碳纳米管(CNT，carbonnanotube)直径在一纳米到几纳米之间，具有非常高的力学强度和模量，极高的导热能力和电流承载能力，其功函数为4.6eV左右，室温下场电子发射能散为0.11eV，约化亮度为(3±1)×109~9×1011A/(sr·m2·V)，单根碳纳米管的场电子发射电流可达微安量级，是良好的场电子发射体[1-9]｡碳纳米管的场电子发射一直以来都是其应用研究的一个重要方向，碳纳米管场发射体还具有可大面积制备的优点，其应用在多种场景已经得到展示[10-12]｡
空间领域是比较适合碳纳米管场电子发射应用的一个方向｡首先，外太空的高真空正好是碳纳米管场发射所需要的环境；其次，碳纳米管拥有比较好的力学电学等物理特性，能够胜任外太空的苛刻环境中工作；同时，碳纳米管还具有质量轻、体积小等优点，能满足空间发射任务对载荷的要求｡
空间引力波探测是当前科研的一个重大前沿｡引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波，一个世纪前爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在，双黑洞并合产生的引力波已于2015年首次在地面被直接观测到｡引力波提供了有别于电磁波的一个全新的观测宇宙的重要窗口，成为人类探索和认识宇宙的新的途径和手段[13]｡不同频率引力波反映了宇宙的不同时期和不同的天体物理过程｡有别于地基探测，在空间能够探测到中低频段的引力波信号，可以发现天体质量更大、距离更遥远的引力波波源，揭示更为丰富的天体物理过程｡由于引力波信号极其微弱，实施空间引力波探测挑战巨大，需要突破目前人类精密测量和控制技术的极限，所涉及的核心技术包括高精度超稳激光干涉仪、引力参考传感器、超高精度无拖曳控制、微牛级推进器、超稳超静卫星平台等｡“太极一号”瞄准这一重大科技前沿，对这些核心技术的可行性和实现途径进行在轨验证[14]｡
射频离子微推技术具有推力可控性强、分辨力高、噪声低、响应速度快、寿命长等优点，中和器是超高精度射频离子微推进系统的必备组件｡离子喷出之后，需要采用中和器发射电子中和剩余的电荷，保证系统的稳定与安全｡场发射中和器具有体积小、质量轻、功耗低、反应快等优点，同时不需要消耗工质；外太空的高真空条件还为场发射提供了良好的环境；场发射中和器非常适合于微型离子电推进器的电中和任务｡
1 中和器研制及交付
本研究的场发射中和器的发射体采用了清华大学拥有独立知识产权技术生长的超顺排碳纳米管｡超顺排碳纳米管具有宏观尺寸，方便加工和处理，其中的碳纳米管性能比较均匀一致，有利于碳纳米管优异性质的体现和组合，是一种理想的碳纳米管形式[15-17]；以这种碳纳米管制作的发射体可以保证发射性能的均匀一致稳定｡基于作者所在的研究组在碳纳米管的场发射基本特性、碳纳米管场发射体的制备与集成、及其多种场景的应用等方面的研究基础，本研究中开展了碳纳米管场发射中和器的研发工作[7，11-12，18-28]｡
超顺排碳纳米管经多层压实及高温处理，并进一步处理与激活，前期研究表明所制备碳纳米管具有优异的电子发射能力[16，29]｡图1(a)和(b)是制备的碳纳米管场发射体的扫描电子显微镜(SEM)照片；图1(c)是单个发射单元的结构；图1(d)是四个发射单元组成一个中和器｡电子由施加在阴栅之间的电场拉出，透过栅极后实现中和的功能｡
中和器研制经过模样件、鉴定件、正样件多个步骤，按期交付卫星总体集成｡为满足卫星发射及工作过程中的各项严苛的技术要求，研制过程包括了方案确定、发射体组装、处理、连接、栅极设计、绝缘与屏蔽、长寿命稳定测试、储存与运输等一系列步骤｡图2是中和器样品地面寿命测试的结果，测试工作在恒流模式｡在加速(10倍以上工作电流)条件下，100h内样品性能随时间逐渐变得稳定，随后的100h测试过程中电压升高仅10V，考虑系统工作参数范围，这种稳定性可以满足卫星寿命的要求｡组装后还经过正弦、随机、冲击震动等力学实验，以及高低温储存、高低温循环等环境实验，中和器组件满足卫星的各项要求｡图3为组装在卫星上的碳纳米管场发射中和器(箭头所指为碳纳米管中和器)｡
2 在轨性能分析
卫星于2019年8月31日在酒泉卫星发射中心成功发射｡
根据星上测量数据，可以对中和器的在轨工作的性能进行评估｡两个中和器的发射特性曲线如图4(a)和(b)所示，表现了较好的参数一致性，同时还研究了不同时间测量时中和器的性能｡图4(c)和(d)展示了中和器1两次不同测试的I-V和Fowler-Nordheim(F-N)曲线，曲线表现了良好的一致性｡需要注意的是当对中和器进行性能测试时，电压上升阶段和电压下降阶段的曲线并不重合，相同发射电流情况下，电压上升阶段比电压下降阶段的发射电压更低，在多次测量中都呈现了这种现象｡推测这可能反映了在轨状态下仍然存在一定的吸附脱附现象，吸附状态的逸出功略小于脱附状态｡根据轨道参数可以估计出所处的气体压强约为10-6Pa，这一真空度下仍然难以实现完全脱附｡图4(d)拟合了电压上升和电压下降过程的F-N曲线斜率｡若假设两种过程中碳纳米管场发射尖端状态保持稳定，可以给出吸附状态的功函数约为脱附状态的2/3｡
与已报道的国际同类中和器比较，如Busek公司提供给欧空局LISA Pathfinder NASA技术验证载荷ST7-DRS胶体推进器碳纳米管中和器的工作参数为工作电压250~800V，发射电流10μA~1mA，寿命13236h@100μA，6433h@1.0mA[30]；德累斯顿工业大学所报道的中和器工作参数为工作电压500~3000V，发射电流250μA(8mm×8mm)[31]｡本工作所研制的由超顺排碳纳米管作为发射体的中和器可以实现低电压工作，电流高于上述报道｡
3 结论
本研究制备了基于超顺排碳纳米管厚膜的场发射电子源及其中和器，在轨测试表明中和器工作性能稳定｡与国际同类结果相比，本研究的碳纳米管场发射电子源具有发射电压低、发射电流大的特点｡该中和器与射频离子推进器联动实现了卫星所需要的射频微推功能，实现了微推进器亚微牛级分辨率推力输出｡我们的工作实现了碳纳米管场发射电子源在轨正常工作，对于促进碳纳米管场发射阴极在空间的应用有重要意义｡
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