冷启动空心阴极结构与关键特性分析

丁 继，郭 宁，谷增杰，唐福俊，王 进

（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）

冷启动空心阴极结构与关键特性分析

丁 继，郭 宁，谷增杰，唐福俊，王 进

（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）

冷启动空心阴极启动速度快、结构简单、可靠性高，是空间用空心阴极发展的重要方向。对比介绍了三种主要的冷启动空心阴极结构及其优缺点。分析了点火特性与工质流率、孔径、电极距离和电源之间的关系，稳态特性与放电电流、工质流率和发射体的材料之间的关系，以及主要的失效机理和相应的改善方法。得到的结论可以为冷启动空心阴极结构、参数的设计和优化提供参考。

空心阴极；冷启动；点火特性

0 引言

空心阴极是一种真空电子源器件，具有电子发射效率高、结构牢固可靠、寿命长的特点[1]，被广泛用于空间电推进、航天器主动电位控制、电动力学系绳等领域。

按照点火方式的不同，将空心阴极划分为热启动和冷启动空心阴极，热启动空心阴极启动前需通过加热器预热发射体，直到发射体温度达到足够的热电子发射温度，通过触持极和发射体之间施加电压实现启动[2]；冷启动空心阴极不用加热器预热发射体，依靠高压击穿触持极和发射体之间的工质气体，建立高电压低电流的辉光放电快速加热发射体，发射体的温度持续升高以致发射的热电子电流足够大，从而过渡到低电压大电流的弧光放电实现启动。

目前空间电推进系统主要应用的是热启动空心阴极，启动时间较长（150～220 s），加热功率较大（100 W级），加热器的存在降低了系统可靠性[3]。冷启动空心阴极可以将启动时间减少到毫秒级，减小启动过程功率消耗；没有加热器和配套电源，减小了体积和重量；避免因加热器失效导致阴极失效，提高了系统可靠性。冷启动空心阴极的优势有助于实现空间电推进系统的小型化和快速响应，从而拓展空间电推进系统在微小卫星、姿轨控系统等领域的应用。

国外从上世纪80年代开始研究冷启动空心阴极技术，研制了不同结构的冷启动空心阴极，放电电流覆盖0.2～50 A，并对其点火特性、稳态特性、失效机理等进行了测试。相同参数的冷启动与热启动空心阴极相比，冷启动空心阴极启动过程功率和工质流率降低了2～3倍，启动时间减少了4个数量级[4]。国内的冷启动空心阴极研发工作近几年才开始，主要工作集中在技术研究阶段，技术成熟度和国外相比有明显差距。因此，通过对结构与关键特性的分析，掌握影响其性能的主要影响因素及规律，可以为加速国内冷启动空心阴极的研发进程提供参考。

1 冷启动空心阴极的原理和结构

按照气体放电理论，当电极之间间隙、气体压力适宜时，在电极之间施加足够高的电压，会发生气体击穿。气体击穿后，随放电电流增大，气体击穿会发展为高电压低电流的辉光放电。辉光放电产生的等离子体在阴极表面形成鞘层，离子在鞘层电压作用下加速轰击阴极、加热阴极。当阴极温度足够高时，其表面可发射较高密度热电子，使气体放电进入低电压大电流的弧光放电阶段。在空心阴极中，阴极为发射体或者阴极顶，阳极为触持极或者阳极壁。当空心阴极放电进入弧光放电阶段后，下游电位高于空心阴极电位时，即可持续从空心阴极中引出电子。

如图1所示，冷启动空心阴极包括：发射体、阴极顶、阴极管、热屏、触持极等，区别热启动空心阴极没有加热器。根据结构特点不同，冷启动空心阴极可以分为三类：阴极顶节流型、触持极顶节流型以及内置点火电极型。

图1 冷启动空心阴极三种结构图Fig.1 Three differentconfigurationsof heaterlesshollow cathode

1.1 阴极顶节流型

图1（a）结构的阴极顶上有较小的节流孔，依靠击穿触持极和阴极顶之间的气体形成高密度等离子体扩散到发射体区域实现启动。当阴极启动完成后，阴极顶节流孔的长径比决定发射体的加热方式以及空心阴极的稳态特性。该结构的优势是稳态工作期间，高密度等离子体集中在发射体区，发射体的电流发射效率较高；缺点是触持极孔径较大，不易维持点火需要的压力。

1.2 触持极顶节流型

图1（b）结构的触持极顶小孔孔径较小，阴极顶小孔孔径较大或者没有阴极顶结构。当触持极与发射体之间施加高压时，由于无阴极顶节流孔对电场屏蔽衰减，发射体表面容易形成较强电场，从而得到相对较低的点火电压。但该结构不能将高密度等离子体集中在发射体区，不利于提高发射体电流发射效率。该结构在冷启动空心阴极中应用较多，2013年以色列的Vekselman等[5]和2015年英国Iliopoulos等[6]均采用此结构的冷启动空心阴极进行研究。

1.3 内置点火电极型

图1（c）结构中发射体与阴极管之间通过绝缘层绝缘，阴极管在点火过程中充当点火电极。该结构优势是增大电极间工质气体压力，降低击穿电压；缺点是增加了系统的复杂度。上世纪80年代，美国NASA实验室Aston[7]以此结构研制了冷启动空心阴极并成功点火运行，但该样件在100次点火试验后发射体被严重的溅射腐蚀。1985年，Schatz[8]在Aston的结构上通过在发射体外侧和前端增加钽保护层，增加点火瞬间的工质流率等措施解决了发射体溅射腐蚀问题。

2 点火特性分析

点火特性是冷启动空心阴极区别于热启动空心阴极的主要特性，包括气体击穿和自持放电建立两方面的内容。在气体放电中，气体击穿满足帕邢定律，击穿电压随着电极距离和气体压力乘积的增加先降低后升高，存在最小值；气体击穿后，随放电电流增加，放电将经历辉光放电和弧光放电两个主要自持放电阶段。

2.1 气体击穿

Schatz[8]在试验中发现，工质流率越大，阴极顶孔径越小，点火电压越低。当工质流率较小时，电极距离对点火电压影响较为明显，距离过近或者过远都将导致点火电压升高；当工质流率较大时，距离的影响较小。1997年，俄罗斯Arkhipov[9]采用1 kV、10 kHz脉冲电源作为点火电源，当工质流率小于0.4 mg/s时，点火需要的脉冲大于10个；当工质流率大于0.45 mg/s时，1～2个脉冲便可以成功启动。2001年，乌克兰Loyan等[10]在M3.01和M1.07冷启动空心阴极的试验中发现，点火电压随着工质流率的增加先降低后升高，点火电压存在最小值；2007年，乌克兰Koshelev等[11]在一款0.2～0.5 A阴极的试验中得到了相同结论。Iliopoulos等[6]通过部件可更换的冷启动空心阴极原理样机对点火特性进行研究，发现随着工质流率增加，电极距离增大，点火电压降低；采用图2中小孔边缘内凸的触持极结构，可以将点火电压降低20%，改变阴极顶的结构设计对点火电压影响不明显；同时发现，电极距离越大，工质流率越大，点火电压的一致性更高。2016年，以色列Lev等[12]在点火特性测试中得到点火电压均低于400 V，并认为随着阴极接近寿命终点，点火电压将逐渐升高，可以通过测试点火电压来预测寿命的终点。2013年，电子科技大学的魏辉[13]试验中得到了工质流率越大，需要的点火电压越低的结论，但工质流率过大时，电极之间出现严重的放电打火现象。2016年，哈尔滨工业大学欧阳磊等[14]发现增加工质流率，点火电压逐渐降低，但随着触持极和发射体之间的距离增大，点火电压升高。

图2 小孔边缘内凸的触持极结构Fig.2 Sharp keeperorifice，dimensions

通过以上分析发现，冷启动空心阴极的点火电压与工质流率和触持极孔径密切相关。在一定范围内，工质流率越大，触持极孔径越小，内部压力越高，点火电压越低。触持极到阴极的距离对点火电压影响的结论尚不一致，出现差异的原因可能处于帕邢曲线的不同区间。

2.2 自持放电建立

Schatz[8]认为气体击穿并不等于点火成功，要稳定的建立自持弧光放电，需要使空心阴极和电源工作在图3所示的C点，B点是不稳定点，A点是辉光放电的点。1996年，徐学基[15]认为要使气体放电向弧光放电过渡，要求电源有足够高的开路电压和较低的输出阻抗，同时提出了辉光放电向弧光放电过渡的方法，在一定气压下增加放电电流或在一定的电流下增加气压。2002年，日本学者菅井秀郎[16]提出了相似的结论。

图3 空心阴极自持放电稳定工作点曲线图Fig.3 The point to obtain the steady self-sustaining discharge

Murashko等[4]在冷启动空心阴极M1.05与空间电推进系统联机测试中发现，自持放电建立存在三种不同过程，如图4所示，一种是经过4 ms左右的约700 V高压辉光放电，过渡到10 ms左右的约250 V辉光放电，最后过渡到弧光放电；另一种经过6 ms左右的约700 V高压辉光放电直接进入弧光放电；最后一种经过2 ms左右的约250 V的辉光放电直接进入弧光放电，在点火过程中，三种现象随机出现。

Vekselman等[5]在点火特性测试中发现，如图5（上）所示，点火过程分为击穿、加热和维持三个阶段。其中击穿阶段的击穿电压约1 000 V；加热阶段为电压300 V、电流40 mA左右的辉光放电，发射体在此阶段被加热；维持阶段为电压30 V、电流300 mA左右的弧光放电，空心阴极稳定工作在此阶段。图5（下）为观察到的点火过程中伴随的发光现象。（a）为气体击穿瞬间，在电极之间随机出现不规则发光现象；（b）为刚进入辉光放电，等离子密度变高，轮廓变得均匀对称；（c）为辉光放电后期，等离子逐渐扩散开，发光的亮度减弱但发光区域变大；（d）为弧光放电，形成高密度等离子体。

图4 自持放电建立三种不同过程Fig.4 Three differentprocesses to obtain the self-sustaining discharge

图5 点火过程中三个阶段及伴随的发光现象Fig.5 Three stagesof the ignition processand the lighting observed

欧阳磊等[14]发现，如图6所示，随着点火电压从200 V上升到600 V，（a）启动分为未点着过程、（b）过渡过程和（c）稳定点着过程，其中稳定点着过程包含击穿和自持两个阶段，一定范围内随着点火电压的增大，点火时间逐渐缩短。

通过以上分析，气体击穿以后，可以经过辉光放电过渡到弧光放电，也可以直接建立弧光放电。整个过程受工作参数和电源的控制，增加放电电流或工质流率可以使放电朝着弧光放电过渡。同时，要建立稳定的自持放电，需要电源有较高的输出电压和较低的输出电阻。

图6 点火过程中三个不同点火过程Fig.6 Three differentprocessesduring ignition

3 稳态特性分析

稳定、自持的建立弧光放电，标志空心阴极启动过程完成，空心阴极进入了稳态工作阶段。稳态特性反应了空心阴极稳态工作时的性能，主要包括放电特性和热特性。

Koshelev[11]尝试寻找冷启动空心阴极稳定、高效率运行的内部压力区间，发现压力在1.3×103～1.3× 104Pa范围内放电稳定，在5.3×103～7.9×103Pa范围内放电电压最低，超过1.3×104Pa时放电不稳定。2011年，Loyan等[10]对50 A级大电流冷启动空心阴极进行稳态特性试验过程中发现，放电电流越大，放电电压越低，空心阴极温度越高；通过更换低功函数材料的发射体可以有效降低空心阴极温度。2015年，Lev等[17]为了减小空心阴极热损失，采用功函数低的BaO-W作为发射体的材料，采用导热低、耐温高的Ta材料制作空心阴极高温结构，并将结构厚度减至0.35 mm。2016年，Lev等[12]在试验中发现随着放电电流或者工质流率的增加，维持电子发射的鞘层电压降低，触持极电压降低；阳极电压随着工质流率的增加降低，放电电流的变化对阳极电压影响不明显。随着放电电流的增加，气体放电过程中消耗的能量增加；随着工质流率的减小，鞘层电压升高，导致功耗增加，空心阴极温度随之升高；因为点火电压与空心阴极结构密切相关，触持极电压和触持极温度与发射体密切相关，可以通过监测点火电压、触持极电压和触持极温度来确定是否到达寿命的终点。

通过分析发现，冷启动空心阴极稳态特性与放电电流、工质流率和材料结构等参数密切相关。

4 失效机理分析

长寿命、高可靠是空间应用对空心阴极的普遍要求，冷启动空心阴极由于其结构特点和启动条件与传统的热启动空心阴极不同，其失效模式和失效机理也和热启动空心阴极有一定差异。

冷启动空心阴极利用高电压实现气体击穿，随后经历高电压小电流的辉光放电才能完成点火。因此，点火期间粒子能量较高，对电极有很强的溅射腐蚀效应。空心阴极反复进行冷启动，溅射腐蚀效应累积，可导致阴极因结构受溅射腐蚀破坏而失效。这是冷启动空心阴极区别于热启动空心阴极的主要失效机理。Aston[7]的阴极样件在100次点火试验发射体被严重溅射腐蚀后失效，Schatz[8]通过在发射体外添加保护层和增加点火瞬间的工质流率的方法有效的减缓了失效速度，在3 430次点火试验后，虽然电极仍然存在溅射腐蚀的现象，但孔径等主要结构尺寸没有明显变化。Arkhipov[9]研究了电极质量耗损速度与工质流率的关系，发现在适当的工质流率区间电极消耗速度存在最小值。Koshelev[18]采用光谱法研究了点火过程中发射体的消耗速度，得到放电电流越大发射体消耗越快的结论。

通过以上分析发现，对于冷启动空心阴极，点火期间的溅射腐蚀问题需要重点关注。同时，通过减小放电电流，增加工质流率的方法可以降低溅射腐蚀速率。

5 结论

通过对国内外冷启动空心阴极结构特点、点火特性、稳态特性和失效机理的分析，得到结论：

（1）冷启动空心阴极主要有三种结构，其中触持极顶节流型能够满足降低点火电压和结构简单的需求，是目前主要应用的结构；

（2）点火特性与工质流率、孔径、电极距离和电源密切相关，一定范围内，工质流率越大，孔径越小，发射体区的内部压力越大，点火电压越低，增加放电电流和工质流率，可以促进弧光放电的建立，足够高的开路电压和较低的输出电阻有利于稳定的建立弧光放电；

（3）稳态特性与工质流率、放电电流和发射体的材料密切相关，增加工质流率，放电电压和温度均降低，增加放电电流，放电电压降低，温度升高，功函数低的发射体可有效降低空心阴极温度；

（4）冷启动空心阴极点火期间的溅射腐蚀问题需要重点关注，空心阴极可因结构受溅射腐蚀破坏而失效，同时通过减小放电电流，增加工质流率的方法可以降低溅射腐蚀速率。

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ANALYSISON CONFIGURATIONSAND KEY CHARACTERISTICSOFHEATERLESS HOLLOW CATHODE

DING Ji，GUO Ning，GU Zeng-jie，TANG Fu-jun，WANG Jin
（Scienceand Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Heaterless hollow cathode is one of the most important development directions for the onboard hollow cathode for its quick start，simple structure and high reliability. Three different main configurations and their advantages and disadvantages were introduced. The relationship between ignition characteristics and mass flow rate，aperture，electrode distance and power supply，steady state characteristics and discharge current，mass flow rate and emitter material were analyzed. The main failure mechanism and corresponding improvement methods were discussed. The conclusion obtained could provide reference for the design and optimization of the heaterless hollow cathode’s configuration and operational parameters.

hollow cathode；heaterless；ignition characteristics

V439+.1

A

1006-7086（2017）04-0230-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.009

2017-05-26

丁继（1989-），男，重庆人，硕士研究生，主要从事为空间电推进技术与工程。E-mail：dingjicn@hotmail.com。