CN110594115A - 一种无放电阴极的环型离子推力器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无放电阴极的环型离子推力器，属于离子推力器技术领域。所述的环型离子推力器包括环形放电室、环形栅极、环形永磁体组、进气口和中和器。工质气体从进气口进入到环形放电室内，在阳极和环形永磁体组的作用下电离成等离子体，并在环形栅极的作用下加速，最后和中和器发射的电子中和形成羽流产生推力。本发明通过上述设计，首先提高了喷入环形放电室内的电子分布的均匀性，进而提高了电离产生的等离子体的均匀性，进而增大了栅极的使用寿命。同时，由于电子分布的均匀性增加，推力器的放电更加稳定。此外，由于去掉了放电阴极，所以使得推力器的寿命可以进一步提高。

Description

一种无放电阴极的环型离子推力器

技术领域

本发明属于离子推力器技术领域，更具体地说是一种无放电阴极的环型离子推力器。

背景技术

随着深空探测任务需求的发展，现阶段为了增大推力器的有效载荷比，以进一步应对深空探测任务中不断增长的执行时间和飞行距离，离子推力器的设计尺寸、输入功率和推力水平也在不断的增大。然而，上述参数的增大带来许多新的问题，如放电室内等离子体密度偏低、栅极制造困难和寿命降低等问题。

因此，为了突破传统离子推力器的输入功率和栅极尺寸限制，具有不同构造的新型大功率离子推力器——环型离子推力器被提出。然而，由于放电阴极偏置，现有的环型离子推力器尚存在放电困难、放电室内等离子体分布的周向均匀性太差等问题。因此，对提高环型离子推力器的放电稳定性和放电室内等离子体分布的均匀性等需求极其迫切，新型环型离子推力器的研制刻不容缓。

发明内容

为了提高环型离子推力器的放电稳定性和放电室内等离子体分布的均匀性，本发明从离子推力器放电和推力产生等整体工作原理出发，提出了一种无放电阴极的环型离子推力器。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种无放电阴极的环型离子推力器，所述的环型离子推力器包括环形放电室1、环形栅极2、环形永磁体组3、进气口4和中和器5。

所述的环形放电室1包括外环阳极101、内环阳极102和底面阳极103；所述的外环阳极101为薄壁圆筒形，外环阳极101的一个端面上安装有圆板形结构的底面阳极103；所述的内环阳极102为薄壁圆筒形，内环阳极102安装在底面阳极103上，并位于外环阳极101内部；所述的外环阳极101、内环阳极102和底面阳极103轴向重合、相互之间电导通；所述的底面阳极103上开有多个环形分布的圆形进气口4，进气口4的间距相同；工质气体6通过进气口4进入外环阳极101和内环阳极102之间的区域放电生成等离子体。

所述的环形栅极2包括屏栅极201、加速栅极202、绝缘体a201、绝缘体b202、绝缘体c203和绝缘体d204；所述的绝缘体a201为薄壁圆筒形，绝缘体a201的内外径与外环阳极101的内外径相同，绝缘体a201安装在外环阳极101的下游端部，绝缘体a201与外环阳极101同轴；所述的绝缘体b202为圆板形，绝缘体b202的外径与内环阳极102的外径相同，绝缘体b202中心处开有圆形通孔，绝缘体b202安装在内环阳极102的下游端部，绝缘体b202与内环阳极102同轴；所述的屏栅极201为环形板结构，屏栅极201上分布多个直径相同的圆形通孔，屏栅极201的内径与内环阳极102的内径相同，屏栅极201的外径与外环阳极101的外径相同，屏栅极201安装在绝缘体a201和绝缘体b202的下游端面上，屏栅极201与绝缘体a201同轴；所述的绝缘体c203结构与绝缘体a201结构相同，绝缘体c203安装在屏栅极201的下游端面上，绝缘体c203与屏栅极201同轴；所述的绝缘体d204结构与绝缘体b202结构相同，绝缘体d204安装在屏栅极201的下游端面上，绝缘体d204与屏栅极201同轴；所述的加速栅极202为环形板结构，加速栅极202的内外径尺寸与屏栅极201结构相同；所述的加速栅极202上开有多个直径相同的圆形通孔，通孔的位置与屏栅极201通孔的位置相同，加速栅极202上通孔的直径小于屏栅极201通孔的直径；所述的加速栅极202安装在绝缘体c203和绝缘体d204的下游端面上，加速栅极202与屏栅极201同轴；安装后屏栅极201和加速栅极202相对应的通孔轴线重合，所述的绝缘体a201、绝缘体b202、绝缘体c203和绝缘体d204的径向厚度相同。

所述的环形永磁体组3包括环形永磁体a301、环形永磁体b302、环形永磁体c303、环形永磁体d304、环形永磁体e305、环形永磁体f306、环形永磁体g307和环形永磁体h308；所述的环形永磁体a301、环形永磁体b302、环形永磁体c303、环形永磁体d304、环形永磁体e305和环形永磁体f306为径向充磁的环形永磁体；所述的环形永磁体a301、环形永磁体d304和环形永磁体e305内表面为S级；所述的环形永磁体b302、环形永磁体c303和环形永磁体f306内表面为N级；所述的环形永磁体a301、环形永磁体c303和环形永磁体e305安装在外环阳极101外表面，环形永磁体a301位于上游，环形永磁体e305位于下游，环形永磁体c303位于二者中间处；所述的环形永磁体b302安装在内环阳极102内表面与环形永磁体a301对应的位置处；所述的环形永磁体d304安装在内环阳极102内表面与环形永磁体c303对应的位置处；所述的环形永磁体f306安装在内环阳极102内表面与环形永磁体e305对应的位置处；所述的环形永磁体g307和环形永磁体h308为轴线充磁的环形永磁体，环形永磁体g307的直径大于环形永磁体h308的直径；所述的环形永磁体g307和环形永磁体h308安装在底面阳极103的上游端面上，并位于进气口4两侧，环形永磁体g307和环形永磁体h308与底面阳极103的接触面为N级。

所述的中和器5为圆柱形安装在绝缘体b202和绝缘体d204的通孔内，中和器5可以向环型离子推力器外部发射电子7。

进一步的，所述的外环阳极101、内环阳极102和屏栅极201接电源正极；所述的外环阳极101和内环阳极102电势相等且大于屏栅极201的电势。

进一步的，所述的加速栅极202和中和器5接电源负极，且二者的电势相同。

进一步的，所述的中和器5包括外壳和安装在外壳内部的发射体；所述的发射体由六硼化镧制成，所述的外壳由金属钼制成。

进一步的，所述的外环阳极101、内环阳极102、底面阳极103、屏栅极201和加速栅极202由金属材料制成。

进一步的，所述的绝缘体a201、绝缘体b202、绝缘体c203和绝缘体d204由绝缘材料制成。

一种无放电阴极的环型离子推力器的工作原理如下：

首先，中性推进工质气体6从进气口4进入环形放电室1，在环形放电室1内形成分布比较均匀的背景气体。在屏栅极201的限流作用下，仅有较少的中性推进工质可以流出放电室。

其次，在外环阳极101、内环阳极102、底面阳极103与中和器5的高电势差作用下，中和器5发射的少部分电子7通过屏栅极201和加速栅极202的通孔流入放电室内。由于屏栅极孔201的直径大于加速栅极孔202的直径，所以屏栅极与加速栅极之间可以形成反向聚焦电子7的电势结构。因此，电子7在通过屏栅极201和加速栅极202时损耗很低。

再次，由于从中和器5发射并流入放电室内的电子7具有极高的能量，因此电子7可以电离环形放电室1内的中性推进工质气体6，产生等离子体。环形永磁体组3在环形放电室1内形成环形会切磁场，由于电子7会受到环形放电室1内环形会切磁场的约束，所以电子7的漂移运动将被限制在放电室内的弱磁场区(磁场强度小于60Gauss的区域)。在这种强磁场约束和高电压加速的相互作用下，电子7与中性原子碰撞的概率可以得到极大的加强。由于环形放电室1内电子7的拉莫尔半径远小于离子的拉莫尔半径，所以电子7在电离室内被磁化，而离子的运动仍然主要由电场驱动。电子7受磁场约束仅在磁场尖端处损失，而离子在双极电场的作用下，也会在磁场尖端发生部分损失。所以，环形放电室1内表面产生的损伤和溅射仅限于磁场尖端区域。此外，当加速栅极202施加较低的负电压时，加速栅极202可以排斥电子7流入放电室，这可以用来中断电离过程。

随后，由于屏栅极201的电压远小于阳极1的电压，所以环形放电室1内流向屏栅极201的电子7将在屏栅极负电压的作用下被反弹回放电室内。而环形放电室1内的离子8则被屏栅极201的负电位吸引并逐渐流向屏栅极。然后，流向屏栅极的离子8被屏栅极201聚焦引出，继而在屏栅极201和加速栅极202间的高电势差作用下加速喷出，从而形成束流并产生推力。由于屏栅极201和加速栅极202可以聚焦离子8，所以离子8在栅极上的损耗很低。同时，由于加速栅极202与中和器5电位相等，所以离子在中和器5上的损失也很低。因此，绝大多数离子可以从栅极喷出并产生推力，而放电室内的电子则主要在阳极上损失。而且，由于屏栅极201和加速栅极202内同时存在电子和离子，所以离子的聚焦引出和加速过程不受空间电荷限制。

最后，由栅极系统加速喷出的离子8被中和器5喷出的电子7中和形成羽流。

本发明的有益效果是：其一中和器与推力器一体化，整体结构简洁节省空间；其二双阳极增大了电离面积可进一步提高放电室输入功率；其三环形结构解决了栅极跨度过大的问题，可降低栅极制造难度。除此之外，本发明还具有其他优点：其一进入放电室内的电子由来自外部中和器，使得放电室内的电子、离子均呈均匀分布，因而可以增大栅极的使用寿命；其二由于电子分布的均匀性增加，推力器的放电更加稳定；其三由于去掉了放电阴极，所以使得推力器的寿命可以进一步提高。

附图说明

图1本发明无放电阴极的环型离子推力器四分之三剖体图；

图2本发明无放电阴极的环型离子推力器二分之一剖体图；

图3本发明环形栅极局部放大图；

图4本发明无放电阴极的环型离子推力器粒子关系示意图。

图中：1、环形放电室；2、环形栅极；3环形永磁体组、；4、进气口；5、中和器；6、工质气体；7、电子；8、离子；101、外环阳极；102、内环阳极；103、底面阳极；201、屏栅极；202、加速栅极；201、绝缘体a；202、绝缘体b；203、绝缘体c；204、绝缘体d；301、环形永磁体a；302、环形永磁体b；303、环形永磁体c；304、环形永磁体d；305、环形永磁体e；306、环形永磁体f；307、环形永磁体g；308、环形永磁体h。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述本发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示的一种无放电阴极的环型离子推力器包括环形放电室1、环形栅极2、环形永磁体组3、进气口4和中和器5。

所述的环形放电室1包括外环阳极101、内环阳极102和底面阳极103；所述的外环阳极101为薄壁圆筒形，外环阳极101的一个端面上安装有圆板形结构的底面阳极103；底面阳极103为圆形薄板形结构；所述的内环阳极102为薄壁圆筒形，内环阳极102安装在底面阳极103上，并位于外环阳极101内部；所述的外环阳极101、内环阳极102和底面阳极103轴向重合、相互之间电导通；所述的底面阳极103上开有多个环形分布的圆形进气口4，进气口4的间距相同；工质气体6通过进气口4进入外环阳极101和内环阳极102之间的区域放电生成等离子体。

如图3所示的环形栅极2包括屏栅极201、加速栅极202、绝缘体a201、绝缘体b202、绝缘体c203和绝缘体d204；所述的绝缘体a201为薄壁圆筒形，绝缘体a201的内外径与外环阳极101的内外径相同，绝缘体a201安装在外环阳极101的下游端部，绝缘体a201与外环阳极101同轴；所述的绝缘体b202为圆板形，绝缘体b202的外径与内环阳极102的外径相同，绝缘体b202中心处开有圆形通孔，绝缘体b202安装在内环阳极102的下游端部，绝缘体b202与内环阳极102同轴；所述的屏栅极201为环形板结构，屏栅极201上分布多个直径相同的圆形通孔，屏栅极201的内径与内环阳极102的内径相同，屏栅极201的外径与外环阳极101的外径相同，屏栅极201安装在绝缘体a201和绝缘体b202的下游端面上，屏栅极201与绝缘体a201同轴；所述的绝缘体c203结构与绝缘体a201结构相同，绝缘体c203安装在屏栅极201的下游端面上，绝缘体c203与屏栅极201同轴；所述的绝缘体d204结构与绝缘体b202结构相同，绝缘体d204安装在屏栅极201的下游端面上，绝缘体d204与屏栅极201同轴；所述的加速栅极202为环形板结构，加速栅极202的内外径尺寸与屏栅极201结构相同；所述的加速栅极202上开有多个直径相同的圆形通孔，通孔的位置与屏栅极201通孔的位置相同，加速栅极202上通孔的直径小于屏栅极201通孔的直径；所述的加速栅极202安装在绝缘体c203和绝缘体d204的下游端面上，加速栅极202与屏栅极201同轴；安装后屏栅极201和加速栅极202相对应的通孔轴线重合，所述的绝缘体a201、绝缘体b202、绝缘体c203和绝缘体d204的径向厚度相同。

所述的环形永磁体组3包括环形永磁体a301、环形永磁体b302、环形永磁体c303、环形永磁体d304、环形永磁体e305、环形永磁体f306、环形永磁体g307和环形永磁体h308；所述的环形永磁体a301、环形永磁体b302、环形永磁体c303、环形永磁体d304、环形永磁体e305和环形永磁体f306为径向充磁的环形永磁体；所述的环形永磁体a301、环形永磁体d304和环形永磁体e305内表面为S级；所述的环形永磁体b302、环形永磁体c303和环形永磁体f306内表面为N级；所述的环形永磁体a301、环形永磁体c303和环形永磁体e305安装在外环阳极101外表面，环形永磁体a301位于上游，环形永磁体e305位于下游，环形永磁体c303位于二者中间处；所述的环形永磁体b302安装在内环阳极102内表面与环形永磁体a301对应的位置处；所述的环形永磁体d304安装在内环阳极102内表面与环形永磁体c303对应的位置处；所述的环形永磁体f306安装在内环阳极102内表面与环形永磁体e305对应的位置处；所述的环形永磁体g307和环形永磁体h308为轴线充磁的环形永磁体，环形永磁体g307的直径大于环形永磁体h308的直径；所述的环形永磁体g307和环形永磁体h308安装在底面阳极103的上游端面上，并位于进气口4两侧，环形永磁体g307和环形永磁体h308与底面阳极103的接触面为N级。

所述的中和器5为圆柱形安装在绝缘体b202和绝缘体d204的通孔内，中和器5可以向环型离子推力器外部发射电子7。

进一步的，所述的外环阳极101、内环阳极102和屏栅极201接电源正极；所述的外环阳极101和内环阳极102电势相等且大于屏栅极201的电势。

进一步的，所述的加速栅极202和中和器5接电源负极，且二者的电势相同。

进一步的，所述的中和器5包括外壳和安装在外壳内部的发射体；所述的发射体由六硼化镧制成，所述的外壳由金属钼制成。

进一步的，所述的外环阳极101、内环阳极102、底面阳极103、屏栅极201和加速栅极202由金属材料制成。

进一步的，所述的绝缘体a201、绝缘体b202、绝缘体c203和绝缘体d204由绝缘材料制成。

一种无放电阴极的环型离子推力器的工作原理如下：

首先，如图4所示中性推进工质气体6从进气口4进入环形放电室1，在环形放电室1内形成分布比较均匀的背景气体。在屏栅极201的限流作用下，仅有较少的中性推进工质可以流出放电室。

其次，在外环阳极101、内环阳极102、底面阳极103与中和器5的高电势差作用下，中和器5发射的少部分电子7通过屏栅极201和加速栅极202的通孔流入放电室内。由于屏栅极孔201的直径大于加速栅极孔202的直径，所以屏栅极与加速栅极之间可以形成反向聚焦电子7的电势结构。因此，电子7在通过屏栅极201和加速栅极202时损耗很低。

再次，由于从中和器5发射并流入放电室内的电子7具有极高的能量，因此电子7可以电离环形放电室1内的中性推进工质气体6，产生等离子体。环形永磁体组3在环形放电室1内形成环形会切磁场，由于电子7会受到环形放电室1内环形会切磁场的约束，所以电子7的漂移运动将被限制在放电室内的弱磁场区(磁场强度小于60Gauss的区域)。在这种强磁场约束和高电压加速的相互作用下，电子7与中性原子碰撞的概率可以得到极大的加强。由于环形放电室1内电子7的拉莫尔半径远小于离子的拉莫尔半径，所以电子7在电离室内被磁化，而离子的运动仍然主要由电场驱动。电子7受磁场约束仅在磁场尖端处损失，而离子在双极电场的作用下，也会在磁场尖端发生部分损失。所以，环形放电室1内表面产生的损伤和溅射仅限于磁场尖端区域。此外，当加速栅极202施加较低的负电压时，加速栅极202可以排斥电子7流入放电室，这可以用来中断电离过程。

随后，由于屏栅极201的电压远小于阳极1的电压，所以环形放电室1内流向屏栅极201的电子7将在屏栅极负电压的作用下被反弹回放电室内。而环形放电室1内的离子8则被屏栅极201的负电位吸引并逐渐流向屏栅极。然后，流向屏栅极的离子8被屏栅极201聚焦引出，继而在屏栅极201和加速栅极202间的高电势差作用下加速喷出，从而形成束流并产生推力。由于屏栅极201和加速栅极202可以聚焦离子8，所以离子8在栅极上的损耗很低。同时，由于加速栅极202与中和器5电位相等，所以离子在中和器5上的损失也很低。因此，绝大多数离子可以从栅极喷出并产生推力，而放电室内的电子则主要在阳极上损失。而且，由于屏栅极201和加速栅极202内同时存在电子和离子，所以离子的聚焦引出和加速过程不受空间电荷限制。

最后，由栅极系统加速喷出的离子8被中和器5喷出的电子7中和形成羽流。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无放电阴极的环型离子推力器，其特征在于，所述的环型离子推力器包括环形放电室(1)、环形栅极(2)、环形永磁体组(3)、进气口(4)和中和器(5)；

所述的环形放电室(1)包括外环阳极(101)、内环阳极(102)和底面阳极(103)；所述的外环阳极(101)为薄壁圆筒形，外环阳极(101)的一个端面上安装有圆板形结构的底面阳极(103)；所述的内环阳极(102)为薄壁圆筒形，内环阳极(102)安装在底面阳极(103)上，并位于外环阳极(101)内部；所述的外环阳极(101)、内环阳极(102)和底面阳极(103)轴线重合、相互之间电导通；所述的底面阳极(103)上开有多个环形分布的圆形进气口(4)，进气口(4)的间距相同；工质气体(6)通过进气口(4)进入外环阳极(101)和内环阳极(102)之间的区域放电生成等离子体；

所述的环形栅极(2)包括屏栅极(201)、加速栅极(202)、绝缘体a(201)、绝缘体b(202)、绝缘体c(203)和绝缘体d(204)；所述的绝缘体a(201)为薄壁圆筒形，绝缘体a(201)的内外径与外环阳极(101)的内外径相同，绝缘体a(201)安装在外环阳极(101)的下游端部，绝缘体a(201)与外环阳极(101)轴线重合；所述的绝缘体b(202)为圆板形，绝缘体b(202)的外径与内环阳极(102)的外径相同，绝缘体b(202)中心处开有圆形通孔，绝缘体b(202)安装在内环阳极(102)的下游端部，绝缘体b(202)与内环阳极(102)同轴；所述的屏栅极(201)为环形板结构，屏栅极(201)上分布多个直径相同的圆形通孔，屏栅极(201)的内径与内环阳极(102)的内径相同，屏栅极(201)的外径与外环阳极(101)的外径相同，屏栅极(201)安装在绝缘体a(201)和绝缘体b(202)的下游端面上，屏栅极(201)与绝缘体a(201)同轴；所述的绝缘体c(203)结构与绝缘体a(201)结构相同，绝缘体c(203)安装在屏栅极(201)的下游端面上，绝缘体c(203)与屏栅极(201)同轴；所述的绝缘体d(204)结构与绝缘体b(202)结构相同，绝缘体d(204)安装在屏栅极(201)的下游端面上，绝缘体d(204)与屏栅极(201)同轴；所述的加速栅极(202)为环形板结构，加速栅极(202)的内外径尺寸与屏栅极(201)结构相同；所述的加速栅极(202)上开有多个直径相同的圆形通孔，通孔的位置与屏栅极(201)通孔的位置相同；所述的加速栅极(202)安装在绝缘体c(203)和绝缘体d(204)的下游端面上，加速栅极(202)与屏栅极(201)同轴；

所述的环形永磁体组(3)包括环形永磁体a(301)、环形永磁体b(302)、环形永磁体c(303)、环形永磁体d(304)、环形永磁体e(305)、环形永磁体f(306)、环形永磁体g(307)和环形永磁体h(308)；所述的环形永磁体a(301)、环形永磁体c(303)和环形永磁体e(305)安装在外环阳极(101)外表面，环形永磁体a(301)位于上游，环形永磁体e(305)位于下游，环形永磁体c(303)位于二者中间处；所述的环形永磁体b(302)安装在内环阳极(102)内表面与环形永磁体a(301)对应的位置处；所述的环形永磁体d(304)安装在内环阳极(102)内表面与环形永磁体c(303)对应的位置处；所述的环形永磁体f(306)安装在内环阳极(102)内表面与环形永磁体e(305)对应的位置处；所述的环形永磁体g(307)的直径大于环形永磁体h(308)的直径环形永磁体g(307)和环形永磁体h(308)安装在底面阳极(103)的上游端面上，并位于进气口(4)两侧；

所述的中和器(5)为圆柱形安装在绝缘体b(202)和绝缘体d(204)的通孔内，中和器(5)可以向环型离子推力器外部发射电子(7)。

2.根据权利要求1所述的一种无放电阴极的环型离子推力器，其特征在于，所述的外环阳极(101)、内环阳极(102)和屏栅极(201)接电源正极；所述的外环阳极(101)和内环阳极(102)电势相等且大于屏栅极(201)的电势。

3.根据权利要求1所述的一种无放电阴极的环型离子推力器，其特征在于，所述的加速栅极(202)和中和器(5)接电源负极，且二者的电势相同。

4.根据权利要求1所述的一种无放电阴极的环型离子推力器，其特征在于，所述的环形永磁体a(301)、环形永磁体b(302)、环形永磁体c(303)、环形永磁体d(304)、环形永磁体e(305)和环形永磁体f(306)为径向充磁的环形永磁体；所述的环形永磁体g(307)和环形永磁体h(308)为轴向充磁的环形永磁体；所述的环形永磁体a(301)、环形永磁体d(304)和环形永磁体e(305)内表面为S级；所述的环形永磁体b(302)、环形永磁体c(303)和环形永磁体f(306)内表面为N级；环形永磁体g(307)和环形永磁体h(308)与底面阳极(103)的接触面为N级。

5.根据权利要求1所述的一种无放电阴极的环型离子推力器，其特征在于，所述的中和器(5)包括外壳和安装在外壳内部的发射体；所述的发射体由六硼化镧制成，所述的外壳由金属钼制成。

6.根据权利要求1所述的一种无放电阴极的环型离子推力器，其特征在于，所述的外环阳极(101)、内环阳极(102)、底面阳极(103)、屏栅极(201)和加速栅极(202)由金属材料制成；所述的绝缘体a(201)、绝缘体b(202)、绝缘体c(203)和绝缘体d(204)由绝缘材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种无放电阴极的环型离子推力器，其特征在于，所述的屏栅极(201)和加速栅极(202)安装后相对应的通孔轴线重合，加速栅极(202)上通孔的直径小于屏栅极(201)通孔的直径。