CN109599309B - 空心阴极加热器和空心阴极结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空心阴极加热器和空心阴极结构，包括内陶瓷骨架(4)、加热丝(5)以及外陶瓷套筒(6)；所述内陶瓷骨架(4)的外侧面和/或外陶瓷套筒(6)的内侧面具有第一结构；所述第一结构为凸起、凹槽或平滑曲面中的任一种或任多种组合；所述外陶瓷套筒(6)嵌套在内陶瓷骨架(4)外部，内陶瓷骨架(4)的外侧面和外陶瓷套筒(6)的内侧面之间通过第一结构合围形成第一空间。本发明的空心阴极加热器易于加工和装配，机械强度高，可靠性高，蛇形蜿蜒的加热丝，相邻位置的感应磁场可以相互抵消，有效降低点火瞬间感应磁场产生的感应电压和感应电流，减少加热丝的热冲击，提高空间电推进系统的可靠性和寿命。

Description

空心阴极加热器和空心阴极结构

技术领域

本发明涉及航天推进技术领域，具体地，涉及一种空心阴极加热器和空心阴极结构，尤其是一种可用于电推进等领域的、可抵消电磁感应的空心阴极加热器结构，优选是一种新式蛇型空心阴极加热器结构。

背景技术

空心阴极的应用十分广泛，既可以应用于等离子体放电相关领域，如表面处理、真空镀膜、真空焊接等，又可以作为电子源和中和器应用于航天电推进系统，被称为是真空电子器件的“心脏”。在应用于电推进系统时，空心阴极作为该系统的核心部件之一，其各项性能均是限制推力器性能的重要指标。由于空心阴极承受着推力器中最高的等离子体密度、最大的电流密度以及最高的温度，因而对其性能参数、可靠性以及寿命均提出了很高的要求。

目前用于电推进系统的空心阴极大多是热阴极结构，包括阴极管、顶板、发射体、触持极、加热器。加热器作为该结构的关键部件，负责加热发射体并持续工作至发射体到达发射温度，一旦失效，无法将发射体加热到自发发射电子的温度，使得空心阴极无法点火，就会造成推力器无法工作的严重后果。因此，加热器作为空心阴极失效的串行结构件，需要具有极高的性能、使用寿命以及可靠性。但由于工作温度高、结构复杂、工艺难度大和长时间工作材料的老化等原因，尤其是点火瞬间感应磁场产生的感应电压和感应电流对热丝的热冲击以及外部套筒绝热效果不佳导致的热传导、热辐射，加热器很容易发生短路或断路的问题，如何克服这个问题，成为了相关领域人员研究的重点。

经检索，发现公开号为CN101599400A，名称为：一种组装式空心阴极加热器的专利文献与本发明技术目标相对接近。该专利文献采用陶瓷骨架与陶瓷外套配合，将加热丝螺旋缠绕并固定在陶瓷骨架的螺旋形沟槽内，实现了如下提高：限制加热器各构件间相对位移，提高抗振动能力；提高引线强度，减少加热丝成型过程的劈裂缺陷；组装式结构便于批量生产，成品率有所提升。该技术虽然在一定程度上提升了空心阴极加热器的可靠性，但仍无法解决点火瞬间的感应磁场造成的对加热丝的热冲击，以及加热器对外热传导、热辐射造成的热效率降低等问题，空心阴极加热器的性能尚有继续提升的空间。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种空心阴极加热器和空心阴极结构。

根据本发明提供的一种空心阴极加热器，包括内陶瓷骨架、加热丝以及外陶瓷套筒；所述内陶瓷骨架的外侧面和/或外陶瓷套筒的内侧面具有第一结构；

所述第一结构为凸起、凹槽或平滑曲面中的任一种或任多种组合；

所述外陶瓷套筒嵌套在内陶瓷骨架外部，内陶瓷骨架的外侧面和外陶瓷套筒的内侧面之间通过第一结构合围形成第一空间；加热丝位于所述第一空间内部。

优选地，所述第一空间，呈蛇形线排布或平行阵列分布。

优选地，内陶瓷骨架、外陶瓷套筒分别采用导热材料、绝热材料。

优选地，所述加热丝沿所述第一空间延伸。

优选地，内陶瓷骨架采用氧化铍陶瓷，导热系数为196.8W/m·k；外陶瓷套筒采用氧化铝陶瓷，导热系数为29.3W/m·k；加热丝采用钨铼合金丝。

根据本发明提供的一种空心阴极结构，包括阴极管、发射体、阴极顶板，还包括上述的空心阴极加热器；

发射体套装在阴极管内部；阴极顶板位于阴极管的一端；

内陶瓷骨架嵌套在阴极管外部，靠近阴极顶板一侧。

优选地，所述空心阴极加热器的总长度为发射体的长度的1.5～2倍。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、易于加工装配、机械强度高、可靠性好；

2、加热丝蛇形缠绕，降低了感应磁场产生的感应电压及感应电流，减少加热丝的热冲击，提高了空间电推进系统的可靠性和使用寿命；

3、内陶瓷骨架采用导热材料、外陶瓷套筒采用绝热材料，最大程度上利用了加热丝产生的热量，减少了加热器对外的热传导、热辐射，提高了整体热效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的空心阴极加热结构的示意图。

图2为本发明提供的空心阴极加热器结构中加热丝的第一绕制方法示意图。

图3为本发明提供的空心阴极加热器结构中加热丝采用第一绕制方法的效果示意图。

图4为本发明提供的空心阴极加热器结构中加热丝的第二绕制方法示意图。

图5为本发明提供的空心阴极加热器结构中实施例1的第一示意图。

图6为本发明提供的空心阴极加热器结构中实施例1的第二示意图。

图7为本发明提供的空心阴极加热器结构中实施例3的内陶瓷骨架简化示意图。

图8为本发明提供的空心阴极加热器结构中实施例3的内陶瓷骨架俯视示意图。

图9为本发明提供的空心阴极加热器结构中实施例3的内陶瓷骨架主视示意图。

图10为本发明提供的空心阴极加热器结构中实施例3的示意图。

图中示出：

阴极管1

发射体2

阴极顶板3

内陶瓷骨架4

加热丝5

外陶瓷套筒6

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种空心阴极加热器，包括内陶瓷骨架4、加热丝5以及外陶瓷套筒6；所述内陶瓷骨架4的外侧面和/或外陶瓷套筒6的内侧面具有第一结构；

所述第一结构为凸起、凹槽或平滑曲面中的任一种或任多种组合；

所述外陶瓷套筒6嵌套在内陶瓷骨架4外部，内陶瓷骨架4的外侧面和外陶瓷套筒6的内侧面之间通过第一结构合围形成第一空间；加热丝5位于所述第一空间内部。

优选地，所述第一空间，呈蛇形线排布或平行阵列分布。内陶瓷骨架4、外陶瓷套筒6分别采用导热材料、绝热材料。所述加热丝5沿所述第一空间延伸。内陶瓷骨架4采用氧化铍陶瓷，导热系数为196.8W/m·k；外陶瓷套筒6采用氧化铝陶瓷，导热系数为29.3W/m·k；加热丝5采用钨铼合金丝。

根据本发明提供的一种空心阴极结构，包括阴极管1、发射体2、阴极顶板3，还包括上述的空心阴极加热器；

发射体2套装在阴极管1内部；阴极顶板3位于阴极管1的一端；

内陶瓷骨架4嵌套在阴极管1外部，靠近阴极顶板3一侧。

具体地，所述空心阴极加热器的总长度为发射体2的长度的1.5～2倍。

更具体地，如图1所示，本发明实施例提供了一种空心阴极结构包括阴极管1、发射体2、阴极顶板3，还包括空心阴极加热器。其中，所述空心阴极加热器包括内陶瓷骨架4、加热丝5以及外陶瓷套筒6；所述内陶瓷骨架4，材料采用氧化铍陶瓷，导热系数196.8W/m·k，导热系数较高，能有效地向内部发射体材料进行热传导，沿轴向或者沿周向开有蜿蜒的蛇形螺旋凹槽，嵌套在阴极管1外部，靠近阴极顶板3一侧的位置，内陶瓷骨架4可以是整体式结构，也可以是两瓣式结构；所述加热丝5采用钨铼合金丝，加热丝5沿着内陶瓷骨架4的蛇形螺旋凹槽延伸，加热丝5的绕制方式或者平行于陶瓷轴往复弯折，或者垂直陶瓷轴往复弯折，所述陶瓷轴为内陶瓷骨架4、外陶瓷套筒6的轴向；所述外陶瓷套筒6采用氧化铝陶瓷，导热系数29.3W/m·k，导热系数较低，能有效地减少向外部进行的热传导，它套在内陶瓷骨架4外部，将加热丝5紧固在内陶瓷骨架4的凹槽内。

下面通过本发明的优选例，对本发明进行更为具体的说明。

实施例1：

如图5和图6所示分别为内陶瓷骨架4的两部分a、b，开有平行于陶瓷轴方向蜿蜒的蛇形螺旋凹槽，内陶瓷骨架4的a部分与内陶瓷骨架4的b部分的螺纹互相对称。采用如图2和图3所示的第一绕制方法，将加热丝5分别沿着内陶瓷骨架4的a部分、b部分外表面的蛇形螺旋凹槽进行绕制，并将两部分加热丝5在内陶瓷骨架4的外表面位置进行焊接，加热丝5未焊接的两端接头分别与加热正极、加热负极相连接，两部分加热丝5形成串联结构。

这种蛇形蜿蜒的加热丝，相邻位置的感应磁场可以相互抵消，既能够减小加热丝的受力，又能有效地降低电磁感应带来的点火瞬间的高电压。

实施例2：

实施例2与实施例1一致之处为：内陶瓷骨架4分为a、b两部分，开有平行于陶瓷轴方向蜿蜒的蛇形螺旋凹槽，采用如图2和图3所示的第一绕制方法，将加热丝5分别沿着内陶瓷骨架4的a部分、b部分外表面的蛇形螺旋凹槽进行绕制；与实施例1不同的是，绕制完成后顶部的两部分加热丝5的端子连接在一起后焊接在阴极管上，接负极；内陶瓷骨架4的另一端的两部分加热丝5端子连在一起与加热正极相连,两个加热丝形成并联结构。

同样是蛇形蜿蜒的加热丝，相邻位置的电流方向相反，感应磁场可以相互抵消，既能够减小加热丝的受力，又能有效地降低电磁感应带来的点火瞬间的高电压，有利于空心阴极稳定启动放电和加热器的工作可靠性。

实施例3：

如图7、图8以及图9所示，一体式内陶瓷骨架4在平行于陶瓷轴的方向上阵列分布凸起，如图10所示，加热丝5沿着内陶瓷骨架凸起部分往复绕制。加热丝5的两端接头分别接加热正极、加热负极，无需进行焊接。由于在靠近阴极管顶部的焊接固定困难，且容易受到空心阴极放电等离子体溅射削蚀，以及高温对焊接可靠性的影响，脱落而导致加热器断路。这种结构省去了加热丝与阴极管之间的焊接，降低了加工难度，提高了可靠度。

同时，蛇形蜿蜒的加热丝，相邻位置的感应磁场可以相互抵消，既能够减小加热丝的受力，又能有效地降低电磁感应带来的点火瞬间的高电压。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种空心阴极加热器，其特征在于，包括内陶瓷骨架(4)、加热丝(5)以及外陶瓷套筒(6)；所述内陶瓷骨架(4)的外侧面和/或外陶瓷套筒(6)的内侧面具有第一结构；

所述第一结构为凸起、凹槽或平滑曲面中的任一种或任多种组合；

所述外陶瓷套筒(6)嵌套在内陶瓷骨架(4)外部，内陶瓷骨架(4)的外侧面和外陶瓷套筒(6)的内侧面之间通过第一结构合围形成第一空间；加热丝(5)位于所述第一空间内部；

所述第一空间，呈蛇形线排布或平行阵列分布，所述加热丝(5)沿所述第一空间延伸；加热丝相邻位置的电流方向相反，感应磁场相互抵消，能够减小加热丝的受力，又能有效地降低电磁感应带来的点火瞬间的高电压，有利于空心阴极稳定启动放电和加热器的工作可靠性；

所述内陶瓷骨架(4)、外陶瓷套筒(6)分别采用导热材料、绝热材料。

2.根据权利要求1所述的空心阴极加热器，其特征在于，内陶瓷骨架(4)采用氧化铍陶瓷，导热系数为196.8W/m·k；外陶瓷套筒(6)采用氧化铝陶瓷，导热系数为29.3W/m·k；加热丝(5)采用钨铼合金丝。

3.一种空心阴极结构，其特征在于，包括阴极管(1)、发射体(2)、阴极顶板(3)，还包括权利要求1至2中任一项所述的空心阴极加热器；

发射体(2)套装在阴极管(1)内部；阴极顶板(3)位于阴极管(1)的一端；

内陶瓷骨架(4)嵌套在阴极管(1)外部，靠近阴极顶板(3)一侧。

4.根据权利要求3所述的空心阴极结构，其特征在于，所述空心阴极加热器的总长度为发射体(2)的长度的1.5～2倍。

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