基于同步辐射光电离质谱的空心阴极寿命损耗机理研究

The technology of Long- life hollow cathode is one bottleneck in the development of electric propulsion devices. Traditional cathode life-research method is characterized with time-consuming, costly and low precision. So, it is a entirely new idea to research the cathode life issues from the level of loss products.. In this project, we explore the quantitative law that how constraint factors of cathode life affect the output of loss products using synchrotron VUV photo-ionization mass spectrum (SVUV-PIMS), and then to make clear hollow cathode life-loss mechanism , so as to realize the optimization of cathode life.. Problems to be studied are included as follows: establishing the experimental methodology for the research of cathode life-loss mechanism by SVUV-PIMS; constructing the model of cathode life-loss mechanism; discovering the factors of accelerating the hollow cathode life loss; realizing the optimal control of cathode life.. The objective of this project to clarify the mechanism of hollow cathode life loss in view of the advantage of SVUV-PIMS in detecting complex system and trace substances, which is of theoretical significance and practical value for the long-life hollow cathode technology and Plasma application.

实现空心阴极的长寿命是电推进装置研发的技术瓶颈。以往的阴极寿命研究方法耗时长、花费巨大且精度低，而从阴极损耗产物的层面出发来研究空心阴极寿命问题是一种全新的思路。本工作拟利用同步辐射光电离质谱技术，探寻阴极寿命制约因素影响损耗产物的定量规律，从而明确空心阴极寿命损耗机制，实现阴极寿命的优化。主要内容包括：建立同步辐射光电离质谱技术研究空心阴极寿命损耗的实验方法；构建空心阴极寿命损耗机理模型；确定空心阴极寿命损耗的加速因子；实现空心阴极寿命的优化控制。本项目旨在利用同步辐射光电离质谱技术探测复杂体系微量物质的优势，力图阐明空心阴极寿命损耗相关的基础科学问题，对于长寿命空心阴极技术以及等离子体与材料作用机理等相关领域，具有重要的理论意义和应用价值。

电推进器是一类将电能通过特定方式转化为工质（推进剂）的定向运动动能，提高射流速度，增加比冲的推力装置，空心阴极作为他们的串联组件--电子源和中和器，可谓是电推进器的“心脏”，其电子发射能力的衰减也就意味着整个推进系统的彻底失效。空心阴极的典型寿命需求是1万小时，由于采用电子热发射，并且利用等离子体环境进行加热和电子引出，使其工作条件非常恶劣，关键核心功能元件顶孔和发射体会因腐蚀而缓慢失效。由于空心阴极尺寸非常小（毫米量级），常规的探测装置无法直接对腐蚀过程进行检测，因此本课题提出采用同步辐射飞行质谱这一实时高精度检测的方法，开展空心阴极腐蚀过程测量与研究。. 通过本项目的实施，首先确认了利用质谱法可以实时在线检测空心阴极的腐蚀产物，为空心阴极的寿命监测提供了一种新方法；其次构建了电推进空心阴极的二维流体模拟软件，为后续其中的物理过程研究提供平台支撑；第三，明确了空心阴极寿命制约部位顶孔和发射体的腐蚀机理，结合仿真平台开展了寿命加速方法和预测研究；第四，提出了一种采用变发射体结构，优化阴极放电性能和电子发射分布延长阴极工作寿命的方法。本项目研究成果用于指导了我国首台磁聚焦型霍尔推力器长寿命高可靠空心阴极设计，于2016年11月3日搭载长征五号运载火箭发射升空，在同步轨道进行了飞行演示验证，完成了包括点火、常稳态测试等所有测试项目。央视新闻30分对该项技术进行了单独报道，该成果同时入选教育部2016年度“中国高等学校十大科技进展（排第三）”以及2016年度中国十大航天新闻。