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上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200240

霍爾推力器屬于電推進裝置的一種，其電磁場的結(jié)構(gòu)對于穩(wěn)定運行十分重要。推力器中的放電通道壁面起到保護磁極的作用，但在長時間的運行過程中通道壁面受到離子的轟擊而發(fā)生濺射削蝕，最終導(dǎo)致磁極暴露在離子流中，此時霍爾推力器的電磁場會發(fā)生極大改變，不能維持正常的運行狀態(tài)，導(dǎo)致壽命終結(jié)。對于提高霍爾推力器壽命的研究主要從兩方面考慮：1)控制離子的運動，減少其對壁面的轟擊;2)提高壁面的抗濺射性能，減緩削蝕速率。

一般調(diào)整離子的運動需要涉及磁場的優(yōu)化，例如莫斯科MIREA學(xué)院與法國SEP公司合作設(shè)計的ATON-SPT[1]，具有凸向陽極的磁場形狀，能使離子流向通道中心聚集，從而減小對壁面的轟擊。但優(yōu)化磁場一般需要重新設(shè)計推力器結(jié)構(gòu)，難度較大[2]，所以對于現(xiàn)有的推力器來說，主要以提高壁面的抗濺射性能來延長使用壽命，目前常用的通道壁面材料是BNSiO2，其在抗濺射方面的能力并不優(yōu)秀。在國外的一些文獻中，有學(xué)者研究用金剛石來提高電推力器某些部件的抗濺射能力。文獻[3-4]將金剛石作為離子推力器的加速柵極，替代原來的鉬和C-C材料，通過進行濺射腐蝕率的對比試驗，發(fā)現(xiàn)鉬和C-C復(fù)合材料的濺射產(chǎn)額分別是金剛石的7～12倍和1.5倍。文獻[5]研究了金剛石作為通道內(nèi)壁材料對低功率的線型霍爾推力器的影響，通過濺射產(chǎn)額的對比試驗，發(fā)現(xiàn)金剛石的濺射產(chǎn)額要比BN陶瓷低25%，在進行放電性能測試試驗時，使用金剛石作為通道壁面時可以在200 V以上的工作電壓下正常運行。

以上文獻說明，金剛石有優(yōu)良的抗濺射性能，且有用于某些電推力器上的可能。目前許多電推力器的壽命可達15 000 h以上，且穩(wěn)態(tài)等離子體推力器(Steady Plasma Thruster，SPT)的壽命一般為幾千小時，依然有很大提升空間。故本文將對金剛石用于SPT的可行性和對壽命提高的效果方面開展研究。

1 金剛石應(yīng)用于霍爾推力器的可 行性分析

雖然金剛石的抗濺射性能優(yōu)于BN陶瓷，可以減緩壁面的削蝕，有提高推力器壽命的價值，但需要考慮其加工的操作性，并且保證將金剛石替代BN陶瓷后，能夠不影響推力器原有的放電性能。在材料加工方面，可以采用鍍膜的方式將金剛石鍍在氮化硼陶瓷表面，例如化學(xué)氣相沉積法鍍膜(Chemical Vapor Deposition ,CVD)，或者直接制備出毫米級厚度的金剛石膜[6]。在放電性能方面，推力器的磁場和壁面二次電子發(fā)射是影響霍爾推力器工作的兩個重要因素，本文從這兩方面進行分析。

1.1 金剛石對磁場的影響

對于霍爾推力器而言，合適的磁場結(jié)構(gòu)是推力器正常工作的前提條件，適宜的磁場分布可以將電子束縛在通道內(nèi)，使氙原子發(fā)生電離，同時在通道內(nèi)形成虛擬陰極，使電離出的氙離子加速向出口移動。在霍爾推力器中，絕緣通道采用非導(dǎo)磁材料，只作為磁極的保護結(jié)構(gòu)，對磁力線的走向和場強的分布沒有影響。金剛石與氮化硼陶瓷都不屬于磁性材料，且將氮化硼陶瓷換成金剛石并沒有改變推力器其他部位的結(jié)構(gòu)，推力器的磁場不會受到影響。

1.2 金剛石對壁面二次電子發(fā)射的影響

壁面二次電子的發(fā)射會對通道內(nèi)電子的傳導(dǎo)產(chǎn)生影響，從而改變通道內(nèi)部的軸向和徑向電勢，或改變電子的密度和溫度，對離子的運動和工質(zhì)的電離產(chǎn)生影響。文獻[7]提到BNSiO2的二次電子發(fā)射系數(shù)對于霍爾推力器最為合適，可以使推力器效率達到最優(yōu)，但同時研究表明在加速區(qū)布置二次電子發(fā)射系數(shù)比BNSiO2低的壁面材料可以提高推力器的放電性能。金剛石、BN都屬于寬禁帶材料，電子親和勢低，表面的低能二次電子容易脫離束縛發(fā)射出去，所以兩者的二次電子發(fā)射特性比較相似[8]，且通過不同的制備方法可以使金剛石有不同的二次電子發(fā)射系數(shù)，若金剛石的二次電子發(fā)射系數(shù)比BNSiO2小，還有可能提高推力器性能。

2 金剛石濺射產(chǎn)額測量試驗

為研究金剛石對霍爾推力器壽命的提高程度，本文需要得到金剛石的濺射產(chǎn)額：

式中：Y為濺射產(chǎn)額，表示某一個能量為E、入射角為θ的離子在材料表面濺射出的原子數(shù)，單位為atom/ion或可換算為mm3/C；Y(E)為濺射能量系數(shù)；Y(θ)為濺射角度系數(shù)[9]。

目前只有文獻[3]通過試驗得到了金剛石的濺射產(chǎn)額隨能量變化的關(guān)系曲線Y(E)，但目前沒有文獻給出金剛石濺射產(chǎn)額隨角度變化的關(guān)系，故本文通過試驗，補充角度關(guān)系式Y(jié)(θ)。

試驗采用稱重法進行測量，即通過稱量濺射試驗前后試件的質(zhì)量，求出一定時間內(nèi)的濺射損失質(zhì)量，進而得到金剛石的濺射產(chǎn)額。本文采用的試件是4片直徑2 cm、厚度2 mm的圓片，材料為BNSiO2，并在其表面鍍上厚度大約為4～6 μm的金剛石膜，在離子源下經(jīng)過30 h的連續(xù)濺射試驗，通過安裝支架的配合，可以使入射的離子與試件表面法向的夾角分別是0°、45°、60°、75°。濺射試驗在直徑1.2 m、長為3.36 m的真空艙內(nèi)進行，真空度為1.3×10-3Pa，其尺寸和真空度水平可基本保證濺射不受背景粒子的干擾。在濺射試驗過程中，離子源采用上?？臻g推進研究所提供的SPT-70，在穩(wěn)定運行下能提供能量300 eV左右的離子流，采用RPA探針和法拉第筒對離子流的能量和電流密度進行測量，根據(jù)RPA測量得到離子流能量為270 eV，法拉第筒測得離子流密度為1.562 5 mA/cm2。濺射后根據(jù)稱重法得到的濺射產(chǎn)額如表1所示。

表1 濺射產(chǎn)額試驗測量結(jié)果Table 1 Sputtering yield of CVD diamond-BN material

本文的試驗條件與文獻[10]中測量氮化硼濺射產(chǎn)額的試驗條件相同，可以對比兩種材料的濺射產(chǎn)額隨離子入射角度的變化(見圖1)，可以發(fā)現(xiàn)在0°～90°范圍內(nèi)的金剛石濺射產(chǎn)額均比BN陶瓷小，整體相對減少75%。兩種材料的濺射產(chǎn)額在0°～60°內(nèi)，都隨著入射角度的增加而增大，但金剛石的變化趨勢更加明顯。

角度關(guān)系經(jīng)驗公式[11]：

式中：θopt表示在入射離子的能量不變的條件下，產(chǎn)生濺射產(chǎn)額最多時對應(yīng)的離子入射角，由圖1試驗數(shù)據(jù)確定金剛石材料的θopt在60°～75°范圍內(nèi)。f是一個由試驗來確定的經(jīng)驗參數(shù)，在Origin中通過擬合確定參數(shù)f為15，如圖2所示。

3 金剛石壁面濺射削蝕的模擬

3.1 仿真模型和方法

數(shù)值計算是研究推力器壁面濺射腐蝕的主要研究方式，可以節(jié)約大量的試驗成本，主要有以下幾種方法：第一種方法是基于試驗的半經(jīng)驗公式法；第二種方法是基于彈性碰撞原理的簡易解析模型法；第三種方法是全粒子追蹤與直接蒙特卡洛混合算法(Particle In Cell/Direct Simulation Monte Carlo method，PIC/DSMC)。在沒有金剛石鍍膜推力器短壽命試驗結(jié)果的情況下，無法使用半經(jīng)驗公式法。第三種算法與第二種算法相比，可以模擬推理器內(nèi)真實的粒子運動過程[12]，可考慮的影響因素更全面，也曾在文獻[13]中被用來模擬壁面的削蝕。故本文采用第三種方法來模擬SPT-70的濺射削蝕。推力器結(jié)構(gòu)如圖3所示，通道長度L是28 mm，內(nèi)徑R1為20.8 mm，外徑R2為35 mm，設(shè)定整個內(nèi)外壁都是金剛石材料。

PIC/DSMC混合算法中，可以提供入射到壁面的離子的狀態(tài)參數(shù)，如能量E和角度θ，判斷入射能量E是否大于濺射閾值Eth，其代表使靶材發(fā)生濺射的最小離子能量，根據(jù)文獻[14]其計算方法如下：

式中：Us和γ分別代表靶材表面束縛能和能量參數(shù)。通過計算得到C單質(zhì)的濺射閾值為134 eV。

若E大于Eth，則判斷此離子可以使壁面發(fā)生濺射，并將濺射量分配在壁面網(wǎng)格中。在模擬時還要考慮壁面輪廓動態(tài)變化，本文采用的方法是每積累一定的濺射深度就對入射角進行修正，如圖4所示，修正后的入射角等于θ+ɑ。

3.2 方法驗證

根據(jù)以上方法模擬了BN陶瓷173 h后的壁面形貌變化情況，并與SPT-70運行17 h后的短壽命試驗數(shù)據(jù)[10]進行對比(見圖5)，可以看出壁面輪廓的模擬結(jié)果基本符合實際測量值，誤差在可接受的范圍內(nèi)，表明這種模擬方法的模擬結(jié)果具有一定的參考意義，故可以用來模擬采用金剛石壁面后SPT的通道壁面形貌變化的結(jié)果。

3.3 金剛石壁面輪廓的模擬結(jié)果

本文模擬了金剛石壁面在173 h后的輪廓形貌，并將模擬結(jié)果與氮化硼陶瓷壁面輪廓[10]進行對比，如圖6所示。氮化硼陶瓷壁面在距離推力器出口約5 mm的地方就開始發(fā)生濺射，而金剛石壁面在距離通道大約2 mm的地方才出現(xiàn)較明顯削蝕。此外，氮化硼陶瓷壁面的濺射深度要比金剛石大很多。在173 h內(nèi)，金剛石通道內(nèi)外壁的最大濺射深度為0.077 mm和0.068 8 mm，而BN陶瓷通道的內(nèi)外壁面最大濺射深度分別是0.7 mm和0.6 mm，大約是金剛石壁面的10倍和8倍。

模擬結(jié)果說明使用金剛石可以減緩霍爾推力器壁面的削蝕速率，并且削蝕的范圍也有所減小，這是因為金剛石本身的濺射產(chǎn)額就比氮化硼陶瓷小，且金剛石的濺射閾值為134 eV，而氮化硼的閾值是60 eV，所以只有在很接近通道出口附近的Xe+才能獲得足夠的能量，使金剛石發(fā)生濺射。

本文還模擬了SPT-70長時間運行后金剛石壁面的內(nèi)壁和外壁的半徑變化，如圖7所示?？梢钥闯鰹R射始終發(fā)生在距離推力器出口2 mm的范圍內(nèi)，而出口附近的壁面濺射深度不斷加深，壁面表面與軸線的夾角越來越大，在5 000 h后會形成約25°傾斜度，此時入射離子的實際入射角也相應(yīng)增大。而本文的試驗表明，在入射角大于75°后金剛石的濺射產(chǎn)額已經(jīng)很微弱。所以隨著運行時間的增加，金剛石壁面的傾斜程度會明顯增加，導(dǎo)致濺射削蝕的速率減小。

本文以出口處的最大濺射深度作為對壽命影響的考量，金剛石的內(nèi)外壁面的最大濺射深度如表2所示。根據(jù)表2，金剛石壁面經(jīng)過5 000 h的濺射轟擊，其最大深度在大約0.65 mm的范圍內(nèi)，而在文獻[10]中，氮化硼壁面經(jīng)過173 h的濺射后，出口處的最大濺射深度就已經(jīng)達到0.65 mm左右。

表2 金剛石通道內(nèi)外壁最大濺射深度Table 2 Maximum depth of inside and outside wall of diamond

以上結(jié)果表明相同厚度的金剛石能承受的濺射時長比氮化硼陶瓷高出一個量級，對延緩壁面的削蝕有明顯效果?？紤]到工藝難度和成本，不宜大面積替換金剛石，可僅將通道出口受到濺射最嚴重的地方換成金剛石，將壁面設(shè)計為如圖8所示。

4 結(jié)束語

本文通過試驗證明了在相同能量和入射角的離子的濺射下，金剛石的濺射產(chǎn)額要比BN陶瓷小，在入射角為0°～90°的范圍內(nèi)，金剛石的濺射產(chǎn)額比BN相對減少75%。且通過PIC/DSMC法對壁面輪廓進行模擬的結(jié)果表明0.7 mm厚的金剛石可經(jīng)受5 000～6 000 h的濺射轟擊，而同樣厚度的BN陶瓷只能承受200 h左右的濺射。故金剛石對于延緩壁面削蝕，延長推力器壽命有明顯的效果。

本文的結(jié)果還需要后續(xù)對采用金剛石壁面的SPT推力器進行短壽命試驗，一方面驗證壁面輪廓的實際削蝕情況，另一方面考察對放電性能和效率的影響。

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