段君毅，康小明，赵万生

(上海交通大学机械与动力工程学院，机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240)

0 引言

20世纪90年代，广泛应用于聚焦粒子束系统、扫描电镜、表面改性、离子束蚀刻等领域［1］的液态金属离子源被应用于电推力器领域。场致发射电推力器(Field emission electric propulsion，简称FEEP)的核心部件是液态金属离子源，采用高压静电场离子化液态金属，并由同一电场加速离子产生推力。FEEP具有推力小、比冲高、最小元冲量小且便于精确调节的特征，因此成为一种极具优势的电推进技术，以满足航天器日益增长的控制精度要求:航天器空间姿态调整、轨道提升、位置保持、阻力补偿系统等［2］。目前FEEP已被选作美国与欧航局联合开发项目LISA Pathfinder及LISA的微推力器控制系统［3］。

随着我国微小卫星技术的发展，FEEP得到越来越多的重视。国内已有相关研究主要集中在其核心部件液态金属离子源的研制及其理论方面［4－6］。本文结合场致发射电推力器的工作原理，设计并研制了实验用铟场致发射电推力器样机，并对其发射性能进行了测试，得出了发射针顶点半径、吸极内半径及发射极到吸极距离与发射特性的关系。

1 FEEP的工作原理

FEEP推力器属于静电式推力器。图1为其典型针型FEEP结构，主要包括发射极、吸极器及其他附属装置。FEEP工作时，首先利用加热装置将推进剂加热至熔点之上，持续若干时间，以使得发射极及推进剂存储室内的推进剂充分熔化，发射极穿过含有液态推进两极之间的电场强度达到1010V/m的量级。处于尖端的液体在静电力与表面张力的共同作用下形成泰勒锥(锥顶角为98.6°)［7］。在电场和电动流体作用下，液态金属在泰勒锥顶点处形成凸起，并在场发射作用下，使得液态金属原子场蒸发、离子化，并通过同一电场加速，将金属离子从吸极中间孔处喷射出去，从而产生推力［8－9］。图1左下角所示为泰勒锥及凸起示意图。液态金属喷射出去之后，由存储室内的金属原子在发射针杆表面的毛细作用下向发射尖补充，形成稳定的供给。

图1 铟FEEP原理及结构示意图Fig.1 Schematic of principle and structure of an indium FEEP thruster

2 推力器本体结构设计

从发射极的形状来看，FEEP主要有3种结构:针型、毛细管型、窄缝型［10］。毛细管型和窄缝型FEEP的结构相对较复杂，机械加工难度大，尚无空天飞行的经历。而针型FEEP结构较简单，加工方便，可靠性高，性能稳定，且已有空天飞行成功先例，被广泛应用在场致发射电推力器中。因此，本文的主要研究对象是针型FEEP。

铟熔点低、原子质量较大、一级电离能量低、化学性质稳定且具有较好的湿化剂的存储室，并在存储室外的针尖顶点处形成凸起，因此被选作针型FEEP推力器的首选推进剂。铟针型场致发射电推力器结构模型如图2所示。其中，发射极由发射针尖镀覆液态金属铟之后形成，其主要功能用于支撑发射针表面的液态金属并发射金属铟离子，它是FEEP的阳极。而吸极是FEEP的阴极，提供地电位，以实现从阳极吸引金属铟离子发射。其他的附属装置主要包括推进剂存储室、提供熔化液态金属热量的陶瓷加热棒以及支撑FEEP结构的支架。在FEEP系统中包含热源及高压电源，因此采用耐热、绝缘、加工性能良好的聚四氟乙烯作为支架材料。

图2 铟针型场致发射电推力器结构模型Fig.2 Structure model of an indium needle FEEP thruster

铟的化学性质稳定，高温下不与铝或钼发生化学反应［11］，因此存储室材料可选用铝合金或金属钼。FEEP工作时采用间接加热，温度控制在200～300℃，因此在存储室与陶瓷加热棒之间加入一个铝连接件，对存储室结构起到支撑及缓和温度变化的作用。这种结构的优点是模块化程度高，存储的液态金属多，工作寿命长。

3 发射极的制备

3.1 电化学腐蚀加工发射针

针型FEEP的发射针材料一般选用金属钨。钨的熔点很高，与其他金属不易产生反应，而且洁净的钨表面易于与一些液态金属实现良好浸润。本文采用电化学腐蚀法加工钨微针尖，钨与强碱溶液发生电化学腐蚀反应为

W+2OH－－2H2O→WO42－+2H2(g)，EO= －1.43 V (1)

图3为实验装置及原理图。图3中，阳极为钨丝，阴极为不锈钢圆环，钨丝装夹在改装了的螺旋测微仪上，并与不锈钢圆环一同浸入溶液。加工时钨丝要与圆形电极处于同一轴心线上。电解液采用浓度较高的KOH溶液，采用直流电源加工。通过螺旋测微仪调节钨丝浸润在溶液中的深度，同时检测腐蚀回路中电流的大小。在腐蚀加工过程中，一方面由于加工电流随浸润深度的增加而增加;另一方面，随着反应式(1)的不断进行，浸润在溶液中的钨丝逐渐被腐蚀，浸润深度随之降低。因此，本文通过检测加工电流来实现对钨丝腐蚀过程的精确控制。这样，即可通过反复实验获得该溶液浓度下的浸润深度及加工电压的最佳值，从而获得最小的发射针顶点半径。最终，作者经过实验得到了电化学腐蚀加工相关的最佳参数，即采用浓度为5 mol/L的KOH溶液，浸润深度为2 mm，腐蚀电压为6 V时，可将直径为 0.5 mm的钨丝加工出0.5～2 μm的微细钨针尖，如图4所示(已经过表面清洗)［12］。

图3 实验装置及电化学腐蚀原理Fig.3 Experiment apparatus and principle of electrochemical etching

图4 以最佳参数加工的钨微针尖Fig.4 Tungsten micro-tip with optimum parameters

3.2 发射针粗化及表面清洗

为了降低钨针尖的表面流阻，需将腐蚀加工得到的钨针尖平滑的表面进行粗化。具体操作为将腐蚀加工好的钨针尖浸润在KOH溶液中，两极之间接1～2 V的交流电，通电时间控制在30 s左右。这样就会在钨针尖表面形成沟槽，如图5所示(已表面清洗)。这些微细沟槽的出现降低了液态金属铟流向顶点时的流阻，确保FEEP在发射过程中顶点被发射出去的铟由存储室内的铟可源源不断地提供。而当存储室内的铟向顶点补给不足时，则FEEP发射出现不稳定。

图5 粗化后的钨微针尖Fig.5 Tungsten micro-tip after roughness treatment

腐蚀加工并粗化后的钨针尖仍是无法直接用于FEEP发射极的。这是因为钨针尖表面存在有残余的KOH颗粒，而且在腐蚀过程中钨针尖表面会形成一层致密的氧化膜。这些杂质阻碍了液态金属铟与钨针尖表面的良好浸润，无法制备出长寿命的发射极。因此，必须去除掉表面的氧化膜和杂质，且要保持微针尖顶点。基于钨的氧化物溶于HF溶液，而KOH颗粒也可与HF溶液发生反应，因此，本文采用HF溶液结合超声清洗的办法去除钨针尖表面的KOH颗粒以及氧化膜［13］。图6所示为制备好的针尖在清洗前后的能谱对比。

图6 超声及HF清洗前后钨针尖的能谱对比Fig.6 Spectrum obtained from the apex of emitting tungsten micro-tip

3.3 发射针浸润铟

制备FEEP发射极的关键技术之一是浸润工艺，即将液态铟与钨针尖浸润并形成连续光滑的液态金属膜。镓、铯、汞等其他液态金属与钨针尖的浸润工艺主要通过真空电子束蒸镀的方法来实现。而对于液态金属铟，基于其化学性质在室温或较高温度的干燥环境中保持稳定，本文采用大气下镀覆方法。将经过HF溶液清洗之后的洁净钨针尖直接置于熔融的液态金属铟中，共同加热并持续一定时间后取出即可。由于浸润后的钨针尖仍会暴露在空气中，时间长久之后，铟表面会被局部氧化，这就造成钨针尖表面原本连续的液态金属膜被破坏，从而使得钨发射极与吸极之间的发射极不稳定且容易发生打火。图7为发射极久置于空气中与直接用于发射的稳定性比较。可见，缩短暴露空气时间后，FEEP发射稳定性提高了。因此，在FEEP样机实验中将浸润好的钨针尖直接装配在FEEP样机上进行发射实验。

图7 发射极久置空气中与直接发射的稳定性比较Fig.7 Stability comparison between the emitter in the air long time and the emitter emitted immediately

4 FEEP性能测试及其影响因素分析

4.1 FEEP 伏安特性

将装配完成的FEEP实验样机(图8(a))置于真空环境中，打开加热电源，当加热至200℃时，打开高压电源，对FEEP样机的发射特性进行测试。图8(b)所示为工作时的FEEP样机照片。

图8 FEEP推力器实验样机及工作时的FEEPFig.8 Prototype of indium FEEP thruster and the FEEP thruster in operation

图9所示为不同顶点半径钨微针尖FEEP样机的发射伏安特性曲线。从图9中可看出，当电压大于一定值时FEEP样机才会正常发射。这是因为覆盖在发射针顶点的液态金属铟受表面张力作用，使得顶点变钝，趋于接近发射针的顶点形状。对于这样的形状，发射针顶点处液态金属所受到的电场力太小，不足以引起场发射。随电压增加，顶点处液态金属的电场力逐步接近表面张力，这使得液态金属顶点必须变尖以提供足够的电场强度。若电压进一步增加，则吸极与发射极之间的电场增强，在顶点处某些点的电场力就大于表面张力，液态金属流体就会冲出来，并形成稳定的场发射。从图中还可看出，随顶点半径的增加，产生发射所需的电压阈值也随之增加。这是由于发射针顶点半径增加，导致液态金属铟在顶点处的表面张力增加，因此，需要增加电压来提高电场强度，使得产生的电场力大于表面张力。此外，伏安特性曲线几乎呈直线，其斜率随发射针顶点半径增加增加。这与文献［6］中所得出的结论一致。

图9 不同顶点半径的发射针伏安特性曲线Fig.9 Current-voltage curves of emitting tips with different radii of tips apex

4.2 FEEP吸极相关参数对伏安特性的影响

图10为发射针伏安特性随吸极内孔半径变化曲线。从图10可见，随吸极内孔半径不断增大，而发射针的伏安特性几乎保持不变，不同吸极内孔半径的发射特性曲线几乎重合。由此得出，吸极内孔半径对发射伏安特性基本无影响。

图10 发射针伏安特性随吸极内孔半径变化曲线Fig.10 Current-voltage curves vs the radius of the inner hole of the extractor

图11为发射针伏安特性随发射极到吸极距离变化的曲线。在实验过程中，针对同一发射针，不断改变发射极到吸极的距离，并测量其发射伏安特性值。从图11可看出，发射所需的电压阈值随h的增加而增加。这是由于发射针到吸极距离的增加，使得发射针顶点附近的电场强度下降，为满足发射要求，则发射的电压阈值也就随之增加。图中还可看出，伏安特性曲线的斜率随发射极到吸极距离h增加而略有减小。比较图9～图11可得出，与发射极顶点半径相比，FEEP吸极相关几何参数，如吸极内孔半径与吸极到发射极距离，对FEEP发射的伏安特性曲线影响较小。这与文献［14］的结果一致。

图11 发射针伏安特性随发射极到吸极距离变化曲线Fig.11 Current-voltage curves vs the distance between the emitter and the extractor

5 结论

(1)采用微细电化学方法制备顶点半径为0.5～5 μm的钨针尖，经过表面清洗、粗化及大气下挂铟后制作出FEEP样机的发射极，发射极暴露在空气中时间越短，则FEEP推力器发射稳定性越好。

(2)发射针顶点半径越大，则发射所需的电压阈值越高，且随发射顶点增加，伏安特性曲线的斜率也增加。吸极相关几何参数则对发射伏安特性影响较小，吸极内孔半径对其几乎没有影响，而吸极到发射极的距离对其影响则非常有限。

(3)相关实验表明，FEEP推力器样机可正常、稳定工作，这为后续测量FEEP样机的性能参数打下基础。

［1］Eichmeier Joseph A，Thumm Manfred K.Vacuum electronic components and devices［M］.Berlin Heidelberg:Springer，2008.

［2］Rudenauer F G.Field emission devices for space applications［J］.Surface and Interface Analysis，2007(39):116-122.

［3］ESA Science ＆ Technology;Enginerring.［EB/OL］.http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm fobjectid=39981＆fbodylongid=1902.

［4］马祥彬，王纯，陈春华，等.场致发射液体镓离子源的研制［J］.半导体学报，1984，5(2):210-213.

［5］杨治规，屈秀文，邱成峰.温度对液态金属离子源发射特性的影响［J］.核技术，1994(12):705-708.

［6］马向国.纳米聚焦离子束系统液态金属离子源的研制［D］.中国科学院研究生院(电工研究所)，2006.

［7］Taylor G.Disintegration of water drops in an electric field［J］.Proceedings of the Royal Society，1964，A280:383-397.

［8］Rüdenauer F G，Fehringer H M，Schmidt R，et al.Operation of liquid metal field ion emitters under microgravity［J］.ESA-Journal，1993，17(2):147-157.

［9］Tajmar M，Genovese A，Steiger W.Indium FEEP microthruster experimental characterization［J］.Journal of Propulsion Power，2004，20(2):211-218

［10］J Mitterauer.Miniaturized liquid metal ion sources(MILMIS)［J］.Surface Science，1991，246(1-3):107-112.

［11］Mitteraller J.Miniaturized liquid metal ion sources(MILMIS)［J］.Surface Science，1991，246(1 － 3):107 －112.

［12］Global Solder Supplier.Electronics assembly materials indium.［EB/OL］.http://www.indium.com.

［13］段君毅，康小明，赵万生.用于场致发射电推力器的微发射针制造技术［J］.上海交通大学学报，2009，43(12):1968-1972.

［14］Hockett L A，Creager S E.A convenient method for removing surface oxides from tungsten STM tips［J］.Review of Scientific Instruments，1993，64:263-264.

［15］Orloff Jon ，R Forbes G.Handbook of charged particle optics［M］.2nd ed.Boca Raton.CRC Press/Taylor＆ Francis，2009.