CN109119313B - 一种大发射电流空心阴极地面试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了了一种大发射电流空心阴极地面试验装置，包括由磁场模拟装置、阳极组件、阴极组件、辅助供气系统和供电系统组成；阳极组件包括圆柱形阳极筒和冷却系统；阴极组件包括阴极安装底座和安装在阴极安装底座上的圆筒形的阴极磁靴；磁场模拟装置安装在阴极磁靴外围；辅助供气系统位于空心阴极与阳极筒之间，向空心阴极羽流区注入与空心阴极工作温度相比温度较低的气体。本装置在小型真空系统中即可运行，试验周期短、成本低，仪器设备简化，对试验操作人员要求相对较低，能够有效测试空心阴极在离子推力器复杂放电环境中的放电性能。

Description

一种大发射电流空心阴极地面试验装置

技术领域

本发明属于空间电推进技术、真空电子领域，尤其涉及一种大发射电流空心阴极筛选、性能测试和寿命考核试验装置。

背景技术

空心阴极筛选测试是空心阴极产品质量控制的关键技术环节，其主要目的是暴露早期故障、剔除有缺陷的产品，同时筛选出符合离子推力器技术要求的空心阴极产品。

空心阴极性能表现与离子推力器放电环境紧密相关，在现行空心阴极筛选测试方案下筛选试验在空心阴极和平板阳极组成的简单放电环境中进行，而离子推力器联试试验时空心阴极工作在内部复杂放电环境中，筛选试验结果一致性较好的空心阴极安装在技术状态相同的离子推力器上，性能表现离散，空心阴极在简单放电环境中单独进行筛选试验得到的性能参数与离子推力器联试时的性能参数没有明显的相关性，现行空心阴极筛选试验方法获取到的试验数据无法全面反映空心阴极与离子推力器的匹配性。

以兰州空间技术物理研究所研制的30cm离子推力器为例，相同工况参数条件下，其空心阴极在简单放电环境中单独测试时的放电电压在20V±4V范围，而在离子推力器复杂放电环境中联合测试时放电电压在35V±5V范围，并且多批次空心阴极试验结果表明在两种放电环境中的放电电压高低没有明显关联性。此外，国内外已开展的空心阴极寿命考核试验表明，在由空心阴极和平板阳极组成的简单放电环境中开展空心阴极寿命考核试验，空心阴极结构溅射腐蚀形式、溅射腐蚀速率、性能演化规律、失效模式等与在离子推力器寿命考核试验或长期服役过程中的规律相差较大。

离子推力器内部是由中性气体、原初电子、二次电子、一价离子、高价离子、外加电场和磁场、带电粒子的自洽场组成的复杂放电环境，直接在离子推力器中开展空心阴极性能测试试验是最能反映空心阴极产品性能的试验方案，但是这种试验需要在大型真空系统中进行，试验周期长、成本高，对试验操作人员要求高，不能满足有一定批量的空心阴极产品筛选试验要求，需要设计一种简化的能够模拟空心阴极在离子推力器内放电环境的试验装置，该装置在小型真空系统中即可运行，试验周期短、成本低，仪器设备简化，对试验操作人员要求相对较低，能够有效测试空心阴极在离子推力器复杂放电环境中的放电性能，通过在试验装置中开展空心阴极寿命考核试验还能够有效预示空心阴极产品在离子推力器中的性能演化规律和失效模式。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种大发射电流空心阴极地面试验装置，该装置在小型真空系统中即可运行，试验周期短、成本低，仪器设备简化，对试验操作人员要求相对较低，能够有效测试空心阴极在离子推力器复杂放电环境中的放电性能。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种大发射电流空心阴极地面试验装置，该装置由磁场模拟装置、阳极组件、阴极组件、辅助供气系统和供电系统组成；供电系统为装置中的用电器件提供电源；

阳极组件包括圆柱形阳极筒和冷却系统，冷却系统用于控制圆柱形阳极筒的温度；

阴极组件包括阴极安装底座和安装在阴极安装底座上的圆筒形的阴极磁靴，阴极安装底座与阴极磁靴等电位；被测空心阴极安装在阴极磁靴内部，与阴极安装底座相连；

磁场模拟装置安装在阴极磁靴外围，用于模拟离子推力器内空心阴极附近磁场环境；

辅助供气系统位于空心阴极与阳极筒之间，向空心阴极羽流区注入与空心阴极工作温度相比温度较低的气体。

较佳地，所述辅助供气系统提供的气体为氙气。

较佳地，所述辅助供气系统的吹风口由空心管弯成圆环制成；圆环设置在空心阴极与阳极筒之间，与空心阴极同轴，面向空心阴极的一侧均匀打孔。

较佳地，所述磁场模拟装置环绕于阴极磁靴外周，两者同轴，产生均匀磁场分布在空心阴极周围。

较佳地，所述磁场模拟装置、阴极磁靴的尺寸、位置与被测空心阴极所在离子推力器保持一致。

较佳地，所述磁场模拟装置为电磁线圈或永磁体。

较佳地，通过调节空心阴极与阳极筒之间距离或者阳极筒直径，调节阳极附近的电场强度。

较佳地，所述冷却系统包括缠绕在圆柱形阳极筒外侧的冷却管和制冷控温组件；制冷控温组件用于提供冷源和控制冷却管的温度。

有益效果：

本发明设计了一种大发射电流空心阴极地面试验装置，不仅能够解决大发射电流空心阴极工作温度高的问题，还能以较低的代价就获取到空心阴极产品在离子推力器内部复杂放电环境中的电压/磁场强度等，并且在该试验装置中开展空心阴极寿命考核试验，能够有效预示空心阴极产品在离子推力器中的性能演化规律和失效模式，具体如下：

(1)本发明圆柱形阳极，采用整个圆柱筒内壁接收电子，增大了电子接收面积，减少阳极的溅射腐蚀及阳极内溅射的二次电子、离子的数量、降低溅射出射离子的能量。

(2)冷却系统用于及时将阳极空心阴极产生的热量由阳极筒导走，解决现有试验装置工作温度明显偏高的问题。

(3)阴极磁靴使磁场模拟装置产生的磁场更加均匀的分布在空心阴极1外部。阴极磁靴还能在空心阴极试验时接收羽流区产生的阳离子，模拟离子推力器下极靴结构。能够有效减小空心阴极在单独试验时阳极、触持极电压的振荡幅度。

(4)辅助供气系统使空心阴极羽流区压强近似为放电室内压强，使空心阴极工作环境与推力器内相似，可以有效降低空心阴极羽流区高能离子数量。

(5)本发明优选实施例提供了一种优选的辅助供气系统吹风口结构，使得气体均匀分配在阴极外侧。

(6)本发明成本远低于在离子推力器或推力器模拟器中开展寿命考核试验，且能够得到与离子推力器中进行空心阴极寿命考核试验一致性较好的空心阴极性能变化规律。

(7)本发明装置规模小，在小型真空系统中即可运行，试验周期短，仪器设备简化，对试验操作人员要求相对较低。

附图说明

图1为本发明大发射电流空心阴极地面试验装置的组成框图。

具体实施方式

目前空心阴极筛选、性能测试和寿命考核试验中，放电性能测试和寿命考核均在由空心阴极和平板阳极组成的简单放电结构，而在大发射电流试验时发现，该结构下空心阴极溅射腐蚀速度和工作温度均明显偏高，而且平板阳极结构导致空心阴极局部气压、温度偏高，导致空心阴极单独试验与离子推力器联试时的性能差异过大，因此目前大发射电流空心阴极平板阳极的试验装置已经完全不适用。

为此，本发明设计了一种大发射电流空心阴极地面试验装置，如图1所示，该试验装置由阳极组件、磁场模拟装置2、阴极组件、辅助供气系统和供电系统组成。

阳极组件包括圆柱形阳极筒4和冷却系统，冷却系统用于控制圆柱形阳极筒的温度，及时将阳极空心阴极产生的热量由阳极筒导走。

其中，圆柱形阳极筒4组成试验装置中的阳极。相比平板阳极只有顶端几毫米接收电子，本发明圆柱形阳极有整个圆柱筒内壁接收电子，因此圆柱形阳极筒的使用能够增加电子接收面积，减少阳极的溅射腐蚀及阳极内溅射的二次电子、离子的数量、降低溅射出射离子的能量。阳极筒由石墨或钨、钽等难熔金属制作而成。

冷却系统包括缠绕在圆柱形阳极筒外侧的冷却管3和制冷控温组件(图中未示出)。制冷控温组件用于提供冷源和控制冷却管的温度，包括制冷机和温控器。

阴极组件包括阴极安装底座6和安装在阴极安装底座6上的圆筒形的阴极磁靴5，阴极安装底座6与阴极磁靴5等电位，均为电地(负极)，由导磁材料加工而成。阴极磁靴5处于负电位，具有离子接收功能。阴极磁靴5在空心阴极试验过程中可以抑制由离子束流变化引起的空心阴极电压波动，因此本装置不仅具有离子接收功能也具有抑制外界离子振荡的功能。

被测空心阴极1安装在阴极磁靴5内部，与阴极安装底座6相连。通过调节空心阴极与阳极筒之间的距离，或者阳极筒的直径可以调节阳极附近的电场强度。

磁场模拟装置2用于模拟离子推力器内空心阴极附近磁场环境，安装在阴极磁靴5外围。如图所示，磁场模拟装置2环绕在阴极磁靴5外周，具体在空心阴极触持极外侧，二者同轴，用于产生均匀磁场分布在空心阴极1周围。通过阴极磁靴5将空心阴极附近磁场结构调整至与离子推力器相同，用于模拟离子推力器内空心阴极附近磁场环境。该磁场模拟装置2可以采用电磁线圈或永磁体。

磁场模拟装置2、阴极磁靴5的尺寸、位置与被测空心阴极所在离子推力器保持一致，使得放电环境系统内的电场和磁场分布、中性气体流场等与离子推力器内相似。阴极磁靴5使磁场模拟装置2产生的磁场更加均匀的分布在空心阴极1外部。阴极磁靴5还能在空心阴极1试验时接收羽流区产生的阳离子，模拟离子推力器下极靴结构。能够有效减小空心阴极1在单独试验时阳极、触持极电压的振荡幅度。

辅助供气系统位于空心阴极1与阳极筒4之间，其作用是向空心阴极羽流区注入与空心阴极工作温度相比温度较低的气体，模拟放电时内阳极供气。辅助供气系统使空心阴极羽流区压强近似为放电室内压强，使空心阴极工作环境与推力器内相似，可以有效降低空心阴极羽流区高能离子数量。辅助供气系统使用的气体可以为氙气，相比空心阴极工作温度较低，一般是常温20摄氏度左右，可以直接从气瓶中输出无需处理即可实现所述的低温。

辅助供气系统包括气体存储装置、阀门、导管和吹风口。在一优选实施例中，吹风口7由空心管弯成圆环制成；圆环设置在空心阴极1与阳极筒4之间，与空心阴极1同轴，面向空心阴极1的一侧均匀打孔，使得管内气体均匀分配在阴极外侧，在阴极放电时，将会电离。

供电系统为装置中的用电器件提供电源。供电系统在图中未标明具体结构，由阳极电源、触持极电源、加热电源等组成。

在空心阴极筛选或性能测试时，首先通过调节磁场模拟装置2的电流强度使得空心阴极周围磁场分部与推力器内部磁场分部相同，由于阴极磁靴5为导磁材料，它也可以辅助更改磁场构型，调整磁场强度分部，因此在不同型号空心阴极筛选时应根据配套产品特点更改阴极磁靴5的结构。

其次通过调节辅助供气系统的气体流量，将空心阴极放电位置的气体压强与推力器放电室内部压强接近。

完成调整后开始空心阴极筛选或性能测试，通过记录空心阴极的各电极的电压大小、羽流区离子能量、电子能量等参数评估空心阴极性能。

在该试验装置中进行大发射电流空心阴极筛选、放电性能测试试验，空心阴极的工作温度和其关键性能参数与离子推力器中一致性较好；在该装置中进行空心阴极寿命考核试验，成本远低于在离子推力器或推力器模拟器中开展寿命考核试验，且能够得到与离子推力器中进行空心阴极寿命考核试验一致性较好的空心阴极性能变化规律。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大发射电流空心阴极地面试验装置，其特征在于，该装置由磁场模拟装置（2）、阳极组件、阴极组件、辅助供气系统和供电系统组成；供电系统为装置中的用电器件提供电源；

阳极组件包括圆柱形阳极筒（4）和冷却系统，冷却系统用于控制圆柱形阳极筒的温度；

阴极组件包括阴极安装底座（6）和安装在阴极安装底座（6）上的圆筒形的阴极磁靴（5），阴极安装底座（6）与阴极磁靴（5）等电位；被测空心阴极（1）安装在阴极磁靴（5）内部，与阴极安装底座（6）相连；

磁场模拟装置（2）安装在阴极磁靴（5）外围，用于模拟离子推力器内空心阴极附近磁场环境；

辅助供气系统位于空心阴极（1）与阳极筒（4）之间，向空心阴极羽流区注入与空心阴极工作温度相比温度较低的气体。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助供气系统提供的气体为氙气。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助供气系统的吹风口由空心管弯成圆环制成；圆环设置在空心阴极（1）与阳极筒（4）之间，与空心阴极（1）同轴，面向空心阴极（1）的一侧均匀打孔。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁场模拟装置（2）环绕于阴极磁靴（5）外周，两者同轴，产生均匀磁场分布在空心阴极（1）周围。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁场模拟装置（2）和阴极磁靴（5）的尺寸、位置与被测空心阴极所在离子推力器保持一致，使得放电环境系统内的电场和磁场分布、中性气体流场与离子推力器内相似。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁场模拟装置（2）为电磁线圈或永磁体。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，通过调节空心阴极（1）与阳极筒（4）之间距离或者阳极筒直径，调节阳极附近的电场强度。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷却系统包括缠绕在圆柱形阳极筒外侧的冷却管（3）和制冷控温组件；制冷控温组件用于提供冷源和控制冷却管的温度。

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