CN106531591A - 大电流多通道金属阴极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大电流多通道金属空心阴极，包括阴极管、多根金属发射体和气路接口，阴极管为细长的难熔金属管，一端平行排列多根难熔金属发射体，金属发射体之间、金属发射体与阴极管内壁之间的表面相切，阴极管另一端与气路接口气密性焊接连接。本发明采用多根低逸出功高电子发射能力的金属棒材或管材，形成多发射通道，在有限尺寸条件下增大发射面积，提高了发射电流能力，无需外部加热器，内部通入一定流量的气体工质，外部施加一定的高电压，可直接点火发射100～500A的电子电流；单位面积的发射电流密度不超过10A/cm2，从而大大降低发射体表面温度和材料烧蚀率，有利于延长空心阴极和推力器的寿命。

Description

大电流多通道金属阴极
技术领域
本发明属空间推进领域，具体涉及一种大电流多通道金属阴极。
背景技术
电推进具有很高的喷气速度，相对化学推进具有比冲高的显著特点，可广泛应用于航天器轨道转移、轨道维持、姿态控制、无拖曳控制、深空探测主推进等任务，显著节省推进剂、增加航天器寿命或减小运载需求。随着空间推进技术的发展，目前成熟的霍尔或离子推力器的比冲很高(1500～3000s)，但推力较小(40～300mN)，无法满足深空探测、载人登月等任务需求的大推力(几牛到几十牛)、高比冲(6000～10000s)的推进任务要求。磁等离子体推力器(MPDT,MagenetoPlasma Dynamic Thruster)的比冲理论值为11000s，分别是霍尔或离子推力器的6或3倍，是液体火箭发动机的20倍，推力能够达到200N，可能是未来航天器快速转移、天地往返的主要运输工具。
磁等离子体推力器的功率要求几十千瓦甚至兆瓦，50kW的推力器放电电流达到100～500A，兆瓦级的推力器放电电流达到1000A以上，要求配套的阴极发射更大的电流，满足工作需求。
现有电推力器的阴极主要为单通道空心阴极，内部包含钡钨或六硼化镧电子发射体材料，发射电流密度5～10A/cm2时的工作温度分别～1050℃或～1500℃，发射电流密度增大到15A/cm2以上时，工作温度增加上百度，材料蒸发率增加1～2个数量级，严重影响阴极的寿命。受产品尺寸重量限制，不可能无限增大发射体的发射面积，现有产品的发射电流范围为几安培～几十安培。而且，现有的钡钨或六硼化镧空心阴极需要外加加热器预热发射体材能点火放电，同时需要专用的加热电源，阴极本身结构复杂，系统控制难度大。现有的单通道空心阴极不适合发射电流要求百安及以上的磁等离子体推力器使用。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的大电流多通道金属阴极，发射电流为100～500A，可采用氩、氮、氨、氪或氙作为工质，采用一种新型结构，通过合理的材料选择和结构设计，保证阴极发射电流达到数百安量级，无需外部加热器，结构和控制简单，发射的电子电流可以满足50～100kW的磁等离子体推力器、霍尔推力器或离子推力器的工作需求。
本发明的技术方案为：
一种大电流多通道金属阴极，包括阴极管、多根金属发射体和气路接口，阴极管为细长的难熔金属管，一端平行排列多根难熔金属发射体，金属发射体之间、金属发射体与阴极管内壁之间的表面相切，阴极管另一端与气路接口气密性焊接连接，气路接口通过焊接或螺母与进气管路连接，空心阴极工作时，气体工质由气路接口流入阴极管内部，经过金属棒之间及金属棒与阴极管内壁的缝隙流出阴极，阴极管内部形成一定的高气压，在外加高电压下形成气体放电，产生电子电流。由于发射体材料由多根金属棒或金属管组成，气体经过金属棒之间及金属棒与阴极管内壁的缝隙，形成多个放电通道，大大增加了发射面积，能够产生百安量级的电子电流。
优选地，所述的金属发射体由多根钨、钽、铼金属棒材或管材制成，这些材料的熔点高、电子逸出功低，高温下蒸发率低，能够承受大电流气体放电的高温烧蚀。
优选地，所述的金属发射体表面涂敷有金属钍层或金属铱层，降低表面逸出功，增加发射电子能力。
优选地，所述的阴极管为金属钨、钽或钼制成，能承受大电流气体放电产生的高温烧蚀，可以加工成需要的形状，并与进气端材料能够气密性焊接。
优选地，所述的气路接口采用钼、不锈钢材料加工，必须与阴极管能够气密性焊接，同时能方便前级进气管路焊接或螺接。
优选地，所述的气体工质为氩、氮、氨、氪或氙的一种或几种混合。
优选地，所述气路接口为直管接口或一定角度的喇叭口。
优选地，贴紧阴极管的金属发射体外形适当打磨，便于金属发射体在阴极管内部塞紧。
优选地，所述阴极管端部加工有一个小台阶，所述阴极管端内部设有一金属网，便于金属发射体定位装配。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用多根低逸出功高电子发射能力的金属棒材或管材，形成多发射通道，在有限尺寸条件下增大发射面积，提高了发射电流能力。本发明的多通道金属阴极无需外部加热器，内部通入一定流量的气体工质，外部施加一定的高电压，可直接点火发射100～500A的电子电流。单位面积的发射电流密度不超过10A/cm2，从而大大降低发射体表面温度和材料烧蚀率，有利于延长空心阴极和推力器的寿命；本发明可用于50～100kW的磁等离子体推力器，还可以50kW及以上的大功率霍尔或离子推力器，为未来大功率电推进系统完成载人深空探测、星际货运、航天器快速转移等任务奠定基础。
附图说明
图1为本发明的大电流多通道金属阴极一个具体实施例的结构示意图。
图2为本发明的大电流多通道金属阴极一个具体实施例的结构示意图。
图3为本发明的大电流多通道金属阴极一个具体实施例的结构示意图。
图4为本发明的电流多通道金属阴极放电工作原理图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，多通道金属阴极包括多根金属发射体1、阴极管2、和气路接口3组成。阴极管为内径Φ10的钨管，内部装配了Φ1*10(直径*长度)钨棒76根，气路接口材料选择钼，阴极管与气路接口采用电子束焊接。
多通道金属阴极安装在真空舱内，工作原理图见图4，工作环境真空度不低于5×10-1Pa。当氩气工质流量为1～5mg/s，阳极电压为80～120V时，发射电子电流达到80～200A，发射体材料的发射电流密度为2.1～8.4A/cm2，可以满足功率10～50kW的磁等离子体推力器放电工作需要。
实施例2
如图3所示，多通道金属阴极包括多根金属发射体1、阴极管2、和气路接口3组成。阴极管为内径Φ10的钨管，内部装配了Φ1*10(直径*长度)钨棒76根，气路接口材料选择钼，阴极管与气路接口采用电子束焊接，气路接口为60°喇叭口，与球头螺母进气管连接。
多通道金属阴极安装在真空舱内，工作原理图见图4，工作环境真空度不低于5×10-1Pa。当氩气工质流量为1～5mg/s，阳极电压为80～120V时，发射电子电流达到80～200A，发射体材料的发射电流密度为2.1～8.4A/cm2，可以满足功率10～50kW的磁等离子体推力器放电工作需要。
实施例3
如图1所示，多通道金属阴极包括多根金属发射体1、阴极管2、和气路接口3组成。阴极管为内径Φ20的钨管，内部装配了Φ2*20(直径*长度)钨棒76根，气路接口材料选择钼，阴极管与气路接口采用电子束焊接。
多通道金属阴极安装在真空舱内，工作原理图见图4，工作环境真空度不低于5×10-1Pa。当氩气工质流量为5～11mg/s，阳极电压为100～200V时，发射电子电流达到200～500A，发射体材料的发射电流密度为2.09～5.24A/cm2，可以满足功率50～100kW的磁等离子体推力器放电工作需要。
实施例4
如图2所示，多通道金属阴极包括多根金属发射体1、阴极管2、和气路接口3组成。阴极管为内径Φ20的钼管，内部装配了Φ3/Φ2*20(外径/内径*长度)钽管34根，气路接口材料选择钼，阴极管与气路接口采用电子束焊接。
多通道金属阴极安装在真空舱内，工作原理图见图4，工作环境真空度不低于5×10-1Pa。当氩气工质流量为5～11mg/s，阳极电压为80～150V时，发射电子电流达到200～500A，发射体材料的发射电流密度为1.34～4.68A/cm2，可以满足功率50～100kW的磁等离子体推力器放电工作需要。
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 (9)

1.一种大电流多通道金属阴极，其特征在于，包括阴极管、多根金属发射体和气路接口，阴极管为细长的难熔金属管，一端平行排列多根难熔金属发射体，金属发射体之间、金属发射体与阴极管内壁之间的表面相切，阴极管另一端与气路接口气密性焊接连接，气路接口通过焊接或螺母与进气管路连接，空心阴极工作时，气体工质由气路接口流入阴极管内部，经过金属棒之间及金属棒与阴极管内壁的缝隙流出阴极，阴极管内部形成一定的高气压。
2.根据权利要求1所述的大电流多通道金属阴极，其特征在于，所述的金属发射体由多根钨、钽、铼金属棒材或管材制成。
3.根据权利要求1所述的大电流多通道金属阴极，其特征在于，所述的金属发射体表面涂敷有金属钍层或金属铱层。
4.根据权利要求1所述的大电流多通道金属阴极，其特征在于，所述的阴极管为金属钨、钽或钼制成。
5.根据权利要求1所述的大电流多通道金属阴极，其特征在于，所述的气路接口采用钼、不锈钢材料加工，必须与阴极管能够气密性焊接，同时能方便前级进气管路焊接或螺接。
6.根据权利要求1所述的大电流多通道金属阴极，其特征在于，所述的气体工质为氩、氮、氨、氪或氙的一种或几种混合。
7.根据权利要求1所述的大电流多通道金属阴极，其特征在于，所述气路接口为直管接口或一定角度的喇叭口。
8.根据权利要求1所述的大电流多通道金属阴极，其特征在于，贴紧阴极管的金属发射体外形适当打磨。
9.根据权利要求1所述的大电流多通道金属阴极，其特征在于，所述阴极管端部加工有一个小台阶，所述阴极管端内部设有一金属网，便于金属发射体定位装配。
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