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钽加热器设计与分析
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一、介绍 电推进系统中使用的空心阴极通常具有细长的空心圆柱形导管，在该导管中放置具有低功函数的插入材料。空心阴极的工作原理是一种叫做热离子发射的物理效应，热离子发射基本上是从发射体材料中释放电子。嵌入材料的加热导致从表面到阴极管中空内部的电子发射增加，在中空内部供应推进剂流。在稳态运行期间，阴极管内部产生的等离子体提供了一种自加热机制，以保持表面的热离子发射处于稳定速率。然而，为了开始阴极放电，必须使用外部加热机制，该加热器将插件的温度提高到插件表面的期望电流发射密度所需的水平。为了启动热离子发射，LaB6 插入物应加热到 1600℃以上，而对于相同的热离子发射电流密度，BaO-W 插入物必须被加热到～1100℃，因此初始加热需要外部加热器，一旦发射器达到期望的热离子发射电流密度所需的温度水平时，加热器关闭。 BaO-W 和 LaB6 阴极由于其低功函数而被用作最常见的空心阴极插入材料。BaO-W 的功函数在大约 1000℃的温度下为 2.06 eV，而 LaB6 的功函数在大约 1650℃的温度下为 2.67 eV。从阴极寿命的角度来看，LaB6 阴极具有优势，因为 LaB6 具有较低的蒸发速率。此外，BaO-W 阴极对高温下的杂质中毒（水蒸气、氧气或氙气中的其他杂质）非常敏感，这种中毒会缩短寿命，甚至阻止阴极发射。对于 LaB6 阴极，无需遵循特殊的调节和储存程序，因此 LaB6 阴极可被视为比 BaO-W 阴极更可靠。Bogazici 大学建造的空心阴极初步设计包含低功函数插件、阴极管、加热器、保持器、弹簧和基座等核心部件。 二、理论预测 空心阴极的基本操作机制如下：插入物（LaB6）被外部加热线圈加热到高温，在此实现每单位面积足够的电子发射。从插入物发射的电子撞击氙气，并导致氙中性气体被电离，然后通过向放置在阴极电极外部的保持电极施加电势，电离的氙原子将移出。阴极插入物可以通过从等离子体到插入物表面的热通量来保持其发射温度，这就是所谓的自持运行模式，加热器仅需要提供插件的初始加热。 不同低功函数材料的电子发射电流密度具有温度依赖性，在相同温度下，LaB6 的发射电流密度明显小于 BaO-W 的发射电流密度，为了达到 8 A/cm² 的电子发射电流密度水平，应当将 LaB6 插件加热到高于 1600℃的温度。通常空心阴极可以提供自加热来维持发射温度，但为了开始热离子发射，LaB6 插入物需加热到 1600℃以上，因此初始加热需要外部加热器，加热所需的高温通常由难熔金属提供，如钨和钽，它们可以承受非常高的温度。 一般来说，加热器是通过在阴极管上缠绕一根导线，然后用箔片将其覆盖而制成的。然而，这种方法有一些缺点，虽然工艺最简单，但可能无法有效加热小型阴极管中的插入物，在嵌件的均匀、有效加热方面存在不足。作为替代方案，由导线包裹的螺纹陶瓷管被用作加热器，可在加热器组件和阴极管之间提供比绝缘导线更好的表面接触，密歇根大学也开展了不同的加热器设计研究。 在戈贝尔的实验中，钽加热丝穿过氧化铝鱼刺珠，缠绕在空心阴极管周围的无感线圈中，该加热器可以提供 250W 的功率来加热阴极。美国空军技术研究所的华纳同样使用钽作为加热器材料，加热器灯丝是钽护套氧化铝绝缘线，根据供应商数据，这些灯丝的工作温度高达 1800℃，具体设计为将 0.127 毫米厚的钽丝绕加热器缠绕 12 圈，同时搭配一片 0.254 mm 厚的钽箔片，用于保护较薄的屏蔽层防止其展开。 部分设计中采用氮化硼代替氧化铝作为陶瓷材料，因为在高温下，氧化铝和钽之间会发生反应，导致组件严重退化，并在保持器和阴极外壳上留下残留物。考特尼的空心阴极加热器设计中，加热丝为 1 mm 厚的钽丝，绕管 15 圈，虽然钨是常用材料，但钽因具有高电阻率和高温下不易碎的特性被选为加热元件。钽片用作耐火材料，以防止辐射热损失并有助于保持空心阴极的自热，加热器大约 15 毫米长，比插入物长 5 毫米，足以覆盖插入区域并实现有效加热。 三、阴极加热器的设计和热模拟 在本研究中，考虑了三种不同的加热器设计，分别称为设计 A、设计 B 和设计 C。设计 A 中，加热器线被假定为 1 mm 厚的绝缘钽线，绕管 15 圈；设计 B 中，带有螺旋形凹槽的氮化硼陶瓷管放置在阴极管的插入区域；设计 C 与设计 B 类似，氮化硼陶瓷管被放置在阴极管周围，但陶瓷上加工的是垂直凹槽而非螺旋形状。 本研究采用 COMSOL 有限元模型（FEM）软件分析这三种不同设计的加热时间和加热均匀性，首先在 CATIA 软件中创建设计的 3D 图纸，然后导入 COMSOL，输入适当的材料属性后，生成用于热分析的四面体网格。即使能够为具有螺旋形布线结构的设计 A 和 B 产生四面体网格，但在获得热分析结果方面仍存在困难，因此在热分析部分，将设计 A 和 B 的螺旋形线圈结构修改为等数量和等长度的环形线圈进行分析。 由于阴极测试（和实际操作）将在真空环境中进行，阴极外部的对流热损失可以忽略不计。尽管在插入区域的初始加热过程中，阴极管内部会有推进气体（氙）的吹扫，但据计算，与传导和辐射热损失相比，由于内部流动而产生的对流热传递较小，因此仅考虑到底部的传导热损失和外部的辐射热损失。 在三维建模之前，空心阴极加热器用轴对称 2D 域表示，模拟结果表明，中空阴极加热器在大约 1500 秒后达到稳定状态，指定角节点（温度评估监控点）的温度随时间呈现规律性变化，整个模型的温度分布表现出相似的趋势和收敛行为，稳态温度最小值为 1473.1 K，最高温度为 2024.8 K。 3D 建模部分模拟了阴极温度的时间变化，直到获得稳态温度分布。对比所有三种加热器设计的插件表面温度时间变化可知，不同设计的升温速率存在差异；三种情况的稳态温度分布中心轴切片轮廓显示，温度分布结构类似，但在加热均匀性和升温效率上有所区别。 四、结论 用于宇宙飞船和卫星的某些推进应用的离子发动机和霍尔效应推进器需要空心阴极来输送其运行所需的电子。空间应用中使用的大多数空心阴极采用氧化钡浸渍的钨（BaO-W）插入物作为热电子发射材料，因其功函数低。然而，最近的研究显示了使用六硼化镧（LaB6）插入材料作为热离子发射源的优点，由于其较高的功函数，LaB6 插件必须加热到比 BaO-W 插件高得多的温度。本研究提出了三种不同的加热器设计及相关热分析工作，针对搭载六硼化镧插入物的空心阴极展开研究，结果表明，对于期望的热电子发射电流密度水平，加热器设计会影响低功函数插入物材料被加热到期望温度所需的时间。 |
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