冉文亮，張?zhí)炱?2*，趙志偉，李 璇

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.甘肅省空間電推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：蘭州 730000）

0 引言

離子電推進(jìn)相比其他電推進(jìn)具有高比沖、高效率、在軌壽命長、推力精確且高分辨率連續(xù)可調(diào)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠最大限度地提升衛(wèi)星載荷比。在南北位保、高精度姿態(tài)軌道耦合控制、無拖曳控制等任務(wù)中，離子推力器具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。但是無論在軌測(cè)試還是地面試驗(yàn)結(jié)果均顯示，離子推力器工作時(shí)存在非預(yù)期電擊穿現(xiàn)象，造成離子推力器的推力輸出波動(dòng)乃至推力損失，影響推力器的應(yīng)用效能，使其服役壽命顯著縮短，甚至導(dǎo)致整個(gè)任務(wù)失敗。

我國自20 世紀(jì)70 年代開始電推進(jìn)技術(shù)研究，幾十年來先后研制了系列化離子電推進(jìn)工程產(chǎn)品，現(xiàn)亟需從機(jī)理層面對(duì)離子推力器電擊穿現(xiàn)象開展研究，全面掌握電擊穿特性及其微觀規(guī)律，準(zhǔn)確識(shí)別離子推力器發(fā)生柵極非預(yù)期電擊穿的機(jī)理，以便能夠提出標(biāo)本兼治的非預(yù)期電擊穿綜合抑制方法。

本文基于離子推力器實(shí)際工作過程中柵極發(fā)生的非預(yù)期電擊穿現(xiàn)象，闡述非預(yù)期電擊穿對(duì)柵極組件、電推進(jìn)系統(tǒng)以及航天任務(wù)的影響，梳理柵極組件在不同環(huán)境下發(fā)生非預(yù)期電擊穿的機(jī)理，對(duì)不同類型的非預(yù)期電擊穿及其危害進(jìn)行分析和綜述，最后提出后續(xù)研究的構(gòu)想。

1 非預(yù)期電擊穿現(xiàn)象及其影響

離子推力器非預(yù)期電擊穿從起因上看，為束流的微小擾動(dòng)或瞬時(shí)中斷又加載；從現(xiàn)象來看，為推力器工作時(shí)柵極表面或柵極與外殼之間或雙柵極之間絕緣表面出現(xiàn)瞬時(shí)火花或發(fā)光現(xiàn)象；從結(jié)果來看，會(huì)造成柵極表面出現(xiàn)不均勻分布的熱斑點(diǎn)或紋痕；從本質(zhì)上說，為柵極之間強(qiáng)電場(chǎng)局部瞬時(shí)畸變引起的電流突增。

離子推力器正常工作時(shí)，其屏柵極處于正電位（一般為1500V），加速柵極處于負(fù)電位（一般為-200V）。兩電極間距小于1mm 且存在極高的電位差，使得柵極組件在工作時(shí)極易發(fā)生非預(yù)期電擊穿，直觀表現(xiàn)為柵極組件局部放電閃光。圖1(a)是增強(qiáng)型高速相機(jī)（ICCD）拍到的柵極組件發(fā)生沿面閃絡(luò)瞬間；圖1(b)是沿面閃絡(luò)瞬間的典型放電波形，其中黃線代表屏柵電壓，綠線代表加速柵電壓，藍(lán)線代表加速柵電流。離子推力器發(fā)生非預(yù)期電擊穿通常在一瞬間，此時(shí)加速柵電流突然增大、屏柵電壓突降至0；放電結(jié)束后，柵極電壓會(huì)在ms 時(shí)間內(nèi)迅速恢復(fù)至初始值。

圖1 離子推力器非預(yù)期電擊穿的直觀表現(xiàn)Fig.1 Visual representation of unexpected electric breakdown of the ion thruster grid

離子推力器非預(yù)期電擊穿經(jīng)常發(fā)生于柵極之間的間隙和絕緣支撐面，擊穿發(fā)生時(shí)柵極電壓突降、回路電流突增、發(fā)光強(qiáng)度激增，柵極組件和電源側(cè)電壓形成低頻振蕩電壓信號(hào)，使得受控和可恢復(fù)的束流（推力）中斷，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致中和器或放電室陰極熄滅等。對(duì)離子電推進(jìn)系統(tǒng)而言，擊穿將導(dǎo)致其工作可靠性降低；對(duì)航天任務(wù)而言，擊穿嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致實(shí)際輸出推力小于預(yù)期水平、預(yù)定正常工作被臨時(shí)中斷、連續(xù)穩(wěn)定推力輸出被破壞甚至電推進(jìn)系統(tǒng)失效等。

2 柵極非預(yù)期電擊穿的機(jī)理及特性研究

2.1 真空電擊穿

1）真空擊穿

真空電擊穿即真空放電發(fā)展形成的放電電流較大的火花放電和電弧放電，其過程主要分為電子發(fā)射、火花放電和電弧放電3 個(gè)階段。其主要成因是等離子體與加速柵表面相互作用，形成柵表面微爆炸和場(chǎng)致電子發(fā)射，其中電子發(fā)射對(duì)極間放電起決定性作用。加速柵表面微凸起、電介質(zhì)薄膜、吸附物和雜質(zhì)微粒等因素導(dǎo)致電場(chǎng)局部畸變，于是柵極表面微凸起在場(chǎng)致效應(yīng)下發(fā)射電子，電子發(fā)射電流對(duì)表面微凸起進(jìn)行焦耳加熱，能量富集后出現(xiàn)微爆炸，形成等離子體羽流；伴隨著電流的增大，等離子體進(jìn)一步發(fā)展，放電轉(zhuǎn)為火花放電階段，當(dāng)電流高于閾值電流時(shí)，火花放電過程自持；當(dāng)有足夠的功率維持放電，則在火花放電的最后階段形成真空電弧。

離子推力器柵極間尖端放電過程中，可以將柵極表面的毛刺、濺射沉積物抽象等效為拋物面針，并設(shè)針頂端曲率半徑為，平面間隙距離為，極間電壓為。研究表明，沿平面間隙軸心離針頂端距離處的電場(chǎng)強(qiáng)度為

離子推力器柵極間產(chǎn)生擊穿放電的閾值電壓為

在離子推力器柵極系統(tǒng)中，柵極間距遠(yuǎn)大于尖端曲率半徑，此情形下，極間電暈放電閾值電壓遠(yuǎn)高于極間電壓。

通常情況下，離子推力器加速柵尖端電極直徑在100μm～1mm 量級(jí)，柵極間距離控制在0.8～1.2mm 之間，因此，尖端電極中點(diǎn)與屏柵孔邊緣連線形成的夾角變化范圍比較大。尖端放電區(qū)域電場(chǎng)分布由高壓電極幾何構(gòu)型和空間電荷共同決定。離子推力器加速柵尖端放電模型如圖2所示，電場(chǎng)線分布采用正則近似（紅色虛線）。捷克學(xué)者Sigmond 已證明，電場(chǎng)線采用正則分布近似，與采用復(fù)雜計(jì)算獲得的電場(chǎng)線分布沒有本質(zhì)區(qū)別。

圖2 離子推力器電擊穿半解析模型[3]Fig.2The semi-analytical model of electric breakdown of ion thruster[3]

2）真空沿面閃絡(luò)

真空沿面閃絡(luò)是指在真空強(qiáng)電場(chǎng)下，沿柵極絕緣支撐材料表面發(fā)生放電從而導(dǎo)致電擊穿的物理現(xiàn)象。目前認(rèn)為真空沿面閃絡(luò)的產(chǎn)生機(jī)制符合二次電子發(fā)射雪崩（SEEA）模型，沿面閃絡(luò)起始于絕緣體、負(fù)電極和真空表面交界的三結(jié)合點(diǎn)處，主要原因是該點(diǎn)附近存在高場(chǎng)強(qiáng)的局部電場(chǎng)；陰極在場(chǎng)致效應(yīng)和高溫條件的激發(fā)下發(fā)射電子，電子在電場(chǎng)加速下轟擊絕緣支撐表面并激發(fā)二次電子；由于靜電場(chǎng)的存在，電子繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)過程中繼續(xù)轟擊絕緣支撐表面，產(chǎn)生更多新的二次電子，該循環(huán)持續(xù)發(fā)展形成電子發(fā)射雪崩；根據(jù)電子激勵(lì)解吸附原理，電子轟擊柵極組件表面，造成柵極表面氣體解吸附，從而產(chǎn)生中性粒子和帶電離子，最終發(fā)生沿面閃絡(luò)，過程如圖3所示。綜上，SEEA 模型可以分為4 個(gè)階段：①陰極在場(chǎng)致效應(yīng)和高溫激發(fā)下發(fā)射電子；②電子轟擊柵極絕緣支撐表面產(chǎn)生二次電子；③大量電子轟擊柵極材料表面引發(fā)出氣；④電子碰撞氣體分子使其電離發(fā)生沿面閃絡(luò)。

圖3 真空沿面閃絡(luò)SEEA 模型[3]Fig.3 SEEA model of vacuum flash over along the surface[3]

2.2 低氣壓電擊穿

1）低氣壓擊穿

在不同電壓下所發(fā)生的低氣壓電擊穿具有不同的擊穿性質(zhì)。低氣壓電擊穿的放電模式26-27]主要有湯生放電、輝光放電、火花放電以及電弧放電4 種。圖4為低氣壓下氣體發(fā)生電擊穿放電的典型伏安特性曲線。

圖4 低氣壓氣體放電的典型直流伏安特性曲線[28]Fig.4 Typical DC volt-ampere characteristics of low pressure gas discharge[28]

湯生放電的伏安特性曲線如圖5所示，曲線根據(jù)伏安特性不同分為、和三部分：區(qū)域內(nèi)，電極間的電壓很低，間隙中流過的電流很小，從0 上升至趨于飽和時(shí)電流達(dá)到最大值（飽和電流值），約為10A 量級(jí)；區(qū)域內(nèi)，在外界因素作用（光電離等）下陰極向外發(fā)射電子，電子在電場(chǎng)加速下獲得較大的動(dòng)量，并在運(yùn)動(dòng)過程中與氣體分子發(fā)生碰撞，使氣體分子被電離，致區(qū)域內(nèi)的帶電粒子數(shù)目驟增，放電電流變大；區(qū)域內(nèi)，氣體分子碰撞電離所產(chǎn)生的正離子也可從電場(chǎng)中獲得相應(yīng)的動(dòng)量，這些離子使得氣體分子進(jìn)一步電離，放電電流逐步增大，形成氣體分子碰撞與電離的循環(huán)。陰極發(fā)射出的電子由光電離產(chǎn)生，若光電效應(yīng)消失則區(qū)域內(nèi)電流會(huì)立刻中斷，屬于非自持放電。當(dāng)施加在離子推力器柵極間的電壓大于柵極擊穿閾值電壓時(shí)，該區(qū)域的放電電流會(huì)突然增大，此時(shí)即使中斷加載在柵極的外加電源，擊穿放電現(xiàn)象依然能維持，柵極間出現(xiàn)自持放電擊穿，如輝光放電、火花放電或電弧放電。

圖5 湯森放電的伏安特性曲線[28]Fig.5 The volt-ampere characteristic curve of Townsend discharge[28]

2）低氣壓沿面閃絡(luò)

柵極組件的絕緣支撐和外界氣體接觸面上容易發(fā)生沿接觸面放電現(xiàn)象，若這種放電發(fā)展到具有氣體貫穿性的電擊穿時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)低氣壓沿面閃絡(luò)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)氣體或絕緣支撐單獨(dú)存在時(shí)，發(fā)生電擊穿所需要的擊穿電壓遠(yuǎn)高于氣體發(fā)生沿面閃絡(luò)的擊穿電壓。究其原因可概括為以下3 點(diǎn)：①柵極組件的絕緣支撐與柵極表面之間并非緊密接觸，存在極小的氣體間隙，因絕緣支撐的介電常數(shù)高于氣體的介電常數(shù)，導(dǎo)致氣體間隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于平均電場(chǎng)，不均勻的電場(chǎng)分布促使局部放電，放電產(chǎn)生的帶電粒子運(yùn)動(dòng)到絕緣支撐表面，引起絕緣支撐與柵極表面間的電場(chǎng)分布畸變，使得沿面閃絡(luò)的擊穿電壓變小；②空氣濕度及柵極表面吸附氣體、水分等小分子的解吸附；③加工工藝、安裝等原因造成柵極表面不平整以及表面電阻不均勻，從而導(dǎo)致電場(chǎng)分布不均勻。

3 非預(yù)期電擊穿的類型及危害性評(píng)估

非預(yù)期電擊穿具瞬態(tài)特性，可根據(jù)電參數(shù)的變化對(duì)其進(jìn)行間接表征，因此根據(jù)電擊穿的不同類型，以電壓電流波形為依據(jù)提出抑制判據(jù)具有重要意義。真空和低氣壓下的柵極非預(yù)期電擊穿主要對(duì)應(yīng)5 種放電類型，應(yīng)根據(jù)其特性和危害性進(jìn)行策略評(píng)估：

1）湯生放電極易向輝光放電轉(zhuǎn)換，由于放電電流較小，產(chǎn)生能量在柵極組件可接受范圍，故對(duì)離子推力器性能影響可忽略不計(jì)。

2）輝光放電是一種自持放電，其放電電流僅有幾mA，電流密度小。輝光放電的產(chǎn)生機(jī)理是陰極在受到來自陽極正離子的轟擊后產(chǎn)生了二次電子；放電時(shí)，柵極表面存在穩(wěn)定亮斑，但間隙未形成自持性的貫穿導(dǎo)通通道。輝光放電會(huì)造成離子推力器的柵極表面出現(xiàn)分布不均勻的熱斑點(diǎn)或紋痕，但因放電電流較小，沉積能量較低，對(duì)柵極組件的損傷在可接受范圍。

3）火花放電（如圖6 所示）本質(zhì)是柵極組件電極間瞬間導(dǎo)通，表現(xiàn)為瞬時(shí)明亮的細(xì)帶束放電發(fā)光?；鸹ǚ烹姰a(chǎn)生后將自行熄滅，并迅速在其他位置產(chǎn)生新的火花，電流脈沖寬度為10～10s，宏觀表現(xiàn)為迅速更替的間隙擊穿。在真空或低氣壓環(huán)境下采用高功率電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，火花通道將繼續(xù)維持并發(fā)展，放電將轉(zhuǎn)化為更強(qiáng)烈的電弧放電?；鸹ǚ烹姇?huì)使離子推力器柵極表面局部形成熱斑點(diǎn)，引起柵極材料低逸出功區(qū)域的場(chǎng)致熱發(fā)射（肖特基效應(yīng)），放電沉積能量較大，使得柵極材料局部蒸發(fā)，造成柵極表面損傷，導(dǎo)致柵極表面受損與非預(yù)期電擊穿頻次之間的惡性循環(huán)。

圖6 火花放電的典型放電形態(tài)和電壓電流波形Fig.6 Typical discharge form and voltage and current waveforms of spark discharge

4）沿面閃絡(luò)放電（如圖7 所示）本質(zhì)是氣體?絕緣介質(zhì)表面“擊穿”，一般沿柵極間絕緣層、柵極與外殼間絕緣層表面和電極板間絕緣支柱的表面發(fā)展，當(dāng)形成貫穿性通道時(shí)在絕緣層表面產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，其電學(xué)特性與火花放電類似。沿面閃絡(luò)放電會(huì)使離子推力器柵極表面形成氧化膜、補(bǔ)丁場(chǎng)效應(yīng)等，進(jìn)而造成柵極材料物性的改變，如脆性增大、塑性降低等，加速異常閃爍放電，形成惡性循環(huán)，加速柵極腐蝕，降低柵極絕緣性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致柵極之間永久短路。

圖7 沿面閃絡(luò)的典型放電形態(tài)和電壓電流波形Fig.7 Typical discharge pattern and voltage and current waveforms of flashover along the surface

5）電弧放電（如圖8 所示）具有低壓大電流特性，表現(xiàn)為柵間出現(xiàn)持續(xù)、明亮的細(xì)帶束放電，瞬時(shí)放電電流密度可高達(dá)10～10A/cm，電流峰值和電壓降遠(yuǎn)超火花放電，這是由于柵極之間短路造成的，意味著柵極表面被完全擊穿。電弧放電對(duì)離子推力器的影響包括：在加速柵兩孔之間或三孔之間形成“凹槽”“凹坑”等腐蝕形貌，同時(shí)在加速柵下游表面出現(xiàn)大量的濺射物沉積，使柵極絕緣性能降低，損傷嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致推力器工作壽命縮短；嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電源處理單元（PPU）屏柵極和加速柵極電源輸出異常，對(duì)電源一次母線造成沖擊；不間斷的電弧放電會(huì)對(duì)柵極表面造成嚴(yán)重破壞，濺射腐蝕所產(chǎn)生的多余物及金屬碎屑可能造成柵極之間形成搭橋短路，可能導(dǎo)致柵極、PPU 乃至推力器永久失效。

圖8 電弧放電的典型放電形態(tài)和電壓電流波形Fig.8 Typical discharge form and voltage and current waveforms of arc discharge

本文結(jié)合光電測(cè)量手段，統(tǒng)計(jì)分析放電電壓電流波形和放電光學(xué)行為，獲取特征電壓電流波形參數(shù)；根據(jù)電擊穿的不同類型，以電壓電流波形為依據(jù)，評(píng)估非預(yù)期電擊穿對(duì)PPU 及柵極系統(tǒng)的危害性，并給出相應(yīng)的處置建議，見表1。

表1 主要電擊穿放電類型的評(píng)估及策略Table1 Evaluations for the main types of electrical breakdown discharge and suggestions

4 展望

目前針對(duì)離子電推進(jìn)非預(yù)期電擊穿問題，國際上采取抑制電流持續(xù)、快速增長的控制措施：當(dāng)推力器雙柵極之間電流瞬間增大且達(dá)到預(yù)設(shè)判據(jù)時(shí)，PPU 啟動(dòng)保護(hù)程序，對(duì)束流進(jìn)行中斷再加載，試驗(yàn)上表現(xiàn)為束流重啟。

國內(nèi)方面，蘭州空間技術(shù)物理研究所開展了較多相關(guān)研究：通過磁場(chǎng)優(yōu)化及柵極形狀設(shè)計(jì)，加強(qiáng)柵極組件工作穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，控制內(nèi)部濺射沉積物和內(nèi)部低氣壓環(huán)境，設(shè)計(jì)高強(qiáng)度陶瓷柵極絕緣屏蔽罩等來抑制離子推力器非預(yù)期電擊穿頻次；已就電擊穿誘發(fā)因素和產(chǎn)生機(jī)理做出詳細(xì)闡述，但目前對(duì)離子推力器組件間的耦合效應(yīng)、系統(tǒng)相互作用效應(yīng)、空間環(huán)境影響效應(yīng)等與電擊穿有關(guān)的作用機(jī)理仍在探究；已針對(duì)不同氣體環(huán)境、不同工況下電擊穿的主要放電類型及統(tǒng)計(jì)概率進(jìn)行研究，但對(duì)放電特性、產(chǎn)生機(jī)理、發(fā)展過程和影響因素了解有限，尚未獲得具有參考性的放電抑制判據(jù)；已結(jié)合離子推力器在軌測(cè)試及地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)離子推力器非預(yù)期天地差異性進(jìn)行對(duì)比研究，但仍未系統(tǒng)掌握離子推力器電擊穿的深層次規(guī)律。

離子推力器非預(yù)期電擊穿是非常復(fù)雜的非預(yù)期放電現(xiàn)象，后續(xù)還需開展深入的理論研究和專項(xiàng)試驗(yàn)研究，才能提出標(biāo)本兼治的非預(yù)期電擊穿抑制策略，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)非預(yù)期放電的主動(dòng)抑制和控制。