碘LaB 6中空阴极的振荡

《Vacuum》：Oscillations of iodine LaB 6 hollow cathode

碘电推进系统采用LaB6空心阴极，通过碘兼容真空设备测试其放电特性、频谱特征及与碰撞反应频率的关系，发现低频振荡由内部碘分子电离与振动激发及外部中性气体流动、电离等复杂反应耦合引起，显著降低阴极寿命。研究为优化耐碘腐蚀材料提供理论依据。

　　近年来，碘燃料电推进系统在技术发展上取得了显著的进展。这类系统以其高比冲和低成本的优势，成为低轨道卫星星座网络（如Starlink）的重要组成部分。由于低轨道卫星星座需要部署大量的卫星，因此对推进系统的性能和可靠性提出了更高的要求。然而，目前碘燃料电推进系统的运行范围仍受到空心阴极技术的限制，特别是能够兼容碘燃料并提供安培级电流的空心阴极技术。初步研究表明，使用LaB?作为空心阴极材料可能是解决这一问题的潜在策略。

在本研究中，我们设计并测试了一种采用碘耐材料制造的常规LaB?空心阴极，并在兼容碘燃料的真空设施中进行了实验。通过实验获得了碘空心阴极的波形、双频谱特性以及色散关系，并将其与估算的碰撞反应频率进行了比较。我们分析了阴极内外的潜在反应过程，并评估了振荡对碘空心阴极寿命的影响。研究结果表明，混沌的低频振荡是影响碘阴极性能的主要振荡模式，涉及多种相互干扰的反应过程。

低频振荡在阴极内部主要受到振动激发和碘分子离子化的影响，而在阴极外部则主要由中性气体流动、激发、离子化、解离以及离子驻留时间不稳定性等过程引起。总体来看，碘阴极的振荡是一种非主导的不稳定模式，具有均匀的能量分布。通过一项持续27小时的自持实验发现，低频振荡对阴极发射器和喷嘴区域产生了显著影响，从而缩短了阴极的使用寿命。通过振荡特性，我们进一步理解了阴极内外的主要反应过程及其相互作用关系，这为未来提升碘空心阴极性能提供了理论依据。

碘燃料电推进系统因其固态存储特性，具有显著的成本优势。与传统氙气燃料相比，碘的固态形式使得其在储存和运输过程中更加便捷，无需依赖复杂的高压供气系统，从而降低了推进系统的制造和发射成本。此外，碘燃料电推进系统通常在300至600公里的高空运行，这一高度远离臭氧层的上层（15至50公里）以及对流层（8至18公里），因此碘在此高度难以通过扩散或重力沉降到臭氧层中。然而，碘在该高度仍可能因光解作用或与其他成分的反应而被消耗。虽然只有少量的碘可能到达臭氧层，但长期积累仍可能对臭氧层造成影响。因此，碘燃料的应用仍需进一步评估。

然而，碘的腐蚀性为碘燃料电推进系统的发展带来了根本性的挑战。为了克服这一问题，多个研究机构尝试了不同的推进器、阴极和供气系统方案。例如，2021年通过NPT30-I2系统成功实现了碘燃料电推进器的在轨演示，证实了碘燃料电推进技术的可行性。实验研究发现，优化后的抗腐蚀推进器和供气系统能够承受数百甚至数千小时的碘燃料运行时间。然而，目前仍没有能够稳定运行数百到数千小时并提供低功耗安培级电流的阴极。现有的碘电推进系统主要采用热离子丝阴极和射频中性化器来提供电子，但这些阴极难以高效且稳定地提供几安培的电子电流，从而限制了推进系统的功率水平。

相比之下，空心阴极能够高效地提供安培级电子，使推进系统达到千瓦级别的功率。然而，碘的腐蚀性可能导致空心阴极的性能下降甚至失效。在空心阴极中，工作温度超过1000摄氏度的发射器是抗腐蚀能力最弱、最容易发生故障的部件。因此，多个发射器材料被研究以解决这一问题，主要包括LaB?、BaO、C12A7和La?O?等。其中，BaO阴极在仅运行不到1小时后就被碘显著消耗，而C12A7阴极可能承受72小时的长期碘放电，但该材料本身并不耐高温，若阴极温度超过设计值，可能会熔化。Kottke等人认为La?O?和Y?O?可以作为发射器材料，但实验发现，La?O?掺杂钨阴极虽然能够成功点燃，但发射器在仅2.4小时内就被腐蚀和消耗，而Y?O?阴极则无法点燃。因此，目前尚无一种能够同时具备抗腐蚀性、耐高温性和长期运行能力的发射器材料。

Smith T D等人指出，LaB?是一种可行的材料，因为它能够提供更多的功率以启动放电。然而，关于LaB?的具体信息并未公开。最近，一些其他研究也表明，LaB?发射器可以用于碘阴极。受到这些研究的启发，我们通过实验尝试了这些发射器方案，并最终确认LaB?是可行的选择。初步结果发表在文献[38]中。在研究过程中，我们发现碘阴极的低频振荡可能由多种碘反应过程引起。Taillefer等人发现，在碘和氙环境下，氧化钡阴极的振荡特性与等离子体参数存在显著差异。例如，氙和碘的振荡差异主要集中在10 kHz、100 kHz和250 kHz频率范围。等离子体电位在这一频率范围内的波动可能由离子化不稳定性（50–250 kHz）引起，这种不稳定性可能由某些阴极工作条件和几何结构的组合触发（如喷嘴直径、保持器与阴极喷嘴间距等）。

Liu等人在碘C12A7阴极的模拟研究中发现，阴极内部存在多种粒子和复杂的反应过程，同时碘和氙在等离子体参数上也表现出显著差异。例如，碘环境下的电子溫度低于氙环境。Esteves等人通过实验和模拟研究发现，在较高的流速下，I?分子不再是可忽略的因素，容易产生负离子I?和分子离子I??。这些现象使我们意识到，碘阴极的振荡特性与等离子体参数可能与惰性气体阴极存在根本性差异，这种差异可能与碘的反应过程密切相关。此外，推进器与阴极之间的耦合也存在许多不确定性，因此我们需要进一步研究振荡问题。

为了更深入地理解振荡现象，我们进行了更详细的实验，研究碘阴极的振荡特性。通过使用朗缪尔探针、RPA等方法，我们获得了碘阴极的波形、时频谱、双频谱特性以及色散关系。本文结合诊断结果和碰撞截面数据进行分析，探索碘阴极内部及喷流区域的主要反应过程。基于这一目标，本文的结构如下：第二部分详细介绍了实验装置；第三部分展示了我们的实验结果；第四部分讨论了我们的发现；第五部分总结了本研究的工作和得出的关键结论。

在实验装置的设计中，我们采用了具有抗腐蚀特性的阴极结构。如图1所示，阴极主体由石墨和陶瓷材料制成，这些材料能够有效抵抗碘的腐蚀。通过减少碘与金属的接触，我们提高了阴极的抗腐蚀能力。阴极管、保持器以及发射器与阴极管之间的套筒均采用石墨材料制造，而基座和供气管则采用氧化铝材料。为了保护钨-铼等关键部件，我们对阴极结构进行了进一步优化，使其能够在碘环境下稳定运行。

在波形分析中，图5（a）展示了在碘阴极三极模式下，1 mg/s质量流量时，阳极电压、保持器电极漂浮电位和喷嘴温度与自持电流之间的关系。分析结果表明，随着自持电流的增加，保持器和阳极的电压降低，而喷嘴的温度升高。此外，碘阴极能够在2–5A范围内稳定自持运行，但在更高的电流水平下，其运行稳定性逐渐下降。这表明，碘阴极在特定的电流范围内表现良好，但在超出该范围时，可能会出现性能波动。因此，进一步研究碘阴极在不同电流条件下的行为，对于优化其运行性能具有重要意义。

在反应频率估算方面，阴极内部的电子分布基于麦克斯韦分布，而喷流区域的非平衡状态和等离子体不稳定性更加明显，导致估算的碰撞反应频率出现显著偏差。然而，与阴极内部相比，阴极外部的喷流区域可以通过添加探针来获取更多数据，从而提高估算的准确性。通过朗缪尔探针测量的参数，如电子温度、电子密度等，能够更准确地反映喷流区域的等离子体状态。此外，通过光谱分析和时间分辨测量，我们能够进一步了解阴极内外的反应过程及其相互作用。

在实验过程中，我们发现碘阴极的低频振荡可能由多种反应过程引起。例如，碘分子的振动激发和离子化过程可能在阴极内部产生振荡，而中性气体流动、激发、离子化、解离以及离子驻留时间不稳定性等过程可能在阴极外部产生振荡。这些振荡现象可能与碘的化学反应特性密切相关，因此需要进一步研究这些反应过程对阴极性能的影响。

在结论部分，我们总结了本研究的主要发现。通过实验，我们设计并测试了一种采用碘耐石墨结构的LaB?空心阴极，并在兼容碘燃料的真空设施中进行了放电实验。我们收集了碘空心阴极的波形、时频谱、双频谱特性以及色散关系。基于这些实验结果，我们分析了阴极内外的反应过程，并评估了振荡对碘空心阴极寿命的影响。研究结果表明，碘空心阴极的低频振荡是影响其性能的主要振荡模式，涉及多种相互干扰的反应过程。此外，我们还发现，碘阴极的振荡现象可能与惰性气体阴极存在显著差异，这种差异可能由碘的化学反应特性引起。因此，进一步研究碘阴极的振荡机制，对于优化其性能和延长使用寿命具有重要意义。

本研究的成果为未来碘空心阴极的性能提升提供了理论依据。通过深入理解碘阴极的振荡特性及其与反应过程的关联，我们可以为优化阴极设计和运行条件提供指导。同时，我们还发现，碘阴极的运行稳定性与电流水平密切相关，因此在设计推进系统时，需要充分考虑电流范围对阴极性能的影响。此外，碘阴极的寿命可能受到多种因素的影响，包括材料的抗腐蚀性、温度控制以及反应过程的稳定性。因此，进一步研究这些因素对阴极寿命的影响，对于提高碘电推进系统的可靠性和寿命具有重要意义。

在本研究中，我们还对碘阴极的材料选择进行了优化。通过实验，我们发现LaB?作为发射器材料能够有效提高阴极的运行性能，同时具备一定的抗腐蚀能力。然而，碘的腐蚀性仍然可能导致LaB?阴极的性能下降。因此，我们需要进一步研究LaB?在碘环境下的长期稳定性，并探索其他可能的抗腐蚀材料。此外，我们还发现，碘阴极的喷流区域可能存在复杂的等离子体不稳定性，这可能影响推进器的性能。因此，进一步研究喷流区域的等离子体特性，对于优化推进器设计具有重要意义。

总之，碘燃料电推进系统在技术发展上取得了重要进展，但仍面临诸多挑战。通过本研究，我们深入分析了碘阴极的振荡特性及其与反应过程的关联，为优化阴极设计和提升推进系统性能提供了理论依据。未来的研究应进一步探索碘阴极的材料选择、运行条件以及反应过程的稳定性，以提高碘电推进系统的可靠性和寿命。此外，还需要对碘阴极在不同环境下的行为进行更全面的研究，以确保其在实际应用中的有效性。