離子發動機空心陰極壽命預測

2009-09-06 郭寧蘭州物理研究所真空低溫技術與物理國家級重點實驗室

　　空心陰極是離子發動機的心臟，其壽命直接決定離子發動機系統的壽命。目前，國際上離子發動機的地面驗證壽命已經從10000h擴展到30000h,飛行驗證已經達到16000h。針對我國15年壽命的通訊衛星南北位置保持的使命，在考慮備份的情況下, 空心陰極壽命可靠壽命應該達到10000h以上。在實驗研究的基礎上，進行空心陰極壽命預測,并根據預測結果優化研制方案，可較大幅度降低空心陰極研制成本，提高研制效率。本文結合蘭州物理研究所3500h空心陰極壽命實驗結果,對空心陰極壽命進行了預測研究。

1、試驗裝置及方法

1.1、空心陰極

　　蘭州物理所設計的空心陰極的結構參數在08年投稿在真空技術網中“20cm氙離子發動機空心陰極3000h壽命試驗”一文已經詳細說明。該空心陰極的發射體采用LaB6材料制成。發射體內徑2mm, 長度8mm,外徑4mm。LaB6的突出特點是抗中毒能力強，其抗中毒閾值比傳統的鋇鎢陰極高2~3個數量級。LaB6在600℃以下，不會與空氣發生反應，可長期在大氣環境中儲存。基于以上特點，LaB6空心陰極應用于離子發動機可帶來兩方面益處，其一，可降低對離子發動機工質純度的要求，其二，可大幅放松離子發動機儲存對環境的要求。因此，LaB6空心陰極已經引起國內外的重視。

1.2、試驗條件及程序

　　壽命試驗在蘭州物理研究所Ts1000設備的真空室中進行，試驗采用三極管結構。三極管結構的詳細參數已經詳細敘述。試驗過程開始前，首先將真空室本底抽至8×10-4Pa；然后，向陰極管中通入Xe氣，陰極加熱器加電，當發射體被加熱到1800K以上時，觸持極加800V高壓，實現空心陰極點火；點火成功后，開啟陽極電源，從空心陰極中引出電流，這時，陰極加熱器斷電，陰極實現自持放電。

　　試驗中，通入到陰極的Xe流率維持在0.1mg/s，此時真空室真空度穩定在2×10-3Pa；陽極采用穩流電源將放電電流（即發射電流）維持在額定電流5.00 A，通過監測陽極電壓（即放電電壓）隨試驗時間的變化關系，掌握陰極狀態的變化。試驗中采用的Xe純度為99.9996%。

2、壽命試驗結果

　　3500h壽命試驗的情況在上文中已經詳細敘述，在3500h壽命試驗后，空心陰極性能穩定，仍然可繼續正常工作。為進行壽命預測，對空心陰極組件進行了解剖分析。解剖分析表明，在空心陰極各零部件中，發射體變化最明顯，出現了可見的損耗，經過測量，發射體內徑從2mm 變化到2.30mm,外直徑無變化,即整個壽命試驗期間，發射體消耗了0.15mm，平均消耗速率為42.85μm/1000h。

3、壽命預測

3.1、幾點假設

　　第一，因LaB6發射體尺寸較小，且其熱導率很高，故假設整個發射體的表面溫度均勻, 各點電流發射密度相同；

　　第二，因本試驗中采用的工質氣體Xe純度高達99.9995%，假設工質氣體與陰極各零部件不發生化學反應；

　　第三，因空心陰極放電電壓在30V以下，產生的Xe離子能量不超過30eV, 不會對發射體產生濺射，因此，假設蒸發是發射體損耗的唯一途徑；

　　第四，根據3500h空心陰極壽命試驗的結果，發射體是壽命試驗中變化最明顯的零件，因此，假設發射體壽命是制約空心陰極壽命的首要因素;

　　第五，根據LaB6材料的電子發射原理，LaB6蒸發損耗的過程與發射體表面更新過程完全同步，因此，假設直至發射體損耗殆盡，發射體壽命才終止。

3.2、壽命模型

　　根據以上假設，通過計算發射體消耗殆盡所需時間，即可計算發射體壽命。發射體在支取不同電流密度情況下，其蒸發速率有所不同。下面對發射體發射電流密度與蒸發速率之間的關系進行了推導。式(1)是發射體電流密度計算公式。根據真空技術網另文中敘述，對LaB6發射體，發射常數取30A/(cm2K2)，發射體表面逸出功取2.66；空心陰極內肖特基效應引起的逸出功減少量約為0.05eV。