离子推力器栅极非预期电击穿评述

冉文亮，张天平,2*，赵志伟，李 璇

（1.兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室；2.甘肃省空间电推进技术重点实验室：兰州 730000）

0 引言

离子电推进相比其他电推进具有高比冲、高效率、在轨寿命长、推力精确且高分辨率连续可调等技术优势，能够最大限度地提升卫星载荷比。在南北位保、高精度姿态轨道耦合控制、无拖曳控制等任务中，离子推力器具有无可比拟的优势。但是无论在轨测试还是地面试验结果均显示，离子推力器工作时存在非预期电击穿现象，造成离子推力器的推力输出波动乃至推力损失，影响推力器的应用效能，使其服役寿命显著缩短，甚至导致整个任务失败。

我国自20 世纪70 年代开始电推进技术研究，几十年来先后研制了系列化离子电推进工程产品，现亟需从机理层面对离子推力器电击穿现象开展研究，全面掌握电击穿特性及其微观规律，准确识别离子推力器发生栅极非预期电击穿的机理，以便能够提出标本兼治的非预期电击穿综合抑制方法。

本文基于离子推力器实际工作过程中栅极发生的非预期电击穿现象，阐述非预期电击穿对栅极组件、电推进系统以及航天任务的影响，梳理栅极组件在不同环境下发生非预期电击穿的机理，对不同类型的非预期电击穿及其危害进行分析和综述，最后提出后续研究的构想。

1 非预期电击穿现象及其影响

离子推力器非预期电击穿从起因上看，为束流的微小扰动或瞬时中断又加载；从现象来看，为推力器工作时栅极表面或栅极与外壳之间或双栅极之间绝缘表面出现瞬时火花或发光现象；从结果来看，会造成栅极表面出现不均匀分布的热斑点或纹痕；从本质上说，为栅极之间强电场局部瞬时畸变引起的电流突增。

离子推力器正常工作时，其屏栅极处于正电位（一般为1500V），加速栅极处于负电位（一般为-200V）。两电极间距小于1mm 且存在极高的电位差，使得栅极组件在工作时极易发生非预期电击穿，直观表现为栅极组件局部放电闪光。图1(a)是增强型高速相机（ICCD）拍到的栅极组件发生沿面闪络瞬间；图1(b)是沿面闪络瞬间的典型放电波形，其中黄线代表屏栅电压，绿线代表加速栅电压，蓝线代表加速栅电流。离子推力器发生非预期电击穿通常在一瞬间，此时加速栅电流突然增大、屏栅电压突降至0；放电结束后，栅极电压会在ms 时间内迅速恢复至初始值。

图1 离子推力器非预期电击穿的直观表现Fig.1 Visual representation of unexpected electric breakdown of the ion thruster grid

离子推力器非预期电击穿经常发生于栅极之间的间隙和绝缘支撑面，击穿发生时栅极电压突降、回路电流突增、发光强度激增，栅极组件和电源侧电压形成低频振荡电压信号，使得受控和可恢复的束流（推力）中断，严重时可导致中和器或放电室阴极熄灭等。对离子电推进系统而言，击穿将导致其工作可靠性降低；对航天任务而言，击穿严重时将导致实际输出推力小于预期水平、预定正常工作被临时中断、连续稳定推力输出被破坏甚至电推进系统失效等。

2 栅极非预期电击穿的机理及特性研究

2.1 真空电击穿

1）真空击穿

真空电击穿即真空放电发展形成的放电电流较大的火花放电和电弧放电，其过程主要分为电子发射、火花放电和电弧放电3 个阶段。其主要成因是等离子体与加速栅表面相互作用，形成栅表面微爆炸和场致电子发射，其中电子发射对极间放电起决定性作用。加速栅表面微凸起、电介质薄膜、吸附物和杂质微粒等因素导致电场局部畸变，于是栅极表面微凸起在场致效应下发射电子，电子发射电流对表面微凸起进行焦耳加热，能量富集后出现微爆炸，形成等离子体羽流；伴随着电流的增大，等离子体进一步发展，放电转为火花放电阶段，当电流高于阈值电流时，火花放电过程自持；当有足够的功率维持放电，则在火花放电的最后阶段形成真空电弧。

离子推力器栅极间尖端放电过程中，可以将栅极表面的毛刺、溅射沉积物抽象等效为抛物面针，并设针顶端曲率半径为，平面间隙距离为，极间电压为。研究表明，沿平面间隙轴心离针顶端距离处的电场强度为

离子推力器栅极间产生击穿放电的阈值电压为

在离子推力器栅极系统中，栅极间距远大于尖端曲率半径，此情形下，极间电晕放电阈值电压远高于极间电压。

通常情况下，离子推力器加速栅尖端电极直径在100μm～1mm 量级，栅极间距离控制在0.8～1.2mm 之间，因此，尖端电极中点与屏栅孔边缘连线形成的夹角变化范围比较大。尖端放电区域电场分布由高压电极几何构型和空间电荷共同决定。离子推力器加速栅尖端放电模型如图2所示，电场线分布采用正则近似（红色虚线）。捷克学者Sigmond 已证明，电场线采用正则分布近似，与采用复杂计算获得的电场线分布没有本质区别。

图2 离子推力器电击穿半解析模型[3]Fig.2The semi-analytical model of electric breakdown of ion thruster[3]

2）真空沿面闪络

真空沿面闪络是指在真空强电场下，沿栅极绝缘支撑材料表面发生放电从而导致电击穿的物理现象。目前认为真空沿面闪络的产生机制符合二次电子发射雪崩（SEEA）模型，沿面闪络起始于绝缘体、负电极和真空表面交界的三结合点处，主要原因是该点附近存在高场强的局部电场；阴极在场致效应和高温条件的激发下发射电子，电子在电场加速下轰击绝缘支撑表面并激发二次电子；由于静电场的存在，电子继续向阳极运动，并在运动过程中继续轰击绝缘支撑表面，产生更多新的二次电子，该循环持续发展形成电子发射雪崩；根据电子激励解吸附原理，电子轰击栅极组件表面，造成栅极表面气体解吸附，从而产生中性粒子和带电离子，最终发生沿面闪络，过程如图3所示。综上，SEEA 模型可以分为4 个阶段：①阴极在场致效应和高温激发下发射电子；②电子轰击栅极绝缘支撑表面产生二次电子；③大量电子轰击栅极材料表面引发出气；④电子碰撞气体分子使其电离发生沿面闪络。

图3 真空沿面闪络SEEA 模型[3]Fig.3 SEEA model of vacuum flash over along the surface[3]

2.2 低气压电击穿

1）低气压击穿

在不同电压下所发生的低气压电击穿具有不同的击穿性质。低气压电击穿的放电模式26-27]主要有汤生放电、辉光放电、火花放电以及电弧放电4 种。图4为低气压下气体发生电击穿放电的典型伏安特性曲线。

图4 低气压气体放电的典型直流伏安特性曲线[28]Fig.4 Typical DC volt-ampere characteristics of low pressure gas discharge[28]

汤生放电的伏安特性曲线如图5所示，曲线根据伏安特性不同分为、和三部分：区域内，电极间的电压很低，间隙中流过的电流很小，从0 上升至趋于饱和时电流达到最大值（饱和电流值），约为10A 量级；区域内，在外界因素作用（光电离等）下阴极向外发射电子，电子在电场加速下获得较大的动量，并在运动过程中与气体分子发生碰撞，使气体分子被电离，致区域内的带电粒子数目骤增，放电电流变大；区域内，气体分子碰撞电离所产生的正离子也可从电场中获得相应的动量，这些离子使得气体分子进一步电离，放电电流逐步增大，形成气体分子碰撞与电离的循环。阴极发射出的电子由光电离产生，若光电效应消失则区域内电流会立刻中断，属于非自持放电。当施加在离子推力器栅极间的电压大于栅极击穿阈值电压时，该区域的放电电流会突然增大，此时即使中断加载在栅极的外加电源，击穿放电现象依然能维持，栅极间出现自持放电击穿，如辉光放电、火花放电或电弧放电。

图5 汤森放电的伏安特性曲线[28]Fig.5 The volt-ampere characteristic curve of Townsend discharge[28]

2）低气压沿面闪络

栅极组件的绝缘支撑和外界气体接触面上容易发生沿接触面放电现象，若这种放电发展到具有气体贯穿性的电击穿时，则会出现低气压沿面闪络。经实验验证，当气体或绝缘支撑单独存在时，发生电击穿所需要的击穿电压远高于气体发生沿面闪络的击穿电压。究其原因可概括为以下3 点：①栅极组件的绝缘支撑与栅极表面之间并非紧密接触，存在极小的气体间隙，因绝缘支撑的介电常数高于气体的介电常数，导致气体间隙中的电场强度远高于平均电场，不均匀的电场分布促使局部放电，放电产生的带电粒子运动到绝缘支撑表面，引起绝缘支撑与栅极表面间的电场分布畸变，使得沿面闪络的击穿电压变小；②空气湿度及栅极表面吸附气体、水分等小分子的解吸附；③加工工艺、安装等原因造成栅极表面不平整以及表面电阻不均匀，从而导致电场分布不均匀。

3 非预期电击穿的类型及危害性评估

非预期电击穿具瞬态特性，可根据电参数的变化对其进行间接表征，因此根据电击穿的不同类型，以电压电流波形为依据提出抑制判据具有重要意义。真空和低气压下的栅极非预期电击穿主要对应5 种放电类型，应根据其特性和危害性进行策略评估：

1）汤生放电极易向辉光放电转换，由于放电电流较小，产生能量在栅极组件可接受范围，故对离子推力器性能影响可忽略不计。

2）辉光放电是一种自持放电，其放电电流仅有几mA，电流密度小。辉光放电的产生机理是阴极在受到来自阳极正离子的轰击后产生了二次电子；放电时，栅极表面存在稳定亮斑，但间隙未形成自持性的贯穿导通通道。辉光放电会造成离子推力器的栅极表面出现分布不均匀的热斑点或纹痕，但因放电电流较小，沉积能量较低，对栅极组件的损伤在可接受范围。

3）火花放电（如图6 所示）本质是栅极组件电极间瞬间导通，表现为瞬时明亮的细带束放电发光。火花放电产生后将自行熄灭，并迅速在其他位置产生新的火花，电流脉冲宽度为10～10s，宏观表现为迅速更替的间隙击穿。在真空或低气压环境下采用高功率电源驱动时，火花通道将继续维持并发展，放电将转化为更强烈的电弧放电。火花放电会使离子推力器栅极表面局部形成热斑点，引起栅极材料低逸出功区域的场致热发射（肖特基效应），放电沉积能量较大，使得栅极材料局部蒸发，造成栅极表面损伤，导致栅极表面受损与非预期电击穿频次之间的恶性循环。

图6 火花放电的典型放电形态和电压电流波形Fig.6 Typical discharge form and voltage and current waveforms of spark discharge

4）沿面闪络放电（如图7 所示）本质是气体‒绝缘介质表面“击穿”，一般沿栅极间绝缘层、栅极与外壳间绝缘层表面和电极板间绝缘支柱的表面发展，当形成贯穿性通道时在绝缘层表面产生发光现象，其电学特性与火花放电类似。沿面闪络放电会使离子推力器栅极表面形成氧化膜、补丁场效应等，进而造成栅极材料物性的改变，如脆性增大、塑性降低等，加速异常闪烁放电，形成恶性循环，加速栅极腐蚀，降低栅极绝缘性能，严重时会导致栅极之间永久短路。

图7 沿面闪络的典型放电形态和电压电流波形Fig.7 Typical discharge pattern and voltage and current waveforms of flashover along the surface

5）电弧放电（如图8 所示）具有低压大电流特性，表现为栅间出现持续、明亮的细带束放电，瞬时放电电流密度可高达10～10A/cm，电流峰值和电压降远超火花放电，这是由于栅极之间短路造成的，意味着栅极表面被完全击穿。电弧放电对离子推力器的影响包括：在加速栅两孔之间或三孔之间形成“凹槽”“凹坑”等腐蚀形貌，同时在加速栅下游表面出现大量的溅射物沉积，使栅极绝缘性能降低，损伤严重，进而导致推力器工作寿命缩短；严重时会引起电源处理单元（PPU）屏栅极和加速栅极电源输出异常，对电源一次母线造成冲击；不间断的电弧放电会对栅极表面造成严重破坏，溅射腐蚀所产生的多余物及金属碎屑可能造成栅极之间形成搭桥短路，可能导致栅极、PPU 乃至推力器永久失效。

图8 电弧放电的典型放电形态和电压电流波形Fig.8 Typical discharge form and voltage and current waveforms of arc discharge

本文结合光电测量手段，统计分析放电电压电流波形和放电光学行为，获取特征电压电流波形参数；根据电击穿的不同类型，以电压电流波形为依据，评估非预期电击穿对PPU 及栅极系统的危害性，并给出相应的处置建议，见表1。

表1 主要电击穿放电类型的评估及策略Table1 Evaluations for the main types of electrical breakdown discharge and suggestions

4 展望

目前针对离子电推进非预期电击穿问题，国际上采取抑制电流持续、快速增长的控制措施：当推力器双栅极之间电流瞬间增大且达到预设判据时，PPU 启动保护程序，对束流进行中断再加载，试验上表现为束流重启。

国内方面，兰州空间技术物理研究所开展了较多相关研究：通过磁场优化及栅极形状设计，加强栅极组件工作稳定性和结构强度，控制内部溅射沉积物和内部低气压环境，设计高强度陶瓷栅极绝缘屏蔽罩等来抑制离子推力器非预期电击穿频次；已就电击穿诱发因素和产生机理做出详细阐述，但目前对离子推力器组件间的耦合效应、系统相互作用效应、空间环境影响效应等与电击穿有关的作用机理仍在探究；已针对不同气体环境、不同工况下电击穿的主要放电类型及统计概率进行研究，但对放电特性、产生机理、发展过程和影响因素了解有限，尚未获得具有参考性的放电抑制判据；已结合离子推力器在轨测试及地面试验数据对离子推力器非预期天地差异性进行对比研究，但仍未系统掌握离子推力器电击穿的深层次规律。

离子推力器非预期电击穿是非常复杂的非预期放电现象，后续还需开展深入的理论研究和专项试验研究，才能提出标本兼治的非预期电击穿抑制策略，最终实现对非预期放电的主动抑制和控制。