离子发动机空心阴极寿命预测(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所真空低温技术与物理国家级重点实验室 作者:郭宁

  空心阴极是离子发动机的心脏,其寿命直接决定离子发动机系统的寿命。目前,国际上离子发动机的地面验证寿命已经从10000h扩展到30000h,飞行验证已经达到16000h。针对我国15年寿命的通讯卫星南北位置保持的使命,在考虑备份的情况下, 空心阴极寿命可靠寿命应该达到10000h以上。在实验研究的基础上,进行空心阴极寿命预测,并根据预测结果优化研制方案,可较大幅度降低空心阴极研制成本,提高研制效率。本文结合兰州物理研究所3500h空心阴极寿命实验结果,对空心阴极寿命进行了预测研究。

1、试验装置及方法

1.1、空心阴极

  兰州物理所设计的空心阴极的结构参数在08年投稿在真空技术网中“20cm氙离子发动机空心阴极3000h寿命试验”一文已经详细说明。该空心阴极的发射体采用LaB6材料制成。发射体内径2mm, 长度8mm,外径4mm。LaB6的突出特点是抗中毒能力强,其抗中毒阈值比传统的钡钨阴极高2~3个数量级。LaB6在600℃以下,不会与空气发生反应,可长期在大气环境中储存。基于以上特点,LaB6空心阴极应用于离子发动机可带来两方面益处,其一,可降低对离子发动机工质纯度的要求,其二,可大幅放松离子发动机储存对环境的要求。因此,LaB6空心阴极已经引起国内外的重视。

1.2、试验条件及程序

  寿命试验在兰州物理研究所Ts1000设备的真空室中进行,试验采用三极管结构。三极管结构的详细参数已经详细叙述。试验过程开始前,首先将真空室本底抽至8×10-4Pa;然后,向阴极管中通入Xe气,阴极加热器加电,当发射体被加热到1800K以上时,触持极加800V高压,实现空心阴极点火;点火成功后,开启阳极电源,从空心阴极中引出电流,这时,阴极加热器断电,阴极实现自持放电。

  试验中,通入到阴极的Xe流率维持在0.1mg/s,此时真空室真空度稳定在2×10-3Pa;阳极采用稳流电源将放电电流(即发射电流)维持在额定电流5.00 A,通过监测阳极电压(即放电电压)随试验时间的变化关系,掌握阴极状态的变化。试验中采用的Xe纯度为99.9996%。

2、寿命试验结果

  3500h寿命试验的情况在上文中已经详细叙述,在3500h寿命试验后,空心阴极性能稳定,仍然可继续正常工作。为进行寿命预测,对空心阴极组件进行了解剖分析。解剖分析表明,在空心阴极各零部件中,发射体变化最明显,出现了可见的损耗,经过测量,发射体内径从2mm 变化到2.30mm,外直径无变化,即整个寿命试验期间,发射体消耗了0.15mm,平均消耗速率为42.85μm/1000h。

3、寿命预测

3.1、几点假设

  第一,因LaB6发射体尺寸较小,且其热导率很高,故假设整个发射体的表面温度均匀, 各点电流发射密度相同;

  第二,因本试验中采用的工质气体Xe纯度高达99.9995%,假设工质气体与阴极各零部件不发生化学反应;

  第三,因空心阴极放电电压在30V以下,产生的Xe离子能量不超过30eV, 不会对发射体产生溅射,因此,假设蒸发是发射体损耗的唯一途径;

  第四,根据3500h空心阴极寿命试验的结果,发射体是寿命试验中变化最明显的零件,因此,假设发射体寿命是制约空心阴极寿命的首要因素;

  第五,根据LaB6材料的电子发射原理,LaB6蒸发损耗的过程与发射体表面更新过程完全同步,因此,假设直至发射体损耗殆尽,发射体寿命才终止。

3.2、寿命模型

  根据以上假设,通过计算发射体消耗殆尽所需时间,即可计算发射体寿命。发射体在支取不同电流密度情况下,其蒸发速率有所不同。下面对发射体发射电流密度与蒸发速率之间的关系进行了推导。式(1)是发射体电流密度计算公式。根据真空技术网另文中叙述,对LaB6发射体,发射常数取30A/(cm2K2),发射体表面逸出功取2.66;空心阴极内肖特基效应引起的逸出功减少量约为0.05eV。

式中Je———发射电流密度,A/cm2
  A———发射常数,A(/ cm2.K2)
  T———发射体表面温度,K
  φ———发射体表面逸出功,eV
  φs———肖特基效应引起的逸出功减少量,eV
  K———波兹曼常数,1.381×10- 23 J·K

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