C12A7空心阴极研究进展

华志伟，韩 鈺，王平阳，杭观荣

（1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240；2.哈尔滨电力职业技术学院动力系，哈尔滨 150030；3.上海空间推进研究所，上海 201112）

0 引言

空心阴极作为电推力器的关键组件，承担着提供用于电离推进剂原子的初始电子和中和离子束流的重要任务，在霍尔推力器和离子推力器中都是不可或缺的。空心阴极的性能和寿命与整个电推进系统密切相关[1-2]。发射体是空心阴极中发射电子的关键零件。目前电推进领域应用最广泛，技术最为成熟的空心阴极发射体主要有钡钨（BaO-W）和六硼化镧（LaB6）两类。BaO-W发射体的逸出功约为2.1 eV，工作温度在1 200℃左右，对工质纯度要求极高，点火前需要复杂的激活程序；LaB6的电子发射能力比BaO-W强，对工质纯度的要求可低一个量级，但逸出功高达2.7 eV，工作温度通常超过1 400℃，维持放电所需的功率也更高[3]。随着空间任务的拓展，新一代空心阴极被要求具有更低的工作温度、更高的效率和更强的抗中毒能力，对其他类型工质如碘、铋、镁等也应当具有兼容性。

本文将介绍C12A7材料的结构特点，回顾国内外相关机构对C12A7空心阴极的研究历程，总结各类阴极的结构特点、试验结果、存在的问题以及关键技术等，讨论C12A7空心阴极技术的发展和应用前景，期望为C12A7空心阴极在电推进技术中的应用提供参考。

1 C12A7空心阴极研究进展

C12A7电子化合物作为一种新型发射体材料，早期报道的理论逸出功可低至0.6 eV[4]。在相同发射电流密度的条件下，C12A7电子化合物的理论热发射温度远低于其他两种发射体材料，如图1所示[5]。如此低的工作温度意味着空心阴极将会在结构、材料和应用场景上产生巨大变革。虽然后续试验测得的C12A7发射体的有效逸出功高于理论值，但其工作温度和抗中毒特性仍然具有优势。

图1 不同类型发射体材料的发射电流密度与温度的关系Fig.1 The Relationship between emission current density and temperature of different emitter materials

1.1 C12A7电子化合物

七铝酸十二钙（12CaO·7Al2O3），简称C12A7，由Matsuishi等[5]于2003年首次报道。如图2（a）所示，C12A7单胞分子式为[Ca24Al28O64]4++2O2-，晶格的主体框架由12个坚固的纳米笼腔构成，所以C12A7化学稳定性极优。C12A7单个笼腔结构模型如图2（b）所示，两个O2-分别占据12个笼腔中的任意两个，由于笼腔内游离的O2-束缚较低，O2-极易被其他离子如 H-、O-、F-、Cl-以及 e-等取代，形成一类衍生物。其中O2-被e-取代后形成的C12A7：e-是一种可在室温条件下稳定存在的电子化合物，如图2（c）所示。C12A7电子化合物继承了C12A7的晶体结构，在300℃以下氧气无法重新进入笼腔取代电子，因此具有优良的化学稳定性和热稳定性；如果C12A7笼腔内的O2-完全被e-替换，理论上电子浓度可高达2.33×1021cm-3，因此还具有较低的逸出功、较高的电子发射效率等特性[6]。C12A7：e-在电子发射材料方面显示的较高的应用潜力引起了电推进空心阴极学者的关注[7]。

1.2 国外C12A7空心阴极研究历程

1.2.1 科罗拉多州立大学

2011年，Rand等[8]首次将C12A7电子化合物熔融物作为发射体材料应用于空心阴极。该阴极以无热子的方式点火启动，发射电流最高达3.6 A，虽然工作时长最高达到数十分钟，但频繁的闪烁和熄灭说明阴极放电不稳定[8]。

图2 C12A7及C12A7电子化合物的晶体结构模型Fig.2 Structural model of C12A7 and C12A7：e-

2013年，Rand等[9]将合成的C12A7切片和石墨基底共同置于阴极管内，此次C12A7空心阴极工作时长达到数小时。该阴极随后与AFRL H6 6 kW霍尔推力器进行了联试，点火情况如图3所示[10]。阴极气体流率为10 cm3/min Xe，推力器工作在9 A、2.71 kW，单次工作时长最高达0.5 h，推力器效率为52.6%，略低于LaB6空心阴极54.4%的工作效率。Rand认为C12A7阴极放电不稳定是由于发射体形状不规则，热电子发射区域变化所致。

图3 C12A7空心阴极与AFRLH6霍尔推力器联试点火情况Fig.3 AFRL H6 Hall thruster operating in conjunction with electride hollow cathode

Rand等[10]还与Busek公司合作，利用该公司的碘储供系统进行了碘工质C12A7空心阴极测试。碘工质C12A7空心阴极如图4所示[9]。碘阴极同样以无热子方式启动，发射电流3～15 A，工作气体流率为13 cm3/min碘，触持极电流维持在0.3 A。在共计20 h碘工质测试后，没有观察到C12A7空心阴极明显的中毒或退化迹象[11]。

图4 碘工质C12A7空心阴极Fig.4 C12A7 electride hollow cathode operating on iodine

1.2.2 美国海军研究实验室

2017年，McDonald等制成了一个空心圆柱形C12A7发射体，替代原有的LaB6发射体装填进入一个20 A的石墨空心阴极中。该阴极利用外部加热器启动，加热功率约33 W，不到LaB6阴极的五分之一。尽管工作电流低至30～150 mA，但由于阴极是为LaB6设计的，隔热效果过于良好，导致初次试验中C12A7出现了过热退化的迹象，工作16 h后，发射体有肉眼可见的明显褪色，说明C12A7发射体发生了氧化或者过热分解。为了避免发射体过热导致的性能下降，采用一个铜制散热结构来控制阴极的温度。如图5所示[11]，阴极管由铜材料制成，发射体也被包裹上一层铜箔，以便快速地将发射体中的热量导出，这款阴极最终在30 mA的电流条件下稳定工作了8 h左右，C12A7发射体自持工作所需的放电功率最低为18 W。此外，他们还比较了C12A7与其他发射材料的热发射性能，C12A7发射体的有效发射电流密度至少为20～40 mA/cm2。

图5 铜散热结构的C12A7空心阴极Fig.5 The C12A7 hollow cathode with copper heat sink configuration

1.2.3 德累斯顿工业大学

Drobny等[12-13]于2016年最早研发了C12A7空心阴极。尝试了不同的发射体形状和阴极配置、采用了各种不锈钢、铜等材料，但一直未能实现长时间稳定放电。经历多次迭代后，最终设计出一款碟形发射体阴极，该阴极同样采用了良好散热的铜质结构，以实现发射体的快速散热。点火电路设置如图6所示，采用偏置电压启动阴极，稳态电流最高达到5 A。

图6 发射体负偏压启动电路Fig.6 Electrical setup for cathode operation with the possibility to negatively bias the emitter insert

碟形C12A7空心阴极与TUD-H3-P霍尔推力器联试稳定运行了数小时，联试情况如图7（b）所示[12]。最新的长寿命试验结果表明，这款碟形C12A7空心阴极在2 A的电流条件下稳定工作了最高950 h，这是迄今为止报道的C12A7空心阴极的最高工作时长[13]。

图7 碟形C12A7空心阴极与TUD-H3-P霍尔推力器联试Fig.7 Disk-emitter C12A7 electride hollow cathode and its TUD-H3-P Hall-effect thruster

1.3 国内C12A7空心阴极的研究进展

哈尔滨工业大学是国内最早开展C12A7空心阴极研发工作的单位。研究人员测试了圆柱形C12A7空心阴极的放电特性，并考察了其耐氧化能力，结果表明，C12A7空心阴极可在氧气浓度高达1.8%的混合氙气下放电[14]。上海交通大学开发的C12A7空心阴极在无热子和外部加热的条件下均可启动，点火温度在1 000～1 100℃。该阴极与一台小功率霍尔推力器成功联试，并在200 V、1 A的条件下稳定运行了数个小时[14]，如图8所示。该校还开展了C12A7空心阴极在碘工质条件下的点火特性测试以及C12A7发射体退化和失效的微观分析工作。北京工业大学近年来一直专注于C12A7电子化合物的快速制备以及性能提升，为国内开发C12A7空心阴极提供高质量发射体材料[6，15]。

图8 上海交大研发的C12A7空心阴极与一台低功率霍尔推力器联试Fig.8 Joint operation of C12A7 electride hollow cathode and a low power HET developed by SJTU

2 存在问题与关键技术

2.1 逸出功测量

C12A7电子化合物空心阴极自首次测试以来已有10年，但人们对其放电机制和失效机制的理解仍有不足，这些问题阻碍了C12A7空心阴极长寿命和点火循环试验的开展，因此目前无法将其与BaO-W或LaB6阴极进行比较。复杂的表面也导致了C12A7逸出功的不确定：早期的分子动力学计算结果表明，C12A7的理论逸出功可低至0.6 eV，但Rand等[10]试验测得的逸出功均比理论值高，且随试验时间变化，这主要是由于热电子发射时的高温对发射体表面笼腔结构造成破坏所致。而管状发射体空心阴极内部的等离子体密度、温度以及压力数值的获取难度较大，使得C12A7发射体的有效逸出功很难从工作特性中测试出来[7]。目前普遍认为C12A7电子化合物的实际逸出功大约在2.4 eV左右，接近于BaO-W发射体[16-17]。C12A7逸出功的不确定性及其背后复杂的表面反应导致研究者难以准确掌握影响C12A7电子发射性能与寿命的因素及规律，因而限制了该材料在空心阴极中的工程应用。

2.2 发射体过热

C12A7电子化合物熔点较低，约为1 230℃。国外文献表明，C12A7空心阴极引出电流为数百毫安到1 A的条件下，发射体工作温度可低于1 000℃，而在高电流下工作则容易过热[5]。上海交通大学开发的C12A7空心阴极在工作电流4 A的条件下，最高温度达到1 290℃，高于发射体熔点1 275℃。相较于LaB6和BaO-W空心阴极，C12A7发射体更容易淤积热量的原因主要有两点，表面破损的笼腔层使其呈现出高电阻甚至绝缘态，在高电流下容易产生额外的欧姆热；其次是C12A7的热导率较低，约为4.5 W·m-1·K-1[18]，热量无法快速从发射表面转移。过热除了可能导致发射体的软化熔融以外，长时间处于较高温度下也会使发射体逐步分解成其他的钙铝化合物，造成热发射性能的快速退化。

2.3 关键技术

实现C12A7空心阴极性能提升和更高寿命的关键在于保证发射体安全的工作温度，应根据电子化合物的特性优化C12A7阴极的热设计，包括采用散热更好的材料以及可实现快速散热的新型结构。从材料角度，提高C12A7电子化合物的电子浓度可以进一步降低逸出功，提高电导率。C12A7具有陶瓷材料的脆硬特性，发射体可加工性能的提升对于保证新型阴极设计的可行性同样重要[6]。此外，C12A7空心阴极的放电机制和失效机制与传统空心阴极差别很大，建立适用于电子化合物的放电模型对于优化C12A7空心阴极工程设计、加速开发进程十分必要。

3 结论与展望

C12A7空心阴极自首次测试至今已有10年，但国内外相关研究机构不多，技术尚不成熟，C12A7发射体的放电和过热机制有待进一步探索。C12A7空心阴极已由最初频繁的振荡熄灭发展到目前可稳定放电、持续工作时间近1 000 h。与各类型霍尔推力器的成功联试也证明了C12A7空心阴极具有实际应用能力。高电流下的发射体过热退化是目前困扰C12A7空心阴极的最大问题，而在毫安级低电流下工作时，发射体工作温度低于1 000℃，有望满足小电流空心阴极中工质流量与维持功率的严苛要求，因此更适合微小功率电推进系统，是立方星等小卫星任务的理想选择。除用作电子源和中和器之外，国外也在开展将C12A7发射体应用于空心阴极推力器以及无工质空心阴极的探索工作。