CN105895473A - 一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构 - Google Patents

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康小录
乔彩霞
张志远
张岩
杭观荣
薛伟华
余水淋
邱刚
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Abstract

本发明公开了一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构，包括阴极管、发射体、热屏、阴极顶、点火极、绝缘器、壳体和法兰；阴极管一端安装在法兰上，另一端装有发射体，并采用阴极顶固定；阴极顶上设有中心孔；发射体为空心管状，安装在阴极管内部，并与阴极顶紧密接触；热屏安装阴极管外，靠近阴极顶部位，将安装了发射体的阴极管部分包覆在内；点火极通过绝缘器与壳体相连接，壳体一端与绝缘器相连，另一端与法兰连接；法兰上设有安装孔。本发明无需加热器预热，可以快速启动阴极和电推力器放电，将航天器电推进系统的启动时间从数百秒缩短到一秒以内，大大提高了电推进系统的响应性能，可用于需要快速启动的空间推进领域。

Description

一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构
技术领域
本发明属于真空电子和航天推进技术领域，具体涉及一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构。
背景技术
阴极广泛用于各种电真空器件，如各种电子枪、离子源、行波管中均采用阴极作为电子源，阴极一直被称为真空电子器件的心脏。在航天器的推进系统中，场发射推力器和胶体推力器需要阴极提供电子用于羽流中和；霍尔推力器、离子推力器和磁等离子体推力器同时需要阴极提供主放电和羽流中和的电子。阴极是航天器电推进系统的关键组件，直接影响推进系统的性能和寿命。
目前电推进领域的阴极大多是热阴极结构，需要通过加热器预热发射体达到高温发射电子。不同的发射体材料工作温度不同，航天器推进系统常用的氧化物、钡钨和六硼化镧发射体的工作温度分别为950℃、1050℃和1450℃左右。通过加热器预热发射体通常采用直接或间接方式，一般需要3～10分钟的时间，严重影响电推进系统的快速响应能力，限制了应有范围。航天器的电推进系统工作寿命要求上万小时，热阴极的加热器结构复杂、工艺难度大，而且随工作寿命增长加热器容易发生短路或断路，因此加热器是制约热阴极寿命和可靠性的关键因素。另外，航天器推进系统须为热阴极配置一套低压大电流加热电源和一套高压小电流点火电源，系统较复杂，可靠性较低。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构，发射电子电流为安培级，采用氙、氪、氩等气体作为推进剂，无加热器，通过高电压实现气体放电并使发射体快速升温，在1s内实现阴极的快速启动放电，减少航天器系统配置和空间电源消耗，增加系统可靠性。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构，包括阴极管、发射体、热屏、阴极顶、点火极、绝缘器、壳体和法兰；所述的阴极管一端安装在法兰上，另一端装有发射体，并采用阴极顶固定；所述的阴极顶上设有中心孔；所述的发射体为空心管状，安装在阴极管内部，并与阴极顶紧密接触；所述的热屏安装阴极管外，靠近阴极顶部位，将安装了发射体的阴极管部分包覆在内；所述的点火极通过绝缘器与壳体相连接，所述的壳体一端与绝缘器相连，另一端与法兰连接；所述的法兰上设有安装孔，可以安装到电推力器上。
优选地，所述的快速启动的冷阴极为双筒空心结构。外筒由壳体做支撑，通过陶瓷绝缘器连接点火极；内筒由阴极管做支撑，与外筒形成同轴空心结构，内筒、外筒与法兰采用气密性连接结构；所述点火极上设有节流小孔，节流小孔与阴极管和发射体内孔同轴，推进剂气体工质由外部管路进入阴极管，在阴极管内部、阴极顶和点火极之间形成较高的气体压力，采用高压点火实现内部气体击穿放电，通过放电电弧快速预热发射体使其达到工作温度，形成可发射安培级电流的电子源。
优选地，所述发射体为管状，采用低逸出功的钡钨或六硼化镧发射电子材料制成。
优选地，所述钡钨发射电子材料包括不同摩尔比的钡钨发射电子材料、掺杂钪酸盐的钡钨发射电子材料或表面覆膜的钡钨发射体材料；所述六硼化镧发射电子材料包括单晶或多晶六硼化镧材料。
优选地，所述阴极顶和点火极采用耐等离子体电弧烧蚀和耐高温材料。
优选地，所述热屏由钼、钨、钽、铌、钛等耐高温金属或合金材料制成，加工成圆筒结构，保持发射体的工作温度。
优选地，所述阴极管由钽、钼、钛、铌等耐高温金属或合金材料制成，加工成薄壁管状，有效降低高温发射体的热量向法兰传导，提高保温性能，同时降低法兰温升。
优选地，所述绝缘器为高纯度AL2O3或其它陶瓷材料制成，能够与金属进行气密性连接。
本具体实施无需利用外部加热电源提供能量、无需通过任何形式的内部加热器部件预热发射体，而是依靠一套点火电源的高电压形成的气体放电，使发射体升温达到工作温度，形成持续发射电子电流的稳定工作状态。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明无需加热器预热，可以快速启动阴极和电推力器放电，将航天器电推进系统的启动时间从数百秒缩短到一秒以内，大大提高了电推进系统的响应性能，可用于需要快速启动的空间推进领域。本发明去除了加热器部件，无需加热电源，简化系统结构，降低对控制分系统的要求，减少航天器系统资源的占有，大大增加系统可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构，包括阴极管5、发射体3、热屏4、阴极顶2、点火极1、绝缘器6、壳体7和法兰8；所述的阴极管5一端安装在法兰8上，另一端装有发射体3，并采用阴极顶2固定；所述的阴极顶2上设有中心孔；所述的发射体3为空心管状，安装在阴极管5内部，并与阴极顶2紧密接触；所述的热屏4安装阴极管5外，靠近阴极顶2部位，将安装了发射体3的阴极管部分包覆在内；所述的点火极1通过绝缘器6与壳体7相连接，所述的壳体7一端与绝缘器6相连，另一端与法兰8连接；所述的法兰8上设有安装孔，可以安装到电推力器上。
所述的快速启动的冷阴极为双筒空心结构，外筒由壳体做支撑，通过陶瓷绝缘器连接点火极；内筒由阴极管做支撑，与外筒形成同轴空心结构，内筒、外筒与法兰采用气密性连接结构；所述点火极上设有节流小孔，节流小孔与阴极管和发射体内孔同轴，推进剂气体工质由外部管路进入阴极管，在阴极管内部、阴极顶和点火极之间形成较高的气体压力，采用高压点火实现内部气体击穿放电，通过放电电弧快速预热发射体使其达到工作温度，形成可发射安培级电流的电子源。
所述发射体为管状，采用低逸出功的钡钨或六硼化镧发射电子材料制成。所述钡钨发射电子材料包括不同摩尔比的钡钨发射电子材料、掺杂钪酸盐的钡钨发射电子材料或表面覆膜的钡钨发射体材料；所述六硼化镧发射电子材料包括单晶或多晶六硼化镧材料。所述阴极顶和点火极采用耐等离子体电弧烧蚀和耐高温材料。所述热屏由钼、钨、钽、铌、钛等耐高温金属或合金材料制成，加工成圆筒结构，保持发射体的工作温度。所述阴极管由钽、钼、钛、铌等耐高温金属或合金材料制成，加工成薄壁管状，有效降低高温发射体的热量向法兰传导，提高保温性能，同时降低法兰温升。所述绝缘器为高纯度AL2O3或其它陶瓷材料制成，能够与金属进行气密性连接。
本具体实施的工作过程为：气体由外部管路进入阴极管内，受点火极和阴极顶小孔的节流作用形成一定的气体压力，高电压加载在点火极和内筒之间，首先在阴极顶和点火极之间形成气体放电，放电延伸到阴极管内部，依靠等离子体鞘层形成的电场分布效应，大量的离子轰击发射体表面，使其快速升温达到持续发射热电子的温度，同时气体推进剂不断补充，形成大电流的弧光放电，去除高电压，依靠发射体内部离子轰击作用维持发射体的工作温度，发射稳定的电子电流。
实施例1
发射体材料选择411型钡钨发射体(BaO:Al2O3:CaO的摩尔比4:1:1)，点火极、阴极顶、阴极管采用钼，热屏蔽采用钛、绝缘器采用95％的Al2O3陶瓷，其它材料选择不锈钢。
在真空度为5×10-4Pa环境下，快启动冷阴极组件通入流量为3～5sccm(标准立方厘米/分钟)氙气工质，内部气体压力达到3800Pa左右，点火极与阴极顶之间加载300～500V的高电压，冷阴极在20ms内放电，可稳定发射1.5～2.5A的电子电流。
实施例2
发射体材料选择多晶六硼化镧，点火极、阴极顶、阴极管采用钼，热屏蔽采用钛、绝缘器采用95％的Al2O3陶瓷，其它材料选择不锈钢。
在真空度为5×10-4Pa环境下，冷阴极通入流量为5～10sccm(标准立方厘米/分钟)氙气工质，内部气体压力达到4500Pa左右，点火极与阴极顶之间加载600～1000V的高电压，冷阴极在20ms内放电，可稳定发射2.5～4.5A的电子电流。
实施例3
发射体材料选择掺杂钪酸盐的612型钡钨发射体(BaO:Al2O3:CaO的摩尔比6:1:2)，点火极、阴极顶、阴极管采用钼，热屏蔽采用钼筒、绝缘器采用95％的Al2O3陶瓷，其它材料选择不锈钢。
在真空度为5×10-4Pa环境下，冷阴极通入流量为3～5sccm(标准立方厘米/分钟)氙气工质，内部气体压力达到3000Pa左右，点火极与阴极顶之间加载300～500V的高电压，冷阴极在20ms内放电，可稳定发射1.5～4.5A的电子电流。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构，其特征在于，包括阴极管、发射体、热屏、阴极顶、点火极、绝缘器、壳体和法兰；
所述的阴极管一端安装在法兰上，另一端装有发射体，并采用阴极顶固定；
所述的阴极顶上设有中心孔；
所述的发射体为空心管状，安装在阴极管内部，并与阴极顶紧密接触；
所述的热屏安装阴极管外，靠近阴极顶部位，将安装了发射体的阴极管部分包覆在内；
所述的点火极通过绝缘器与壳体相连接，所述的壳体一端与绝缘器相连，另一端与法兰连接；
所述的法兰上设有安装孔，可以安装到电推力器上。
2.根据权利1所述的一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构，其特征在于，所述的快速启动的冷阴极为双筒空心结构，外筒由壳体做支撑，通过陶瓷绝缘器连接点火极；内筒由阴极管做支撑，与外筒形成同轴空心结构，内筒、外筒与法兰采用气密性连接结构；所述点火极上设有节流小孔，节流小孔与阴极管和发射体内孔同轴。
3.根据权利1所述的一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构，其特征在于，所述发射体为管状，采用低逸出功的钡钨或六硼化镧发射电子材料制成。
4.根据权利3所述的一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构，其特征在于，所述钡钨发射电子材料包括不同摩尔比的钡钨发射电子材料、掺杂钪酸盐的钡钨发射电子材料或表面覆膜的钡钨发射体材料；所述六硼化镧发射电子材料包括单晶或多晶六硼化镧材料。
5.根据权利1所述的一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构，其特征在于，所述阴极顶和点火极采用耐等离子体电弧烧蚀和耐高温材料。
6.根据权利1所述的一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构，其特征在于，所述热屏由耐高温金属或合金材料制成，加工成圆筒结构。
7.根据权利1所述的一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构，其特征在于，所述阴极管由耐高温金属或合金材料制成，加工成薄壁管状。
8.根据权利1所述的一种可使得空间电推进快速启动的冷阴极结构，其特征在于，所述绝缘器为高纯度AL2O3或其它陶瓷材料制成，能够与金属进行气密性连接。
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