CN108535607A - 离子推力器空心阴极性能测试和寿命考核试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子推力器空心阴极性能测试和寿命考核试验装置及方法。本发明采用偏压板代替离子推力器中的栅极组件，避免引出高能离子束流，且设置偏压板的电位相对于参考地为负电位，从而吸收偏压板内表面附近区域放电等离子体中的离子并以中性原子的形式返回离子推力器模拟器内，使得中性原子存在被重复利用的机会，进而使得能够在较小的工质流率条件下既能达到离子推力器内的中性气体密度，降低真空舱内的气载，从而能够实现在小型真空系统、简单供电系统和较小的工质流率条件下，模拟出离子推力器工作时的空心阴极放电环境，进而能够获得空心阴极与离子推力器联试时的耦合放电特性和长期服役过程中的性能演化规律。

Description

离子推力器空心阴极性能测试和寿命考核试验装置及方法

技术领域

本发明涉及空间电推进技术、物理电子学领域，具体涉及一种离子推力器空心阴极性能测试和寿命考核试验装置及方法。

背景技术

空心阴极筛选测试是空心阴极产品质量控制的关键技术环节，其主要目的是暴露早期故障、剔除有缺陷的产品，同时筛选出符合离子推力器技术要求的空心阴极产品。空心阴极性能表现与放电环境紧密相关，现行空心阴极筛选测试方案下筛选试验是在空心阴极和平板阳极组成的简单放电环境中进行，而离子推力器联试和在轨服役时空心阴极工作在离子推力器内部复杂放电环境中，其放电性能参数以及长期服役过程中的结构溅射腐蚀形式、溅射腐蚀速率、性能演化规律与简单放电环境中相关性弱。因而根据简单放电环境筛选出的试验结果一致性较好的空心阴极安装在技术状态相同的离子推力器上，性能表现离散，空心阴极在简单放电环境中单独进行筛选试验得到的性能参数与离子推力器联试时的性能参数没有明显的相关性，现行空心阴极筛选试验方案获取到的试验数据无法全面反映空心阴极与离子推力器的匹配性。以兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200离子推力器为例，相同工况参数条件下，其空心阴极在简单放电环境中单独测试时的放电电压在22V±4V范围，而在离子推力器复杂放电环境中联合测试时放电电压在35V±5V范围，并且多批次空心阴极试验结果表明在两种放电环境中的放电电压高低没有明显关联性。此外，国内外已开展的空心阴极寿命考核试验表明，在由空心阴极和平板阳极组成的简单放电环境中开展空心阴极寿命考核试验，空心阴极结构溅射腐蚀形式、溅射腐蚀速率、性能演化规律、失效模式等与在离子推力器寿命考核试验或长期服役过程中的规律相差较大。

离子推力器内部是由中性气体、原初电子、二次电子、一价离子、高价离子、外加电场和磁场、带电粒子的自洽场组成的复杂放电环境，直接在离子推力器中开展空心阴极性能测试试验是最能反映空心阴极产品性能的试验方案，但是这种试验需要在大型真空系统中进行，试验周期长、成本高，对试验操作人员要求高，不能满足有一定批量的空心阴极产品筛选试验要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种离子推力器空心阴极性能测试和寿命考核试验装置及方法，能够以较低的代价获取到空心阴极产品在离子推力器内部复杂放电环境中的性能参数，并且在该试验装置中开展空心阴极寿命考核试验，能够有效预示空心阴极产品在离子推力器中的性能演化规律和失效模式。

本发明的离子推力器空心阴极性能测试及寿命考核试验装置，包括：离子推力器模拟器、空心阴极、真空舱、供电系统、贮供系统、测量系统、冷却系统和真空获得系统；

其中，离子推力器模拟器和空心阴极位于真空舱内；

离子推力器模拟器包括偏压板、阳极、永磁体和气体分配环；其中，离子推力器模拟器中阳极的形状和位置、永磁体磁场分布、气体分配环结构尺寸和位置均与真实的离子推力器一致，空心阴极在离子推力器模拟器上的安装位置和连接方式与真实的离子推力器一致；偏压板安装在阳极的下游，并与空心阴极的阴极顶相对，偏压板可绕其中心轴转动；偏压板的电位相对于参考地为负电位；

供电系统包括为阳极供电的阳极电源、为偏压板供电的偏压电源、为空心阴极的触持极供电的触持电源、为空心阴极点火提供高压点火脉冲的点火电源、为空心阴极的加热器供电的加热电源，以及参考地；

贮供系统为空心阴极和气体分配环提供氙气；

测量系统用于测量偏压板内表面离子电流密度分布和离子推力器模拟器内部的中性气体压力。

进一步的，所述偏压板与阳极下游端面之间的间距为2.0～10.0mm。

进一步的，所述偏压板的电位为-15V以下。

进一步的，所述测量系统包括电流探头、法拉第杯、绝缘组件、电容规、电容真空计和万用表；其中，多个法拉第杯均匀安装在偏压板与空心阴极相对的内表面的直径上，法拉第杯与偏压板之间设有绝缘组件；

电流探头位于真空舱外部，与法拉第杯一一对应，用于测量法拉第杯接收的离子电流；

电容规用于测量离子推力器模拟器内中性气体压力；电容真空计与电容规连接，用于测量电容规检测的压力；

万用表与电流探头连接，用于测量各电流探头测得的对应的法拉第杯接收的离子电流。

进一步的，所述电容规安装在阳极上，电容规与阳极之间的管道上套接有绝缘套管，电容规上包裹接地的金属丝网。

本发明还提供了一种离子推力器空心阴极放电性能测试方法，采用上述试验装置进行空心阴极放电性能测试，包括如下步骤：

步骤1，检测试验装置电绝缘和电导通状态正常、电连接线和供电系统工作正常；

步骤2，将真空舱抽真空至真空度优于5.0×10^-5Pa，并排空供气管路；

步骤3，在真空舱真空度优于1.0×10^-2Pa的条件下，控制贮供系统为空心阴极供给氙气5sccm流率，给气体分配环供给氙气2sccm流率，保持30min以上，随后控制为空心阴极和气体分配环供给氙气均为1sccm流率，完成供气管路预处理；

步骤4，进行空心阴极预处理：首先开启加热电源，预热空心阴极至200℃，进行低温预热，随后关闭加热电源，保持氙气流率不变，进行冷却；然后保持氙气流率不变，开启加热电源，预热空心阴极至500℃，进行中温预热，随后关闭加热电源，保持氙气流率不变，进行冷却；最后保持流量计控制氙气流率不变，开启加热电源，预热空心阴极至1000℃，进行高温预热，随后保持氙气流率不变，进行冷却；

步骤5，进行空心阴极激活试验：(1)依据空心阴极设计参数设置空心阴极供气流率；调节偏压板与阳极下游端面间距、气体分配环供气流率，使得离子推力器模拟器内中性气体压力与离子推力器内中性气体压力近似相等；(2)设置加热电源输出为规定的点火加热电流，记录加热电压、加热电流值，依据空心阴极设计工作参数预制阳极电源、触持电源的输出电压和输出电流，开启点火电源；点火成功后关闭加热电源和点火电源；(3)开启偏压电源，预制输出恒定的偏压电压；(4)对空心阴极进行持续放电激活试验，记录点火时长、阳极电流和电压、触持电流和电压、偏压板以及法拉第杯接收的离子电流、真空度；(5)触持电源、阳极电源、偏压电源停止输出，保持空心阴极和气体分配环氙气流率不变，进行冷却；

步骤6，进行空心阴极老练试验：(1)依据空心阴极设计参数设置空心阴极供气流率；调节偏压板与阳极下游端面间距、气体分配环供气流率，使得离子推力器模拟器内中性气体压力与离子推力器内的中性气体压力近似相等；(2) 设置加热电源输出为规定的点火加热电流，记录加热电压、加热电流值，依据离子推力器工况参数预制空心阴极工作所需的阳极电源、触持电源的输出电压和输出电流，开启点火电源；点火成功后关闭加热电源和点火电源；(3)开启偏压电源，预制输出恒定的偏压电压；(4)维持空心阴极放电20min；随后关闭供电系统，保持空心阴极和气体分配环氙气流率不变，进行冷却；(5)重复(2) ～(3)过程50次；要求记录点火时长、阳极电流和电压、触持电流和电压、偏压板2以及法拉第杯接收的离子电流、真空度；

步骤7，空心阴极性能测试：调整偏压板与阳极下游端面间距和气体分配环流率，确定离子推力器各种工况条件下的参数组合，在额定工作点处进行参数拉偏，记录记录各工况条件拉偏参数下的阳极电流和电压、触持电流和电压、加热电压、空心阴极流率、气体分配环流率、真空度、偏压板和法拉第杯接收离子电流、点火时长及熄弧频次；

步骤8，根据步骤6、7获得的空心阴极激活后的老练试验和性能测试的结果，对空心阴极是否合格以及工作性能进行评价。

进一步的，所述步骤1中，在抽真空的同时，对真空舱及供气管路进行加热烘烤。

本发明提供了一种离子推力器空心阴极寿命考核试验方法，采用上述试验装置进行空心阴极寿命考核，包括如下步骤：

步骤1，检测试验装置电绝缘和电导通状态正常、电连接线和供电系统工作正常；

步骤2，将真空舱抽真空至真空度优于5.0×10^-5Pa，并排空供气管路；

步骤3，在真空舱真空度优于1.0×10^-2Pa的条件下，控制贮供系统为空心阴极供给氙气5sccm流率，给气体分配环供给氙气2sccm流率，保持30min以上，随后控制为空心阴极和气体分配环供给氙气均为1sccm流率，完成供气管路预处理；

步骤4，进行空心阴极预处理：首先开启加热电源，预热空心阴极至200℃，进行低温预热，随后关闭加热电源，保持氙气流率不变，进行冷却；然后保持氙气流率不变，开启加热电源，预热空心阴极至500℃，进行中温预热，随后关闭加热电源，保持氙气流率不变，进行冷却；最后保持流量计控制氙气流率不变，开启加热电源，预热空心阴极至1000℃，进行高温预热，随后保持氙气流率不变，进行冷却；

步骤5，进行空心阴极激活试验：(1)依据空心阴极设计参数设置空心阴极供气流率；调节偏压板与阳极下游端面间距、气体分配环供气流率，使得离子推力器模拟器内中性气体压力与离子推力器内中性气体压力近似相等；(2)设置加热电源输出为规定的点火加热电流，记录加热电压、加热电流值，依据空心阴极设计工作参数预制阳极电源、触持电源的输出电压和输出电流，开启点火电源；点火成功后关闭加热电源和点火电源；(3)开启偏压电源，预制输出恒定的偏压电压；(4)对空心阴极进行持续放电激活试验，记录点火时长、阳极电流和电压、触持电流和电压、偏压板以及法拉第杯接收的离子电流、真空度；(5)触持电源、阳极电源、偏压电源停止输出，保持空心阴极和气体分配环氙气流率不变，进行冷却；

步骤6，进行空心阴极放电试验：(1)依据空心阴极设计参数设置空心阴极供气流率；调节偏压板与阳极下游端面间距、气体分配环供气流率，使得离子推力器模拟器内中性气体压力与离子推力器内的中性气体压力近似相等；(2) 设置加热电源输出为规定的点火加热电流，记录加热电压、加热电流值；依据离子推力器工况参数预制空心阴极工作所需的阳极电源、触持电源的输出电压和输出电流，开启点火电源；点火成功后关闭加热电源和点火电源；(3)开启偏压电源，预制输出恒定的偏压电压；(4)维持空心阴极放电2小时；随后关闭供电系统，保持空心阴极和气体分配环氙气流率不变，进行冷却；(5)重复 (2)～(3)过程250次，记录点火时长、阳极电流和电压、触持电流和电压、偏压板以及法拉第杯接收的离子电流、真空度；

步骤7，试验结束后保持氙气流率不变，将空心阴极冷却至室温；测量空心阴极绝缘电阻、加热器电阻、关键结构尺寸溅射腐蚀情况；

步骤8，重复步骤1～7，直至验证寿命满足离子推力器型号任务要求或空心阴极完全失效，对空心阴极进行评价。

有益效果：

本发明的试验装置在小型真空系统中即可运行，试验周期短、成本低，仪器设备简化，对试验操作人员要求相对较低，能够有效测试空心阴极在离子推力器复杂放电环境中的放电性能，通过在试验装置中开展空心阴极寿命考核试验还能够有效预示空心阴极产品在离子推力器中的性能演化规律和失效模式。

本发明的试验装置在小型真空系统中即可运行。离子推力器工作时会引出 10³eV量级的定向高能离子束流，需要真空系统内部有较大的空间供其扩散，并且直接接收离子轰击的真空舱壁面需安装束流靶、其他区域需安装束流屏以保护真空舱内壁免受高能离子轰击，所以，离子推力器试验必须在大型真空系统中进行；本发明设计的离子推力器模拟器工作时，逃逸至真空系统内的离子能量在10¹eV量级，不需要扩散空间，不需要对真空舱内壁做特殊防护，仅要求真空系统内部空间能够容纳离子推力器模拟器及配套工装即可，小型真空系统即可满足要求。

在本发明的试验装置中进行空心阴极筛选试验，具有试验周期短、成本低的优点。若采用与离子推力器联试的方案开展空心阴极筛选试验，则必须在大型真空系统中进行，试验准备、启动运行、进行试验、停止运行等时间长度明显大于在小型真空系统中采用离子推力器模拟器进行空心阴极筛选试验，且大型真空系统造价高、运行耗能大。

在本发明的试验装置中进行空心阴极寿命考核试验，具有试验成本低的突出优势。离子推力器空心阴极寿命要求在10⁵小时量级，寿命考核试验一般要持续进行3～5年时间，若采用与离子推力器联试的方案开展空心阴极寿命考核试验，试验设备维护、仪器设备运行、高纯氙气消耗、人力资源等开支较大，若在离子推力器模拟器中开展空心阴极寿命考核试验，开支远小于前者。

在本发明的试验装置中进行空心阴极筛选试验和寿命考核试验，空心阴极测试性能参数与实际服役环境中的性能表现具有一致性，能够得到与离子推力器中进行空心阴极寿命考核试验一致性较好的空心阴极性能演化规律和失效模式。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

其中，1-电流探头；2-偏压板；3-阳极；4-永磁体；5-空心阴极；6-真空舱； 7-阳极电源；8-偏压电源；9-截止阀C；10-流量计C；11-氙气瓶；12-调压阀M； 13-截止阀M；14-流量计A；15-截止阀A；16-接地；17-触持电源；18-点火电源；19-加热电源；20-气路绝缘器；21-气体分配环；22-法拉第杯；23-绝缘陶瓷； 24-管道；25-绝缘套管；26-金属网；27-电容薄膜规；28-电容薄膜真空计；29- 万用表(或示波器)；30-偏压板安装环；31-冷却水管。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种离子推力器空心阴极性能测试和寿命考核试验装置，能够在小型真空系统、简单供电系统和较小的工质流率条件下，模拟在大型真空系统、复杂供电系统和额定工质流率条件下离子推力器工作时的空心阴极放电环境，进而能够获得空心阴极与离子推力器联试时的耦合放电特性和长期服役过程中的性能演化规律。在该装置中进行空心阴极放电性能测试试验，试验周期短、成本低，且空心阴极关键性能参数与离子推力器中一致性较好；在该装置中进行空心阴极寿命考核试验，成本远低于在大型真空系统和离子推力器中开展寿命考核试验，且能够得到与离子推力器中进行空心阴极寿命考核试验一致性较好的空心阴极性能演化规律和失效模式。

如图1所示，本发明试验装置包括：离子推力器模拟器、空心阴极5、真空系统、供电系统、贮供系统、测量系统、冷却水循环系统31和真空获得系统。

其中，离子推力器模拟器包括偏压板2、偏压板安装环30、阳极3、永磁体 4和气体分配环21，用于模拟空心阴极在离子推力器内放电环境。其中，离子推力器模拟器中的阳极3的形状和位置、永磁体4磁场分布、气体分配环21结构尺寸和位置均与真实的离子推力器保持一致，离子推力器模拟器使用偏压板2 代替离子推力器中的栅极组件，其中，偏压板2通过偏压板安装环30安装在阳极3的下游，与空心阴极5的阴极顶相对，偏压板2可绕其中心轴转动；空心阴极5为试验对象，空心阴极5在离子推力器模拟器上的安装位置和连接方式与真实的离子推力器一致，避免因安装方式差异影响离子推力器模拟器内部磁场和电场的分布；上述设置使得离子推力器模拟器内的放电环境(包括电场和磁场分布、中性气体流场等)与真实的离子推力器内基本相同。

其中，偏压板2与阳极3下游端面之间有一定间距(2.0～10.0mm可调)，使得离子推力器模拟器有一定的中性气体损失速率，主要是为了避免出现不需要气体分配环供气、仅空心阴极供气就能达到离子推力器内部气体压力的情形。设置偏压板2的电位相对于空心阴极的参考地16为负电位，从而吸收偏压板内表面附近区域放电等离子体中的离子并以中性原子的形式返回离子推力器模拟器内，使得中性原子存在被重复利用的机会，因此，本发明试验装置能够在较小的工质流率条件下既能达到离子推力器内的中性气体密度，降低真空舱内的气载，并且，由于没有栅极组件，在该过程中不会引出高能离子束流；相较于现有采用的大型真空系统及其大功率真空泵而言，本发明在小型真空系统、较低的抽速条件下即可满足该试验装置工作要求。偏压板2负电位足够低(-15V 以下)以排斥离子推力器模拟器内的电子、吸收偏压板内表面附近区域的离子，模拟离子推力器的栅极组件电场排斥电子、引出离子的作用。

真空系统为进行试验提供洁净真空环境，包括真空舱6和真空获得系统，其中，离子推力器模拟器和空心阴极放置在真空舱6内，真空获得系统采用无油的分子泵高真空机组或低温泵高真空机组实现对真空舱的抽真空。

供电系统包括为阳极3供电的阳极电源7、为偏压板2供电的偏压电源8、为空心阴极的触持极供电的触持电源17、为空心阴极点火提供高压点火脉冲的点火电源18、为空心阴极的加热器供电的加热电源19，以及参考地16；其中，阳极电源7、偏压电源8、触持电源17、加热电源19为稳流稳压控制电源，点火电源18为高压脉冲控制电源。

贮供系统为空心阴极5和气体分配环23提供氙气，包括氙气瓶11、调压阀 12、主路截止阀M 13、阴极管路流量计C 10、截止阀C 9、阳极管路流量计A 14 和截止阀A 15；其中，氙气瓶11中的氙气依次通过调压阀12、截止阀M 13、流量计C 10、截止阀C 9，为空心阴极5提供氙气；氙气瓶11中的氙气依次通过调压阀12、截止阀M 13、流量计A 14、截止阀A 15，为阳极3提供氙气；其中，贮供系统的位于真空舱6内的供气管路上(包括阴极供气管路和气体分配环供气管路)设有气路绝缘器20，用于实现供气管路与真空舱的绝缘。

测量系统用于测量偏压板2内表面离子电流密度分布和离子推力器模拟器内部的中性气体压力；包括电流探头1、法拉第杯22、绝缘组件23、管道24、绝缘套管25、金属网26、电容规27、电容真空计28和万用表(或示波器)29；其中，多个法拉第杯22均匀安装在偏压板2与空心阴极5相对的内表面的直径上，如图1所示，从偏压板中心沿着径向方向间隔2cm布置多个法拉第杯，偏压板2可绕中心轴转动，带动其上的法拉第杯22阵列旋转，测量离子推力器模拟器内离子电流密度大小和分布均匀性。其中，法拉第杯22与偏压板2之间设有绝缘组件23。法拉第杯引线穿过绝缘组件以及穿舱法兰上的航空插头至真空舱外，并联接入偏压电源负极。

电流探头1位于真空舱外部，与法拉第杯22一一对应，用于测量法拉第杯 22接收的离子电流；电容规27用于测量离子推力器模拟器内中性气体压力，其中，电容规27安装在阳极3上，电容规27与阳极3之间的管道24上套接有绝缘套管25，电容规27上包裹接地的金属丝网26，绝缘套管25和金属丝网26 用于屏蔽真空舱6内的等离子体和电磁场对电容规(27)的干扰。电容真空计 28与电容规27连接，用于测量电容规27检测的压力。

万用表(或示波器)29与电流探头1连接，用于测量各电流探头测得的对应的法拉第杯接收的离子电流；

通过调节偏压板2与阳极3之间的间距以及阳极的供气(氙气)流率，使得离子推力器模拟器的阳极电压、中性气体压力与真实的离子推力器的阳极电压、中性气体压力基本一致。

冷却系统包括缠绕在放电室模拟器外部的冷却水管31、温控仪和制冷机，用于实现对放电室模拟器的冷却。

采用上述试验装置进行空心阴极放电性能测试，包括下列步骤：

步骤1，将空心阴极、测量系统等安装到离子推力器模拟器上，借助专用工装把离子推力器模拟器安装到真空舱内，工装与离子推力器模拟器之间用绝缘陶瓷实现电绝缘；

步骤2，按照图1连接供气管路，用绝缘测试仪测量空心阴极的触持极绝缘电阻、空心阴极与阳极之间的绝缘电阻、空心阴极与真空舱6之间的绝缘电阻、阳极与偏压板之间的绝缘电阻、阳极与真空舱之间的绝缘电阻、法拉第杯与偏压板之间的绝缘电阻、阴极和阳极供气管路与真空舱之间的绝缘电阻，用微欧计测量空心阴极的加热器的电阻，确保试验装置电绝缘和电导通状态正常；

步骤3，按照图1连接供电线路(注意：参考地16通过导线穿过穿舱法兰引出真空舱外，试验时可以测量参考地与真空舱相对电位)；初始化供电系统各电源，具体做法是：设置触持电源、阳极电源均为输出电压60V、输出电流1A，设置偏压电源为输出电压20V、输出电流1A，设置加热电源为输出电压30V、输出电流1A，若触持电源、阳极电源、偏压电源均工作在恒压控制模式，加热电源工作在恒流控制模式，则认为电连接线和供电系统工作正常，再把所有电源输出置0；

步骤4，确认电连接线无短路或断路、各电源供电正常后，将电连接线用聚酰亚胺胶带固定于真空舱舱壁上，避免电连接线暴露于放电等离子体中或与供气管路等高温结构发生接触，导致导线绝缘皮受等离子体溅射或高温加热产生污染物；

步骤5，关闭真空舱舱门，启动真空获得系统，抽真空至真空度优于1.0×10^-2Pa时，打开供气管路截止阀9、13、15，使得供气管路排空；继续抽高真空至真空度优于5.0×10^-5Pa，并保持至少2小时，期间允许使用加热带对真空舱、供气管路等进行加热烘烤，以促进真空舱、供气管路内壁吸附的气体脱附；

步骤6，在真空度优于1.0×10^-2Pa的条件下，控制流量计9给空心阴极供给氙气5sccm流率，控制流量计14给气体分配环供给氙气2sccm流率，均保持30min 以上，随后控制流量计9、14供给氙气均为1sccm流率，完成供气管路预处理；

步骤7，进行空心阴极预处理：(1)开启加热电源，预热空心阴极至约200℃并保持1小时，进行低温预热，主要目的是促进加热器、发射体材料等释放吸附的二氧化碳、氧气、水份等残余气体；完成低温预热后，关闭加热电源，保持氙气流率不变，进行冷却30min；(2)保持氙气流率不变，开启加热电源，预热空心阴极至约500℃并保持1小时，进行中温预热；其主要目的是一方面继续促进空心阴极材料出气，另一方面使得空心阴极结构释放装配应力，避免直接高温工作发生结构破坏；完成中温预热后，关闭加热电源，保持氙气流率不变，进行冷却30min；(3)保持流量计控制氙气流率1sccm不变，开启加热电源，增大加热电源输出功率，预热空心阴极至约1000℃并保持1小时，对空心阴极进行高温预热。高温预热有两方面的目的，一方面使得空心阴极结构承受一定的热应力，进一步对空心阴极结构进行稳定化处理，另一方面，使得空心阴极发射体表面进一步清洁化，为空心阴极点火工作做准备。完成高温预热后，加热电源停止输出，在保持氙气流率1sccm的条件下冷却半小时。

步骤8，进行空心阴极激活试验：(1)依据空心阴极设计参数设置空心阴极供气流率，通过电容薄膜规和电容真空计测量离子推力器模拟器内中性气体压力，调节偏压板与阳极下游端面间距、气体分配环供气流率，使得离子推力器模拟器内中性气体压力与离子推力器内中性气体压力近似相等；(2)设置加热电源输出为规定的点火加热电流(以加热空心阴极至工作温度所需加热电流为参考)，加热满5min记录加热电压、加热电流值，依据空心阴极设计工作参数预制阳极电源、触持电源的输出电压和输出电流，开启点火电源；点火成功5s 内关闭加热电源和点火电源；(3)开启偏压电源，预制输出电压15V、输出电流3A(输出电流预制值要大于偏压板接收离子电流，使得偏压电源工作在恒压控制模式)；(4)随后对空心阴极进行10小时持续放电激活试验，期间允许微调气体分配环供气流率以保持阳极电压基本不变，试验中记录点火时长、阳极电流和电压、触持电流和电压、偏压板以及法拉第杯接收的离子电流、真空度等数据；(5)完成空心阴极激活试验后，触持电源、阳极电源、偏压电源停止输出，在保持空心阴极和气体分配环氙气流率各1sccm的条件下冷却两小时。

步骤9，进行空心阴极老练试验：(1)依据空心阴极设计参数设置空心阴极供气流率，调节偏压板与阳极下游端面间距、气体分配环供气流率，通过电容薄膜规和电容真空计测量离子推力器模拟器内中性气体压力，使得离子推力器模拟器内中性气体压力与离子推力器内的中性气体压力近似相等；(2)设置加热电源输出为规定的点火加热电流，加热满5min记录加热电压、加热电流值，依据离子推力器工况参数预制空心阴极工作所需的阳极电源、触持电源的输出电压和输出电流，开启点火电源；点火成功5s内关闭加热电源和点火电源；(3) 开启偏压电源，预制输出电压15V、输出电流3A(输出电流预制值要大于偏压板接收离子电流，使得偏压电源工作在恒压控制模式)；(4)维持空心阴极放电 20min；随后关闭供电系统，流量计控制空心阴极和气体分配环氙气流率各1sccm 的条件下冷却40min；(5)重复(2)～(3)过程50次；要求记录点火时长、阳极电流和电压、触持电流和电压、偏压板2以及法拉第杯接收的离子电流、真空度等试验数据；

步骤10，空心阴极性能测试：按照使用任务要求设置空心阴极工作参数，包括阳极电流、触持电流、加热电流、空心阴极工质流率，并在额定工作点附近进行参数拉偏，考核空心阴极在上述给定输入条件下的阳极电压、触持电压、加热电压、点火时长、熄弧频次等性能参数；空心阴极点火前先用电容真空计和电容薄膜规测量离子推力器模拟器内中性气体压力，通过调整偏压板与阳极下游端面间距和气体分配环流率确定离子推力器各种工况条件下的参数组合，然后进行空心阴极性能测试；期间记录每种工况条件下的阳极电流和电压、触持电流和电压、空心阴极流率、气体分配环流率、真空度、偏压板和法拉第杯接收离子电流等试验数据；

步骤11，试验结束后保持1sccm工质流率将空心阴极冷却室温(至少4小时)，关闭流量计和截止阀，关闭供电系统，关闭真空系统，打开真空系统放气阀，开启舱门后将离子推力器模拟器拆出；将空心阴极从离子推力器模拟器上拆下来，用绝缘测试仪测量空心阴极绝缘电阻，用微欧计测量加热器电阻，随后将空心阴极密封保存。

步骤12，根据步骤9、10获得的空心阴极激活后的老练试验和性能测试的结果，参考专用文件技术参数要求对空心阴极是否合格以及工作性能做出评价。

采用本发明的试验装置还可以进行空心阴极寿命考核试验，具体包括下列步骤：

步骤1，将空心阴极、测量系统等安装到离子推力器模拟器上，借助专用工装把离子推力器模拟器安装到真空舱内，工装与离子推力器模拟器之间用绝缘陶瓷实现电隔离；

步骤2，按照图1连接供气管路，用绝缘测试仪测量空心阴极的触持极绝缘电阻、空心阴极与阳极之间的绝缘电阻、空心阴极与真空舱6之间的绝缘电阻、阳极与偏压板之间的绝缘电阻、阳极与真空舱之间的绝缘电阻、法拉第杯与偏压板之间的绝缘电阻、阴极和阳极供气管路与真空舱之间的绝缘电阻，用微欧计测量空心阴极的加热器的电阻，确保试验装置电绝缘和电导通状态正常；

步骤3，按照图1连接供电线路，(注意：参考地16通过导线穿过穿舱法兰引出真空舱外，试验时可以测量参考地与真空舱相对电位)。初始化供电系统各电源，具体做法是：设置触持电源、阳极电源均为输出电压60V、输出电流1A，设置偏压电源为输出电压20V、输出电流1A，设置加热电源为输出电压30V、输出电流1A，若触持电源、阳极电源、偏压电源均工作在恒压控制模式，加热电源工作在恒流控制模式，则认为电连接线和供电系统工作正常，再把所有电源输出置0；

步骤4，确认电连接线无短路或断路、各电源供电正常后，将电连接线用聚酰亚胺胶带固定于真空舱舱壁上，避免电连接线暴露于放电等离子体中或与供气管路等高温结构发生接触，导致导线绝缘皮受等离子体溅射或高温加热产生污染物；

步骤5，关闭真空舱舱门，启动真空获得系统，抽真空至真空度优于1.0×10^-2Pa时，打开供气管路截止阀9、13、15，使得供气管路排空；继续抽高真空至真空度优于5.0×10^-5Pa，并保持至少2小时，期间允许使用加热带对真空舱、供气管路等进行加热烘烤，以促进真空舱、供气管路内壁吸附的气体脱附；

步骤6，在真空度优于1.0×10^-2Pa的条件下，控制流量计9给空心阴极供给氙气5sccm流率，控制流量计14给气体分配环供给氙气2sccm流率，均保持30min 以上，随后控制流量计9、14供给氙气均为1sccm流率，完成供气管路预处理；

步骤7，进行空心阴极预处理：(1)开启加热电源，预热空心阴极至约200℃并保持1小时，进行低温预热，主要目的是促进加热器、发射体材料等释放吸附的二氧化碳、氧气、水份等残余气体；完成低温预热后，关闭加热电源，保持氙气流率不变，进行冷却30min；(2)保持氙气流率不变，开启加热电源，预热空心阴极至约500℃并保持1小时，进行中温预热；其主要目的是一方面继续促进空心阴极材料出气，另一方面使得空心阴极结构释放装配应力，避免直接高温工作发生结构破坏；完成中温预热后，关闭加热电源，保持氙气流率不变，进行冷却30min；(3)保持流量计控制氙气流率1sccm不变，开启加热电源，增大加热电源输出功率，预热空心阴极至约1000℃并保持1小时，对空心阴极进行高温预热。高温预热有两方面的目的，一方面使得空心阴极结构承受一定的热应力，进一步对空心阴极结构进行稳定化处理，另一方面，使得空心阴极发射体表面进一步清洁化，为空心阴极点火工作做准备。完成高温预热后，加热电源停止输出，在保持氙气流率1sccm的条件下冷却半小时。

步骤8，进行空心阴极激活试验：(1)依据空心阴极设计参数设置空心阴极供气流率，通过电容薄膜规和电容真空计测量离子推力器模拟器内中性气体压力，调节偏压板与阳极下游端面间距、气体分配环供气流率，使得离子推力器模拟器内中性气体压力与离子推力器内中性气体压力近似相等；(2)设置加热电源输出为规定的点火加热电流(以加热空心阴极至工作温度所需加热电流为参考)，加热满5min记录加热电压、加热电流值，依据空心阴极设计工作参数预制阳极电源、触持电源的输出电压和输出电流，开启点火电源；点火成功5s 内关闭加热电源和点火电源；(3)开启偏压电源，预制输出电压15V、输出电流3A(输出电流预制值要大于偏压板接收离子电流，使得偏压电源工作在恒压控制模式)；(4)随后对空心阴极进行10小时持续放电激活试验，期间允许微调气体分配环供气流率以保持阳极电压基本不变，试验中记录点火时长、阳极电流和电压、触持电流和电压、偏压板以及法拉第杯接收的离子电流、真空度等数据；(4)完成空心阴极激活试验后，触持电源、阳极电源、偏压电源停止输出，在保持空心阴极和气体分配环氙气流率各1sccm的条件下冷却两小时。

步骤9，进行空心阴极放电试验：(1)依据空心阴极设计参数设置空心阴极供气流率，调节偏压板与阳极下游端面间距、气体分配环供气流率，通过电容薄膜规和电容真空计测量离子推力器模拟器内中性气体压力，使得离子推力器模拟器内中性气体压力与离子推力器内的中性气体压力近似相等；(2)设置加热电源输出为规定的点火加热电流，加热满5min记录加热电压、加热电流值，依据离子推力器工况参数预制空心阴极工作所需的阳极电源、触持电源的输出电压和输出电流，开启点火电源；点火成功5s内关闭加热电源和点火电源；(3) 开启偏压电源，预制输出电压15V、输出电流3A(输出电流预制值要大于偏压板接收离子电流，使得偏压电源工作在恒压控制模式)；(4)维持空心阴极放电 2小时；随后关闭供电系统，流量计控制空心阴极和气体分配环氙气流率各1sccm 的条件下冷却30min；(5)重复(2)～(3)过程250次；要求记录点火时长、阳极电流和电压、触持电流和电压、偏压板以及法拉第杯接收的离子电流、真空度等试验数据；

步骤10，试验结束后保持1sccm工质流率将空心阴极冷却室温(至少4小时)，关闭流量计和截止阀，关闭供电系统，关闭真空系统，打开真空系统放气阀，开启舱门后将离子推力器模拟器拆出；将空心阴极从离子推力器模拟器上拆下来，用绝缘测试仪测量空心阴极绝缘电阻，用微欧计测量加热器电阻，随后测量关键结构尺寸溅射腐蚀情况；

步骤11，重复步骤1～10的试验内容，直至验证寿命满足离子推力器型号任务要求或空心阴极完全失效，参考专用文件技术参数要求对空心阴极是否满足任务要求做出评价。

空心阴极筛选试验和寿命考核试验中，只在首次试验时通过电容薄膜规和电容真空计测量离子推力器模拟器内中性气体压力，通过调整偏压板与阳极下游端面间距、气体分配环流率使得离子推力器模拟器内中性气体压力与离子推力器内中性气体压力基本相等，后续试验中可拆除电容薄膜规和电容真空计，直接借用上述过程确定的离子推力器模拟器技术状态。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种离子推力器空心阴极性能测试及寿命考核试验装置，其特征在于，包括：离子推力器模拟器、空心阴极(5)、真空舱(6)、供电系统、贮供系统、测量系统、冷却系统(31)和真空获得系统；

其中，离子推力器模拟器和空心阴极位于真空舱(6)内；

离子推力器模拟器包括偏压板(2)、阳极(3)、永磁体(4)和气体分配环(21)；其中，离子推力器模拟器中阳极(3)的形状和位置、永磁体(4)磁场分布、气体分配环(21)结构尺寸和位置均与真实的离子推力器一致，空心阴极(5)在离子推力器模拟器上的安装位置和连接方式与真实的离子推力器一致；偏压板(2)安装在阳极(3)的下游，并与空心阴极(5)的阴极顶相对，偏压板(2)可绕其中心轴转动；偏压板(2)的电位相对于参考地(16)为负电位；

供电系统包括为阳极(3)供电的阳极电源(7)、为偏压板(2)供电的偏压电源(8)、为空心阴极的触持极供电的触持电源(17)、为空心阴极点火提供高压点火脉冲的点火电源(18)、为空心阴极的加热器供电的加热电源(19)，以及参考地(16)；

贮供系统为空心阴极(5)和气体分配环(23)提供氙气；

测量系统用于测量偏压板(2)内表面离子电流密度分布和离子推力器模拟器内部的中性气体压力。

2.如权利要求1所述的离子推力器空心阴极性能测试及寿命考核试验装置，其特征在于，所述偏压板(2)与阳极(3)下游端面之间的间距为2.0～10.0mm。

3.如权利要求1所述的离子推力器空心阴极性能测试及寿命考核试验装置，其特征在于，所述偏压板(2)的电位为-15V以下。

4.如权利要求1所述的离子推力器空心阴极性能测试及寿命考核试验装置，其特征在于，所述测量系统包括电流探头(1)、法拉第杯(22)、绝缘组件(23)、电容规(27)、电容真空计(28)和万用表29；其中，多个法拉第杯(22)均匀安装在偏压板(2)与空心阴极(5)相对的内表面的直径上，法拉第杯(22)与偏压板(2)之间设有绝缘组件(23)；

电流探头(1)位于真空舱外部，与法拉第杯(22)一一对应，用于测量法拉第杯(22)接收的离子电流；

电容规(27)用于测量离子推力器模拟器内中性气体压力；电容真空计(28)与电容规(27)连接，用于测量电容规(27)检测的压力；

万用表(29)与电流探头(1)连接，用于测量各电流探头测得的对应的法拉第杯接收的离子电流。

5.如权利要求4所述的离子推力器空心阴极性能测试及寿命考核试验装置，其特征在于，所述电容规(27)安装在阳极(3)上，电容规(27)与阳极(3)之间的管道(24)上套接有绝缘套管(25)，电容规(27)上包裹接地的金属丝网(26)。

6.一种离子推力器空心阴极放电性能测试方法，其特征在于，采用如权利要求1～5任意一项所述的试验装置进行空心阴极放电性能测试，包括如下步骤：

步骤1，检测试验装置电绝缘和电导通状态正常、电连接线和供电系统工作正常；

步骤2，将真空舱抽真空至真空度优于5.0×10^-5Pa，并排空供气管路；

步骤3，在真空舱真空度优于1.0×10^-2Pa的条件下，控制贮供系统为空心阴极供给氙气5sccm流率，给气体分配环供给氙气2sccm流率，保持30min以上，随后控制为空心阴极和气体分配环供给氙气均为1sccm流率，完成供气管路预处理；

步骤4，进行空心阴极预处理：首先开启加热电源，预热空心阴极至200℃，进行低温预热，随后关闭加热电源，保持氙气流率不变，进行冷却；然后保持氙气流率不变，开启加热电源，预热空心阴极至500℃，进行中温预热，随后关闭加热电源，保持氙气流率不变，进行冷却；最后保持流量计控制氙气流率不变，开启加热电源，预热空心阴极至1000℃，进行高温预热，随后保持氙气流率不变，进行冷却；

步骤5，进行空心阴极激活试验：(1)依据空心阴极设计参数设置空心阴极供气流率；调节偏压板与阳极下游端面间距、气体分配环供气流率，使得离子推力器模拟器内中性气体压力与离子推力器内中性气体压力近似相等；(2)设置加热电源输出为规定的点火加热电流，记录加热电压、加热电流值，依据空心阴极设计工作参数预制阳极电源、触持电源的输出电压和输出电流，开启点火电源；点火成功后关闭加热电源和点火电源；(3)开启偏压电源，预制输出恒定的偏压电压；(4)对空心阴极进行持续放电激活试验，记录点火时长、阳极电流和电压、触持电流和电压、偏压板以及法拉第杯接收的离子电流、真空度；(5)触持电源、阳极电源、偏压电源停止输出，保持空心阴极和气体分配环氙气流率不变，进行冷却；

步骤6，进行空心阴极老练试验：(1)依据空心阴极设计参数设置空心阴极供气流率；调节偏压板与阳极下游端面间距、气体分配环供气流率，使得离子推力器模拟器内中性气体压力与离子推力器内的中性气体压力近似相等；(2)设置加热电源输出为规定的点火加热电流，记录加热电压、加热电流值，依据离子推力器工况参数预制空心阴极工作所需的阳极电源、触持电源的输出电压和输出电流，开启点火电源；点火成功后关闭加热电源和点火电源；(3)开启偏压电源，预制输出恒定的偏压电压；(4)维持空心阴极放电20min；随后关闭供电系统，保持空心阴极和气体分配环氙气流率不变，进行冷却；(5)重复(2)～(3)过程50次；要求记录点火时长、阳极电流和电压、触持电流和电压、偏压板(2)以及法拉第杯接收的离子电流、真空度；

步骤7，空心阴极性能测试：调整偏压板与阳极下游端面间距和气体分配环流率，确定离子推力器各种工况条件下的参数组合，在额定工作点处进行参数拉偏，记录记录各工况条件拉偏参数下的阳极电流和电压、触持电流和电压、加热电压、空心阴极流率、气体分配环流率、真空度、偏压板和法拉第杯接收离子电流、点火时长及熄弧频次；

步骤8，根据步骤6、7获得的空心阴极激活后的老练试验和性能测试的结果，对空心阴极是否合格以及工作性能进行评价。

7.如权利要求6所述的离子推力器空心阴极放电性能测试方法，其特征在于，所述步骤1中，在抽真空的同时，对真空舱及供气管路进行加热烘烤。

8.一种离子推力器空心阴极寿命考核试验方法，其特征在于，采用如权利要求1～5任意一项所述的试验装置进行空心阴极寿命考核，包括如下步骤：

步骤1，检测试验装置电绝缘和电导通状态正常、电连接线和供电系统工作正常；

步骤2，将真空舱抽真空至真空度优于5.0×10^-5Pa，并排空供气管路；

步骤3，在真空舱真空度优于1.0×10^-2Pa的条件下，控制贮供系统为空心阴极供给氙气5sccm流率，给气体分配环供给氙气2sccm流率，保持30min以上，随后控制为空心阴极和气体分配环供给氙气均为1sccm流率，完成供气管路预处理；

步骤4，进行空心阴极预处理：首先开启加热电源，预热空心阴极至200℃，进行低温预热，随后关闭加热电源，保持氙气流率不变，进行冷却；然后保持氙气流率不变，开启加热电源，预热空心阴极至500℃，进行中温预热，随后关闭加热电源，保持氙气流率不变，进行冷却；最后保持流量计控制氙气流率不变，开启加热电源，预热空心阴极至1000℃，进行高温预热，随后保持氙气流率不变，进行冷却；

步骤5，进行空心阴极激活试验：(1)依据空心阴极设计参数设置空心阴极供气流率；调节偏压板与阳极下游端面间距、气体分配环供气流率，使得离子推力器模拟器内中性气体压力与离子推力器内中性气体压力近似相等；(2)设置加热电源输出为规定的点火加热电流，记录加热电压、加热电流值，依据空心阴极设计工作参数预制阳极电源、触持电源的输出电压和输出电流，开启点火电源；点火成功后关闭加热电源和点火电源；(3)开启偏压电源，预制输出恒定的偏压电压；(4)对空心阴极进行持续放电激活试验，记录点火时长、阳极电流和电压、触持电流和电压、偏压板以及法拉第杯接收的离子电流、真空度；(5)触持电源、阳极电源、偏压电源停止输出，保持空心阴极和气体分配环氙气流率不变，进行冷却；

步骤6，进行空心阴极放电试验：(1)依据空心阴极设计参数设置空心阴极供气流率；调节偏压板与阳极下游端面间距、气体分配环供气流率，使得离子推力器模拟器内中性气体压力与离子推力器内的中性气体压力近似相等；(2)设置加热电源输出为规定的点火加热电流，记录加热电压、加热电流值；依据离子推力器工况参数预制空心阴极工作所需的阳极电源、触持电源的输出电压和输出电流，开启点火电源；点火成功后关闭加热电源和点火电源；(3)开启偏压电源，预制输出恒定的偏压电压；(4)维持空心阴极放电2小时；随后关闭供电系统，保持空心阴极和气体分配环氙气流率不变，进行冷却；(5)重复(2)～(3)过程250次，记录点火时长、阳极电流和电压、触持电流和电压、偏压板以及法拉第杯接收的离子电流、真空度；

步骤7，试验结束后保持氙气流率不变，将空心阴极冷却至室温；测量空心阴极绝缘电阻、加热器电阻、关键结构尺寸溅射腐蚀情况；

步骤8，重复步骤1～7，直至验证寿命满足离子推力器型号任务要求或空心阴极完全失效，对空心阴极进行评价。