《Acta Astronautica》：Experimental Study on a Miniature-Scale Ion Source Operated with Glow-Discharge Hollow Cathode
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本研究提出使用 glow-discharge hollow cathode（GDHC）作为小型直流离子源的电子源，相比传统热电子发射技术，GDHC具有低温运行、高兼容性及直接室温点火等优势。实验表明，GDHC在氩、氪、氙等推进剂中均能稳定放电，放电电流与阴极电流呈线性关系（50-200 mA时，242 mA峰值），等离子体密度达4×10^17 m^-3，电子温度3-9 eV，离子能量可通过筛网电压精确调控。
韩AO|宁中熙|兰立强|胡鹏|韩亮|蔡金宇|孟天航|高俊
等离子体推进实验室，哈尔滨工业大学，哈尔滨，150001，中华人民共和国
摘要
离子源在空间电推进和地面材料加工等领域得到广泛应用。为了提高微尺度离子源与替代推进剂的兼容性，本研究提出使用辉光放电空心阴极作为放电室的电子源。与依赖热电子发射的空心阴极和钨丝阴极等竞争技术不同，这种阴极基于二次电子发射原理工作。因此，其工作温度较低，可在室温下直接点燃。该阴极可产生0–200 mA的发射电流，而与离子源配合使用时，放电电流可达到242 mA。朗缪尔探针诊断结果表明，等离子体行为与磁场结构高度一致。沿轴线方向的等离子体密度峰值超过4 × 1017 m?3，但在轴向和径向上存在分布不均匀现象。电子能量范围为3至9 eV，靠近轴线的区域能量较高；这种能量增加归因于高能初级电子的贡献。在阴极电流为200 mA、栅极电压为1000 V的条件下，可得到15.2 mA的束流电流。束流轮廓受栅极附近等离子体密度分布的显著影响。此外，通过调节栅极电压可以精确控制离子能量，同时对放电电流和电压的变化相对不敏感。
引言
离子源技术对空间任务和地面工业应用至关重要。它最初由美国国家航空航天局（NASA）在20世纪60年代开发，用于为航天器提供推力[1]、[2]、[3]、[4]。在随后的几十年里，离子源技术以离子推进器的形式得到了显著发展，并在多次在轨演示中得到了验证。如今，它已成为航天器轨道控制、姿态保持和深空探索任务的标准技术[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。同时，离子源技术在地面材料加工中也有着广泛应用，关键工艺包括金属表面改性、离子束辅助沉积涂层和离子束溅射刻蚀[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。
目前，已经开发了多种类型的离子源以满足不同应用需求。栅格离子源由于其静电加速特性而具有理想的束流特性。这些优势主要包括等离子体电离与离子束加速的解耦、可调的离子能量范围以及可控的束流轮廓。根据等离子体生成机制，栅格离子源可分为三种类型：电子回旋共振（ECR）型、射频（RF）型[15]和直流（DC）型离子源[16]、[17]。
由于操作简单有效，DC离子源是最广泛使用的离子源类型。在用于空间应用的传统大型（≥10 cm）离子推进器中，通常采用空心阴极作为电子源[18]。为了满足微型航天器需求的快速增长，已经开发了微型离子推进器（≤3 cm）[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。然而，微型推进器用空心阴极的微型化面临诸多挑战[24]。一个关键问题是它们的高工作温度可能会使永磁体退磁。Knapp首次测试并分析了在3厘米微型离子推进器中使用空心阴极作为放电阴极的情况，但由于加热器和保持器所需的额外功率，整体效率较低[25]。Tanaka等人提出使用多个石墨烯-氧化物-半导体（GOS）电子源来维持放电室中的等离子体[26]。由于这种多阴极配置，放电室内的潜在结构必须与传统设计不同。单个GOS器件在57 W/A的电子发射功率下可产生6.0 mA的发射电流，并且无需推进剂即可工作[27]。然而，这种器件的发射性能依赖于仅几纳米厚的石墨烯层。当其在放电室中作为电子源时，其发射区域会暴露在等离子体环境中，因此其性能的可持续性需要进一步实验验证。尽管如此，在大多数小型离子源实验中，放电室仍广泛使用钨丝阴极[28]、[29]、[30]。在材料加工应用中，由于放电过程常涉及反应性气体或其与惰性气体的混合物[31]，为了避免低功函数插入材料中毒导致故障，通常用钨丝阴极替代空心阴极。然而，离子轰击造成的侵蚀限制了钨丝阴极的寿命。因此，等离子体阴极被认为是长时间过程的可行替代方案[32]、[33]。
在此，我们提出使用辉光放电空心阴极（GDHC）作为微型DC离子源的放电阴极。GDHC器件通过二次电子发射维持等离子体。与传统的空心阴极依靠热电子发射不同，GDHC器件中的电子来自整体辉光等离子体。一系列研究表明，这种阴极具有较低的工作温度和与多种推进剂的良好兼容性。Bretti使用金刚烷推进剂开发了一种辉光放电中和器，该系统与极低功率霍尔推进器集成后成功实现了点火。Reitemeyer等人设计了一种具有电离物插入物的窄能量谱可控阴极，该阴极使用氪气推进剂可工作超过100小时，并且也能用碘气成功点火，在约300°C的低温范围内正常运行。Conde等人使用氩气进行了单独的阴极放电测试。Ahmed等人使用氪气作为推进剂，验证了负电子亲和材料增强放电电流的效果。他们的研究旨在将这种阴极发展为适用于吸气式电推进中和器的潜在解决方案。Han等人比较了使用氙气、氪气和氩气作为推进剂的GDHC的放电特性，发现氩气时的放电电压更低。此外，GDHC运行期间阴极基部的温度范围为300至450°C。上述成功放电案例涉及的推进剂种类繁多，包括惰性气体、分子气体和反应性气体。这表明GDHC可能成为离子刻蚀和涂层等应用的潜在电子源。
还研究了阴极材料对GDHC放电特性的影响[39]。结果表明，使用低功函数阴极材料可以通过降低放电功率成本和提高气体利用率有效提升放电性能。这种性能提升被认为是将GDHC作为放电室电子源的关键前提。所开发的微型DC离子源的束流直径为3厘米，这是目前此类设备的常见尺寸。本文的其余部分安排如下：第2节描述了GDHC器件和离子源的原型设计以及诊断方法。第3节展示了实验结果并进行讨论，包括使用GDHC器件时的离子源放电特性、放电室内等离子体参数的分布以及束流提取特性。最后，第4节总结了本研究。
节选内容
辉光放电空心阴极
图1(a)展示了空心阴极中的典型辉光放电现象。模拟研究表明，内部等离子体分为阴极下落区和负辉光区[38]。电子在阴极壁处产生，在阴极下落区内加速，随后进入负辉光区参与电离过程。与平面阴极放电相比，空心结构增强了...
放电特性和温度测量
图6(a)显示了放电电流与阴极电流的变化关系。阴极电流是调节放电电流的主要手段。在测试范围内（阴极电流：50–200 mA），两者之间存在明显的线性关系，对应的放电电流范围为56–242 mA。实验观察表明，放电电流超过了阴极电流，即提取效率大于1，这一点是一致的...
结论
我们开发了一种基于辉光放电空心阴极的微型直流离子源，并系统研究了其放电特性、放电室内的等离子体行为以及离子束特性。本研究的主要结论如下：
(1)放电电流几乎与阴极电流成线性增长，而阴极电压则呈线性下降。在阴极电流为50–200 mA时，放电电流变化范围为56–242 mA。
作者贡献声明
韩亮：项目管理。蔡金宇：研究工作。孟天航：资金筹集。高俊：资源调配。韩AO：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据分析、概念构建。宁中熙：监督、方法论设计、资金筹集。兰立强：数据管理。胡鹏：验证工作。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：U22B20120、52107141、52372373）和中国国家重点研发计划（项目编号：2022YFE0204100）的支持。
