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。
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。
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。
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