金刚石对霍尔推力器通道壁面抗溅射性能的影响

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上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240

霍尔推力器属于电推进装置的一种，其电磁场的结构对于稳定运行十分重要。推力器中的放电通道壁面起到保护磁极的作用，但在长时间的运行过程中通道壁面受到离子的轰击而发生溅射削蚀，最终导致磁极暴露在离子流中，此时霍尔推力器的电磁场会发生极大改变，不能维持正常的运行状态，导致寿命终结。对于提高霍尔推力器寿命的研究主要从两方面考虑：1)控制离子的运动，减少其对壁面的轰击;2)提高壁面的抗溅射性能，减缓削蚀速率。

一般调整离子的运动需要涉及磁场的优化，例如莫斯科MIREA学院与法国SEP公司合作设计的ATON-SPT[1]，具有凸向阳极的磁场形状，能使离子流向通道中心聚集，从而减小对壁面的轰击。但优化磁场一般需要重新设计推力器结构，难度较大[2]，所以对于现有的推力器来说，主要以提高壁面的抗溅射性能来延长使用寿命，目前常用的通道壁面材料是BNSiO2，其在抗溅射方面的能力并不优秀。在国外的一些文献中，有学者研究用金刚石来提高电推力器某些部件的抗溅射能力。文献[3-4]将金刚石作为离子推力器的加速栅极，替代原来的钼和C-C材料，通过进行溅射腐蚀率的对比试验，发现钼和C-C复合材料的溅射产额分别是金刚石的7～12倍和1.5倍。文献[5]研究了金刚石作为通道内壁材料对低功率的线型霍尔推力器的影响，通过溅射产额的对比试验，发现金刚石的溅射产额要比BN陶瓷低25%，在进行放电性能测试试验时，使用金刚石作为通道壁面时可以在200 V以上的工作电压下正常运行。

以上文献说明，金刚石有优良的抗溅射性能，且有用于某些电推力器上的可能。目前许多电推力器的寿命可达15 000 h以上，且稳态等离子体推力器(Steady Plasma Thruster，SPT)的寿命一般为几千小时，依然有很大提升空间。故本文将对金刚石用于SPT的可行性和对寿命提高的效果方面开展研究。

1 金刚石应用于霍尔推力器的可 行性分析

虽然金刚石的抗溅射性能优于BN陶瓷，可以减缓壁面的削蚀，有提高推力器寿命的价值，但需要考虑其加工的操作性，并且保证将金刚石替代BN陶瓷后，能够不影响推力器原有的放电性能。在材料加工方面，可以采用镀膜的方式将金刚石镀在氮化硼陶瓷表面，例如化学气相沉积法镀膜(Chemical Vapor Deposition ,CVD)，或者直接制备出毫米级厚度的金刚石膜[6]。在放电性能方面，推力器的磁场和壁面二次电子发射是影响霍尔推力器工作的两个重要因素，本文从这两方面进行分析。

1.1 金刚石对磁场的影响

对于霍尔推力器而言，合适的磁场结构是推力器正常工作的前提条件，适宜的磁场分布可以将电子束缚在通道内，使氙原子发生电离，同时在通道内形成虚拟阴极，使电离出的氙离子加速向出口移动。在霍尔推力器中，绝缘通道采用非导磁材料，只作为磁极的保护结构，对磁力线的走向和场强的分布没有影响。金刚石与氮化硼陶瓷都不属于磁性材料，且将氮化硼陶瓷换成金刚石并没有改变推力器其他部位的结构，推力器的磁场不会受到影响。

1.2 金刚石对壁面二次电子发射的影响

壁面二次电子的发射会对通道内电子的传导产生影响，从而改变通道内部的轴向和径向电势，或改变电子的密度和温度，对离子的运动和工质的电离产生影响。文献[7]提到BNSiO2的二次电子发射系数对于霍尔推力器最为合适，可以使推力器效率达到最优，但同时研究表明在加速区布置二次电子发射系数比BNSiO2低的壁面材料可以提高推力器的放电性能。金刚石、BN都属于宽禁带材料，电子亲和势低，表面的低能二次电子容易脱离束缚发射出去，所以两者的二次电子发射特性比较相似[8]，且通过不同的制备方法可以使金刚石有不同的二次电子发射系数，若金刚石的二次电子发射系数比BNSiO2小，还有可能提高推力器性能。

2 金刚石溅射产额测量试验

为研究金刚石对霍尔推力器寿命的提高程度，本文需要得到金刚石的溅射产额：

式中：Y为溅射产额，表示某一个能量为E、入射角为θ的离子在材料表面溅射出的原子数，单位为atom/ion或可换算为mm3/C；Y(E)为溅射能量系数；Y(θ)为溅射角度系数[9]。

目前只有文献[3]通过试验得到了金刚石的溅射产额随能量变化的关系曲线Y(E)，但目前没有文献给出金刚石溅射产额随角度变化的关系，故本文通过试验，补充角度关系式Y(θ)。

试验采用称重法进行测量，即通过称量溅射试验前后试件的质量，求出一定时间内的溅射损失质量，进而得到金刚石的溅射产额。本文采用的试件是4片直径2 cm、厚度2 mm的圆片，材料为BNSiO2，并在其表面镀上厚度大约为4～6 μm的金刚石膜，在离子源下经过30 h的连续溅射试验，通过安装支架的配合，可以使入射的离子与试件表面法向的夹角分别是0°、45°、60°、75°。溅射试验在直径1.2 m、长为3.36 m的真空舱内进行，真空度为1.3×10-3Pa，其尺寸和真空度水平可基本保证溅射不受背景粒子的干扰。在溅射试验过程中，离子源采用上海空间推进研究所提供的SPT-70，在稳定运行下能提供能量300 eV左右的离子流，采用RPA探针和法拉第筒对离子流的能量和电流密度进行测量，根据RPA测量得到离子流能量为270 eV，法拉第筒测得离子流密度为1.562 5 mA/cm2。溅射后根据称重法得到的溅射产额如表1所示。

表1 溅射产额试验测量结果Table 1 Sputtering yield of CVD diamond-BN material

本文的试验条件与文献[10]中测量氮化硼溅射产额的试验条件相同，可以对比两种材料的溅射产额随离子入射角度的变化(见图1)，可以发现在0°～90°范围内的金刚石溅射产额均比BN陶瓷小，整体相对减少75%。两种材料的溅射产额在0°～60°内，都随着入射角度的增加而增大，但金刚石的变化趋势更加明显。

角度关系经验公式[11]：

式中：θopt表示在入射离子的能量不变的条件下，产生溅射产额最多时对应的离子入射角，由图1试验数据确定金刚石材料的θopt在60°～75°范围内。f是一个由试验来确定的经验参数，在Origin中通过拟合确定参数f为15，如图2所示。

3 金刚石壁面溅射削蚀的模拟

3.1 仿真模型和方法

数值计算是研究推力器壁面溅射腐蚀的主要研究方式，可以节约大量的试验成本，主要有以下几种方法：第一种方法是基于试验的半经验公式法；第二种方法是基于弹性碰撞原理的简易解析模型法；第三种方法是全粒子追踪与直接蒙特卡洛混合算法(Particle In Cell/Direct Simulation Monte Carlo method，PIC/DSMC)。在没有金刚石镀膜推力器短寿命试验结果的情况下，无法使用半经验公式法。第三种算法与第二种算法相比，可以模拟推理器内真实的粒子运动过程[12]，可考虑的影响因素更全面，也曾在文献[13]中被用来模拟壁面的削蚀。故本文采用第三种方法来模拟SPT-70的溅射削蚀。推力器结构如图3所示，通道长度L是28 mm，内径R1为20.8 mm，外径R2为35 mm，设定整个内外壁都是金刚石材料。

PIC/DSMC混合算法中，可以提供入射到壁面的离子的状态参数，如能量E和角度θ，判断入射能量E是否大于溅射阈值Eth，其代表使靶材发生溅射的最小离子能量，根据文献[14]其计算方法如下：

式中：Us和γ分别代表靶材表面束缚能和能量参数。通过计算得到C单质的溅射阈值为134 eV。

若E大于Eth，则判断此离子可以使壁面发生溅射，并将溅射量分配在壁面网格中。在模拟时还要考虑壁面轮廓动态变化，本文采用的方法是每积累一定的溅射深度就对入射角进行修正，如图4所示，修正后的入射角等于θ+ɑ。

3.2 方法验证

根据以上方法模拟了BN陶瓷173 h后的壁面形貌变化情况，并与SPT-70运行17 h后的短寿命试验数据[10]进行对比(见图5)，可以看出壁面轮廓的模拟结果基本符合实际测量值，误差在可接受的范围内，表明这种模拟方法的模拟结果具有一定的参考意义，故可以用来模拟采用金刚石壁面后SPT的通道壁面形貌变化的结果。

3.3 金刚石壁面轮廓的模拟结果

本文模拟了金刚石壁面在173 h后的轮廓形貌，并将模拟结果与氮化硼陶瓷壁面轮廓[10]进行对比，如图6所示。氮化硼陶瓷壁面在距离推力器出口约5 mm的地方就开始发生溅射，而金刚石壁面在距离通道大约2 mm的地方才出现较明显削蚀。此外，氮化硼陶瓷壁面的溅射深度要比金刚石大很多。在173 h内，金刚石通道内外壁的最大溅射深度为0.077 mm和0.068 8 mm，而BN陶瓷通道的内外壁面最大溅射深度分别是0.7 mm和0.6 mm，大约是金刚石壁面的10倍和8倍。

模拟结果说明使用金刚石可以减缓霍尔推力器壁面的削蚀速率，并且削蚀的范围也有所减小，这是因为金刚石本身的溅射产额就比氮化硼陶瓷小，且金刚石的溅射阈值为134 eV，而氮化硼的阈值是60 eV，所以只有在很接近通道出口附近的Xe+才能获得足够的能量，使金刚石发生溅射。

本文还模拟了SPT-70长时间运行后金刚石壁面的内壁和外壁的半径变化，如图7所示。可以看出溅射始终发生在距离推力器出口2 mm的范围内，而出口附近的壁面溅射深度不断加深，壁面表面与轴线的夹角越来越大，在5 000 h后会形成约25°倾斜度，此时入射离子的实际入射角也相应增大。而本文的试验表明，在入射角大于75°后金刚石的溅射产额已经很微弱。所以随着运行时间的增加，金刚石壁面的倾斜程度会明显增加，导致溅射削蚀的速率减小。

本文以出口处的最大溅射深度作为对寿命影响的考量，金刚石的内外壁面的最大溅射深度如表2所示。根据表2，金刚石壁面经过5 000 h的溅射轰击，其最大深度在大约0.65 mm的范围内，而在文献[10]中，氮化硼壁面经过173 h的溅射后，出口处的最大溅射深度就已经达到0.65 mm左右。

表2 金刚石通道内外壁最大溅射深度Table 2 Maximum depth of inside and outside wall of diamond

以上结果表明相同厚度的金刚石能承受的溅射时长比氮化硼陶瓷高出一个量级，对延缓壁面的削蚀有明显效果。考虑到工艺难度和成本，不宜大面积替换金刚石，可仅将通道出口受到溅射最严重的地方换成金刚石，将壁面设计为如图8所示。

4 结束语

本文通过试验证明了在相同能量和入射角的离子的溅射下，金刚石的溅射产额要比BN陶瓷小，在入射角为0°～90°的范围内，金刚石的溅射产额比BN相对减少75%。且通过PIC/DSMC法对壁面轮廓进行模拟的结果表明0.7 mm厚的金刚石可经受5 000～6 000 h的溅射轰击，而同样厚度的BN陶瓷只能承受200 h左右的溅射。故金刚石对于延缓壁面削蚀，延长推力器寿命有明显的效果。

本文的结果还需要后续对采用金刚石壁面的SPT推力器进行短寿命试验，一方面验证壁面轮廓的实际削蚀情况，另一方面考察对放电性能和效率的影响。

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