离子推力器中空心阴极耦合放电的试验研究

赵志伟，张天平，冉文亮，李 璇

（兰州空间技术物理研究所，真空技术与物理重点试验室甘肃省空间电推进技术重点试验室，兰州 730000）

0 引言

直流放电式离子推力器是当前国内外应用比较广泛的一种电推力器[1-2]。空心阴极是直流放电式离子推力器中的关键部件，具有持续发射大量电子的能力，在推力器中的功能为点火启动、维持放电以及中和束流[3]，其中点火启动和维持放电由主阴极完成，中和束流由中和阴极完成。国内外研发的空心阴极的设计寿命普遍达到了数万小时甚至数十万小时，并且在试验室中通过了单独的工作寿命试验验证[4-6]。但在离子推力器工程应用实践中，工程师们发现，空心阴极在与推力器耦合放电时存在损耗速度较快、寿命缩短[7-9]的问题和风险，导致离子推力器寿命无法满足航天任务需求。

空心阴极在离子推力器中的损耗较快，主要表现为离子对触持极和节流孔等的轰击溅射腐蚀[10-13]。相关研究认为：阴极在离子推力器中耦合放电时所处的等离子体环境与单独试验时明显不同，是导致推力器中空心阴极工作寿命与单独试验验证寿命不一致的主要原因[14-16]。目前关于空心阴极单独试验的等离子体研究已有不少，包括空心阴极羽流区等离子体的探针诊断、光谱诊断等[17-20]，但对于离子推力器中空心阴极耦合放电的等离子体，由于测量难度大、成本高等原因，试验研究很少，而以计算仿真研究为主[20-22]。

显然，耦合放电试验数据的缺乏，使得直接对比单独放电和耦合放电情况下等离子体特性的差异，并进一步深入研究这种差异与空心阴极腐蚀之间的关系受到制约。针对这一现状，本文进行空心阴极与离子推力器的耦合放电试验研究，分别在不同的阳极电流、阳极气体流量、磁场强度以及放电室封闭条件下，利用朗缪尔三探针测量放电室内等离子体的电子温度、电子密度、空间电势等的分布情况，分析不同因素对等离子体参数的影响方式，以期为空心阴极在离子推力器不同等离子体环境中的损耗机制的深化研究提供直接和可靠的测试数据。

1 试验装置和测试平台

1.1 推力器和空心阴极

试验基于LIPS-300Z离子推力器[23]放电室模拟器及其配套的空心阴极进行，放电室内部结构如图1所示，完整的LIPS-300Z离子推力器包括：空心阴极、放电室、永磁体、栅极系统等。放电室模拟器在此基础上去掉了栅极系统，使得探针可以进入放电室中进行等离子体参数测量。放电室外的永磁体更换为电磁铁，分为柱段、锥一段和锥二段、三段，分别供电。励磁电流的大小可根据试验需求灵活调节，除了调节磁场强度之外，还可以通过改变三段励磁电流的比例调整磁场的空间分布。轴向和径向各选取7个测量点（轴向为①～⑦，径向为Ⅰ～Ⅶ），相邻点间隔20 mm，轴向第一点距离触持极60 mm，径向第一点位于轴线上。

图1 放电室结构与测量点示意图Fig.1 Schematic diagram of discharge chamber structure and measuring points

1.2 真空系统

试验在兰州空间技术物理研究所的TS3设备内进行，设备包含真空室、真空泵、真空计等。真空室内部长度1 m，直径1 m，配套的低真空泵为罗茨泵和涡旋泵，高真空泵为两路共4台分子泵，能够在1 h内将室内压力抽至10-4Pa量级，另有电阻规和电离规实时显示真空室内的压力。真空室壁上有多组法兰，用于电路和气路的连通，可支持最大50 cm3/min的工质流量以及20 A以上的阳极电流，保证试验的顺利进行。当本底压力低于8×10-4Pa时开始试验，通入工质气体后，放电室压力在9×10-3～2×10-2Pa之间波动。

1.3 探针及移动平台

等离子体参数的测量工具为朗缪尔三探针[24-25]，如图2所示。钨丝直径为0.5 mm，顶端裸露长度为5 mm，离子收集面积约为8.05 mm2。陶瓷管总长度为20 cm，内径为0.6 mm，外径为2 mm，足以保证整个测量范围内电绝缘。三根探针水平并排放置，用支架固定在移动平台上，移动平台用于实现对放电室截面等离子体参数的移动测量。

图2 朗缪尔三探针实物图Fig.2 Triple Langmuir probe

1.4 试验程序

试验控制的自变量有四个：阳极电流、阳极流量、磁场强度以及放电室的封闭程度。阳极电流分三种工况：5 A、10 A、15 A；阳极流量分三种工况：5 cm3/min、10 cm3/min、15 cm3/min；磁场分为两种工况；无磁场和励磁电流为0.1 A的弱磁场；放电室的密闭性通过在原栅极位置安装挡板来控制。试验中，阴极流量均为5 cm3/min，触持极电流均为2 A。

2 试验结果分析

2.1 阳极电流对放电等离子体特性的影响

图3～5是无磁场、无挡板情况下，不同阳极电流对应的电子温度、电子密度以及空间电势的轴向和径向分布，横坐标为测量点的序号，阳极流量为10 cm3/min。不同阳极电流下等离子体参数分布呈现出同样的趋势，即电子温度沿轴向持续升高，沿径向先升高后逐渐趋于平缓；电子密度沿轴向缓慢降低，沿径向几乎不变；空间电势沿轴向持续上升，沿径向先上升后趋于平缓，这表明仅改变阳极电流不影响放电室内等离子体参数的分布趋势。

图3 阳极电流对电子温度分布的影响Fig.3 Effect of anode current on electron temperature distribution

图4 阳极电流对电子密度分布的影响Fig.4 Effect of anode current on electron density distribution

图5 阳极电流对空间电势分布的影响Fig.5 Effect of anode current on spatial potential distribution

结合图3和图5可知，电子温度与空间电势的分布趋势类似，这主要是因为电子在放电室内一般是沿着与电场线相反的方向运动的，并在运动的过程中将电势能转化为动能，而空间电势的分布主要由放电室内的电场结构所决定。虽然理论上电子向放电室下游运动时其速度方向平行于阳极，电子不会获得能量，但放电室的实际电场结构不完全由阳极结构决定，还与阳极流量、电流等有关，轴线附近的电场线不完全平行于轴线。同时，有研究表明，部分电子从触持极向放电室下游运动的过程中，能量会有大幅度的增加[26]，这部分能量并非来自电势能的转化，可能与离子声波有关[27-28]。

从图4可以看出，电子密度沿轴向缓慢下降，原因是阴极发射的电子以及放电室内工质电离产生的电子在向下游运动的过程中，同时会沿着径向向阳极运动，导致轴线附近的电子数量逐渐减少，密度呈下降趋势。而径向上，由于测量位置比较靠后，等离子体在向前运动的过程中，束流密度趋于均衡，因此径向上的电子密度没有明显的梯度变化。

此外，阳极电流虽然不影响各参数的变化趋势，但会影响其数值大小。随着阳极电流的增加，电子温度降低，电子密度增大，空间电势上升。在阳极流量足够大的情况下，较小的阳极电流会使放电室内工质气体的电离率维持在一个较低的水平，电子密度较低而中性气体原子数量较多，因而电子碰撞中性气体的频率较高，导致电子平均温度反而降低。同时，电流的增大导致阳极电压升高，阴极等离子体的空间电势随之升高。

2.2 阳极气体流量对放电等离子体特性的影响

图6～8是三种不同的阳极流量下，电子温度、电子密度和空间电势的轴向和径向分布，各参数的分布趋势与图3～5相同。与阳极电流类似，仅改变阳极流量不影响放电室内等离子体参数沿轴向和径向的变化趋势。随着阳极流量的增加，放电室内的电子温度降低、电子密度增大，空间电势降低。在同样的放电电流下，增大阳极流量导致放电室内的等离子密度增加，载流子密度增大导致电子的平均能量降低，而由于等离子体电阻率的降低，导致阳极电压和等离子体空间电势都有所下降。

图6 阳极流量对电子温度分布的影响Fig.6 Effect of anode flow-rate on electron temperature distribution

图7 阳极流量对电子密度分布的影响Fig.7 Effect of anode flow-rate on electron density distribution

图8 阳极流量对空间电势分布的影响Fig.8 Effect of anode flow-rate on spatial potential distribution

结合图3～8可知，阳极电流和阳极流量的变化均会改变等离子体参数的大小。有研究表明，空心阴极的损耗与放电振荡有关[9]，放电振荡越剧烈，触持极、节流孔等结构部件损耗越快，而放电振荡的剧烈程度除了受到阳极结构、阴极-阳极距离等因素影响以外[14，29]，还与电子能量密切相关[30]。从图3、图6可以看出，当阳极电流或阳极流量发生变化时，触持极附近的电子温度显示出成倍的差距，由此导致的放电振荡剧烈程度很可能有较大差异。此外，在不同的阳极电流和阳极流量下，轴向①号点的电位有明显区别，该点距离触持极距离为60 mm，而触持极电流和阴极流量恒定不变，所以触持极电位一般不会有明显变化，当轴向①号点的空间电势升高时，该点与触持极之间区域的平均电场强度会增大，该区域的离子向触持极返流时，获得的能量相应地增大，溅射造成的腐蚀更严重。由于电子温度和空间电势受阳极电流和阳极流量的影响明显，因此阳极电流和阳极流量在空心阴极的损耗中很可能起着重要作用。

2.3 磁场对放电等离子体特性的影响

图9～11为放电室施加磁场前后的等离子体参数对比。由于离子推力器正常工作时的磁场强度太大，会影响探针的测量准确度，导致测量结果不可信，因此试验施加的磁场是励磁电流为0.1 A的弱磁场。通过COMSOL电磁场模块的计算，0.1 A励磁电流下放电室内的磁场强度在1.7×10-4～8.4×10-4T之间，经过B/p限制判据[25]的验证，该磁场强度在对等离子体产生束缚作用的同时，又不足以明显降低探针的测量精度，能够实现磁场对等离子体参数影响的试验对比。

图9 磁场对电子温度分布的影响Fig.9 Effect of magnetic field on electron temperature distribution

图10 磁场对电子密度分布的影响Fig.10 Effect of magnetic field on electron density distribution

图11 磁场对空间电势分布的影响Fig.11 Effect of magnetic field on spatial potential distribution

从图中可以看出，在施加柱形会切磁场之后，轴向电子温度、电子密度、空间电势的数值均有明显的增加，但递增的趋势仍然相似；而径向上，这些参数均随着测量点序号的增大而减小。原因是柱形会切磁场在放电室内部近似平行于轴线，因此对轴向的等离子体参数分布趋势没有明显影响，而径向上，磁场限制了电子做大范围运动，将电子束缚在轴线附近的区域，因而等离子体参数呈现出显著不同的分布趋势。在有磁场的情况下，电子若要运动至远离轴线的位置，必须频繁碰撞以改变速度方向来逃脱磁场的束缚，而频繁的碰撞会导致电子温度降低，因此远离轴线位置的电子温度明显下降。有研究显示[31]，在平行于轴线的磁场作用下，空心阴极触持极受到的溅射会被减弱，但同时也会使轴向上的离子通量增加，导致离子对触持极顶和节流孔的溅射腐蚀加剧。因此，磁场也是影响空心阴极损耗速度的重要原因之一。

2.4 放电室封闭程度对放电等离子体特性的影响

考虑到耦合放电与独立放电条件除磁场之外还有两方面的差异：阳极结构和放电室封闭程度，为了避免这两个因素的互相影响，对放电室封闭程度对放电等离子体特性的影响进行单独研究。试验中通过安装和拆卸放电室尾部的挡板来控制放电室的封闭程度。安装挡板前后的实物如图12所示，安装挡板前后的等离子体参数对比如图13～15所示。在有挡板的情况下，放电室的封闭程度接近离子推力器正常工作时的工况，能够在一定程度上模拟真实推力器放电室内的等离子体参数。从试验结果来看，安装挡板后，等离子体分布趋势没有明显的改变，但数值显著增大。原因有二：一是中性气体密度增大导致电离产生的总等离子体数目增多；二是产生的等离子体无法及时离开放电室而是累积起来，导致放电室内等离子体密度显著升高，这与增大阳极流量的影响类似，由于载流子数量以及碰撞频率的增大导致电子平均温度降低，阳极电压和空间电势随之降低。如图14（a）中有挡板的情况下，轴向中后段电子密度略高于前半段，就是由等离子体累积造成的。

图12 放电室有无挡板情况对比Fig.12 Comparison of discharge chamber with and without baffle

图13 放电室封闭程度对电子温度分布的影响Fig.13 Effect of discharge chamber sealing on electron temperature distribution

图14 放电室封闭程度对电子密度分布的影响Fig.14 Effect of discharge chamber sealing on electron density distribution

图15 放电室封闭程度对空间电势分布的影响Fig.15 Effect of discharge chamber sealing on spatial potential distribution

放电室不安装挡板时的等离子体密度显著低于安装挡板的情况，而在单独的放电试验中，空心阴极周围更加开阔，由此可以合理推测，单独测试空心阴极时，触持极附近的等离子体密度远低于离子推力器放电室内的，因此，两种情况下轰击触持极和节流孔的离子通量也有明显差异。这也是空心阴极在离子推力器中耦合放电损耗过快的原因之一。

3 结论与展望

本研究通过空心阴极与离子推力器的耦合放电试验，分析了不同因素对放电室内等离子体参数的影响，试验结论如下：

（1）阳极电流和阳极流量会影响离子推力器放电室内的等离子体参数大小，但不影响参数在轴向和径向上的整体变化趋势，具体表现为：①随着阳极电流增大：轴向的电子温度降低、电子密度增大、空间电势升高；②随着阳极流量增大：轴向的电子温度降低、电子密度增大、空间电势下降；③径向上，轴线附近的电子温度、电子密度、空间电势随阳极电流和阳极流量的变化趋势与轴向相同，但远离轴线的位置，参数变化规律发生了改变，随阳极电流和阳极流量的增加呈现非单调变化趋势。

（2）磁场对等离子体参数的空间分布和大小均有影响，本质上是通过束缚等离子体（主要是电子）的径向运动来实现的。施加磁场后，径向电子温度和空间电势由缓慢升高变为急剧下降，径向电子温度由基本稳定变为逐渐下降。轴向上，施加磁场前后等离子体参数的变化规律保持一致，但数值明显增大。

（3）放电室的封闭性对其内的等离子体参数大小有显著影响，有挡板工况下电子密度高于无挡板工况，电子温度和空间电势低于无挡板工况，但参数沿轴向和径向的变化规律不随放电室的封闭性变化。

综上，在空心阴极与离子推力器的耦合放电中，阳极电流、阳极流量、磁场强度以及放电室的封闭程度会影响离子推力器放电室内的等离子密度、平均能量和电场结构等，间接地改变轰击空心阴极触持极等的离子能量和离子通量，导致空心阴极在不同条件下的损耗速度存在明显差异。要进一步研究空心阴极在离子推力器中损耗较快的机制，必须对耦合试验等离子体数据与空心阴极单独试验等离子体数据进行详细对比及分析，这是下一步研究工作的重点。