（来源：期刊-《真空与低温》-2025年4月27日）

李志伟，李洋，张光华，毛舒宇，郭等柱，魏贤龙*

（ 北京大学电子学院 纳米器件物理与化学教育部重点实验室，北京 100871）

摘要：真空电子器件在空间应用中具有关键作用，其核心电子源需满足高发射电流、抗振动冲击、抗热冲击及长寿命等严苛要求。现有热发射灯丝中，铱-氧化钇灯丝抗氧化性强，但发射能力有限。面向空间应用设计了螺旋形铱-氧化钇灯丝，显著提升了发射性能，单个灯丝的发射电流超 200 mA。同时，为灯丝引入了绝缘支撑结构，显著增强了抗振性能和连续工作能力。所制备的螺旋灯丝通过了鉴定级测试，并可以连续工作 2300 小时以上。研究揭示了铱-氧化钇灯丝的卓越性能，拓展了其在航天领域的应用前景。

关键词：热电子发射；热阴极；氧化钇；空间应用；商业航天

0 引言

近年来，商业航天发展迅猛。2023 年，全球共完成 223 次航天发射活动，发射各类航天器 2945 个，发射质量达到 1490 吨。其中，仅 SpaceX 一家公司就完成了 96 次发射，使“星链”部署的小卫星数量累计超过 5000 颗[1]。数量巨大的航天飞行器对各种在轨零部件提出了庞大的需求。热发射灯丝可以提供真空中的自由电子，配合工质或稀薄气体可以提供离子。基于热发射灯丝的电子源和离子源广泛应用在离子推进器的电离源[2]、各类电推进器的中和器[3]、检漏仪及质谱仪的电离源[4]、电离真空计[5-6]等场景中。空间应用所具有的发射成本高、 发射时振动冲击大、元件不可替换、在轨温差大等特点对灯丝的各项性能指标提出了严苛的要求。

现有的热发射灯丝以钨丝[6] 、钍钨丝[3] 、铱-氧化钇灯丝[4-5]等为主。其中，钍钨丝的发射性能较好，但是具有放射性。钨丝的发射性能低，且抗氧化性能较差[6]。铱-氧化钇灯丝无放射性，抗氧化性能好，但是发射性能较低。在氦质谱检漏仪以及电离真空计中，传统的铱-氧化钇灯丝大多是直丝的结构，且发射电流一般在 0.1~10 mA 的范围[6-7]。随着商业航天发射能力的提升以及载荷需求的提升，部分空间应用对热发射灯丝的总发射电流提出了较高要求。例如，卫星电推进器中的中和器提供的电子束流和推进器的推力成正比关系[8] ，实现10 mN 的推力大约需要 150 mA 以上的发射电流，大大超过了现有的铱-氧化钇热发射灯丝的发射能力。另外，由于航天飞行器在轨运行时几乎无法维修或者替换耗材，因此零部件的寿命越长越好。热发射灯丝在工作时处 于高温状态，是各种航天零部件中最脆弱易损的一种。因此，作为离子推进器等的核心部分，热发射灯丝常常 是影响航天飞行器寿命的关键因素[9]。本文面向空间应用的特殊场景，通过设计螺旋形灯丝结构提高铱-氧化钇灯丝的发射能力，并通过增加支撑结构的方式提高灯丝的抗振动冲击性能和工作寿命。

1   样品制备

1.1  螺旋形灯丝的制备

灯丝的发射电流和发射面积直接相关。为了提高灯丝发射电流，将铱丝绕制成了螺旋状以获得更大的发射面积。铱-氧化钇灯丝的制备分为准备丝材、配置电泳液、电泳、烧结等几个基本步骤[10]。如图 1（a）所示，铱-氧化钇螺旋灯丝表面呈白色。从图 1（b）的扫描电子显微镜照片可以看出，烧结后灯丝的表面上形成了致密的氧化钇涂层结构。为了测试灯丝的发射性能，将灯丝通过电阻焊装配到底座上，并在灯丝的一侧安装收集极，见图 1（c）。收集极的材料为钽，厚度为 0.1 mm，与灯丝的间距大约为 1 mm。

1.2 绝缘支撑结构的制备

螺旋灯丝的体积较大，容易因发生焊点脱落、灯丝变形、断裂等问题进而影响工作寿命。因此，在螺旋灯丝中间引入了绝缘支撑结构以提高灯丝的强度和寿命[11]，见图 2。首先，制备螺旋内径为 1.5 mm 的螺旋灯丝，将其焊接到测试底座上，然后用直径为 1 mm 的石英棒穿过灯丝，并通过高温胶粘接在测试底座上。

2   性能测试

灯丝的发射性能测试主要在自制的真空测试腔体中完成。在完成灯丝的制备和焊接之后，将灯丝通过法兰安装到真空测试腔体中，测试的压力为 2×10-5~1×10-3  Pa。将灯丝的两端连接到直流稳压电源上，然后将收集极连接到另一个电源上，并使两个稳压电源共地。通过灯丝两端的电源加热灯丝，在收集极上施加正偏压以收集灯丝的发射电流。本文中灯丝的收集电压均为 100 V。灯丝测温的设备选用红外热像仪，可以通过测量灯丝工作时的热辐射谱线推算灯丝的工作温度。考虑到灯丝的表面为绝缘的氧化钇材料，材料的发射系数被设定为 0.9。温度读数选取热像仪中灯丝选区的最大值。航天环模试验在中国科学院国家空间科学中心可靠性与环境试验中心完成，分别进行了正弦振动、随机振动、冲击试验以及热冲击试验。其中，正弦振动的试验条件为三轴向 13.5g@25~100Hz，随机振动的试验条件为三轴向总方均根加速度 14.8 grms，功率谱密度0.084g2/Hz@500~1500Hz，冲击试验的条件为三轴向 1000g@400~3000Hz。热冲击试验的条件为±110 ℃测试重 复 500 次，维持时间为 5 分钟，灯丝未焊接、未加电。

3   测试结果及分析讨论

3.1   螺旋灯丝的发射能力

热发射灯丝的发射能力和温度正相关，使用寿命和温度负相关。因此，需要在同等温度下对比灯丝的性能。对直径为 0.15 mm、圈数分别为 8 圈和 18 圈的螺旋灯丝进行了温度测试。图 3（a）展示了一个 18 圈灯丝在工作状态下的红外测温图像，图中发白的区域为温度最高的发射面，可以看出整个灯丝除最边上的 2 圈之外，其余位置的温度比较均匀。改变两个灯丝的加热功率，从图像中提取了灯丝表面的温度，见图 3（b）。可以看出，从开始发射电子到发射电流到达到较高的发射性能时，灯丝表面的温度范围在 1200°C 到 1600°C 之间。

达到同样的工作温度时，8 圈灯丝所需的功耗更低。图 3（c）是 8 圈灯丝和 18 圈灯丝的发射电流随加热功率的变化曲线。可以看出，两根灯丝的发射电流都可以达到 50 mA ，不过在同等温度下，18 圈丝的发射能力更强，这是因为 18  圈丝的发射面积更大。因此，通过加长螺旋灯丝的长度，可以提高灯丝在同等温度下的电子发射能力。最后，制备了一根直径为 0.29 mm 、20 圈的螺旋灯丝，在灯丝电压为 6 V 时，发射电流达到了 231 mA，见图 3（d）。因此，通过制备螺旋形铱-氧化钇灯丝，并增加灯丝的发射面积，可以实现较高的发射电流，使灯丝足以应用到部分微小卫星的推力器上。

3.2 带绝缘支撑的铱-氧化钇灯丝的发射性能

灯丝在工作和非工作期间都会部分接触到支撑结构，通过这种“软接触”可以实现对灯丝的空间限位和稳定作用。在增加支撑结构之后，灯丝可能因为接触到石英棒而增加散热通道和加热功率。为此，对比了同一个灯丝在是否安装支撑结构条件下的发射性能，见图 4。从图中可以看出，两次测试中灯丝的发射电流随加热功率的变化基本一致，在达到相同发射电流时加热功率仅有微小的增加。例如，无支撑的灯丝在 30.6 mA 发射电流时功耗为 8.64 W，有支撑的灯丝在30.0 mA 发射电流时的功耗为 8.75 W，则相同发射电流下功耗仅增加3.3%，已经和灯丝安装过程中引入的偏差不相上下。因此，可以认为增加石英棒并不会明显增加灯丝的功耗，原因是灯丝和石英棒的接触并非硬性的，且石英的导热能力较差。

3.3 带绝缘支撑的铱-氧化钇灯丝的地面试验结果

为了验证绝缘支撑结构的抗振动效果，对安装了支撑结构的灯丝进行了鉴定级力学试验。在经过力学试验之后，灯丝的外观无变化。如图 5（a）所示，分别测试了试验前后灯丝的电子发射性能，发现灯丝的发射性能几乎没有变化。通过在螺旋灯丝中增加一条石英支撑棒，可以有效提高灯丝的抗振动冲击性能，避免灯丝焊点脱落、高温形变带来的性能损伤，提高了灯丝在空间严苛条件下的适应性和稳定性。针对空间在轨情况下温差大的特点，对灯丝进行了航天热冲击试验。如图 5（b）所示，一根直径为 0.15 mm 、12 圈的螺旋灯丝在 经过 500 次±110 ℃的热冲击试验之后，灯丝的发射性能几乎没有变化，同等加热功率下灯丝的发射电流与试验前的数值相差不到 3%。因此，可以认为铱-氧化钇灯丝在经历航天热冲击试验之后发射性能并不会衰减。

3.4 带绝缘支撑的铱氧化钇灯丝的寿命测试

对直径为 0.15 mm 的 18 圈螺旋形铱-氧化钇热发射灯丝进行了 1:1 的寿命测试，测试环境为自制的真空测试腔体，本底压力初始值为 1×10-3 Pa 左右，之后基本维持在 2×10-5 Pa 上下，灯丝的发射电流控制在 50~55 mA 之间，通过网状收集极的净发射电流在 30~35 mA 之间。测试曲线参见图 6。除了因设备停电导致中断几天之外，对灯丝连续进行了累计 2309 小时的寿命考核，并最终主动中止了测试。可见，铱-氧化钇灯丝在较高的发射束流下可以实现 2000 小时以上的工作寿命。对于低轨卫星等服役周期短的航天飞行器来说，该寿命基本可以覆盖飞行器的整个在轨周期。值得一提的是，在寿命测试的过程出现了设备意外断电的情形，设备的泵组停止了工作。在恢复供电后，泵组没有打开，但是灯丝加热电源却正常进行了供电。在腔室内部压力为 10 Pa 左右的条件下，灯丝连续工作了 5 个小时以上未发生损坏（图 6 箭头指示区域），并且在腔室恢复高真空之后又连续工作了 600 多小时，发射电流未有明显变化。由此可见，铱-氧化钇灯丝对短时间的高压力冲击有很强的抵抗力，这一点相比空心阴极、钡钨阴极、场发射阴极等其他阴极具有显著优势，尤其适用于在低轨、氧化性较强的工质等恶劣条件下使用。

针对空间在轨情况下温差大的特点，对灯丝进行了航天热冲击试验。如图 5（b）所示，一根直径为 0.15 mm 、12 圈的螺旋灯丝在经过 500 次±110 ℃的热冲击试验之后，灯丝的发射性能几乎没有变化，同等加热功率下灯丝的发射电流与试验前的数值相差不到 3%。因此，可以认为铱-氧化钇灯丝在经历航天热冲击试验之后发射性能并不会衰减。

4    结论

本文通过设计螺旋形结构提高了铱-氧化钇灯丝的发射性能，发现通过增加螺旋圈数可以有效提高发射电流，在此基础上实现了超过 230 mA 的总发射电流，性能远超现有的铱-氧化钇灯丝。针对体积增大会发生变形的问题，本文通过增加绝缘支撑结构使灯丝保持形状，提高了灯丝的抗振动冲击能力和性能稳定性，单个灯丝的使用寿命超过 2300 小时。这些结果表明，铱-氧化钇灯丝在航天领域具有广阔的应用前景。

参考文献

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