《Acta Astronautica》：Effects of Extraction Structure and Magnetic Field on the Performance of Microwave DC Cathode
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空气呼吸式电推进技术中，传统阴极易受原子氧腐蚀，本研究开发亚安培级微波直流阴极，通过微波电离气体和直流场电子倍增实现无材料腐蚀阴极设计。实验优化提取电极与保持电极孔径比例（1:3），并研究磁场影响，在5×10^-3 Pa工况下获得1A电子电流，182.1W功耗。研究为VLEO环境高可靠性电推进提供新方案。
傅宇良|张思远|马祖福|王亚楠|韩黄祥宇|孙安邦|毕家辉|周克辉
中国西安交通大学电气绝缘与电力设备国家重点实验室，西安，710049
摘要
近年来，吸气式电推进技术因其能够在超低地球轨道上利用现场资源而受到广泛关注。传统的电推进系统（如霍尔推进器和离子推进器）都在努力克服原子氧腐蚀的问题。同时，缺乏能够提供大电流并抵抗原子氧腐蚀的阴极也逐渐成为另一个问题。因此，研究人员开发了一种亚安培级的微波直流阴极来替代空心阴极。该阴极利用微波使工作气体电离，然后通过直流场实现电子倍增。为了增加电子电流并降低功耗，实验研究了提取结构和磁场对阴极性能的影响。结果表明，提取电极与保持电极之间的最佳孔径比为1:3。经过结构优化后，最大电子电流可达1A，功耗为182.1W。这些结果为微波直流阴极的未来发展和应用提供了理论和实验参考。
引言
随着人类太空活动的扩展和深化，航空航天技术正朝着更高的效率、更长的寿命和更低的成本方向发展。在这一背景下，极低地球轨道（VLEO）操作和吸气式电推进（ABEP）系统显示出显著的应用潜力[1]、[2]。VLEO通常指的是距离地球表面150-300公里的空间区域[3]，在该区域进行操作可以显著提高地球观测和遥感侦察的分辨率和数据传输效率。该区域包含由原子氧和氮等气体组成的稀薄但数量可观的大气层[4]、[5]、[6]、[7]。ABEP系统[8]、[9]、[10]、[11]、[12]通过收集稀薄的大气空气作为工作推进剂，从根本上解决了传统卫星推进剂容量有限的问题，使其适用于VLEO航天器。
然而，ABEP系统面临一个关键的共同挑战：在其运行环境中会暴露于高氧化性的气体（如原子氧）中。原子氧会腐蚀传统电推进系统（如霍尔推进器和离子推进器）的阴极，使其无法发射电子[13]、[14]。目前的空心阴极技术通常使用钡钨或六硼化镧等材料制成的发射体。在VLEO环境中，这些材料会迅速与原子氧发生化学反应，导致表面氧化、发射性能迅速下降，甚至完全失效。除了开发替代材料和保护涂层外，创造一种能够从根本上抵抗氧化气体腐蚀同时保持稳定高电流电子发射的新阴极至关重要。
最近，西安交通大学开发了一种亚安培级的微波直流阴极。这种创新设计利用微波直接电离工作气体，生成电子，而不依赖于容易氧化的发射材料，从而规避了传统阴极的技术限制。由于其非热发射机制，这种微波直流阴极在提供相同电流时比空心阴极具有更高的放电功率。为了进一步提高发射电流并降低放电功率，本研究探讨了提取结构和磁场对微波直流阴极性能的影响。
关于提取结构设计，已有大量研究探讨了保持电极和提取电极的结构参数如何严重影响空心阴极的放电特性、发射性能和寿命。Feng等人[15]系统研究了保持电极的工作条件对空心阴极性能的影响，发现当保持电极与提取电极之间的距离达到临界阈值时，保持电极成为阳极电子电路放电的主要障碍。这种阻碍不仅导致阳极电压显著增加和空心阴极发射特性恶化，还会在运行过程中引发放电不稳定，从而影响空心阴极的使用寿命和整体性能。Hsieh等人[16]重点研究了保持电极几何形状对空心阴极放电特性的调节作用，表明空心阴极的电压振荡特性主要受三个参数的影响：保持电极孔径、厚度以及保持电极与提取电极之间的距离。值得注意的是，保持电极孔径存在一个最佳范围，过小的孔径会增加等离子体电阻，而过大的孔径会导致中性粒子密度不足，这两种情况都会加剧电压振荡。Taunay等人[17]指出，阴极点火的关键在于通过孔口与电极之间的压力-距离乘积实现最小的帕邢放电值。为了同时满足低电压点火和结构紧凑性的要求，研究了保持电极与提取电极孔径比、保持电极与提取电极之间的距离与保持电极孔径比以及提取电极孔径与阴极内径比等参数。其中，保持电极与提取电极孔径比是影响压力和点火性能的主要因素。Iliopoulos等人[18]系统研究了几何形状对空心阴极击穿电压的影响，发现增加保持电极与提取电极之间的距离可以显著降低击穿电压：当距离从1mm增加到21mm（在1-20sccm的流速下）时，击穿电压从1200V降至300V。此外，在保持电极孔口处采用尖端设计可以增强局部电场，使平均击穿电压降低20%。Wang等人[19]对保持电极孔口的尖端设计进行了深入研究，实验证实这种设计不仅通过增强局部电场降低了击穿电压，还有效提高了局部压力，从而简化了放电启动过程并实现了放电位置的精确控制。
就磁场而言，两种设备——磁增强空心阴极推进器和电子回旋共振（ECR）推进器——在结构上与微波直流阴极相似。前者通过增大出口孔径直径可以增加放电电流并增强中心束的电离效果，而减小出口孔径直径则可以使推进器在较低电流水平下保持稳定的放电操作[20]。在后者中，最近的研究表明ECR区域的特性对等离子体推进器的性能有重要影响。参考文献[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]强调了定制磁场拓扑和微波耦合对推进器优化的重要性，其中优化磁场配置（即ECR区域结构）可以显著影响推力、等离子体密度和微波耦合效率。
本研究旨在通过借鉴空心阴极和ECR推进器的设计理念来提高微波直流阴极的性能，并为微波直流阴极的未来发展和应用提供理论和实验参考。研究结构如下：第2节详细介绍了实验装置和微波直流阴极的配置；第3节展示了在不同提取结构和磁场下的V-I特性曲线，并分析了微波直流阴极的特殊现象；最后，第4节进行了全面总结。
实验装置
实验装置
如图1所示，实验平台包括真空室、微波直流阴极、气体供应系统、直流电源系统和微波供应系统。真空室长度为2m，直径为1.2m，基础压力为5×10-4 Pa，工作压力为5×10-3 Pa。如图2所示，微波直流阴极由放电室（直径：10mm）、铜天线（直径：2mm）、保持电极和提取电极组成。由于空间限制，
提取结构对性能的影响
实验中，氩气流量设置为2 sccm。在通入微波生成等离子体后，微波功率保持不变。这里，Δφ定义为提取电极与保持电极之间的电位差。提取电极电压从0V逐步调节到-120V（每次调节-5V），即Δφ的变化范围为0V到120V。电子收集器的电压设置为100V以采集电子电流。表1中的G1-G3实验结果如下所示
结论
为了提高微波直流阴极的电子提取能力，研究了提取电极、保持电极、磁场和电子提取性能之间的结构-活性关系。在ECR层条件下，获得的最大电子提取电流接近1A。实验结论如下：
(1)在本研究中，提取电极的孔径与保持电极的孔径比为1:3，
CRediT作者贡献声明
周克辉：概念构思。毕家辉：实验研究。马祖福：数据管理。张思远：初稿撰写、正式分析、数据管理。傅宇良：初稿撰写、审稿与编辑、资金申请、概念构思。韩黄祥宇：初稿撰写、实验研究。王亚楠：概念构思。孙安邦：资源获取、项目管理
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52307183）的财政支持。
