以及与 C25 离子推力器耦合工作等功能验证与性能测试试验。CHC9 空心阴极试验在上海航天控制技术研究所空间电推进实验室的高真空离子推进地面试验设备中进行。该设备真空舱直径 1.4 m、直段长度 3.5 m，真空舱配置 5 台抽速为 1300l/s 的磁悬浮分子泵，其本底真空度优于 5×10 -5
Pa，工作真空度优于 5×10 -3
Pa。
模拟 CHC9 空心阴极工作的地面试验系统基本组成如图 3 所示，试验共需用加热器电源、点火电源、触持极电源和阳极电源等 4 个电源。试验时 4 个电源与阴极发射体共地，并直接接于真空舱试验设备的地，加热器、触持和阳极电源均工作在恒流模式。试验分别采用氦气（He）和氙气（Xe）作为工质对 CHC9 空心阴极进行测试，工质气体由流量控制器调节质量流量，并通过气路隔直器供给阴极腔体。
图 3 试验系统基本组成示意图
阳极是对推力器上阳极的模拟，CHC9空心阴极试验采用了不同类型的阳极，如图4 所示，包括带孔钼板阳极、钛筒阳极以及带孔钼板与钛筒组合阳极。
（a）
（b）
（c）
图 4 不同类型的阳极 （a）带孔钼板阳极；（b）钛筒阳极；（c）钛筒带孔钼板组合阳极
4 试验结果 从结构形式上，可以把空心阴极试验分为三种类型：二极结构类型试验、三极结构类型试验和阳极结构类型试验 [10] 。对 CHC9开展了点火试验、电流引出性能测试试验与短期寿命试验，以及与 C25 离子推力器耦合工作试验。其中点火试验采用二极结构类型，性能测试试验和寿命试验采用三极结构类型，在大发射电流工况下也尝试了进行阳
极结构类型试验。
4.1 点火试验 首先对空心阴极进行点火试验。点火试验采用二极结构类型，阴极只对触持极放电，验证阴极点火启动可靠性和点火启动循环寿命。试验中，首先向阴极通入小流量保护气体，用加热器特性试验得到的加热器电流，将发射体加热到工作温度；然后将推进剂气体调至额定流率，并开启触持极电源，接着加上点火电源，保持加热电流一直到探测到触持极电流，表明点火成功；最后关闭加热电源和点火电源，阴极自持稳定工作。
点火试验结果表明，在 300W 加热功率下，CHC9 空心阴极在 480s 时间内能可靠点亮。图 5 所示为研制的 CHC9 空心阴极成功点火、实现自持放电，并引出电子束流。
图 5 空心阴极电流引出效果
4.2 电流引出试验 电流引出性能测试试验采用三极结构类型，同时对触持极和阳极放电，近似模拟对电推进阴极实际工作情况。CHC9 空心阴极设计额定发射电流 50A，实际测试引出电流范围为 5~60A。
4.2.1 氦气工质试验 如图 6 所示，当氦气质量流量为 20sccm时，引出电流最大达到 60A，其阳极电压33.8V，触持极电流 2.5A，触持极电压 8.1V。
图 6 引出 60A 电流 设定阳极电流 40A，设定触持极电流为2.5A，调节氦气工质流量，记录阳极电压与触持极电压。如图 7 所示，以 1sccm 为步长，将氦气由 20sccm 逐渐调低到 10sccm，触持极电压由 7.7V 小幅平稳下降至 6.5V，阳极电压由 34.3V 小幅平稳上升至 40.2V。分析原因，在大电流引出工况下，随着工作时间增长，阴极腔体内的热量逐渐累积，发射体温度随之升高并逐渐达到热平衡，对触持极功率的需求降低，故触持极电压下降。而随着工质流量减少，阴极腔体内等离子体密度降低，需要更高的阳极电压引出电子。
整个过程中，每个工作点的触持极电压波动不超过 0.5V，阴极稳定工作在点状模式，可见 CHC9 空心阴极可以氪气为工质进行稳定工作。
图 7 氦气工质阴极性能曲线（引出电流 40A 工况）
4.2.2 氙气工质试验 点火成功后，从小到大调节氙气质量流量，同时增节阳极电流，记录阳极电压。在整个试验过程中，触持极电流设定为 1.2A，触持极电压变动范围是 19V 到 6.4V，每个工作点触持极电压波动小于 0.5V，表明阴极
工作在点状模式。如图 8 所示，刚开始点火时，氙气流量与阳极电流都设定较小，阳极电压达到设定的上限 80V；稳定工作一段时间后，调大氙气流量与阳极电流，阳极电压迅速减小到正常放电电压；随后的试验过程中，阳极电压随着阳极电流的增大而小幅平稳增加。
在试验中，当引出电流大于 10A 时尝试关闭触持极电源，进行了阳极结构类型试验，阴极仅对阳极放电。对比发现，关闭触持极电源后，阳极电压略有增加，但增幅不大。关闭触持极电源时，阳极电压随阳极电流的增加而增加，比如，氙气流量 5sccm 时，关闭触持极，阳极电流 15A、阳极电压32.4V，阳极电流 20A、阳极电压 33.9V，阳极电流 25A、阳极电压 37.6V。
试验结果显示不同类型的阳极对电流引出影响不大。该空心阴极以氙气、氦气作为工质，皆可稳定工作在点状模式，但同样的引出电流需要的氦气流量比氙气大。
图 8 氙气工质阴极性能曲线
4.3 短期寿命试验 经100次点火循环试验和350小时的寿命试验验证，只要达到电子发射温度，CHC9空心阴极便能在 480s 内可靠点火，并在给定工质流率与设定阳极电流状态稳定工作。钼结构和高密度石墨结构触持极都没有明显腐蚀痕迹，但触持极顶内侧有一定的硼化物沉积。钼阴极管出现裂痕，分析是硼脆和热应力所致。而石墨阴极顶出现腐蚀斑点，分析是点火和调整工作状态过程中受高能离子和电子轰击溅射所致。
4.4 与 C25 推力器耦合工作 将 CHC9 空心阴极装入上海航天控制技术研究所自主研制的 C25 离子推力器，成功点火并进行了 100 小时的磨合试验。
图 9 CHC9 空心阴极点亮 C25 推力器 经试验验证，CHC9 空心阴极能较好地与 C25 离子推力器耦合工作，但发射电流20A 远离其额定工作点，需要为 C25 离子推力器适配更小规格的空心阴极。
5 讨论 以六硼化镧作为发射体材料、以钼和高密度石墨作为主要结构材料研制的 CHC9空心阴极能够可靠点火并稳定工作。但在点火试验、电流引出性能测试、短期寿命试验以及与 C25 离子推力器耦合工作中也暴露了一些问题，需要进一步研究和优化：
（1）六硼化镧工作温度高，给加热器、阴极结构热设计带来难点，研制过程中出现加热器失效、阴极管开裂等现象，需要进一步改进加热器结构设计、热屏蔽设计、阴极热设计与加工制造工艺，尽量提高加热器工作可靠性和加热效率。
（2）点火循环试验后出现发射体溅射
沉积、阴极顶腐蚀破坏等现象，需要优化加热时间、工质流量、点火电压等点火程序要素，在尽量短的时间内达到点火温度，增加点火可靠性，减少点火过程中的轰击溅射。
（3）为降低放电功率，还需要改进阴极结构材料的选择与匹配，优化发射体、阴极孔、触持极孔以及阴极顶与触持极顶间隙等尺寸参数。
（4）加强电极间的绝缘设计，防止长时间工作后因溅射、蒸发物沉积导致电极之间绝缘变差，提高可靠性。
参考文献
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作者简介 于学文，男，1985 年 4 月出生，高级工程师 Email：shtjyxw@163.com 工作单位全称：上海航天控制技术研究所 通讯地址：上海市闵行区中春路 1555 号 803 所研发中心
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