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　　具有改善的发射体均匀性和扩展工作电压范围的高密度纳米毛细管离子液体电喷雾推力器

　　离子液体电喷雾推力器（ILESTs）是用于纳卫星的极具前景的微推进装置；然而，其性能通常受到低推力密度的限制。为了解决这一局限性，本研究利用场发射体阵列（FEA）制造技术开发了电喷雾推力器，以提高发射体密度。然而，先前的设计存在发射体几何形状不均匀和推进剂泄漏

　　离子液体电喷雾推力器（ILESTs）是用于纳卫星的极具前景的微推进装置；然而，其性能通常受到低推力密度的限制。为了解决这一局限性，本研究利用场发射体阵列（FEA）制造技术开发了电喷雾推力器，以提高发射体密度。然而，先前的设计存在发射体几何形状不均匀和推进剂泄漏的问题。在此，研究人员优化了制造工艺以抑制离子液体泄漏并实现稳定的离子发射。通过改善发射体阵列的几何均匀性，最小化了毛细管孔径。实验结果表明，与先前研究中报道的范围相比，稳定工作电压范围扩大了4.4倍。该推力器实现了34 mA cm

　　的电流密度，这是该类装置中报道的最高值之一。此外，离子束拦截率显著降低。进一凯发k8天生赢家步地，研究人员开发了一种结合丙酮和氧等离子体反应离子刻蚀（RIE）的清洗工艺，以消除源自离子液体的有机残留物。该工艺作为概念验证，在实验室实验中实现了微加工发射体阵列的单循环恢复，缓解了与较长生产时间相关的挑战。这些结果表明，制造均匀性的提高和初步的装置恢复程序代表了加速高性能微推进系统发展的有意义步伐。

　　近年来，纳卫星凭借低成本和短研制周期得到广泛应用。高效微推进系统对于此类任务中维持精确轨道定位和姿态控制不可或缺。离子液体电喷雾推力器凭借高可扩展性、高效率和低功耗被视作最具潜力的候选者。然而，此类推力器的推力密度较低，通常不到常规离子推力器的十分之一，主要受限于发射体密度不足。尽管先前已有通过微机电系统工艺和场发射体阵列制造技术提升发射体密度的尝试，但仍面临叉指几何形状不均匀及推进剂泄漏的问题，导致电极间发生短路并限制了工作电压范围。为实现高性能微推进，亟需抑制推进剂泄漏并扩展工作电压范围。为此，研究人员开展了关于优化高密度纳米毛细管发射体阵列制造工艺的研究。结论表明，通过提升结构均匀性能够显著抑制泄漏并扩展电压范围，同时提出了一种有效的清洗恢复工艺。这对于加速高推力密度微推进系统的发展并使其适用于未来纳卫星星座任务具有重要意义，该论文发表在《Acta Astronautica》。

　　在关键技术方法方面，研究人员主要采用了以下几种方法：首先，采用场发射体阵列制造技术并配合刻蚀工艺，以单片集成的方式制造纳米毛细管发射体阵列；其次，通过改进底层材料为金属铬并引入新光刻设备，优化了发射体圆锥的高度均匀性；同时，采用蜂窝状排列设计提升了发射体密度；最后，在实验测试阶段，利用真空环境下的双极性脉冲电压进行离子发射特性测量，并对使用了离子液体推进剂的样本进行丙酮清洗与氧等离子体反应离子刻蚀清洗与恢复评估。

　　发射体阵列设计与制造：研究人员设计了内部供液的纳米毛细管结构，通过理论分析证实减小毛细管直径可有效增加流体阻抗从而抑制泄漏。为提升叉指高度均匀性并控制孔径，制造工艺中将底层材料由铝替换为抗腐蚀的金属铬，并升级了光刻系统。蜂窝状排列使发射体密度提升至约6×106emitters cm-2。结构测量证实范式高度的标准偏差较前代减小，平均毛细管直径缩小至108 nm。

　　电流-电压特性：在真空舱中对高密度发射体阵列进行了离子发射实验，施加双极性脉冲电压。结果表明，离子发射在73 V启动，负极性下发射电流密度达到-34.5 mA cm-2，稳定工作电压范围扩大至22 V，相比之前研究提升了4.4倍。此外，由于优化了引出电极孔径，离子束拦截率显著降低。推力密度估算值显著高于传统电喷雾推力器。实验后观察发现泄漏的发射体比例显著下降。

　　清洗与恢复工艺：实验后为去除溢出的推进剂，研究人员采用丙酮清洗与氧等离子体反应离子刻蚀相结合的方法。观察证实该工艺有效清除了有机残留沉积物。再次进行离子发射实验证实清洗后的样本在高达150 V的电压下仍能实现离子发射，尽管性能有所降低。这作为概念验证证明了单循环恢复的可行性。

　　在讨论与结论部分，本研究实现了纳米毛细管发射体阵列的可重复制造。制造工艺的改善将发射体均匀性提升了52%，平均毛细管直径缩减至108 nm。实验结果确认稳定工作电压范围扩展至22 V，最大电流密度达到34.5 mA cm

　　，并显著抑制了离子液体泄漏。此外，开发的清洗恢复工艺初步实现了装置的单循环恢复，缓解了微加工耗时长的难题。研究人员指出，未来需集成主动推进剂供应控制机制以完全抑制泄漏，并计划集成加速电极及进行长寿命评估，以推动高推力密度微推进系统的实际部署。