趙志偉，張?zhí)炱?，冉文亮，?璇

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空技術(shù)與物理重點(diǎn)試驗(yàn)室甘肅省空間電推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

直流放電式離子推力器是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的一種電推力器[1-2]?？招年帢O是直流放電式離子推力器中的關(guān)鍵部件，具有持續(xù)發(fā)射大量電子的能力，在推力器中的功能為點(diǎn)火啟動(dòng)、維持放電以及中和束流[3]，其中點(diǎn)火啟動(dòng)和維持放電由主陰極完成，中和束流由中和陰極完成。國(guó)內(nèi)外研發(fā)的空心陰極的設(shè)計(jì)壽命普遍達(dá)到了數(shù)萬(wàn)小時(shí)甚至數(shù)十萬(wàn)小時(shí)，并且在試驗(yàn)室中通過(guò)了單獨(dú)的工作壽命試驗(yàn)驗(yàn)證[4-6]。但在離子推力器工程應(yīng)用實(shí)踐中，工程師們發(fā)現(xiàn)，空心陰極在與推力器耦合放電時(shí)存在損耗速度較快、壽命縮短[7-9]的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致離子推力器壽命無(wú)法滿足航天任務(wù)需求。

空心陰極在離子推力器中的損耗較快，主要表現(xiàn)為離子對(duì)觸持極和節(jié)流孔等的轟擊濺射腐蝕[10-13]。相關(guān)研究認(rèn)為：陰極在離子推力器中耦合放電時(shí)所處的等離子體環(huán)境與單獨(dú)試驗(yàn)時(shí)明顯不同，是導(dǎo)致推力器中空心陰極工作壽命與單獨(dú)試驗(yàn)驗(yàn)證壽命不一致的主要原因[14-16]。目前關(guān)于空心陰極單獨(dú)試驗(yàn)的等離子體研究已有不少，包括空心陰極羽流區(qū)等離子體的探針診斷、光譜診斷等[17-20]，但對(duì)于離子推力器中空心陰極耦合放電的等離子體，由于測(cè)量難度大、成本高等原因，試驗(yàn)研究很少，而以計(jì)算仿真研究為主[20-22]。

顯然，耦合放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏，使得直接對(duì)比單獨(dú)放電和耦合放電情況下等離子體特性的差異，并進(jìn)一步深入研究這種差異與空心陰極腐蝕之間的關(guān)系受到制約。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文進(jìn)行空心陰極與離子推力器的耦合放電試驗(yàn)研究，分別在不同的陽(yáng)極電流、陽(yáng)極氣體流量、磁場(chǎng)強(qiáng)度以及放電室封閉條件下，利用朗繆爾三探針測(cè)量放電室內(nèi)等離子體的電子溫度、電子密度、空間電勢(shì)等的分布情況，分析不同因素對(duì)等離子體參數(shù)的影響方式，以期為空心陰極在離子推力器不同等離子體環(huán)境中的損耗機(jī)制的深化研究提供直接和可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置和測(cè)試平臺(tái)

1.1 推力器和空心陰極

試驗(yàn)基于LIPS-300Z離子推力器[23]放電室模擬器及其配套的空心陰極進(jìn)行，放電室內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，完整的LIPS-300Z離子推力器包括：空心陰極、放電室、永磁體、柵極系統(tǒng)等。放電室模擬器在此基礎(chǔ)上去掉了柵極系統(tǒng)，使得探針可以進(jìn)入放電室中進(jìn)行等離子體參數(shù)測(cè)量。放電室外的永磁體更換為電磁鐵，分為柱段、錐一段和錐二段、三段，分別供電。勵(lì)磁電流的大小可根據(jù)試驗(yàn)需求靈活調(diào)節(jié)，除了調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度之外，還可以通過(guò)改變?nèi)蝿?lì)磁電流的比例調(diào)整磁場(chǎng)的空間分布。軸向和徑向各選取7個(gè)測(cè)量點(diǎn)（軸向?yàn)棰佟?，徑向?yàn)棰瘛鳎噜忺c(diǎn)間隔20 mm，軸向第一點(diǎn)距離觸持極60 mm，徑向第一點(diǎn)位于軸線上。

圖1 放電室結(jié)構(gòu)與測(cè)量點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of discharge chamber structure and measuring points

1.2 真空系統(tǒng)

試驗(yàn)在蘭州空間技術(shù)物理研究所的TS3設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，設(shè)備包含真空室、真空泵、真空計(jì)等。真空室內(nèi)部長(zhǎng)度1 m，直徑1 m，配套的低真空泵為羅茨泵和渦旋泵，高真空泵為兩路共4臺(tái)分子泵，能夠在1 h內(nèi)將室內(nèi)壓力抽至10-4Pa量級(jí)，另有電阻規(guī)和電離規(guī)實(shí)時(shí)顯示真空室內(nèi)的壓力。真空室壁上有多組法蘭，用于電路和氣路的連通，可支持最大50 cm3/min的工質(zhì)流量以及20 A以上的陽(yáng)極電流，保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行。當(dāng)本底壓力低于8×10-4Pa時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)，通入工質(zhì)氣體后，放電室壓力在9×10-3～2×10-2Pa之間波動(dòng)。

1.3 探針及移動(dòng)平臺(tái)

等離子體參數(shù)的測(cè)量工具為朗繆爾三探針[24-25]，如圖2所示。鎢絲直徑為0.5 mm，頂端裸露長(zhǎng)度為5 mm，離子收集面積約為8.05 mm2。陶瓷管總長(zhǎng)度為20 cm，內(nèi)徑為0.6 mm，外徑為2 mm，足以保證整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)電絕緣。三根探針?biāo)讲⑴欧胖?，用支架固定在移?dòng)平臺(tái)上，移動(dòng)平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)放電室截面等離子體參數(shù)的移動(dòng)測(cè)量。

圖2 朗繆爾三探針實(shí)物圖Fig.2 Triple Langmuir probe

1.4 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)控制的自變量有四個(gè)：陽(yáng)極電流、陽(yáng)極流量、磁場(chǎng)強(qiáng)度以及放電室的封閉程度。陽(yáng)極電流分三種工況：5 A、10 A、15 A；陽(yáng)極流量分三種工況：5 cm3/min、10 cm3/min、15 cm3/min；磁場(chǎng)分為兩種工況；無(wú)磁場(chǎng)和勵(lì)磁電流為0.1 A的弱磁場(chǎng)；放電室的密閉性通過(guò)在原柵極位置安裝擋板來(lái)控制。試驗(yàn)中，陰極流量均為5 cm3/min，觸持極電流均為2 A。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 陽(yáng)極電流對(duì)放電等離子體特性的影響

圖3～5是無(wú)磁場(chǎng)、無(wú)擋板情況下，不同陽(yáng)極電流對(duì)應(yīng)的電子溫度、電子密度以及空間電勢(shì)的軸向和徑向分布，橫坐標(biāo)為測(cè)量點(diǎn)的序號(hào)，陽(yáng)極流量為10 cm3/min。不同陽(yáng)極電流下等離子體參數(shù)分布呈現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)，即電子溫度沿軸向持續(xù)升高，沿徑向先升高后逐漸趨于平緩；電子密度沿軸向緩慢降低，沿徑向幾乎不變；空間電勢(shì)沿軸向持續(xù)上升，沿徑向先上升后趨于平緩，這表明僅改變陽(yáng)極電流不影響放電室內(nèi)等離子體參數(shù)的分布趨勢(shì)。

圖3 陽(yáng)極電流對(duì)電子溫度分布的影響Fig.3 Effect of anode current on electron temperature distribution

圖4 陽(yáng)極電流對(duì)電子密度分布的影響Fig.4 Effect of anode current on electron density distribution

圖5 陽(yáng)極電流對(duì)空間電勢(shì)分布的影響Fig.5 Effect of anode current on spatial potential distribution

結(jié)合圖3和圖5可知，電子溫度與空間電勢(shì)的分布趨勢(shì)類似，這主要是因?yàn)殡娮釉诜烹娛覂?nèi)一般是沿著與電場(chǎng)線相反的方向運(yùn)動(dòng)的，并在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中將電勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而空間電勢(shì)的分布主要由放電室內(nèi)的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)所決定。雖然理論上電子向放電室下游運(yùn)動(dòng)時(shí)其速度方向平行于陽(yáng)極，電子不會(huì)獲得能量，但放電室的實(shí)際電場(chǎng)結(jié)構(gòu)不完全由陽(yáng)極結(jié)構(gòu)決定，還與陽(yáng)極流量、電流等有關(guān)，軸線附近的電場(chǎng)線不完全平行于軸線。同時(shí)，有研究表明，部分電子從觸持極向放電室下游運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，能量會(huì)有大幅度的增加[26]，這部分能量并非來(lái)自電勢(shì)能的轉(zhuǎn)化，可能與離子聲波有關(guān)[27-28]。

從圖4可以看出，電子密度沿軸向緩慢下降，原因是陰極發(fā)射的電子以及放電室內(nèi)工質(zhì)電離產(chǎn)生的電子在向下游運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，同時(shí)會(huì)沿著徑向向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致軸線附近的電子數(shù)量逐漸減少，密度呈下降趨勢(shì)。而徑向上，由于測(cè)量位置比較靠后，等離子體在向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，束流密度趨于均衡，因此徑向上的電子密度沒(méi)有明顯的梯度變化。

此外，陽(yáng)極電流雖然不影響各參數(shù)的變化趨勢(shì)，但會(huì)影響其數(shù)值大小。隨著陽(yáng)極電流的增加，電子溫度降低，電子密度增大，空間電勢(shì)上升。在陽(yáng)極流量足夠大的情況下，較小的陽(yáng)極電流會(huì)使放電室內(nèi)工質(zhì)氣體的電離率維持在一個(gè)較低的水平，電子密度較低而中性氣體原子數(shù)量較多，因而電子碰撞中性氣體的頻率較高，導(dǎo)致電子平均溫度反而降低。同時(shí)，電流的增大導(dǎo)致陽(yáng)極電壓升高，陰極等離子體的空間電勢(shì)隨之升高。

2.2 陽(yáng)極氣體流量對(duì)放電等離子體特性的影響

圖6～8是三種不同的陽(yáng)極流量下，電子溫度、電子密度和空間電勢(shì)的軸向和徑向分布，各參數(shù)的分布趨勢(shì)與圖3～5相同。與陽(yáng)極電流類似，僅改變陽(yáng)極流量不影響放電室內(nèi)等離子體參數(shù)沿軸向和徑向的變化趨勢(shì)。隨著陽(yáng)極流量的增加，放電室內(nèi)的電子溫度降低、電子密度增大，空間電勢(shì)降低。在同樣的放電電流下，增大陽(yáng)極流量導(dǎo)致放電室內(nèi)的等離子密度增加，載流子密度增大導(dǎo)致電子的平均能量降低，而由于等離子體電阻率的降低，導(dǎo)致陽(yáng)極電壓和等離子體空間電勢(shì)都有所下降。

圖6 陽(yáng)極流量對(duì)電子溫度分布的影響Fig.6 Effect of anode flow-rate on electron temperature distribution

圖7 陽(yáng)極流量對(duì)電子密度分布的影響Fig.7 Effect of anode flow-rate on electron density distribution

圖8 陽(yáng)極流量對(duì)空間電勢(shì)分布的影響Fig.8 Effect of anode flow-rate on spatial potential distribution

結(jié)合圖3～8可知，陽(yáng)極電流和陽(yáng)極流量的變化均會(huì)改變等離子體參數(shù)的大小。有研究表明，空心陰極的損耗與放電振蕩有關(guān)[9]，放電振蕩越劇烈，觸持極、節(jié)流孔等結(jié)構(gòu)部件損耗越快，而放電振蕩的劇烈程度除了受到陽(yáng)極結(jié)構(gòu)、陰極-陽(yáng)極距離等因素影響以外[14，29]，還與電子能量密切相關(guān)[30]。從圖3、圖6可以看出，當(dāng)陽(yáng)極電流或陽(yáng)極流量發(fā)生變化時(shí)，觸持極附近的電子溫度顯示出成倍的差距，由此導(dǎo)致的放電振蕩劇烈程度很可能有較大差異。此外，在不同的陽(yáng)極電流和陽(yáng)極流量下，軸向①號(hào)點(diǎn)的電位有明顯區(qū)別，該點(diǎn)距離觸持極距離為60 mm，而觸持極電流和陰極流量恒定不變，所以觸持極電位一般不會(huì)有明顯變化，當(dāng)軸向①號(hào)點(diǎn)的空間電勢(shì)升高時(shí)，該點(diǎn)與觸持極之間區(qū)域的平均電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)增大，該區(qū)域的離子向觸持極返流時(shí)，獲得的能量相應(yīng)地增大，濺射造成的腐蝕更嚴(yán)重。由于電子溫度和空間電勢(shì)受陽(yáng)極電流和陽(yáng)極流量的影響明顯，因此陽(yáng)極電流和陽(yáng)極流量在空心陰極的損耗中很可能起著重要作用。

2.3 磁場(chǎng)對(duì)放電等離子體特性的影響

圖9～11為放電室施加磁場(chǎng)前后的等離子體參數(shù)對(duì)比。由于離子推力器正常工作時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度太大，會(huì)影響探針的測(cè)量準(zhǔn)確度，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不可信，因此試驗(yàn)施加的磁場(chǎng)是勵(lì)磁電流為0.1 A的弱磁場(chǎng)。通過(guò)COMSOL電磁場(chǎng)模塊的計(jì)算，0.1 A勵(lì)磁電流下放電室內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度在1.7×10-4～8.4×10-4T之間，經(jīng)過(guò)B/p限制判據(jù)[25]的驗(yàn)證，該磁場(chǎng)強(qiáng)度在對(duì)等離子體產(chǎn)生束縛作用的同時(shí)，又不足以明顯降低探針的測(cè)量精度，能夠?qū)崿F(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)等離子體參數(shù)影響的試驗(yàn)對(duì)比。

圖9 磁場(chǎng)對(duì)電子溫度分布的影響Fig.9 Effect of magnetic field on electron temperature distribution

圖10 磁場(chǎng)對(duì)電子密度分布的影響Fig.10 Effect of magnetic field on electron density distribution

圖11 磁場(chǎng)對(duì)空間電勢(shì)分布的影響Fig.11 Effect of magnetic field on spatial potential distribution

從圖中可以看出，在施加柱形會(huì)切磁場(chǎng)之后，軸向電子溫度、電子密度、空間電勢(shì)的數(shù)值均有明顯的增加，但遞增的趨勢(shì)仍然相似；而徑向上，這些參數(shù)均隨著測(cè)量點(diǎn)序號(hào)的增大而減小。原因是柱形會(huì)切磁場(chǎng)在放電室內(nèi)部近似平行于軸線，因此對(duì)軸向的等離子體參數(shù)分布趨勢(shì)沒(méi)有明顯影響，而徑向上，磁場(chǎng)限制了電子做大范圍運(yùn)動(dòng)，將電子束縛在軸線附近的區(qū)域，因而等離子體參數(shù)呈現(xiàn)出顯著不同的分布趨勢(shì)。在有磁場(chǎng)的情況下，電子若要運(yùn)動(dòng)至遠(yuǎn)離軸線的位置，必須頻繁碰撞以改變速度方向來(lái)逃脫磁場(chǎng)的束縛，而頻繁的碰撞會(huì)導(dǎo)致電子溫度降低，因此遠(yuǎn)離軸線位置的電子溫度明顯下降。有研究顯示[31]，在平行于軸線的磁場(chǎng)作用下，空心陰極觸持極受到的濺射會(huì)被減弱，但同時(shí)也會(huì)使軸向上的離子通量增加，導(dǎo)致離子對(duì)觸持極頂和節(jié)流孔的濺射腐蝕加劇。因此，磁場(chǎng)也是影響空心陰極損耗速度的重要原因之一。

2.4 放電室封閉程度對(duì)放電等離子體特性的影響

考慮到耦合放電與獨(dú)立放電條件除磁場(chǎng)之外還有兩方面的差異：陽(yáng)極結(jié)構(gòu)和放電室封閉程度，為了避免這兩個(gè)因素的互相影響，對(duì)放電室封閉程度對(duì)放電等離子體特性的影響進(jìn)行單獨(dú)研究。試驗(yàn)中通過(guò)安裝和拆卸放電室尾部的擋板來(lái)控制放電室的封閉程度。安裝擋板前后的實(shí)物如圖12所示，安裝擋板前后的等離子體參數(shù)對(duì)比如圖13～15所示。在有擋板的情況下，放電室的封閉程度接近離子推力器正常工作時(shí)的工況，能夠在一定程度上模擬真實(shí)推力器放電室內(nèi)的等離子體參數(shù)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，安裝擋板后，等離子體分布趨勢(shì)沒(méi)有明顯的改變，但數(shù)值顯著增大。原因有二：一是中性氣體密度增大導(dǎo)致電離產(chǎn)生的總等離子體數(shù)目增多；二是產(chǎn)生的等離子體無(wú)法及時(shí)離開(kāi)放電室而是累積起來(lái)，導(dǎo)致放電室內(nèi)等離子體密度顯著升高，這與增大陽(yáng)極流量的影響類似，由于載流子數(shù)量以及碰撞頻率的增大導(dǎo)致電子平均溫度降低，陽(yáng)極電壓和空間電勢(shì)隨之降低。如圖14（a）中有擋板的情況下，軸向中后段電子密度略高于前半段，就是由等離子體累積造成的。

圖12 放電室有無(wú)擋板情況對(duì)比Fig.12 Comparison of discharge chamber with and without baffle

圖13 放電室封閉程度對(duì)電子溫度分布的影響Fig.13 Effect of discharge chamber sealing on electron temperature distribution

圖14 放電室封閉程度對(duì)電子密度分布的影響Fig.14 Effect of discharge chamber sealing on electron density distribution

圖15 放電室封閉程度對(duì)空間電勢(shì)分布的影響Fig.15 Effect of discharge chamber sealing on spatial potential distribution

放電室不安裝擋板時(shí)的等離子體密度顯著低于安裝擋板的情況，而在單獨(dú)的放電試驗(yàn)中，空心陰極周圍更加開(kāi)闊，由此可以合理推測(cè)，單獨(dú)測(cè)試空心陰極時(shí)，觸持極附近的等離子體密度遠(yuǎn)低于離子推力器放電室內(nèi)的，因此，兩種情況下轟擊觸持極和節(jié)流孔的離子通量也有明顯差異。這也是空心陰極在離子推力器中耦合放電損耗過(guò)快的原因之一。

3 結(jié)論與展望

本研究通過(guò)空心陰極與離子推力器的耦合放電試驗(yàn)，分析了不同因素對(duì)放電室內(nèi)等離子體參數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)論如下：

（1）陽(yáng)極電流和陽(yáng)極流量會(huì)影響離子推力器放電室內(nèi)的等離子體參數(shù)大小，但不影響參數(shù)在軸向和徑向上的整體變化趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為：①隨著陽(yáng)極電流增大：軸向的電子溫度降低、電子密度增大、空間電勢(shì)升高；②隨著陽(yáng)極流量增大：軸向的電子溫度降低、電子密度增大、空間電勢(shì)下降；③徑向上，軸線附近的電子溫度、電子密度、空間電勢(shì)隨陽(yáng)極電流和陽(yáng)極流量的變化趨勢(shì)與軸向相同，但遠(yuǎn)離軸線的位置，參數(shù)變化規(guī)律發(fā)生了改變，隨陽(yáng)極電流和陽(yáng)極流量的增加呈現(xiàn)非單調(diào)變化趨勢(shì)。

（2）磁場(chǎng)對(duì)等離子體參數(shù)的空間分布和大小均有影響，本質(zhì)上是通過(guò)束縛等離子體（主要是電子）的徑向運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。施加磁場(chǎng)后，徑向電子溫度和空間電勢(shì)由緩慢升高變?yōu)榧眲∠陆?，徑向電子溫度由基本穩(wěn)定變?yōu)橹饾u下降。軸向上，施加磁場(chǎng)前后等離子體參數(shù)的變化規(guī)律保持一致，但數(shù)值明顯增大。

（3）放電室的封閉性對(duì)其內(nèi)的等離子體參數(shù)大小有顯著影響，有擋板工況下電子密度高于無(wú)擋板工況，電子溫度和空間電勢(shì)低于無(wú)擋板工況，但參數(shù)沿軸向和徑向的變化規(guī)律不隨放電室的封閉性變化。

綜上，在空心陰極與離子推力器的耦合放電中，陽(yáng)極電流、陽(yáng)極流量、磁場(chǎng)強(qiáng)度以及放電室的封閉程度會(huì)影響離子推力器放電室內(nèi)的等離子密度、平均能量和電場(chǎng)結(jié)構(gòu)等，間接地改變轟擊空心陰極觸持極等的離子能量和離子通量，導(dǎo)致空心陰極在不同條件下的損耗速度存在明顯差異。要進(jìn)一步研究空心陰極在離子推力器中損耗較快的機(jī)制，必須對(duì)耦合試驗(yàn)等離子體數(shù)據(jù)與空心陰極單獨(dú)試驗(yàn)等離子體數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比及分析，這是下一步研究工作的重點(diǎn)。