CN108990246B - 一种带环形电离室的等离子体接触器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种等离子体接触器，尤其涉及采用空心阴极电子发生器与环形电离室结合的等离子体接触器，属于气体放电设备领域。本发明的电离室壳体顶端中心处开设通孔；空心阴极等离子体接触器的法兰盘通过电离室壳体绝缘陶瓷与电离室壳体固定连接；第一永磁铁固定安装在电离室壳体顶端内壁上；第二永磁铁固定安装在电离室壳体内筒壁上；阳极壳体为开放式中空圆柱体；阳极壳体的筒壁与云母片固定连接；云母片与第二永磁铁固定连接；本发明能够优化发射特性，降低其在不同应用场合下移植成本，相同工况下，电位差降幅可达约40％。

Description

一种带环形电离室的等离子体接触器
技术领域
本发明涉及一种等离子体接触器，尤其涉及采用空心阴极电子发生器与环形电离室结合的等离子体接触器，属于气体放电设备领域。
背景技术
等离子体接触器可向外界环境喷射等离子体，从而与外界环境实现电荷交换物理过程，其工作外界环境一般为空间环境。发射特性是衡量等离子体接触器工作性能的重要指标，其为接触器阴极相对外界环境电位差与发射电子电流的关系。等离子体接触器应用场合对其发射特性提出了严格要求，即额定发射电流下电位差需小于要求值。为满足任务需求，必须提高等离子体接触器放电效率。
等离子体接触器总放电效率由内部放电效率和外部放电效率组成。目前，其放电效率的提高主要通过优化其内部放电效率实现，即改变等离子体接触器内部结构、发射体材料或气体推进剂种类，该方案能从根本上优化发射特性，但存在以下难点：接触器工作存在内部放电稳定性要求，优化程度会受到限制；接触器内部结构复杂，其再设计、加工、测试及寿命验证将耗费极多资源。所述方案使得等离子体接触器不同应用场合下的移植成本高昂：当任务对发射特性有更高要求且原有产品无法满足时，必须重新研发，极大增加人力物力财力。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的等离子体接触器不同应用场合下移植成本高昂的问题，提供一种带环形电离室的等离子体接触器。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种带环形电离室的等离子体接触器，包括：空心阴极等离子体接触器、电离室壳体、第一永磁铁、第二永磁铁、云母片、阳极壳体和电离室壳体绝缘陶瓷；
连接关系：电离室壳体为底端开口的中空圆柱体结构，在圆柱体顶端中心处开设通孔；空心阴极等离子体接触器的法兰盘通过电离室壳体绝缘陶瓷与电离室壳体固定连接；第一永磁铁与第二永磁铁均为环形结构；第一永磁铁的N极朝向电离室内部；第二永磁铁的S极朝向电离室内部；第一永磁铁固定安装在电离室壳体顶端内壁上；第二永磁铁固定安装在电离室壳体内筒壁上；阳极壳体为开放式中空圆柱体；阳极壳体的筒壁与云母片固定连接；云母片与第二永磁铁固定连接；
还包括二次供气管路，二次供气管路为带有一个进气孔和若干出气孔的环形结构；二次供气管路固定安装在电离室壳体顶端内壁上；进气管路穿过电离室壳体与二次供气管路的进气孔连接；
还包括电离室挡板，所述电离室挡板固定安装在电离室壳体底端筒壁处，作用为进一步制约来自空心阴极等离子体接触器和二次供气管路的气体推进剂的扩散作用，增加电离室内气体推进剂密度；
所述电离室顶端通孔的直径需大于空心阴极等离子体接触器的外部直径；
所述二次供气管路固定安装在电离室壳体顶端与筒壁的转角处；
工作过程：
1.不含二次供气管路。
所述带环形电离室的等离子体接触器点火成功后，空心阴极等离子体接触器向环形电离室内部喷射大量等离子体，包含未被电离的气体推进剂、离子和电子；并形成维持电流和发射电流。被空心阴极等离子体接触器喷出的气体推进剂受到环形电离室壳体阻碍，只能通过其底端开口流出，在电离室前端和中部形成较高密度。维持电流方向为阳极壳体指向空心阴极等离子体接触器，主要为电子电流；发射电流方向为外界环境指向空心阴极等离子体接触器，主要为电子电流。受到阳极壳体高电位吸引，维持电流中的电子朝着阳极壳体方向不断加速，能量不断增加；受到第一、第二永磁铁形成的磁场约束，维持电流中的电子绕着当地磁感线运动，相对寿命得到延长。此时，环形电离室内具有高密度气体推进剂、高能量和长寿命电子，气体推进剂电离率大幅增加，额外产生大量离子和电子。额外产生的离子受到空心阴极等离子体接触器低电位吸引向其运动，额外产生的部分电子随发射电流向电离室外喷出；空心阴极等离子体接触器总放电效率增加，发射特性得到优化。当调节电离室尺寸、永磁铁位置、永磁铁磁强和阳极维持电流，发射特性便能够实现人为调控。
2.包含二次供气管路。
所述带环形电离室的等离子体接触器点火成功后，空心阴极等离子体接触器向环形电离室内部喷射大量等离子体，包含未被电离的气体推进剂、离子和电子；并形成维持电流和发射电流。二次供气管路向环形电离室内部喷射大量低温气体推进剂。被空心阴极等离子体接触器和二次供气管路喷出的气体推进剂受到环形电离室壳体阻碍，只能通过其底端开口流出，在电离室前端和中部形成较高密度。维持电流方向为阳极壳体指向空心阴极等离子体接触器，主要为电子电流；发射电流方向为外界环境指向空心阴极等离子体接触器，主要为电子电流。受到阳极壳体高电位吸引，维持电流中的电子朝着阳极壳体方向不断加速，能量不断增加；受到第一、第二永磁铁形成的磁场约束，维持电流中的电子绕着当地磁感线运动，相对寿命得到延长。此时，环形电离室内具有高密度气体推进剂、高能量和长寿命电子，气体推进剂电离率大幅增加，额外产生大量离子和电子。额外产生的离子受到空心阴极等离子体接触器低电位吸引向其运动，额外产生的部分电子随发射电流向电离室外喷出；空心阴极等离子体接触器总放电效率增加，发射特性得到优化。当调节电离室尺寸、永磁铁位置、永磁铁磁强、阳极维持电流和二次供气管路气体推进剂流量，发射特性便能够实现人为调控。
有益效果
1、本发明公开的一种带环形电离室的等离子体接触器，通过调整环形电离室即能优化等离子体接触器发射特性，降低等离子体接触器不同应用场合移植成本。通过调整环形电离室尺寸、永磁铁位置及磁强、阳极壳体允许电流，能够实现所述等离子体接触器发射特性的可调。其基本原理为：第一，由于环形电离室狭小空间作用，未被电离的气体推进剂自由扩散作用受到阻碍，使得电离室内推进剂密度升高，提高了电子与推进剂原子的碰撞频率；第二，环形电离室内第一永磁铁和第二永磁铁之间形成磁场，约束电子运动，提高了电子寿命内与推进剂原子的碰撞总次数；第三，环形电离室内的阳极维持电流中的电子不向外环境发射，电子在向阳极运动过程中能量不断增大，提高了电子与推进剂原子发生电离碰撞的概率。合理调节所述设计，能够提高空心阴极等离子体接触器总放电效率，进而实现发射特性的优化。
2、本发明公开的一种带环形电离室的等离子体接触器，在所述的一种带环形电离室的等离子体接触器增设二次供气管路，通过向环形电离室喷注二次气体推进剂，同时在电离室出口处加装挡板，可实现电离室内部气体推进剂密度的进一步增高，进而实现等离子体接触器放电能力的增强。改变二次供气管路的气体推进剂流量和挡板内径尺寸，也能够实现所述等离子体接触器发射特性的可调。
3、本发明公开的一种带环形电离室的等离子体接触器，在所述的一种带环形电离室的等离子体接触器增设二次供气管路，通过向环形电离室喷注二次低温气体推进剂，可在整体上降低环形电离室内部各组件的温度，进而保障电离室各组件工作稳定性及长寿命。
4、本发明公开的一种带环形电离室的等离子体接触器，所述环形电离室内环境可对空间环境中的高能离子和高能电子实现较好的屏蔽、分流或能量消耗作用，避免粒子对空心阴极等离子体接触器的直接轰击溅射，实现空心阴极等离子体接触器长寿命的需求。
附图说明
图1为本发明公开的一种带环形电离室的等离子体接触器结构示意图：
图2为空心阴极等离子体接触器内部结构示意图。
其中：1-空心阴极等离子体接触器、2-电离室壳体、3-第一永磁铁、4-云母片、5-阳极壳体、6-电离室壳体绝缘陶瓷、7-二次供气管路、8-电离室挡板、9-第二永磁铁。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1
一种带环形电离室的等离子体接触器，包括：空心阴极等离子体接触器、电离室壳体、第一永磁铁、第二永磁铁、云母片、阳极壳体和电离室壳体绝缘陶瓷；
连接关系：电离室壳体为底端开口的中空圆柱体结构，在圆柱体顶端中心处开设通孔；空心阴极等离子体接触器的法兰盘通过电离室壳体绝缘陶瓷与电离室壳体固定连接；第一永磁铁与第二永磁铁均为环形结构；第一永磁铁的N极朝向电离室内部；第二永磁铁的S极朝向电离室内部；第一永磁铁固定安装在电离室壳体顶端内壁上；第二永磁铁固定安装在电离室壳体内筒壁上；阳极壳体为开放式中空圆柱体；阳极壳体的筒壁与云母片固定连接；云母片与第二永磁铁固定连接；
所述空心阴极等离子体接触器外直径约为3cm；
所述电离室壳体外直径约为12cm，长度约为11cm；
所述第一、第二永磁铁附近最大磁场强度为0.36T；
工作过程：所述带环形电离室的等离子体接触器点火成功后，空心阴极等离子体接触器向环形电离室内部喷射大量等离子体，包含未被电离的气体推进剂、离子和电子；并形成维持电流和发射电流。被空心阴极等离子体接触器喷出的气体推进剂受到环形电离室壳体阻碍，只能通过其底端开口流出，在电离室前端和中部形成较高密度。维持电流方向为阳极壳体指向空心阴极等离子体接触器，主要为电子电流；发射电流方向为外界环境指向空心阴极等离子体接触器，主要为电子电流。受到阳极壳体高电位吸引，维持电流中的电子朝着阳极壳体方向不断加速，能量不断增加；受到第一、第二永磁铁形成的磁场约束，维持电流中的电子绕着当地磁感线运动，相对寿命得到延长。此时，环形电离室内具有高密度气体推进剂、高能量和长寿命电子，气体推进剂电离率大幅增加，额外产生大量离子和电子。额外产生的离子受到空心阴极等离子体接触器低电位吸引向其运动，额外产生的部分电子随发射电流向电离室外喷出。相关实验得到以下数据：(1)空心阴极等离子体接触器单独工作，流量2.4sccm，发射电流1A时电位差为44V；(2)所述实施例中，空心阴极等离子体接触器流量2.4sccm，阳极壳体维持电流为1A，发射电流1A时电位差为30V。
实施例2
一种带环形电离室的等离子体接触器，包括：空心阴极等离子体接触器、电离室壳体、第一永磁铁、第二永磁铁、云母片、阳极壳体、电离室壳体绝缘陶瓷、二次供气管路；
连接关系：电离室壳体为底端开口的中空圆柱体结构，在圆柱体顶端中心处开设通孔；空心阴极等离子体接触器的法兰盘通过电离室壳体绝缘陶瓷与电离室壳体固定连接；第一永磁铁与第二永磁铁均为环形结构；第一永磁铁的N极朝向电离室内部；第二永磁铁的S极朝向电离室内部；第一永磁铁固定安装在电离室壳体顶端内壁上；第二永磁铁固定安装在电离室壳体内筒壁上；阳极壳体为开放式中空圆柱体；阳极壳体的筒壁与云母片固定连接；云母片与第二永磁铁固定连接；二次供气管路固定安装在电离室壳体顶端内壁上；进气管路穿过电离室壳体与二次供气管路的进气孔连接；
所述空心阴极等离子体接触器外直径约为3cm；
所述电离室壳体外直径约为12cm，长度约为11cm；
所述第一、第二永磁铁附近最大磁场强度为0.36T；
工作过程：所述带环形电离室的等离子体接触器点火成功后，空心阴极等离子体接触器向环形电离室内部喷射大量等离子体，包含未被电离的气体推进剂、离子和电子；并形成维持电流和发射电流。二次供气管路向环形电离室内部喷射大量低温气体推进剂。被空心阴极等离子体接触器和二次供气管路喷出的气体推进剂受到环形电离室壳体阻碍，只能通过其底端开口流出，在电离室前端和中部形成较高密度。维持电流方向为阳极壳体指向空心阴极等离子体接触器，主要为电子电流；发射电流方向为外界环境指向空心阴极等离子体接触器，主要为电子电流。受到阳极壳体高电位吸引，维持电流中的电子朝着阳极壳体方向不断加速，能量不断增加；受到第一、第二永磁铁形成的磁场约束，维持电流中的电子绕着当地磁感线运动，相对寿命得到延长。此时，环形电离室内具有高密度气体推进剂、高能量和长寿命电子，气体推进剂电离率大幅增加，额外产生大量离子和电子。额外产生的离子受到空心阴极等离子体接触器低电位吸引向其运动，额外产生的部分电子随发射电流向电离室外喷出。相关实验得到以下数据：(1)空心阴极等离子体接触器单独工作，流量2.4sccm，发射电流1A时电位差为44V；(2)所述实施例中，空心阴极等离子体接触器流量0.8sccm，二次供气管路流量2.4sccm，阳极壳体维持电流为1A，发射电流1A时电位差为25V。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种带环形电离室的等离子体接触器，其特征在于：包括：空心阴极等离子体接触器、电离室壳体、第一永磁铁、第二永磁铁、云母片、二次供气管路、电离室挡板、阳极壳体和电离室壳体绝缘陶瓷；电离室壳体为底端开口的中空圆柱体结构，在圆柱体顶端中心处开设通孔；空心阴极等离子体接触器的法兰盘通过电离室壳体绝缘陶瓷与电离室壳体固定连接；第一永磁铁与第二永磁铁均为环形结构；第一永磁铁的N极朝向电离室内部；第二永磁铁的S极朝向电离室内部；第一永磁铁固定安装在电离室壳体顶端内壁上；第二永磁铁固定安装在电离室壳体内筒壁上；阳极壳体为开放式中空圆柱体；阳极壳体的筒壁与云母片固定连接；云母片与第二永磁铁固定连接；二次供气管路为带有一个进气孔和若干出气孔的环形结构；二次供气管路固定安装在电离室壳体顶端与筒壁的转角处；进气管路穿过电离室壳体与二次供气管路的进气孔连接；电离室挡板固定安装在电离室壳体底端筒壁处，作用为进一步制约来自空心阴极等离子体接触器和二次供气管路的气体推进剂的扩散作用，增加电离室内气体推进剂密度；电离室顶端通孔的直径需大于空心阴极等离子体接触器的外部直径。
2.如权利要求1所述的一种带环形电离室的等离子体接触器，其特征在于：所述等离子体接触器的工作过程：所述带环形电离室的等离子体接触器点火成功后，空心阴极等离子体接触器向环形电离室内部喷射大量等离子体，包含未被电离的气体推进剂、离子和电子；并形成维持电流和发射电流；二次供气管路向环形电离室内部喷射大量低温气体推进剂；被空心阴极等离子体接触器和二次供气管路喷出的气体推进剂受到环形电离室壳体阻碍，只能通过其底端开口流出，在电离室前端和中部形成较高密度；维持电流方向为阳极壳体指向空心阴极等离子体接触器，主要为电子电流；发射电流方向为外界环境指向空心阴极等离子体接触器，主要为电子电流；受到阳极壳体高电位吸引，维持电流中的电子朝着阳极壳体方向不断加速，能量不断增加；受到第一、第二永磁铁形成的磁场约束，维持电流中的电子绕着当地磁感线运动，相对寿命得到延长；此时，环形电离室内具有高密度气体推进剂、高能量和长寿命电子，气体推进剂电离率大幅增加，额外产生大量离子和电子；额外产生的离子受到空心阴极等离子体接触器低电位吸引向其运动，额外产生的部分电子随发射电流向电离室外喷出；空心阴极等离子体接触器总放电效率增加，发射特性得到优化；当调节电离室尺寸、永磁铁位置、永磁铁磁强、阳极维持电流和二次供气管路气体推进剂流量，发射特性便能够实现人为调控。
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