柵控熱陰極中和器數值仿真改進與試驗研究

賀亞強，郭 寧，谷增杰，李興達，祁康成

（1.蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000；2.電子科技大學光電科學與工程學院，成都 610054）

0 引言

利用微小功率電推進逐步替代化學推進，完成軌道機動和維持任務是目前國際上保障低軌小衛星軌道壽命的主流技術方向[1]。空心陰極必須消耗推進劑且發射電流太大，不適合作為微小功率電推力器的中和器[2-3]，因而柵控熱陰極中和器成為優選[1]。美國Tajmar等[4]將熱陰極中和器應用于場發射微電推進，所使用的熱陰極中和器可引出100μA電子電流，驗證了柵控熱陰極作為微電推進中和器的可行性[5]。但他們只針對一種結構參數和工況參數下的熱陰極中和器進行了性能試驗研究，沒有給出熱陰極中和器在微電推進方向應用的優化設計和理論指導。

理想的熱陰極中和器應該能在最低的功耗下引出最大的電流，可以瞬間啟動發射電流，并連續可調。本文利用Opera軟件針對陰極-柵極間距、柵極電壓、柵極孔半徑和柵極厚度對柵控熱陰極中和器電子發射特性的影響進行數值分析研究，并通過試驗對數值分析結果進行驗證，對仿真結果與試驗結果的一致性進行分析。

1 柵控熱陰極中和器模型

柵控熱陰極中和器的結構示意圖和Opera建模過程詳見文獻[1]。本文將柵控熱陰極中和器的結構進行簡化并且參照試驗模型對仿真模型進行優化設計，得到如圖1所示的仿真模型[6-10]。陰極為圓柱體，仿真過程中通過改變陰極-陽極間距L、陰極-柵極間距D、柵極電壓Ug、陽極電壓Ua、柵極孔半徑r和柵極厚度d，計算陽極電流Ia、柵極截獲電流Ib和電子束軌跡的變化情況。初始參數的設置：陰極溫度1100℃，逸出功2.1 eV，陰極電壓0 V，陽極電壓300 V。

圖1 柵控熱陰極中和器仿真模型Fig.1 Simulation model of grid controlled hot cathode neutralizer

柵控熱陰極中和器由熱發射鋇鎢陰極、支撐架、法蘭和引出柵極組成，如圖2所示。核心部分是熱發射鋇鎢陰極，它的最中間是鋇鎢發射體。相比于LaB6，鋇鎢陰極的優點是電子逸出功低（LaB6近似為2.67 eV，鋇鎢近似為2.06 eV），工作溫度較低，在相同的電子發射條件下，維持功耗較小。鋇鎢陰極周圍用熱屏和陶瓷包裹，用安裝法蘭連接，安裝法蘭下面是加熱燈絲。為了獲得穩定的大電流，每次暴露大氣之后都必須對熱發射鋇鎢陰極進行激活。激活試驗要經歷發射體排氣、熱激活處理、電激活處理三個歷程，其過程涉及加熱功率、升溫速率、加熱溫度、保溫時長等多個控制參數。

圖2 柵控熱陰極中和器實物圖Fig.2 grid controlled thermal cathode neutralizer

2 仿真與試驗結果

柵控熱陰極中和器電子發射特性試驗在蘭州空間技術物理研究所的TS-5B真空系統中進行，試驗壓力為 5×10-5Pa，圖中L0、D0、r0和d0分別是對應L、D、r和d的歸一化因子，無特定含義。

在柵極電壓100 V，陽極電壓300 V的工況下測試得到的陰極加熱電流I加與電壓U加的關系曲線如圖3所示。

圖3 熱陰極加熱電流與電壓關系曲線Fig.3 Curve of thermal cathode heating current and voltage

圖4為熱陰極加熱電流與陽極電流和柵極截獲電流關系圖。當陰極加熱電流I加達到1.2 A后，繼續增加陰極加熱電流，由于空間電荷效應的影響，陽極電流變化很小，如果陰極加熱電流太大，陰極溫度太高，陰極壽命會降低，因此選擇陰極加熱電流1.2 A為最佳工作點。在圖3中找出對應的電壓值，得出加熱功率為8 W，后續試驗均在該加熱功率下進行。

圖4 熱陰極加熱電流與陽極電流和柵極截獲電流的關系曲線Fig.4 Curve of thermal cathode heating current and anode current and grid capture current

2.1 陰極-陽極間距對熱陰極性能的影響規律

當柵極電壓為100 V，陽極電壓為300 V時，改變陰極-陽極間距L，得到陽極電流與柵極截獲電流的變化情況，如圖5所示。當陰極-陽極間距在5～30L0之間時，陽極電流從47.7 mA減小到6.47 mA，柵極截獲電流從0.14 mA減小到0 mA，變化很明顯；當陰極-陽極間距在30～100L0之間時，陽極電流從6.47 mA減小到4.67 mA，變化不大。這是由于陰極-陽極間距較小時，陽極對電子的作用力大，打到陽極板上的電子數多；當陰極-陽極間距較大時，陽極對電子的作用力小，此時對電子的作用力主要來自柵極。因此后續在與推力器進行聯試試驗時，須將中和器與射頻離子推力器引出離子束的距離控制在30L0之內，但也不能離推力器太近，否則陰極受到推力器羽流離子轟擊會引起更多的陰極濺射。

圖5 陽極電流和柵極截獲電流隨著陰極-陽極間距變化曲線Fig.5 Curve of anode current and grid capture current varying with cathode-anode spacing

圖6（a）為陽極電壓300 V時，不同陰極-陽極間距下陽極電流與柵極電壓的關系曲線。當陰極-陽極間距為5L0時，隨著柵極電壓增大，陽極電流從47.2 mA增大到51.7 mA，變化幅度很小，電子引出主要依靠陽極對它的作用力；當陰極-陽極間距為10L0時，隨著柵極電壓增大，陽極電流從15.2 mA增大到26.43 mA，變化比較明顯；當陰極-陽極間距為20L0、30L0、50L0、70L0和100L0時，柵極電壓對陽極電流的影響規律基本一致。

圖6 不同陰極-陽極間距下陽極電流和柵極截獲電流與柵極電壓的關系曲線Fig.6 Curve of grid voltage，anode current and grid capture currentat different cathode-anode spacing

圖6（b）為陽極電壓300 V時，不同陰極-陽極間距下柵極截獲電流與柵極電壓的關系曲線。當柵極電壓超過300 V時，截獲電流迅速增大，陰極-陽極間距越小，截獲電流增長的越快，這是由于陰極-陽極間距較小時，陽極對電子的吸引使更多的電子突破空間電荷效應的限制從陰極發射出來；當柵極電壓大于陽極電壓后，柵極對電子的作用力大于陽極對電子的作用力。隨著陰極-陽極間距增大，柵極截獲電流逐漸減小，這是由于隨著陰極-陽極間距增大，陽極對電子的作用力逐漸減弱，電子不易被引出，柵極孔半徑遠大于陰極發射體半徑，只靠柵極對電子的作用力引出的電子較少，因此隨著陰極-陽極間距增大，柵極截獲電流減小。

2.2 陰極-柵極間距對熱陰極性能的影響規律

保持其他試驗參數不變，改變陰極-柵極間距，觀察陽極電流的變化情況。圖7為不同陰極-柵極間距下仿真與試驗陽極電流對比圖，圖中EXP表示試驗結果，MOD表示仿真結果。試驗結果表明，隨著陰極-柵極間距增大，陽極電流逐漸減小，仿真結果與試驗結果趨勢大致相同，但同一陰極-柵極間距下，試驗結果與仿真結果有差異，原因是部分熱量傳到陽極筒和柵極組件上，使得陰極溫度沒有達到仿真設置的溫度。

圖7 陰極-柵極間距對陽極電流影響的仿真與試驗對比曲線Fig.7 Simulation and experimental comparison of the influence of cathode-grid spacing on anode current

圖8（a）為不同陰極-柵極間距下陽極電流與柵極電壓的關系曲線。當柵極電壓在0～300 V時，陽極電流隨著柵極電壓的增大而增大；當柵極電壓大于300 V時，陽極電流隨著柵極電壓的增大而減小，原因是此時柵極電壓大于陽極電壓，導致柵極截獲電流變大，電子打到陽極板上的數量減小，造成陽極電流減小。隨著陰極-柵極間距的增大，陽極電流逐漸減小且變化幅度也逐漸減小。

圖8（b）為不同陰極-柵極間距下截獲電流與柵極電壓的關系曲線。隨著陰極-柵極間距增大，截獲電流逐漸增大，因此陰極-柵極間距要小，但不能太小，否則陰極與柵極之間會擊穿放電，無法絕緣。

2.3 柵極電壓和陽極電壓對熱陰極性能的影響規律

圖9為不同柵極電壓下仿真與試驗陽極電流對比曲線。仿真結果與試驗結果變化趨勢相同，數值上存在差異的原因與之前的分析一致，當柵極電壓為250 V時，陽極電流達到最大值。

圖9 柵極電壓對陽極電流影響仿真與試驗對比曲線Fig.9 Simulation and experimental comparison of the influence of grid voltage on anode current

當陰極-柵極間距為D=D0，陽極電壓300 V時，柵極電壓對陽極電流和截獲電流的影響如圖10（a）所示。當柵極電壓大于300 V時，陽極電流逐漸減小，截獲電流逐漸增大。圖10（b）為總發射電流與柵極電壓關系曲線，總發射電流隨著柵極電壓增大而增大，基本呈線性關系。

圖10 陽極電流、柵極截獲電流和總發射電流與柵極電壓關系曲線Fig.10 Anode current，grid capture current and emission current versus grid voltage

圖11是陽極電壓為300 V、400 V和460 V時，陽極電流與柵極電壓的關系曲線。隨著陽極電壓逐漸增大，陽極電流也逐漸增大，影響很明顯；隨著柵極電壓增大，陽極電流呈現先增大后減小的趨勢，拐點都在與陽極電壓對應的柵極電壓值附近。因此，為了獲得最大的陽極電流，柵極電壓須低于陽極電壓。

圖11 不同陽極電壓時陽極電流與柵極電壓關系曲線Fig.11 Relationship between grid voltage and anode current at different anode voltages

當柵極電壓為100 V時，陽極電流和柵極截獲電流與陽極電壓的關系曲線如圖12所示。隨著陽極電壓增大，陽極電流逐漸增大，柵極截獲電流先增大后減小，這是由于陽極電壓增大會使陽極板對電子的作用力增大，有更多的電子突破空間電荷效應的限制打到陽極板上，使得陽極電流增大。當陽極電壓小于柵極電壓時，隨著陽極電壓增大，雖然有更多的電子被引出，但此時柵極電壓更高，部分電子受到柵極的作用力被截獲，柵極截獲電流增大；而當陽極電壓大于柵極電壓時，陽極對電子的作用力逐漸增大，更多的電子無法被柵極截獲而直接打到陽極板上，柵極截獲電流逐漸減小。

圖12 陽極電流和柵極截獲電流與陽極電壓關系曲線Fig.12 Curve of anode voltage and anode current and grid capture current

2.4 柵極孔半徑對熱陰極性能的影響規律

圖13為不同柵極孔半徑下，仿真與試驗陽極電流對比曲線，試驗結果和仿真結果相差不大。當柵極孔半徑在6～8r0時，陽極電流從5.4 mA增大到17.8 mA，增幅較大；當柵極孔半徑大于10r0之后，陽極電流隨著柵極孔半徑的增大而增大，但增幅明顯減小，這是由于當柵極孔半徑較小時，大部分電子會被柵極攔截，此時柵極截獲電流很大而陽極電流很小；柵極孔半徑在6～8r0之間時，陽極電流變化很明顯，因為這個尺寸間存在一個臨界點，若柵極孔半徑大于該臨界尺寸，就會有大部分電子穿過柵極孔打到陽極板上，陽極電流明顯增加；當柵極孔半徑大于10r0后，柵極孔半徑對陽極電流的影響變小，這是因為此時柵極孔很大，對電子的截獲能力很弱；繼續增大柵極孔半徑會使柵極對電子的作用力很小，對引出電子幫助不大，電子發射主要依靠陽極板對電子的吸引，陽極電流變化很小，因此在后續的優化過程中當柵極孔半徑大于10r0后，應該從其他影響因素著手，繼續增大柵極孔半徑作用不大。

圖13 柵極孔半徑對陽極電流影響的仿真與試驗對比曲線Fig.13 Simulation and experimental comparison of the influence of grid hole radius on anode current

圖14（a）為不同柵極孔半徑下陽極電流與柵極電壓的關系曲線。隨著柵極孔半徑增大，陽極電流逐漸增大；隨著柵極電壓的增大，陽極電流先增大后減小，與之前試驗得出的結論一致，陽極電流在柵極電壓300 V左右開始下降。

圖14 不同柵極孔半徑下陽極電流和柵極截獲電流與柵極電壓關系曲線Fig.14 Curve of grid voltage，anode current and grid capture current at different grid hole radius

圖14（b）為不同柵極孔半徑下柵極截獲電流與柵極電壓的關系曲線。隨著柵極孔半徑增大，柵極截獲電流逐漸減小；隨著柵極電壓的增大，柵極截獲電流逐漸增大，當柵極電壓小于300 V時，柵極截獲電流增長較慢，而當柵極電壓大于300 V時，柵極截獲電流增長較快，這些規律與之前的分析一致。

2.5 柵極厚度對熱陰極性能的影響規律

圖15為不同柵極厚度下，仿真與試驗陽極電流對比曲線。從仿真分析結果發現，柵極厚度對陽極電流和柵極截獲電流的影響很小，因此只加工了厚度為 0.3d0、0.4d0、0.5d0和 0.6d0的柵極零件。試驗和仿真結果均表明，柵極厚度對陽極電流的影響很小。在后續優化過程中可以將側重點放到其他幾個關鍵影響因素上。

圖15 柵極厚度對陽極電流影響的仿真與試驗對比曲線Fig.15 Simulation and experimental comparison of the influence of grid thickness on anode current

3 結論

本文通過建模仿真與試驗相結合，研究了熱陰極中和器關鍵結構尺寸和工況參數對中和器電子發射性能的影響規律，結論為：

（1）仿真結果與試驗結果一致性好，利用該改進仿真模型評價熱陰極中和器性能的變化趨勢是有效的。

（2）陰極-陽極間距、陰極-柵極間距和柵極孔半徑的變化對熱電子發射性能的影響較大。當陰極-陽極間距為5～30L0時有利于電子的引出；當陰極-柵極間距從D0增大到4D0時，陽極電流從24.34 mA減小到11.46 mA，較小的陰極-柵極間距有利于電子的引出；隨著柵極孔半徑增大，電子發射性能開始增長較快，最后趨于穩定，當柵極孔半徑從6r0增大到8r0時，陽極電流從3.82 mA增大到15.28 mA，變化明顯。設計優化過程中通過增大柵極孔半徑可以增大陽極電流，但柵極孔半徑大于8r0后，對陽極電流影響較小；柵極厚度對電子發射性能影響很小，在后續設計優化過程中可以不考慮，直接選擇厚度為0.5d0的柵極即可。

（3）試驗發現，隨著柵極電壓增大，電子發射性能先增大后變小，拐點在柵極電壓值處于陽極電壓值附近，因此在設計優化過程中要使柵極電壓略低于陽極電壓，此時電子發射性能最好。當柵極電壓一定時，隨著陽極電壓增大陽極電流逐漸增大，柵極截獲電流先增大后減小。當柵極電壓100 V、陽極電壓300 V時，陽極電流達到17.74 mA，柵極截獲電流僅為0.03 mA，陰極加熱功率為8 W。