空心陰極是離子發(fā)動機的心臟，其壽命直接決定離子發(fā)動機系統(tǒng)的壽命。目前，國際上離子發(fā)動機的地面驗證壽命已經(jīng)從10000h擴展到30000h,飛行驗證已經(jīng)達到16000h。針對我國15年壽命的通訊衛(wèi)星南北位置保持的使命，在考慮備份的情況下, 空心陰極壽命可靠壽命應(yīng)該達到10000h以上。在實驗研究的基礎(chǔ)上，進行空心陰極壽命預(yù)測,并根據(jù)預(yù)測結(jié)果優(yōu)化研制方案，可較大幅度降低空心陰極研制成本，提高研制效率。本文結(jié)合蘭州物理研究所3500h空心陰極壽命實驗結(jié)果,對空心陰極壽命進行了預(yù)測研究。

1、試驗裝置及方法

1.1、空心陰極

　　蘭州物理所設(shè)計的空心陰極的結(jié)構(gòu)參數(shù)在08年投稿在真空技術(shù)網(wǎng)中“20cm氙離子發(fā)動機空心陰極3000h壽命試驗”一文已經(jīng)詳細說明。該空心陰極的發(fā)射體采用LaB6材料制成。發(fā)射體內(nèi)徑2mm, 長度8mm,外徑4mm。LaB6的突出特點是抗中毒能力強，其抗中毒閾值比傳統(tǒng)的鋇鎢陰極高2~3個數(shù)量級。LaB6在600℃以下，不會與空氣發(fā)生反應(yīng)，可長期在大氣環(huán)境中儲存。基于以上特點，LaB6空心陰極應(yīng)用于離子發(fā)動機可帶來兩方面益處，其一，可降低對離子發(fā)動機工質(zhì)純度的要求，其二，可大幅放松離子發(fā)動機儲存對環(huán)境的要求。因此，LaB6空心陰極已經(jīng)引起國內(nèi)外的重視。

1.2、試驗條件及程序

　　壽命試驗在蘭州物理研究所Ts1000設(shè)備的真空室中進行，試驗采用三極管結(jié)構(gòu)。三極管結(jié)構(gòu)的詳細參數(shù)已經(jīng)詳細敘述。試驗過程開始前，首先將真空室本底抽至8×10-4Pa；然后，向陰極管中通入Xe氣，陰極加熱器加電，當發(fā)射體被加熱到1800K以上時，觸持極加800V高壓，實現(xiàn)空心陰極點火；點火成功后，開啟陽極電源，從空心陰極中引出電流，這時，陰極加熱器斷電，陰極實現(xiàn)自持放電。

　　試驗中，通入到陰極的Xe流率維持在0.1mg/s，此時真空室真空度穩(wěn)定在2×10-3Pa；陽極采用穩(wěn)流電源將放電電流（即發(fā)射電流）維持在額定電流5.00 A，通過監(jiān)測陽極電壓（即放電電壓）隨試驗時間的變化關(guān)系，掌握陰極狀態(tài)的變化。試驗中采用的Xe純度為99.9996%。

2、壽命試驗結(jié)果

　　3500h壽命試驗的情況在上文中已經(jīng)詳細敘述，在3500h壽命試驗后，空心陰極性能穩(wěn)定，仍然可繼續(xù)正常工作。為進行壽命預(yù)測，對空心陰極組件進行了解剖分析。解剖分析表明，在空心陰極各零部件中，發(fā)射體變化最明顯，出現(xiàn)了可見的損耗，經(jīng)過測量，發(fā)射體內(nèi)徑從2mm 變化到2.30mm,外直徑無變化,即整個壽命試驗期間，發(fā)射體消耗了0.15mm，平均消耗速率為42.85μm/1000h。

3、壽命預(yù)測

3.1、幾點假設(shè)

　　第一，因LaB6發(fā)射體尺寸較小，且其熱導(dǎo)率很高，故假設(shè)整個發(fā)射體的表面溫度均勻, 各點電流發(fā)射密度相同；

　　第二，因本試驗中采用的工質(zhì)氣體Xe純度高達99.9995%，假設(shè)工質(zhì)氣體與陰極各零部件不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

　　第三，因空心陰極放電電壓在30V以下，產(chǎn)生的Xe離子能量不超過30eV, 不會對發(fā)射體產(chǎn)生濺射，因此，假設(shè)蒸發(fā)是發(fā)射體損耗的唯一途徑；

　　第四，根據(jù)3500h空心陰極壽命試驗的結(jié)果，發(fā)射體是壽命試驗中變化最明顯的零件，因此，假設(shè)發(fā)射體壽命是制約空心陰極壽命的首要因素;

　　第五，根據(jù)LaB6材料的電子發(fā)射原理，LaB6蒸發(fā)損耗的過程與發(fā)射體表面更新過程完全同步，因此，假設(shè)直至發(fā)射體損耗殆盡，發(fā)射體壽命才終止。

3.2、壽命模型

　　根據(jù)以上假設(shè)，通過計算發(fā)射體消耗殆盡所需時間，即可計算發(fā)射體壽命。發(fā)射體在支取不同電流密度情況下，其蒸發(fā)速率有所不同。下面對發(fā)射體發(fā)射電流密度與蒸發(fā)速率之間的關(guān)系進行了推導(dǎo)。式(1)是發(fā)射體電流密度計算公式。根據(jù)真空技術(shù)網(wǎng)另文中敘述，對LaB6發(fā)射體，發(fā)射常數(shù)取30A/(cm2K2)，發(fā)射體表面逸出功取2.66；空心陰極內(nèi)肖特基效應(yīng)引起的逸出功減少量約為0.05eV。

式中Je———發(fā)射電流密度，A/cm2
　　A———發(fā)射常數(shù)，A（/ cm2.K2）
　　T———發(fā)射體表面溫度，K
　　φ———發(fā)射體表面逸出功，eV
　　φs———肖特基效應(yīng)引起的逸出功減少量，eV
　　K———波茲曼常數(shù)，1.381×10- 23 J·K