CN111120234A - 一种用于电推力器的石墨高温阴极装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电推力器的石墨高温阴极装置，包括阴极管；供气法兰，固定在阴极管的第一端，且中央设置有中空通道；中空通道与阴极管连通；触持极，罩设在阴极管外，且第二端与供气法兰和阴极管绝缘连接；发射体，设置于阴极管第二端的内部，且与阴极管相配合；加热器，套设在阴极管第二端的外部，覆盖发射体，且相对阴极管的第二端靠后，保证其与触持极的第一端有一定的间隙。此发明解决了传统空心阴极结构连接工艺困难以及工作寿命低的问题，选用石墨作为阴极管、触持极与发射体支撑筒等主要结构件的材料，通过机械装配一体加工的方式，使得装配工艺简易，降低了成本，减轻了重量，增加了阴极装置的可靠性和使用寿命。

Description

一种用于电推力器的石墨高温阴极装置

技术领域

本发明涉及空间电推进技术领域，具体涉及一种用于电推力器的石墨高温阴极装置。

背景技术

与常规的化学、冷气推进方式相比，电推力器的比冲高一个数量级，在小推力、高比冲、长时间工作的应用场合极具优势，能大幅减少推进剂携带量而增加有效载荷、或在不增加推进剂条件下显著延长航天器工作寿命，可用于小卫星姿态控制与精细调整、地球静止轨道卫星高精度位置保持、高轨卫星轨道转移等空间任务，也是深空探测主推进系统的最佳选择。

目前国内外常用的主流电推力器主要有离子推力器与霍尔推力器，空心阴极是霍尔或离子推力器正常启动、可靠工作及羽流中和的必要核心组件，每台霍尔推力器需要一个空心阴极，每台离子推力器需要二个空心阴极作为主放电阴极与中和器。空心阴极的性能、寿命和可靠性直接影响电推力器的工作效率和正常使用期限。

空心阴极采用六硼化镧或钡钨发射体，通过高温加热器将发射体加热到足够高的温度使其开始发射电子。在同样有效面积下，六硼化镧发射体的电子发射能力是钡钨发射体的3～5倍；在同等发射电流密度下，六硼化镧的高温蒸发率仅为钡钨发射体的五分之一；并且六硼化镧抗中毒能力很强，对工质气体(通常为氙气)的纯度要求可降低2～3个数量级。以六硼化镧作为发射体极大提高了空心阴极的电流发射能力和工作寿命，同时显著降低制造、存储、维护与使用成本。但六硼化镧的工作温度高，在相同的电子发射条件下，其维持功率更高，给材料选择、结构设计、热设计等提出更高要求。

传统的空心阴极通常以高温难熔金属作为阴极管和阴极顶板材料，如铈钨、钼、钽、钨、钼铼等，但由于高温下硼向相邻金属扩散并发生反应生成硼化物使金属件出现高温脆化，会导致阴极管开裂损坏。可采取的改进措施是在阴极管与六硼化镧发射体之间添加石墨衬套结构或碳化钽隔离层，但却增加了结构复杂性和工艺难度。

触持极对阴极孔、阴极顶板和加热器溅射腐蚀起到防护作用，通常由钽、钼、钛等材料制成，需要选用溅射腐蚀速率尽可能低的材料，也要同时兼顾与其它零件的材料相容性。

此外，空心阴极结构连接工艺难度大，连接结构特殊，尤其对耐高温结构强度要求很高。比如异种难熔材料的焊接、陶瓷金属连接等，焊点脱落、焊缝开裂将会造成阴极可靠性降低乃至失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电推力器的石墨高温阴极装置。此系统旨在解决传统空心阴极结构连接工艺困难以及工作寿命低的问题，选用石墨作为阴极管、触持极与发射体支撑筒等主要结构件的材料，通过机械装配一体加工的方式，使得装配工艺简易，降低成本，减轻重量，增加可靠性和使用寿命。

为达到上述目的，本发明提供了一种用于电推力器的石墨高温阴极装置，包括：

阴极管；

供气法兰，固定在阴极管的第一端，且中央设置有中空通道；中空通道与阴极管连通，用于通过中空通道通入氙气；

触持极，罩设在阴极管外，且第二端与供气法兰和阴极管绝缘连接，用于提供并切换高压点火电压和低压恒流电压；

发射体，设置于阴极管第二端的内部，且与阴极管相配合，用于激发电子；

加热器，套设在阴极管第二端的外部，覆盖发射体，且相对阴极管的第二端靠后，保证其与触持极的第一端有一定的间隙，用于通电加热阴极管第二端内部的发射体；

工作时，加热器通电加热发射体到工作温度，发射体开始发射电子，供气法兰通过其中空通道向阴极管内部通入流量大于额定流量的氙气，触持极提供高压电击穿氙气，阴极管内部形成稳定的辉光放电，产生高密度等离子体，此时触持极供电由高压点火电源自动切换到低压恒流电源，加热器关闭，阴极自持放电，点火成功后，减小氙气的流量至额定流量，在该阴极装置的下游施加阳极电压，引出电子束流。

最优选的，阴极管第一端的内部还设置有压紧弹簧，用于压紧发射体至阴极管第二端的端面处。

最优选的，压紧弹簧和发射体之间还设置有沿阴极管轴向依序连接的多个薄壁支撑筒用于在压紧弹簧的作用下支撑发射体。

最优选的，薄壁支撑筒的中央和第二端上还分别设置有两个环形台阶，与阴极管相配合，用于阻隔加热器加热发射体的热量向供气法兰的传导；薄壁支撑筒的第二端上还设置有薄壁小孔，用于缓冲热流，提高该阴极装置的热效率。

最优选的，该阴极装置还包括触持极引线；触持极引线一端分别与触持极和供气法兰连接。

最优选的，加热器外侧还套设有多层碳毡作为热屏蔽，用于减少热量损失，提高热效率，同时对加热器进行防护。

最优选的，加热器为铠装加热器，螺旋缠绕套设在阴极管第二端的外部；铠装加热器的加热丝还包括：

内导体，设置于加热丝中央；

外鞘，套设在内导体外周，且与内导体的末端焊接形成通路；外鞘的横截面为底端水平的圆弧状，且水平的底端与阴极管相配合，用于增大加热器与阴极管的接触面积；

绝缘材料，填充在内导体与外鞘之间。

最优选的，触持极与阴极管之间还设置有绝缘隔圈，且绝缘隔圈上还设置有：

触持极沉孔，同轴设置于绝缘隔圈的第一端，与触持极的第二端配合连接；

阴极管适配孔，同轴设置于绝缘隔圈的第二端，且与阴极管的第一端配合连接；

第一通孔，同轴设置于触持极沉孔与阴极管适配孔之间，且套设在阴极管外部；

第二通孔，设置于绝缘隔圈的外周上，且第二通孔有多个。

最优选的，触持极的第二端通过连接件与阴极管和供气法兰绝缘连接；连接件上设置有绝缘套，用于绝缘连接触持极与供气法兰；连接件穿设绝缘隔圈的第二通孔，用于绝缘连接触持极与阴极管。

运用此发明，解决了传统空心阴极结构连接工艺困难以及工作寿命低的问题，选用石墨作为阴极管、触持极与发射体支撑筒等主要结构件的材料，通过机械装配一体加工的方式，使得装配工艺简易，降低了成本，减轻了重量，增加了阴极装置的可靠性和使用寿命。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的石墨高温阴极装置采用机械装配结构，显著减少异种难熔材料焊接连接，工艺简单，易于制造、装配和调试。阴极管与阴极顶、触持极管与触持极顶都一体加工而成，省去了焊接连接，增加了可靠性，降低了材料与加工成本。

2、本发明提供的阴极装置采用硬度低的石墨，价格低廉，易于加工成精密尺寸。高密度石墨密度远比高温难熔金属的密度低，可大幅减轻阴极重量。基于石墨材料的组装式空心阴极，成本低，重量轻，效率高，耐高温性能强，材料兼容性好，可靠性高。

附图说明

图1为本发明提供的该石墨高温阴极装置的结构示意图；

图2为本发明提供的加热器中加热丝结构示意图；

图3为本发明提供的绝缘隔圈的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明是一种用于电推力器的石墨高温阴极装置，如图1所示，包括阴极管10、供气法兰9、触持极5、触持极引线12、发射体1和加热器2。

供气法兰9通过四个阴极管固定螺钉11固定在阴极管10的第一端，且中央设置有中空通道；中空通道与阴极管10连通，用于通过中空通道通入氙气(Xe)。

触持极5罩设在阴极管10外，且第二端与供气法兰9和阴极管10绝缘连接，用于提供并切换高压点火电压和低压恒流电压。

触持极引线12一端通过触持极引线螺钉13分别与供气法兰9和触持极5连接；触持极引线螺钉13上还设置有触持极引线绝缘套14，保证触持极引线12与供气法兰9绝缘连接。

发射体1设置于阴极管10第二端的内部，且与阴极管10相配合，用于激发电子束流；发射体1为六硼化镧发射体1。

加热器2套设在阴极管10第二端的外部，覆盖发射体1，且相对阴极管10第二端靠后，保证其与触持极5的第一端有一定的间隙，用于通电加热阴极管10第二端内部的发射体1。

工作时，加热器2通电加热发射体1到工作温度，发射体1开始发射电子，供气法兰9通过其中空通道向阴极管10内部通入流量大于额定流量的氙气，触持极5提供数百伏的高压电击穿氙气，阴极管10内部形成稳定的辉光放电，产生高密度等离子体，此时触持极5供电由高压点火电源自动切换到低压恒流电源，加热器2关闭，阴极自持放电，点火成功后，减小氙气的流量至额定流量，在该阴极装置的下游施加阳极电压，引出电子束流。

其中，阴极管10的第二端为阴极顶，触持极5的第一端为触持极顶，在本实施例中，阴极管10及阴极顶采用一体加工而成，触持极5和触持极顶采用一体加工而成，省去管件与顶板的焊接连接。

阴极管10第一端的内部还设置有压紧弹簧15，用于压紧发射体1至阴极管10第二端的端面处，保证发射体1的外圆柱面与其端面处不被等离子体轰击溅射。

发射体1和压紧弹簧15之间还设置有沿阴极管10轴向依序连接的多个薄壁支撑筒16，用于在压紧弹簧15的作用下支撑发射体1；在本实施例中，薄壁支撑筒16为两个。

薄壁支撑筒16为薄壁圆筒结构，用于减小其第一端与发射体1接触面积来减少热传导损失。薄壁支撑筒16的中央和第二端上还分别设置有两个环形台阶，与阴极管10相配合，用于阻隔加热器2加热发射体1的热量向供气法兰9的传导；薄壁支撑筒16的第二端上还设置有薄壁小孔，用于缓冲气流与热流，提高该阴极装置的热效率。

加热器2为铠装加热器；加热器2外侧还套设有多层热屏蔽3，用于对加热器2进行热防护；多层热屏蔽3为多层碳毡，阻止热量向外辐射损失，与薄壁支撑筒16的第二端上的薄壁小孔共同作用，提高该阴极装置的热效率。

加热器2上还设置有加热器引线4；加热器引线4穿设供气法兰9，且随着加热器引线4与加热器2距离的增大，加热器引线4的直径逐渐增大，电阻逐渐变小，从而减少加热器引线4的发热。

加热器2为铠装加热器，螺旋缠绕套设在阴极管10第二端的外部；如图2所示，加热丝包括内导体2-1、外鞘2-2和绝缘材料2-3；内导体2-1设置于加热丝中央；外鞘套2-2设在内导体2-1外周，外鞘2-2的横截面为底端水平的圆弧状，且水平的底端与阴极管10相配合，用于增大加热器2与阴极管10的接触导热面积，从而增大向内的热传导；绝缘材料2-3填充在内导体2-1与外鞘2-2之间；在本实施例中，内导体2-1为钨铼丝；外鞘2-2为钽管；绝缘材料2-3为高纯度氧化铝粉末。

触持极5与阴极管10之间还设置有绝缘隔圈7；绝缘隔圈7为高纯度氧化铝陶瓷或者氮化硼陶瓷，耐高温性能好。如图3所示，绝缘隔圈7上还设置有触持极沉孔7-1、阴极管适配孔7-2、第一通孔7-3和第二通孔7-4。

其中，触持极沉孔7-1，同轴设置于绝缘隔圈7的第一端，与触持极5的第二端配合连接，且触持极5与触持极沉孔7-1之间保留一定间隙，比如1mm，用于增加触持极5与阴极管10的绝缘路径，避免电极间的短路；触持极5第二端的连接位置由触持极沉孔7-1的深度决定，必要时可添加调整垫片调整触持极5的第一端与阴极管10第二端之间的间隙。

阴极管适配孔7-2，同轴设置于绝缘隔圈7的第二端，且与阴极管10的第一端配合连接。

第一通孔7-3，同轴设置于触持极沉孔7-1与阴极管适配孔7-2之间，且套设在阴极管10外部；第一通孔7-3的直径小于触持极沉孔7-1和阴极管适配孔7-2的直径，因此在绝缘隔圈7中央形成了台阶。

触持极沉孔7-1、阴极管适配孔7-2与第一通孔7-3同轴，保证了阴极管10与触持极5之间的同轴度。

第二通孔7-4，设置于绝缘隔圈7的外周上，且第二通孔7-4有多个；在本实施例中，第二通孔7-4有四个。

如图1所示，触持极5的第二端通过连接件8与阴极管10和供气法兰9绝缘连接；连接件8上设置有绝缘套6，用于绝缘连接触持极5与供气法兰9；连接件8穿设绝缘隔圈7的第二通孔7-4，用于绝缘连接触持极5与阴极管10；在本实施例中，连接件8为触持极固定螺钉8，且触持极固定螺钉8有四个，其个数与第二通孔7-4相对应。

与六硼化镧发射体1直接接触的阴极管10、触持极5和薄壁支撑筒16均采用高密度石墨制作而成。石墨熔点高达3850℃，极耐高温，具有良好的热稳定性和抗热震性，能经受温度的剧烈突变也不致产生裂纹而破坏。石墨的热膨胀系数小，恰比六硼化镧的热膨胀系数大，而且具有良好的导电、导热性能和化学稳定性。石墨强度随着温度升高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍，可满足该阴极装置的使用要求。因此，全石墨结构既没有明显的热膨胀率差异引起的应力，也不会出现硼扩散引起的结构件高温硼脆破坏，不会出现高温下石墨与六硼化镧发生化学反应而减低其电子发射能力，能始终为六硼化镧发射体提供良好的导电、导热支撑，为其长期稳定工作提供牢固可靠的结构保障。

与钽、钼、钛等金属材料相比，高密度石墨具有更低的溅射腐蚀率，即使经过高温电弧灼烧，重量损失也很小，是理想的触持极5制作材料。以高密度石墨制作触持极5，可在全寿命周期内保持触持极顶完整，不因离子溅射而损坏，能为阴极管10、加热器2提供可靠防护，使其免受离子轰击而损坏。触持极5与阴极管10采用相同的材料，有相同的热膨胀率，阴极顶与触持极顶之间的间隙在温度大幅变化时保持相对稳定，利于该阴极装置稳定地维持工作状态。

同时，触持极5与阴极管10通过绝缘隔圈7绝缘隔离，高密度石墨离子溅射系数低，可大幅减少溅射、蒸散产物在绝缘隔圈7上的沉积镀膜。

本发明的工作原理：

工作时，加热器通电加热发射体到工作温度，发射体开始发射电子，供气法兰通过其中空通道向阴极管内部通入流量大于额定流量的氙气，触持极提供高压电击穿氙气，阴极管内部形成稳定的辉光放电，产生高密度等离子体，此时触持极供电由高压点火电源自动切换到低压恒流电源，加热器关闭，阴极自持放电，点火成功后，减小氙气的流量至额定流量，在该阴极装置的下游施加阳极电压，引出电子束流。

综上所述，本发明一种用于电推力器的石墨高温阴极装置，解决了传统空心阴极结构连接工艺困难以及工作寿命低的问题，选用石墨作为阴极管、触持极与发射体支撑筒等主要结构件的材料，通过机械装配一体加工的方式，使得装配工艺简易，降低了成本，减轻了重量，增加了阴极装置的可靠性和使用寿命。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种用于电推力器的石墨高温阴极装置，包括：

阴极管；

供气法兰，固定在所述阴极管的第一端，且中央设置有中空通道；所述中空通道与所述阴极管连通，用于通过所述中空通道通入氙气；

触持极，罩设在所述阴极管外，且第二端与所述供气法兰和所述阴极管绝缘连接，用于提供并切换高压点火电压和低压恒流电压；

发射体，设置于所述阴极管第二端的内部，且与所述阴极管相配合，用于激发电子；

加热器，套设在所述阴极管第二端的外部，覆盖所述发射体，且相对所述阴极管的第二端靠后，保证其与所述触持极的第一端有一定的间隙，用于通电加热所述阴极管第二端内部的所述发射体；

工作时，所述加热器通电加热所述发射体到工作温度，所述发射体开始发射电子，所述供气法兰通过其中空通道向所述阴极管内部通入流量大于额定流量的氙气，所述触持极提供高压电击穿所述氙气，所述阴极管内部形成稳定的辉光放电，产生高密度等离子体，此时所述触持极供电由高压点火电源自动切换到低压恒流电源，所述加热器关闭，阴极自持放电，点火成功后，减小所述氙气的流量至额定流量，在该阴极装置的下游施加阳极电压，引出电子束流。

2.如权利要求1所述的用于电推力器的石墨高温阴极装置，其特征在于，所述阴极管第一端的内部还设置有压紧弹簧，用于压紧所述发射体至所述阴极管第二端的端面处。

3.如权利要求2所述的用于电推力器的石墨高温阴极装置，其特征在于，所述压紧弹簧和所述发射体之间还设置有沿所述阴极管轴向依序连接的多个薄壁支撑筒用于在所述压紧弹簧的作用下支撑所述发射体。

4.如权利要求3所述的用于电推力器的石墨高温阴极装置，其特征在于，所述薄壁支撑筒的中央和第二端上还分别设置有两个环形台阶，与所述阴极管相配合，用于阻隔所述加热器加热所述发射体的热量向所述供气法兰的传导；所述薄壁支撑筒的第二端上还设置有薄壁小孔，用于缓冲热流，提高该阴极装置的热效率。

5.如权利要求1所述的用于电推力器的石墨高温阴极装置，其特征在于，该阴极装置还包括触持极引线；所述触持极引线一端分别与所述触持极和所述供气法兰连接。

6.如权利要求1所述的用于电推力器的石墨高温阴极装置，其特征在于，所述加热器外侧还套设有多层碳毡作为热屏蔽，用于减少热量损失，提高热效率，同时对所述加热器进行防护。

7.如权利要求1所述的用于电推力器的石墨高温阴极装置，其特征在于，所述加热器为铠装加热器，螺旋缠绕套设在所述阴极管第二端的外部；

所述铠装加热器的加热丝还包括：

内导体，设置于所述加热丝中央；

外鞘，套设在所述内导体外周，且与所述内导体的末端焊接形成通路；外鞘的横截面为底端水平的圆弧状，且水平的底端与所述阴极管相配合，用于增大所述加热器与所述阴极管的接触面积；

绝缘材料，填充在所述内导体与所述外鞘之间。

8.如权利要求1所述的用于电推力器的石墨高温阴极装置，其特征在于，所述触持极与所述阴极管之间还设置有绝缘隔圈，且所述绝缘隔圈上还设置有：

触持极沉孔，同轴设置于所述绝缘隔圈的第一端，与所述触持极的第二端配合连接；

阴极管适配孔，同轴设置于所述绝缘隔圈的第二端，且与所述阴极管的第一端配合连接；

第一通孔，同轴设置于所述触持极沉孔与所述阴极管适配孔之间，且套设在所述阴极管外部；

第二通孔，设置于所述绝缘隔圈的外周上，且所述第二通孔有多个。

9.如权利要求8所述的用于电推力器的石墨高温阴极装置，其特征在于，所述触持极的第二端通过连接件与所述阴极管和所述供气法兰绝缘连接；所述连接件上设置有绝缘套，用于绝缘连接所述触持极与所述供气法兰；所述连接件穿设所述绝缘隔圈的第二通孔，用于绝缘连接所述触持极与所述阴极管。

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