空心阴极稳态寿命限制机理及拓展方法研究

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1、硕士学位论文空心阴极稳态寿命限制机理及拓展方法研究THESTUDYONSTEADYLIFIELIMITMECHANISMANDDEVELOPMENTMETHODOFHOLLOWCATHODE王福锋哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V439+.2学校代码：10213国际图书分类号：621.455密级：公开工学硕士学位论文空心阴极稳态寿命限制机理及拓展方法研究硕士研究生：王福锋导师：宁中喜副教授申请学位：工学硕士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V439+.2U.D

2、.C:621.455DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringTHESTUDYONSTEADYLIFIELIMITMECHANISMANDDEVELOPMENTMETHODOFHOLLOWCATHODECandidate：WangFufengSupervisor：AssociateProf.NingZhongxiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnology

3、Affiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要空心阴极是电推进系统的核心部件，主要承担电子源和中和器的工作。由于航天系统的特殊性，要求空心阴极具有极高的寿命和可靠性，稳定的稳态特性。阴极的稳态特性主要包括阴极的放电电压，放电电流，阴极气压，阴极振荡，传热特性，腐蚀特性等宏观特性及等离子体密度，电子温度，电子密度等一系列微观特性。这些特性反应阴极的工作状态

4、和稳定性，对衡量阴极的寿命具有重要作用，因此研究空心阴极放电特性随时间的稳定性具有重要的意义。针对现有空心阴极开展了短期寿命实验，测量两个电流下空心阴极稳态特性参数的演化规律。实验发现短期内阴极电压、内部气压、温度分布和放电振荡等随时间变化不大，但触持极、钨顶等位置的材料出现了腐蚀，导致空心阴极寿命快速降低。通过对比可以看出两个电流下空心阴极分别工作在羽流模式和点模式下，而羽流模式下阴极的放电特性极不稳定，触持极表面和腐蚀严重，阴极可靠寿命缩短。阴极模式的主要衡量参数为阴极的振荡。针对实验中阴极出现的明显腐蚀现象，重点分析了阴极在不同的工作状态下的振荡特性，分析

5、了阴极在羽流模式和在点模式下的振荡特性差异。通过三探针测量阴极电子温度和电子密度的瞬态变化规律，用RPA测量阴极模式和振荡对阴极离子能量分布的影响。进一步的分析表明，随着引出电流的增加，阴极振荡增大导致了高能离子增多和轰击材料的离子通量增大，这是阴极发射体，钨顶孔和触持极溅射腐蚀的主要因素。为了减小材料腐蚀速率延长阴极寿命，开展了空心阴极放电振荡幅值控制和减小离子能量的方法研究。空心阴极与霍尔推力器耦合放电时存在磁场，因此首先开展了磁场影响研究，结果发现轴向磁场由于能够增加电子向阳极的传导，而控制了放电振荡抑制了高能离子。增加供气流量会降低阳极电压和减小振荡幅值

6、，从而压制了高能离子的产生。放电回路的电容会减小电压振荡，增加电流振荡，电感的作用于电容正好相反，但是两者均能通过相位调节减少高能离子。空心阴极放电过程中材料腐蚀目前尚无可靠的在线监测方法，但材料腐蚀状态是表征阴极寿命的重要特征，为此本文给出了一套基于腐蚀材料发射光谱强度，在线监测阴极腐蚀产物的方法。通过与氙特征线的对比、选择了发射体腐蚀材料的特征线，并获得了不同工况下材料腐蚀发光强度的变化规律，结果显示阴极放电振荡幅值增加，发光强度明显增大。最后本文对该方法的稳定应-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文用进行了改进设计。关键词：空心阴极；稳态寿命；离子能量分布；

7、低频振荡；材料腐蚀-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThehollowcathodeisthecorecomponentoftheelectricpropulsionsystemandismainlyresponsiblefortheworkoftheelectronsourceandtheneutralizer.Duetothespecialnatureoftheaerospacesystem,hollowcathodesarerequiredtohaveextremelyhighlifetimeandreliability,andstab

8、lesteady-sta