馮 杰，劉明正，王彥龍，陳新偉，王 蒙，楊俊泰，田立成

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

近些年來，我國在低地球軌道（LEO）的任務，如空間站電位主動控制系統(tǒng)、重力梯度衛(wèi)星等日益增多。LEO（高度為200～600 km范圍）環(huán)境中含有N、O、Ar、He和H等多種成分，其中原子氧由于其強氧化性[1]及在LEO中性大氣中的數(shù)量占比高達80%而被視為重要的空間環(huán)境因素之一。在LEO航天產(chǎn)品的研發(fā)過程中，通常使用地面試驗來模擬研究原子氧對航天器的影響。

空心陰極是電位主動控制系統(tǒng)、離子推力器、霍爾推力器的核心組件，是影響單機及系統(tǒng)長壽命及高可靠的主要限制因素之一[2-3]。為驗證空心陰極的壽命及可靠性，國外開展過多項驗證試驗，如美國完成了“深空一號”離子推力器陰極16 000 h的空間飛行驗證試驗以及30 000 h的地面驗證試驗[4-6]。另外，美國設(shè)計的大發(fā)射電流鋇鎢空心陰極隨NEXT離子推力器在輸入功率6.9 kW、束流3.52 A工況下進行了地面壽命考核，截至2007年9月累計完成了 11 570 h的考核試驗[7]。國內(nèi)，蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LHC-5L型空心陰極已裝配于SJ-9A衛(wèi)星離子電推進系統(tǒng)LIPS-200離子推力器作為主陰極及中和器，并于2012年11月完成了在軌超過240次的點火工作試驗[8]。但這些試驗僅對空心陰極的基本性能進行了測試，并未涉及原子氧對空心陰極影響的研究。

空心陰極在低軌工作時長期暴露于原子氧環(huán)境中，由于其工作溫度較高，構(gòu)成空心陰極的鉭、鈦、六硼化鑭等材料有可能在高溫下與原子氧發(fā)生反應而導致陰極組件失效，進而導致系統(tǒng)或單機產(chǎn)品在軌失效。因此，有必要開展原子氧環(huán)境對空心陰極影響的研究工作。

雖然可以直接通過在軌飛行驗證的方法來開展原子氧效應試驗，但該方法不僅成本昂貴，而且無法對產(chǎn)品故障進行及時分析。地面模擬試驗方法則沒有這些限制，可以使用較低的成本、依據(jù)所需的條件開展試驗，并在短時間內(nèi)獲得所需的試驗結(jié)果。本次試驗中通入的原子氧通量密度按照空心陰極在軌運行期間慣性姿態(tài)下1年的總通量進行折算，期間空心陰極按照額定工況進行循環(huán)點火試驗，并采用鎢錸5-26熱電偶監(jiān)測陰極管溫度。試驗后，對空心陰極組件進行解剖，通過XPS分析空心陰極關(guān)鍵部位的成分，最終通過分析結(jié)果確定原子氧對空心陰極組件的影響。

1 試驗裝置及產(chǎn)品

地面模擬試驗在蘭州空間技術(shù)物理研究所的TS-5B系列真空試驗裝置中開展。該裝置包括LHC-5六硼化鑭空心陰極組件、供電系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、測試儀器設(shè)備及真空艙，具體見圖1所示。真空艙容積為φ0.5 m×1.1 m(L)，配備螺桿泵和分子泵，考核試驗中工作真空度保持在10-4Pa的量級。在空心陰極觸持極前7.0cm處放置鉬制圓形陽極板以模擬離子推力器中的陽極筒。艙內(nèi)配備量程為 0.68 mg/s的 BROOKS SLA5850S 流量控制器控制陰極供氣流量。供氣管路在真空艙外使用不銹鋼管，艙內(nèi)使用波紋管，所有管路內(nèi)表面均進行電拋光處理，工質(zhì)氣體為高純氙氣。

圖1 空心陰極試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the hollow cathode test facility

原子氧由真空艙側(cè)面通入，原子氧的通量密度為 1.2×1016AO/(cm2·s) ，試驗累計進行 60 h，用以模擬空心陰極在軌飛行1年期間受到原子氧影響的總量。試驗中，空心陰極進行循環(huán)開關(guān)機操作，陰極供氣流量設(shè)置為0.136 mg/s，加熱電流設(shè)置為7.5 A。當真空艙內(nèi)壓力恒定后，開啟加熱電源，加熱2 min后，開啟觸持電源、點火電源進行點火。陰極點火成功后，于10 s內(nèi)關(guān)閉加熱電源，持續(xù)放電15 min后關(guān)閉陰極。期間使用鎢錸5-26熱電偶測量陰極管溫度。冷卻期間，停止對空心陰極的氙氣供應并持續(xù)通入原子氧，冷卻30 min后進行下一次放電試驗。

測溫系統(tǒng)采用3路電源供電。采用30 V、25 A的恒流源為加熱器供電。點火電源脈沖電壓900～1000 V、t≤5 000 μs，用以為點火過程提供脈沖高壓擊穿工質(zhì)氣體，進而建立自持放電過程。試驗中使用計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集陽極電壓、陽極電流、觸持電壓、觸持電流、流量等關(guān)鍵性能參數(shù)，并將其每隔1 min寫入工控機硬盤。

試驗完畢后，對空心陰極進行解剖，并對其陰極管斷面及內(nèi)壁面進行XPS分析，以確定原子氧在高溫下對于陰極的影響。

參試產(chǎn)品為由蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LHC-5型六硼化鑭空心陰極，其幾何結(jié)構(gòu)與研制工藝均與已應用于LHT-100、LIPS-200推力器產(chǎn)品完成在軌飛行試驗驗證的空心陰極一致。空心陰極組件主要包括陰極管、加熱絲、發(fā)射體、熱屏、觸持極和法蘭等，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 LHC-5 空心陰極結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the LHC-5 hollow cathode

2 原子氧效應地面模擬試驗

航天器所用材料在原子氧作用下，其力學、熱學、熱電子發(fā)射特性都會發(fā)生變化，這將導致航天器關(guān)鍵部組件無法穩(wěn)定工作，進而對航天器的正常工作產(chǎn)生明顯影響。因此，為準確理解原子氧對空心陰極的影響并獲得空心陰極工作期間溫度變化的準確情況，試驗中使用熱電偶監(jiān)測陰極管溫度。圖3為陰極在工作期間，從開始加熱至關(guān)閉加熱電源期間陰極管的溫度變化曲線。由于空心陰極的熱平衡溫度與放電電流大小直接相關(guān)，為更加接近空心陰極在軌工作真實工況，試驗中設(shè)置了0、3和5 A三種不同大小的陽極電流。

從圖3可以看出，陰極管溫度首先升高，當達到建立自持放電所需閾值時陰極點火成功。對應的，陰極管的溫度將立即下降至熱平衡點。持續(xù)放電15 min后，關(guān)閉陰極觸持、陽極電源，由于外部電場消失，等離子體放電無法維持，陰極管的溫度將立即下降。試驗結(jié)果表明，陰極管溫度降至250 ℃需要約900 s。而且，陽極電流越大，空心陰極降至同樣溫度所需的時間越長。

圖3 陰極管溫度隨工作時間的變化曲線Fig.3 Cathode tube temperature vs work time

陽極電流與陰極管溫度之間呈現(xiàn)出的正比關(guān)系可以通過圖4所示的函數(shù)關(guān)系給出解釋。圖4為陽極功率、陽極電壓與陽極電流之間的關(guān)系，可以看出，當陽極電流增大時，空心陰極的陽極電壓會隨之下降，但由于陽極電流的增大速率要超過陽極電壓的減小速率，使得陽極功率總體上呈現(xiàn)出上升趨勢。對于某種特定的空心陰極而言，其散熱能力是一定的。因此，當增大陽極電流，陽極功率上升時，除去通過真空輻射損失掉的熱量外，其他熱量均沉積在空心陰極本體上，使得陰極管的溫度對應上升。

圖4 陽極電壓和功率隨陽極電流的變化曲線Fig.4 Anode voltage and power vs anode current

當模擬試驗進行至第40 h時，空心陰極點火后僅6 min即出現(xiàn)熄弧。之后空心陰極失效，無法正常工作。為確認導致空心陰極失效的原因，拆解空心陰極，發(fā)現(xiàn)鉭材質(zhì)的陰極管上出現(xiàn)了長度為15mm的縱向裂紋，開裂端面呈現(xiàn)出明顯的疏松層狀形貌；除鉭管外其他部位均無異常。為確認導致鉭管開裂的原因，使用XPS對陰極管斷面及內(nèi)壁面進行了成分分析。

3 成分檢測與分析

3.1 成分檢測方法簡述

原子氧試驗前使用英國Oxford公司的X-Max50型X射線能譜儀對陰極管的成分進行分析。試驗后陰極鉭管斷面及內(nèi)壁面的成分分析則使用美國PE公司的PHI-5400型X射線光電子能譜儀，分析室真空度為1.0×10-8Pa，用C1s電子校正樣品的核電效應，其電子結(jié)合能為285.10 eV。

3.2 試驗前陰極管成分分析

在進行原子氧試驗前，為保證試驗結(jié)果的準確性。從陰極管端面提取少量片狀樣品采用X射線能譜儀（EDS）進行成分分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 陰極管 EDS 圖譜Fig.5 EDS spectrum of the cathode tube

從圖5可以看出，試驗前陰極管除了主要成分Ta外，只含B、C兩種元素。其中，B來自于與鉭管接觸的六硼化鑭發(fā)射體材料，是由于六硼化鑭中活性較強的B原子在與鉭管長期接觸過程中會擴散至鉭晶格中；C元素則來自于成分分析時黏附樣品使用的導電膠。因此可以認為，試驗前陰極管成分單一，不含其他雜質(zhì)。

3.3 陰極管斷面成分分析

當原子氧試驗結(jié)束后，為確定原子氧對空心陰極的影響，對陰極進行了解剖并對對應部位進行了XPS分析。圖6為空心陰極暴露在原子氧環(huán)境中60 h后的陰極管斷面XPS全譜圖，錄譜范圍為0～1400 eV。由圖可知，空心陰極斷面的元素組成包括 Ta、O、C。

圖6 陰極管斷面的 XPS 圖譜Fig.6 XPS pattern of the cathode tube section

為了研究以上所述各元素的化學狀態(tài)，通過窄掃描得到了各元素的高分辨率XPS圖，對其進行高斯擬合得到的Ta4f峰由結(jié)合能為28.70、30.78和32.95 eV 的三峰構(gòu)成（見圖7(a)）。Ta2O5中 Ta4f的結(jié)合能為26.8 eV，在上述三峰范圍之內(nèi)，證實暴露在原子氧輻照下的陰極管斷面出現(xiàn)了Ta2O5。圖7(b)中C1s具有2個雙重態(tài)位置峰（285.10和287.32 eV），其中結(jié)合能為285.10 eV的C1s用于校正樣品的核電效應；結(jié)合能為287.32 eV的峰對應于用于隔離六硼化鑭發(fā)射體與陰極管的碳化鉭。圖7(c)所示的O1s出現(xiàn)了1個結(jié)合能為533.3 eV的峰值，經(jīng)過標定，其對應的是金屬氧化物中O2-的化學價態(tài)，此處即對應Ta2O5[9-10]。

圖7 陰極管斷面成分中各元素的高分辨率XPS圖譜Fig.7 High-definition XPS spectra of elements in the cathode tube section

3.4 陰極管內(nèi)壁面成分分析

圖8為經(jīng)歷原子氧試驗測試后的陰極管內(nèi)壁面XPS圖譜。由圖可知，陰極管內(nèi)壁面和陰極管斷面的XPS寬掃描譜具有相似的特點，空心陰極內(nèi)壁面的主要元素組成也是Ta、O、C。

圖8 陰極管內(nèi)壁面的 XPS 圖譜Fig.8 XPS spectrum over a wide energy range on the inner face of the cathode tube

空心陰極內(nèi)壁面成分中各元素的高分辨率XPS圖譜如圖9所示，對其在常規(guī)方法去除本底后進行高斯擬合得到的Ta4f峰由結(jié)合能為30.82和32.81 eV 的雙峰構(gòu)成（參見圖9(a)），對應于 Ta5+的化學價態(tài)。由O元素的XPS窄掃描譜（圖9(c)）可以看到，譜峰的結(jié)合能是535 eV，對應于金屬氧化物中O2-的化學價態(tài)。因此可以判定，陰極管內(nèi)壁面有Ta2O5存在。

根據(jù)文獻報道[11]，當環(huán)境溫度大于250 ℃時，金屬鉭會按照以下方式反應并生成氧化物：

圖9 陰極管內(nèi)壁面成分中各元素的高分辨率XPS圖譜Fig.9 XPS spectra of the cathode tube inner face

導致陰極管開裂的氧化鉭是在高溫下形成的，因此可以判定氧化鉭中的O元素主要來自于在加熱狀態(tài)下進行的原子氧試驗過程而非試驗后陰極管在常溫狀態(tài)下對氧的吸附。試驗中陰極持續(xù)工作在高溫環(huán)境下，關(guān)機冷卻后由于高純氙氣已停止通入，此時鉭材質(zhì)的陰極管就會在沒有保護氣體的情況下發(fā)生氧化。這一過程不斷重復，陰極管被氧化部分會變得膨脹、疏松，并由于應力作用最終開裂。陰極管開裂后，作為工質(zhì)氣體的高純氙氣無法穩(wěn)定地通入空心陰極發(fā)射體區(qū)，因此空心陰極就會出現(xiàn)熄弧。為此，應優(yōu)化空心陰極的在軌點火流程，保證陰極在斷電后繼續(xù)通入高純氙氣作為保護氣體，直至陰極的溫度下降至250 ℃的臨界氧化溫度以下才可停止供氣。

4 結(jié)束語

原子氧環(huán)境對空心陰極影響的地面模擬試驗研究表明，如果六硼化鑭型空心陰極長期工作在不加任何保護措施的LEO原子氧環(huán)境中，陰極管將在高溫下與原子氧發(fā)生反應，生成膨松的Ta2O5，導致陰極管斷裂，最終使得空心陰極失效。因此，六硼化鑭型空心陰極在LEO工作期間，應該制定正確的關(guān)機策略，例如使空心陰極在到達安全閾值溫度之前在其中持續(xù)通入保護氣體，以避免發(fā)生氧化反應而對陰極組件造成損傷。

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