CN116066319A

CN116066319A - 抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法

Info

Publication number: CN116066319A
Application number: CN202310242322.6A
Authority: CN
Inventors: 孟天航; 王佰胜; 宁中喜; 于达仁
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2023-03-14
Filing date: 2023-03-14
Publication date: 2023-05-05

Abstract

抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，属于航天电推进空心阴极特性的设计领域。本发明空心阴极的节流孔板、触持极板和支撑筒之间分离且紧配合；本发明方法包括：S1、对空心阴极进行放电实验，放电过程中测量振荡和离子能量分布，得到空心阴极与阳极之间的振荡幅值分布曲线及离子能量分布曲线；S2、更换节流孔板、触持极板的材料，所述材料为发射体材料，重复S1，得到不同材料节流孔板、触持极板对应的振荡幅值分布曲线及离子能量分布曲线；S3、根据得到的振荡幅值分布曲线及离子能量分布曲线，选择合适的材料的节流孔板、触持极板来抑制放电振荡。

Description

抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法

技术领域

本发明涉及一种抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，属于航天电推进空心阴极特性的设计领域。

背景技术

空间电推进是一种适用于航天器的姿态控制、轨道控制、深空探测主推进及无拖曳控制等航天任务的特种推进装置。与传统的化学推进相比，电推进具有比冲高、控制精度高、结构紧凑、污染小等优点，因此，在航天方面应用愈加广泛。

空间电推进需要空心阴极作为其电子源，一方面提供中和电子，中和喷出的正电离子束，另一方面提供种子电子，维持等离子体放电。通常对空心阴极的要求是，以尽可能小的能量和推进剂消耗量，尽可能稳定的提供电子，但该目标从未实现过。原因是空心阴极工作原理暗含不稳定因素，导致阴极提供的电子电流一直处于振荡状态，其振幅一般超过均值的40％，某些工况下甚至可以超过100％。这些振荡危害极大，一方面它会产生反常高能离子，溅射腐蚀阴极自身，另一方面会进一步破坏推力器的放电稳定性，从而降低推力器性能、缩短推力器寿命。历史上许多著名型号都深受其害。美国“深空1号”所搭载的“NSTAR”离子推力器，其主阴极就是被高能离子溅射，触持极顶板完全消失，导致点火困难。“SPT-100”霍尔推力器，也是因为阴极触持极腐蚀过快，导致寿命未能达到任务要求的8000小时，可靠性严重不达标。

因此，阴极放电振荡一直是空间电推进领域的研究热点，针对引起振荡的不稳定因素开展了许多研究，提出了许多理论解释和工程设想，但离工程实际还有较远。一种方式是增强阴极的耐离子溅射能力，例如采用石墨作为阴极材料，以及增加零件的厚度来延长使用时间等，但石墨材料的强度目前还难以满足航天发射的许用应力标准，增加零件厚度会改变关键尺寸，从而较大程度改变阴极的放电特性。另一种方式是增加阴极流量，通过高密度中性气体将振荡阻尼掉，但这会造成阴极集中腐蚀的问题，反而会缩短阴极内部发射体的使用寿命。这两种措施未能推广，人们一直在寻找尽量不影响阴极结构原理、不改变阴极工况的方法，来以尽可能小的技术代价来抑制阴极振荡。

发明内容

针对空心阴极振荡的抑制手段，本发明提供一种抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法。

本发明的一种抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，本发明空心阴极的节流孔板、触持极板和支撑筒之间分离且紧配合；本发明方法包括：

S1、对空心阴极进行放电实验，放电过程中测量振荡和离子能量分布，得到空心阴极与阳极之间的振荡幅值分布曲线及离子能量分布曲线；

S2、更换节流孔板、触持极板的材料，所述材料为发射体材料，重复S1，得到不同材料节流孔板、触持极板对应的振荡幅值分布曲线及离子能量分布曲线；

S3、根据得到的振荡幅值分布曲线及离子能量分布曲线，选择合适的材料的节流孔板、触持极板来抑制放电振荡。

作为优选，S1还包括：

空心阴极放电过程中，升高或降低触持极的偏置电位，得到空心阴极与阳极之间的振荡幅值分布曲线及离子能量分布曲线；

S3中，根据得到的振荡幅值分布曲线及离子能量分布曲线，选择合适的材料的节流孔板、触持极板及触持极的偏置电位来抑制放电振荡及高能离子。

作为优选，偏置电位包括短接和悬浮。

作为优选，触持极的偏置电位是通过外部电源和开关控制的。

作为优选，所述S1中还包括：新增加偏置电源和测量电阻，将偏置电源和测量电阻与触持极串联连接，根据测量电阻的电流，用以测量触持极的吸收与发射特性。

作为优选，S1中，采用探针测量系统获得空心阴极轴线不同位置处的电子电流，得到空心阴极与阳极之间的电子电流曲线，根据电子电流曲线计算振荡幅值参数，进而绘制出振荡幅值分布曲线。

作为优选，探针测量系统包括探针、扫描电源、电阻和示波器；

扫描电源用于给探针提供连续变化的偏置电压，示波器用于测量电阻两端电压，电阻串联在探针与扫描电源之间。

作为优选，所述探针为朗缪尔探针。

作为优选，S1中，采用粒子能量分析仪测量离子能量分布，处理数据并绘制离子能量分布曲线。

作为优选，节流孔板、触持极板的材料包括钽、钼、石墨、LaB₆、钡钨、镧钨、铈钨、钍钨。

本发明的有益效果，本发明通过改变触持极材料、节流孔材料来抑制放电振荡，从而减小空心阴极振荡带来的异常阻抗和高能离子腐蚀等问题，使得阴极和推力器以更好的状态工作。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为触持极安装位置；

图3为本发明实验所用阴极结构及电路连接图；

图4为不同触持极材料对应的羽流振幅分布；

图5为不同触持极材料对应的羽流振幅分布；

图6为低流量下材料对羽流区IEDF的影响；

图7为低流量下材料对羽流区IEDF的影响。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本申请的发明人在研究阴极羽流物理过程时发现，将触持极、节流孔板的材料改用发射体材料，此时触持极材料功函降低，通过增加热发射量的方式增加了补偿电流的大小；同时降低触持极偏置电位屏蔽掉更多电子，从而减少损失电流的大小。外部电子发射补偿掉部分或全部损失可以有效抑制阴极羽流中的振荡，并进一步抑制羽流中的高能量离子生成。二者共同作用，确实通过提高补偿与损失之比，显著减小羽流振幅和高能离子，从而使得阴极及推力器寿命、性能更好。

更改节流孔板和触持极板的材料功函，可以改变热发射电流和二次电子发射量，从而改变补偿电流的大小。

节流孔板和触持极板材料，二者与支撑筒之间是分离的，接触部位采用紧配合，以便于在实验过程中更换节流孔板、触持极板的材料；触持极材料从钽换为功函更低的LaB6后，羽流中的最大振幅降低；本实施方式的抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，具体包括：

步骤1、对空心阴极进行放电实验，放电过程中测量振荡和离子能量分布，得到空心阴极与阳极之间的振荡幅值分布曲线及离子能量分布曲线；

步骤1可使用朗缪尔探针测量振荡，绘制探针电流波动。阴极实验中的探针测量系统包括探针、扫描电源、电阻和示波器；扫描电源用于给探针提供连续变化的偏置电压，示波器用于测量电阻两端电压，电阻串联在探针与扫描电源之间，采用电子电流的波形来近似振荡情况。利用探针电子电流波动曲线通过公式原理计算出振荡幅值参数，绘制振荡幅值分布曲线，

步骤1可采用粒子能量分析仪(RPA)测量离子能量分布，处理数据并绘制离子能量分布曲线。

步骤2、更换节流孔板、触持极板的材料，所述材料为发射体材料，重复S1，得到不同材料节流孔板、触持极板对应的振荡幅值分布曲线及离子能量分布曲线；

步骤3、根据得到的振荡幅值分布曲线及离子能量分布曲线，选择合适的材料的节流孔板、触持极板来抑制放电振荡。

本实施方式的步骤1还包括：

空心阴极放电过程中，升高或降低触持极的偏置电位，得到空心阴极与阳极之间的振荡幅值分布曲线及离子能量分布曲线；步骤3中，根据得到的振荡幅值分布曲线及离子能量分布曲线，选择合适的材料的节流孔板、触持极板及触持极的偏置电位来抑制放电振荡及高能离子。本实施方式的偏置电位可选择短接和悬浮。

损失与补偿量的相对大小可以通过触持极偏置电位和触持极材料来调节：人为升高或降低触持极的电位，可以利用鞘层电势降的变化来吸收或屏蔽掉更多电子，从而改变损失量；触持极与阴极负极短接从而降低偏置电位后，振幅进一步降低。可见触持极材料功函的降低确实通过增加热发射量的方式增加了补偿电流的大小；另一方面，降低触持极偏置电位也通过屏蔽掉更多电子，从而减少损失电流的大小。二者共同作用，通过提高补偿与损失之比，显著减小羽流振幅。更换触持极材料后对振荡的抑制效果在小流量下更加明显。

本实施方式的触持极的偏置电位可通过外部电源和开关控制。

本实施方式的步骤1中还包括：新增加偏置电源和测量电阻，将偏置电源和测量电阻与触持极串联连接，根据测量电阻的电流，用以测量触持极的吸收与发射特性。

本实施方式的步骤1中，采用探针测量系统获得空心阴极轴线不同位置处的电子电流，得到空心阴极与阳极之间的电子电流曲线，根据电子电流曲线计算振荡幅值参数，进而绘制出振荡幅值分布曲线。

本实施方式的节流孔板、触持极板的材料包括钽、钼、石墨、LaB₆、钡钨、镧钨、铈钨、钍钨。

实施例：实验所用阴极是一支额定电流为4A的LaB₆阴极，发射体内径为3mm，长10mm。节流孔径为0.7mm，深1mm，放电过程中内腔气压约700Pa。节流孔板与触持极板间距1mm，触持极板厚2mm。该阴极使用热子进行点火前的预热，建立起放电之后触持极电位处于悬浮。放电使用的阳极为平板电极，暂定距离阴极触持极端面45mm。阴极的大致结构与电路图如2和图3所示。

为了方便更换节流孔板和触持极板材料，二者与支撑筒之间是分离的，接触部位采用紧配合。试验的三种材料，按发射系数从小到大排列，分别为钽、LaB₆和BaO。此外，还单独设置了一组实验，将节流孔板和触持极板都改为LaB₆材料，以试验更强的发射能力的影响。

触持极的偏置电位是通过外部电源和开关控制的。当考察外部发射对振荡特性的影响时，触持极电位分为“完全悬浮”和与阴极负极短路两个档位，之间的切换通过一个开关实现；

当考察触持极自身的吸收与发射特性时，触持极与第三个偏置电源相连，二者间串联有一个0.5Ω电阻，用以测量吸收、发射电流。所有实验均不带有外加磁场。

3sccm工况下，钽改换成BaO-W和d-LaB₆孔板结构的过程中，振幅分别升高7％和6％。这里的d-LaB₆工况指阴极的节流孔板也换成了LaB₆，利用内腔高温进一步增加外部的补偿电流。此时触持极与阴极负短接只会进一步增大振幅。

3sccm流量对应的振幅分布中，将钽换成LaB₆并与阴极负极短接，使z＝12mm处的振幅降低了55％。1.5sccm流量对应的振幅分布中，将钽换成LaB₆并与阴极负极短接，使z＝12mm处的振幅降低了65％。在外部电离产生电流相同条件下，羽流中的中性气体密度降低，就需要更大体积的外部电离区。这会使羽流振荡全局化，而不是局部化。同时，由于缺乏中性气体的阻尼，各种不稳定性也更容易发展。此时将一部分补偿量从气体电离转移给热发射，可以显著减轻外部电离的负担，缩小电离区体积，降低振幅。图4为不同触持极材料对应的羽流振幅分布，工况为3sccm,4A,图例表示材料为触持极板材料，d-LaB₆指触持极板和节流孔板都为LaB₆的情形；图5为不同触持极材料对应的羽流振幅分布，工况为1.5sccm,4A,图例表示材料为触持极板材料，d-LaB₆指触持极板和节流孔板都为LaB₆的情形；

图6为低流量下材料对羽流区IEDF的影响，工况为3sccm,4A；图7为低流量下材料对羽流区IEDF的影响，工况为：1.5sccm,4A；振荡受到抑制后羽流区的离子能量显著减低。离子能量降低可以大幅延长触持极寿命。钽的离子溅射能量阈值约68eV，大于68eV的IEDF占比从58％降低到21％，相应的触持极寿命可以延长约175％。另一方面，也可以在保持寿命不变的前提下(即离子能量分布基本不变)，流量可以从3sccm减小50％到1.5sccm，有利于提高推进系统、特别是小功率霍尔推力器的整体效率。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims

1.抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，其特征在于，所述空心阴极的节流孔板、触持极板和支撑筒之间分离且紧配合；

所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，其特征在于，所述S1还包括：

3.根据权利要求2所述的抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，其特征在于，偏置电位包括短接和悬浮。

4.根据权利要求3所述的抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，其特征在于，触持极的偏置电位是通过外部电源和开关控制的。

5.根据权利要求2所述的抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，其特征在于，所述S1中还包括：新增加偏置电源和测量电阻，将偏置电源和测量电阻与触持极串联连接，根据测量电阻的电流，用以测量触持极的吸收与发射特性。

6.根据权利要求1所述的抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，其特征在于，S1中，采用探针测量系统获得空心阴极轴线不同位置处的电子电流，得到空心阴极与阳极之间的电子电流曲线，根据电子电流曲线计算振荡幅值参数，进而绘制出振荡幅值分布曲线。

7.根据权利要求6所述的抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，其特征在于，探针测量系统包括探针、扫描电源、电阻和示波器；

8.根据权利要求7所述的抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，其特征在于，所述探针为朗缪尔探针。

9.根据权利要求1所述的抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，其特征在于，S1中，采用粒子能量分析仪测量离子能量分布，处理数据并绘制离子能量分布曲线。

10.根据权利要求1所述的抑制电推进空心阴极放电振荡的阴极外部电子补偿方法，其特征在于，节流孔板、触持极板的材料包括钽、钼、石墨、LaB₆、钡钨、镧钨、铈钨、钍钨。