CN103311066B - 具有内芯的用于航天器自持空心阴极的发射体 - Google Patents
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Abstract
具有内芯的用于航天器自持空心阴极的发射体，它涉及一种自持空心阴极的发射体。该发射体解决发射体材料及阴极其他部件温度高、蒸发速率大导致阴极寿命短的问题。方案一：圆管内设有圆柱形芯体且二者同轴设置，圆管的底端面、圆柱形芯体的底端面和二个连接体的底端面在同一平面上，圆柱形芯体通过二个连接体与圆管的侧壁连接且三者制成一体；方案二：芯板沿径向设在圆管内且二者制成一体，芯板的底端面与圆管的底端面在同一平面上；方案三：圆管内设有圆台形芯体且二者同轴设置，圆管的底端面、圆台形芯体的大直径端面和二个连接体的底端面在同一平面上，圆台形芯体通过二个连接体与圆管的侧壁连接且三者制成一体。本发明用于航天器中。
Description
技术领域
本发明涉及一种自持空心阴极的发射体。
背景技术
自持空心阴极是电推进器如霍尔推力器、离子推力器等的关键部件，也可用于空间站作电位控制用，具有高可靠性、寿命长、发射电流大、电流发射效率高、体积小、重量轻、结构紧凑和抗振动能力强等特点。空心阴极作为电子源使用，是电推力器的单点失效部件，具有很高的重要性，也有很高的寿命要求，一般要达到上万小时。
阴极基本结构如图1所示。发射体是自持空心阴极中实际发射电子的部件，通常用低逸出功材料制作，如LaB6，钡钨氧化物等。这些材料需要在很高的温度下工作，例如LaB6需要在1600℃左右，钡钨氧化物需要在900℃左右。自持空心阴极在正常工作时可以自发产热以维持发射体所需温度，在启动时需要加热器将其加热到该温度。加热器通常采用电阻丝为热源，用陶瓷材料做绝缘。如此高的温度要求对阴极设计中的材料选择、工艺等带来很大困难，也是制约寿命的主要因素。阴极材料部件等的寿命与温度呈指数关系，通常温度每升高一百度，寿命降低一个数量级，因此降低阴极温度对延长寿命有很重要的作用。
目前自持空心阴极所用的发射体普遍采用圆管状结构，用其内表面发射电子。对于这种发射体，在进行设计时，原则是尽量使发射体内表面温度梯度小，因为发射体材料会不断的蒸发，且蒸发速率随温度快速上升，如图2所示，温度不均匀会使高温部分发射体材料提前耗尽，不利于阴极寿命。在这种设计下，发射体材料的温度即其设计温度，使得其材料蒸发速率大，且外围其他部件温度也高。本发明则利用在发射体内部加芯的方法，制造温度不均匀分布，使芯的温度很高，利用其发射电子，并降低外围发射体材料及阴极其他部件的温度，以增加阴极寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有内芯的用于航天器自持空心阴极的发射体，为解决发射体材料及阴极其他部件温度高、蒸发速率大导致阴极寿命短的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：方案一：所述发射体包括圆管、圆柱形芯体和二个连接体，圆管内设有圆柱形芯体且二者同轴设置，圆管的底端面、圆柱形芯体的底端面和二个连接体的底端面在同一平面上，圆柱形芯体通过二个连接体与圆管的侧壁连接且三者制成一体。
方案二：所述发射体包括圆管和芯板，芯板沿径向设在圆管内且二者制成一体，芯板的底端面与圆管的底端面在同一平面上。
方案三：所述发射体包括圆管、圆台形芯体和二个连接体，圆管内设有圆台形芯体且二者同轴设置，圆管的底端面、圆台形芯体的大直径端面和二个连接体的底端面在同一平面上，圆台形芯体通过二个连接体与圆管的侧壁连接且三者制成一体。
本发明具有以下有益效果：本发明通过在圆管内加芯体的方法，制造发射体温度的不均匀分布，使大部分电子通过高温的芯体发射，从而降低发射体外围及阴极其他部件的温度，以延长空心阴极寿命。
附图说明
图1是自持空心阴极原理图(热电子发射体9、启动电加热器10、点火极11、阴极小孔12)，图2是发射体常用材料蒸发速率的温度特性图，图3是本发明方案一的整体结构示意图，图4是图3的俯视图，图5是现有发射体和方案一中发射体放电温度特性对比图，图6是本发明方案二的整体结构示意图，图7是图6的俯视图，图8是本发明方案三的整体结构示意图，图9是图8的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的所述发射体包括圆管1、圆柱形芯体2和二个连接体3，圆管1内设有圆柱形芯体2且二者同轴设置，圆管1的底端面、圆柱形芯体2的底端面和二个连接体3的底端面在同一平面上，圆柱形芯体2通过二个连接体3与圆管1的侧壁连接且三者制成一体。
圆管1内设有圆柱形芯体2，由于放电时圆柱形芯体2处于等离子体的中心，其受到的加热更多，而且还受到圆管1的辐射传热，使得其温度较高，而圆管1温度则较低；高温有利于发射更多的电子，这造成放电会部分转移到圆柱形芯体2，于是形成正反馈效应，圆柱形芯体2受到更多加热，而圆管1受到更少的加热，使圆管1温度进一步降低。阴极自持工作时，发射体是热源，因此这也降低了阴极其他部件的温度。原理可参考双套管空心阴极效应。在圆柱形芯体2材料耗尽之前，圆管1及阴极其他部件处于较低温度，这使得这些部件寿命大大延长。圆柱形芯体6工作的时候还能提高阴极性能，降低阴极功耗和工质流量消耗。因此发明的总体效果相当于在不改变其他性能甚至提高性能的基础上，增加了对应于芯工作时间的寿命。
参见图5，改进后的发射体最高可以降低自持工作温度200℃，从而使其蒸发速率降低1-2个数量级。
具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式的圆管1的内径D是圆柱形芯体2的直径d的1.25-3倍，此结构的优点是可以在降低其他部位温度的同时具有较长的寿命。其它实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式的圆管1的高度H是连接体3高度h1的2-4倍，此结构的优点是在不影响放电性能的情况下具有足够的连接强度。其它实施方式与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式的圆管1的高度H是圆柱形芯体2的高度h2的1.25-2倍。此结构的优点是能够满足降低其余部位温度、延长寿命的性能要求。其它实施方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式的圆管5、圆柱形芯体6和二个连接体7的材质均为LaB6或钡钨氧化物，此种材料具有较低逸出功和成熟制造工艺。其它实施方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图3说明本实施方式，本实施方式的圆柱形芯体2沿其中心轴线开有通孔2-1，此结构的优点是使得芯体2内部也受到等离子体加热，能进一步提高芯体2的温度，并降低外围部位温度，从而增加寿命。其它实施方式与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式的发射体包括圆管4和芯板5，芯板5沿径向设在圆管4内且二者制成一体，芯板5的底端面与圆管4的底端面在同一平面上。
芯板作用与前一种结构中的圆柱形芯体相同，具有降低外围材料温度从而增加寿命的效果，但效果稍弱，优点是芯板加工制造简单，成本低，且由于芯板体积比圆柱形芯体大，芯板寿命比圆柱形芯体更长。
具体实施方式八：结合图6说明本实施方式，本实施方式的圆管4的高度H是芯板5的高度h的1.25-4倍，。此结构的优点是能够满足降低其余部位温度、延长寿命的性能要求。其它实施方式与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图8和图9说明本实施方式，本实施方式的发射体包括圆管6、圆台形芯体7和二个连接体8，圆管6内设有圆台形芯体7且二者同轴设置，圆管6的底端面、圆台形芯体7的大直径端面和二个连接体8的底端面在同一平面上，圆台形芯体7通过二个连接体8与圆管6的侧壁连接且三者制成一体。
圆台形芯体7作用与圆柱形芯体相似，具有降低外围材料温度从而增加寿命的效果。发射体区等离子体的密度是沿轴线方向从后向前逐渐增大的，圆台形芯体7由于前后直径不同，可以适应不同位置等离子体的性质，从而可以同时针对不同位置进行尺寸优化，使得前后部位都获得更高温度，强化正反馈效应，使外围部位温度更低，寿命更长。
具体实施方式十：结合图8和图9说明本实施方式，本实施方式的圆管6的内径D是圆台形芯体6的大直径端直径d1的1.2-3倍，圆管6的高度H是连接体8高度h3的2-4倍，圆管6的高度H是圆台形芯体7的高度h4的1.25-2倍，此结构的优点是能够满足降低其余部位温度、延长寿命的性能要求且在不影响放电性能的情况下具有足够的连接强度。其它实施方式与具体实施方式九相同。
Claims (8)
1.一种具有内芯的用于航天器自持空心阴极的发射体，其特征在于所述发射体包括圆管(1)、圆柱形芯体(2)和二个连接体(3)，圆管(1)内设有圆柱形芯体(2)且二者同轴设置，圆管(1)的底端面、圆柱形芯体(2)的底端面和二个连接体(3)的底端面在同一平面上，圆柱形芯体(2)通过二个连接体(3)与圆管(1)的侧壁连接且三者制成一体。
2.根据权利要求1所述具有内芯的用于航天器自持空心阴极的发射体，其特征在于圆管(1)的内径(D)是圆柱形芯体(2)的直径(d)的1.25-3倍。
3.根据权利要求1或2所述具有内芯的用于航天器自持空心阴极的发射体，其特征在于圆管(1)的高度(H)是连接体(3)高度的2-4倍。
4.根据权利要求3所述具有内芯的用于航天器自持空心阴极的发射体，其特征在于圆管(1)的高度(H)是圆柱形芯体(2)的高度(h2)的1.25-2倍。
5.根据权利要求4所述具有内芯的用于航天器自持空心阴极的发射体，其特征在于圆管(1)、圆柱形芯体(2)和二个连接体(3)的材质均为LaB6或钡钨氧化物。
6.根据权利要求5所述具有内芯的用于航天器自持空心阴极的发射体，其特征在于圆柱形芯体(2)沿其中心轴线开有通孔(2-1)。
7.一种具有内芯的用于航天器自持空心阴极的发射体，其特征在于所述发射体包括圆管(6)、圆台形芯体(7)和二个连接体(8)，圆管(6)内设有圆台形芯体(7)且二者同轴设置，圆管(6)的底端面、圆台形芯体(7)的大直径端面和二个连接体(8)的底端面在同一平面上，圆台形芯体(7)通过二个连接体(8)与圆管(6)的侧壁连接且三者制成一体。
8.根据权利要求7所述具有内芯的用于航天器自持空心阴极的发射体，其特征在于圆管(6)的内径(D)是圆台形芯体(7)的大直径端直径(d1)的1.2-3倍，圆管(6)的高度(H)是连接体(8)高度的2-4倍，圆管(6)的高度(H)是圆台形芯体(7)的高度(h4)的1.25-2倍。
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