CN111734593A - 一种基于冷阴极的离子中和器 - Google Patents

Abstract

本发明属于真空电子领域，具体提供一种基于冷阴极的离子中和器，用于中和离子推进器中的过剩正离子。本发明基于冷阴极的离子中和器包括：左阴极1、右阴极2、中心阳极3、介质支承层4及阳极外壳5，左阴极与右阴极关于中心阳极对称设置、且三者均设置于介质支承层上，阳极外壳包覆于介质支承层外、且顶面开设U型孔，左阴极与右阴极的斜侧棱上设置纳米冷阴极发射面。本发明采用了冷阴极作为发射源，极大程度上减小了器件的复杂性、能耗、体积和重量；同时，本发明的结构设计及电压的调节保证了电子束的完全出射而无需外加磁场的聚束；综上，本发明结构简单、能耗低，能够保证阴极产生的电子完全通过阳极外壳的开孔出射，并充分与正离子流中和。

Description

一种基于冷阴极的离子中和器

技术领域

本发明属于真空电子领域，具体涉及一种基于冷阴极的离子中和器，主要用于中和离子推进器中的过剩正离子。

背景技术

离子推进器是新一代的航天推进动力装置，相比于传统的化学推进方式，离子推进器不仅具有很大的比冲，而且可以使得航天器的整体结构简化。离子推进器通过栅极对正离子进行加速向外喷出产生推力，由于其持续地喷出正离子束，使得大量的负离子滞留在喷射管内，电场力进而导致了正离子无法顺利地继续向外出射；因此必须在离子喷射器的推进口外置有相应的中和装置，进而使得推进器能够持续获得推力。综上所述，在离子推进器的应用中，选取适当的材料及结构，设计出相应的中和装置是不可或缺的。

热阴极在以往的研究、开发及应用中有着较高的地位，在现阶段，热阴极工艺非常成熟，被广泛应用于各类电真空器件中，但随着对冷阴极的不断深入研究，冷阴极在各个方面的优点逐渐凸显出来；其一，结构简单：热阴极在实际应用中通常需要很高的温度，因而对其热发射结构、材料耐热性等方面均有着较高的要求，从而提升了成本，使得结构复杂化；其二，效率较高：由于热阴极的加热以及热能损失，极大降低了系统的总体效率；其三，寿命较长：热阴极的工作环境必然会对各组件的寿命造成影响；其四，系统稳定：热阴极在高温环境下，较易出现短路、开路等问题，致使器件难以正常工作；其五，启动较快：对于热阴极而言，达到工作温度往往需要较长的预热时间。

综上所述，当用冷阴极代替热阴极，采用场致发射的方式作为电子辐射源时，节省了加热组件带来的结构复杂、效率损失、失稳风险、预热时间等不足；因而，在电真空器件的相关设计等领域，冷阴极具有着极为可期的发展前景，能极大提高器件的性能。

基于此，本发明提供一种基于冷阴极的基于冷阴极的离子中和器。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供一种基于冷阴极的离子中和器，利用纳米管冷阴极作为其发射源，设计一种新型结构，在省去了传统电子枪聚束磁场的前提下，保证了场致发射电子能够全部向外发射；并且，通过调节阴极、阳极及金属外壳电压的方式，能够在较大范围内提供连续可调的电子流。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于冷阴极的离子中和器，包括：左阴极1、右阴极2、中心阳极3、介质支承层4及阳极外壳5；其特征在于，所述介质支撑层呈长方体状，所述左阴极、右阴极、中心阳极均固定于介质支承层上表面，所述左阴极、右阴极及中心阳极相互平行设置、且平行于介质支撑层的长边方向；所述中心阳极位于介质支承层的中央，所述左阴极与右阴极关于中心阳极对称设置；所述中心阳极为横截面呈等腰梯形的金属棱台结构；所述左阴极与右阴极均为横截面呈直角梯形的金属棱台结构、且侧棱均为圆角结构，所述左阴极与右阴极的斜侧棱上设置有纳米冷阴极发射面、且纳米冷阴极发射面面向中心阳极；所述阳极外壳为一侧面开放的长方体外壳、其包覆于介质支承层外，并且所述介质支承层的上表面与阳极外壳的顶面之间预留间隙；所述阳极外壳的顶面中央位置开设U型孔，用于出射电子束。

进一步，所述左阴极、右阴极、中心阳极及阳极外壳均于阳极外壳开放侧接入可调电压。

进一步，所述介质支承层4为横截面呈“凹”字型的长方体，所述左阴极1、右阴极2与中心阳极3均设置于凹槽内，有利于左阴极、右阴极与中心阳极的固定。

进一步，所述中心阳极的侧棱同样采用圆角结构。

进一步，所述离子中和器整体长度在介质支撑层的长边方向上根据实际应用要求进行相应调整。

需要说明的是，本发明中在上述结构的基础上，其中核心参数包括：器件的整体长度、左阴极与右阴极的斜侧棱的倾斜角度、左阴极(或右阴极)与中心阳极的间距、U型孔的开口大小、左阴极(或右阴极)与顶端开口的间距；

进一步，通过适当地调节上述结构参数，并对左阴极和右阴极及中心阳极的电压进行调整，可以满足很大范围的发射电流要求；具体来说，当离子发射器的正离子流增大，需要所述基于冷阴极的离子中和器产生更大的发射电流时，首先应当增加其左阴极、右阴极与中心阳极的电压差；而由于所述基于冷阴极的离子中和器与离子发射器的电压相匹配，当离子发射器的压强增加从而产生了更大的正离子流时，所述基于冷阴极的离子中和器的压强只需要同时增加并进行适当调整便可以满足实际的应用需求，从而达到了自适应调节的效果；在此基础上，如果左(右)阴极发射的电子束被右(左)侧的阳极外壳孔壁拦截，可以采用(1)降低左右阴极的倾斜角度；(2)降低左阴极及右阴极与中心阳极的间距；(3)增大阳极外壳的开孔大小；(4)保证阴极发射面电场强度不变的前提下同时调节左阴极、右阴极及中心阳极的电压并降低阳极外壳的电压；通过上述各种方式进行调节，便可以保证电子束的完全出射。特别地，调节方法(4)保证了在结构不变的前提下，只需要调节所述电压便可以在较大范围内改变发射电流的大小，从而为所述基于冷阴极的离子中和器能够根据实际的需求进行适应性调节提供了基础，进而保证了在不同的应用要求下，电子束均能完全出射并与正离子束充分中和，这也正是本发明提供新型结构的核心优点。

本发明的有益技术效果在于：

1)本发明的基于冷阴极的离子中和器，中和了电子器件中产生的过剩正离子，在保证提供足够的发射电流密度的前提下，电子注的大小、横截面长度及收束程度均易于调节。

2)本发明的基于冷阴极的离子中和器，因采用了冷阴极作为发射源，相比于传统的热阴极中和器，本发明不仅具备更长的寿命和更高的稳定性，而且能够方便地调节发射电流的大小，以适应不同的应用环境；极大程度上减小了器件的复杂性、能耗、体积和重量。

3)本发明的基于冷阴极的离子中和器，所述左阴极、右阴极、中心阳极及阳极外壳均可以采用空心结构电镀表面金属的方式，从而大幅减小整体重量。

4)本发明的基于冷阴极的离子中和器，相比于传统的电子枪结构，通过结构的设计及电压的调节保证了电子束的完全出射而无需外加磁场的聚束就能够保证阴极产生的电子均能够通过阳极外壳的开孔，并充分与正离子流中和；相比于添加了外加磁场的中和器，其整体结构简单，能耗大幅降低。

5)本发明的基于冷阴极的离子中和器，左阴极与右阴极采用圆角结构，从而避免在对其施加高压后产生击穿的风险。

6)本发明的基于冷阴极的离子中和器，由于左阴极、右阴极、中心阳极及阳极外壳均接入了可调电压，结构内的电场能够通过调节电压的方式进行灵活的控制，进而使得发射电子束的电流大小、收束程度及横截面宽度均可在较大范围进行调节。

7)本发明的基于冷阴极的离子中和器，整体长度在介质支撑层的长边方向上连续可调，进而能够在其他参数均保持不变的前提下对发射电流大小进行便捷地调整，从而避免了传统离子中和器在不同的应用环境下需要对多个器件进行拼接的弊端。

附图说明

图1为本发明基于冷阴极的离子中和器的结构俯视图；

图2为本发明基于冷阴极的离子中和器的结构剖视图；

图3为本发明实施例中基于冷阴极的离子中和器的原理示意图；

图4为本发明实施例中基于冷阴极的离子中和器的电子发射情况的仿真图；

其中，1为左阴极、2为右阴极、3为中心阳极、4为介质支承层、5为阳极外壳。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步的说明；为了更好地说明实施例，图中会有省略，放大或缩小。

本实施例提供一种基于冷阴极的离子中和器，其结构如图1、图2所示；需要说明是，下述X、Y、Z方向如图1及图2所示，亦即符合右手定则的标准直角坐标系，且图1中单斜线阴影面代表冷阴极发射面，图2中交叉线阴影面代表介质支撑层。

上述基于冷阴极的离子中和器包括：左阴极1、右阴极2、中心阳极3、介质支承层4及阳极外壳5；所述介质支承层4作为所述左阴极1、右阴极2及中心阳极3的底座、用于对对组件进行固定，即所述左阴极1、右阴极2、中心阳极3固定于介质支承层4上；所述阳极外壳5包覆于介质支承层4外、且介质支承层4的上表面与阳极外壳5的顶面之间预留间隙；特别地，本实施例中，所述左阴极、右阴极、中心阳极及阳极外壳均可采用空心壳体电镀金属外层的结构；

更为具体的讲，在本实施例中：

所述中心阳极3位于介质支承层4的中央，为横截面呈等腰梯形的金属棱台结构，其横截面的上底长度为4mm、下底长度为4.6mm、高度为2mm，中心阳极的长度为110mm、即X方向的长度为110mm，等腰梯形横截面四角均经圆角处理、圆角半径为0.2mm；

所述左阴极1与右阴极2关于中心阳极3对称设置，均为横截面呈直角梯形的金属棱台结构，其倾斜面设置有纳米冷阴极发射面、且纳米冷阴极发射面面向中心阳极3；以左阴极1为例，左阴极的长度为110mm、即X方向的长度为110mm，其横截面的上底面长度为1.5mm、下底长度为3.0mm、高度为3.0mm，直角梯形横截面上四角均经圆角处理、圆角半径为0.2mm；

所述阳极外壳5为一侧面开放、顶面开设U型孔的长方体外壳，所述U型孔的开口端位于所述阳极外壳的开放侧；所述长方体阳极外壳在X、Y、Z方向上的长度分别为140mm、25mm、10mm，外壳向内取模、厚度为0.5mm，在此基础上，去掉外壳的前端面，并在上端面开设一U型孔、所述U型孔截面为一矩形与半椭圆的组合，所述矩形在X、Y方向上的长度分别为120mm、16mm，所述半椭圆长轴为16mm，短轴为8mm；

所述介质支承层4的主体结构为呈凹字形的柱状结构，且在X方向上开有三个凹槽，其长度为120mm，即X方向的长度为120mm；所述支撑层的横截面首先可视为由三个矩形组合而成，底部矩形在Y、Z方向上长度分别为24.0mm、4.6mm，在此基础上，左右两侧分别接有两在Y、Z方向上长度分别为2mm、3.6mm的相同矩形；所述三个凹槽分别用以固定左阴极、右阴极及中心阳极，以下简称左凹槽、右凹槽及中心凹槽：

所述左凹槽及右凹槽在介质支撑层左右两侧的支架上，高度为3.0mm，深度为0.5mm，凹槽下端与底部长方体上表面共面；所述中心凹槽在X、Y、Z方向上的长度分别为125mm、4.6mm、0.9mm，且位于介质支撑层底座上表面的中央。

上述基于冷阴极的离子中和器的左阴极1、右阴极2、中心阳极3及阳极外壳5均可接入可变电压，用以调整发射电流的大小；其中，基于冷阴极的离子中和器的电子轨迹取决于所述可变电压，场致发射阴极的发射强度取决于左阴极1及右阴极2与中心阳极3之间的电场强度。当需要更大的发射电流时，首先应当增大阴极与阳极之间的电压差。在此基础上，如果电子束打在了阳极外壳上，可以通过降低阴极发射面的倾斜角度、降低左阴极及右阴极与中心阳极的间距、增大阳极外壳的开口宽度等方式改变所述基于冷阴极的离子中和器的结构参数，也可以直接在已有的结构基础上通过改变左阴极、右阴极及中心阳极的具体电压值，同时满足改变发射电流和电子完全出射这两种要求。可以通过合理地调节结构及电压来适应不同的发射电流需求也正是本结构所具有的一个优势。

如图3所示为所述基于冷阴极的离子中和器原理示意图，由图可以说明离子推进器出射的离子如何利用本发明基于冷阴极的离子中和器出射的电子将其中和，以防止阳离子的堆积造成离子出射受阻。需要特别说明的是，所述基于冷阴极的离子中和器可在如图3所示的离子推进器所在的圆柱面上放置多个；另一方面，所述基于冷阴极的离子中和器可以与正离子流方向呈一定夹角倾斜放置，从而给系统整体提供一定的推力。

对于上述基于冷阴极的离子中和器，所述左阴极、右阴极及中心阳极、阳极外壳的电压均可与离子推进器的电压匹配，且可根据不同电压情况在一定程度上进行自适应调整。在本实施例中，当左阴极1与右阴极2均接入-1.7kV电压，中心阳极3接入-0.7kV电压，阳极外壳5接入零电位时，其发射轨迹如图4所示；经仿真模拟，按该实施例的基于冷阴极的离子中和器，左阴极1及右阴极2电压可在-10kV至-1kV内调节，通过改变中心阳极3及阳极外壳5电压，能够在保证电子束完全出射的前提下，在很大的范围内调节发射电流；在上述电压变化范围内的电子束轨迹图均与图4类似，本实施例确保电子束均能够完全出射并与正离子束充分中和。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种基于冷阴极的离子中和器，包括：左阴极1、右阴极2、中心阳极3、介质支承层4及阳极外壳5；其特征在于，所述介质支撑层呈长方体状，所述左阴极、右阴极、中心阳极均固定于介质支承层上表面，所述左阴极、右阴极及中心阳极相互平行设置、且平行于介质支撑层的长边方向；所述中心阳极位于介质支承层的中央，所述左阴极与右阴极关于中心阳极对称设置；所述中心阳极为横截面呈等腰梯形的金属棱台结构；所述左阴极与右阴极均为横截面呈直角梯形的金属棱台结构、且侧棱均为圆角结构，所述左阴极与右阴极的斜侧棱上设置有纳米冷阴极发射面、且纳米冷阴极发射面面向中心阳极；所述阳极外壳为一侧面开放的长方体外壳、其包覆于介质支承层外，并且所述介质支承层的上表面与阳极外壳的顶面之间预留间隙；所述阳极外壳的顶面中央位置开设U型孔。

2.按权利要求1所述基于冷阴极的离子中和器，其特征在于，所述左阴极、右阴极、中心阳极及阳极外壳均于阳极外壳开放侧接入可调电压。

3.按权利要求1所述基于冷阴极的离子中和器，其特征在于，所述介质支承层4为横截面呈“凹”字型的长方体，所述左阴极1、右阴极2与中心阳极3均设置于凹槽内。

4.按权利要求1所述基于冷阴极的离子中和器，其特征在于，所述中心阳极的侧棱同样采用圆角结构。

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