CN111911379A - 一种空心阴极 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空心阴极，包括空心阴极本体，其特征在于，所述空心阴极包括热子骨架和热子，热子缠绕在热子骨架外的凹槽中，热子与热子骨架之间制备有一层绝缘层，所述热子骨架为金属材质，以金属钼材质为最佳。所述空心阴极还包括支撑筒，热子骨架末端装配部与支撑筒内壁紧密配合，所述支撑筒与热子骨架焊接。本发明通过将现有技术中热子外部的绝缘层缩小到仅包裹热子外壁的薄层，使用金属作为热子骨架，使用金属钼代替原有的陶瓷材质作为热量传导物，降低了空心阴极的加热功率，提高了加热效率，实现了减少热子材料蒸发的技术效果，提高了热子寿命。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术推进领域，具体涉及一种空心阴极的结构。
背景技术
空心阴极广泛应用于离子注入、离子镀膜、空间推进等设备中。在军事上，阴极是各类微波电子器件、微光夜视器件、红外成像器件和紫外成像器件的心脏。同时，在工业和医疗等设备中，利用阴极作为发射源的X光管、像增强器、加速管和显示器起到了非常重要的作用。在科学研究中，各类分析仪器、电子束加工、电子束曝光、电子束蒸发等设备中，阴极也是不可或缺的关键部件。
特别是在空间应用中，空心阴极作为电推进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。阴极工作时需要在高温下进行，所以在满足阴极工作条件的情况下，需要尽可能大幅度降低设备功耗，提高阴极的寿命和效率。现有的阴极存在加热效率不高，热子寿命不长等问题，空心阴极的性能尚有继续提升的空间。
发明内容
为解决现有的阴极存在加热效率不高，热子寿命不长的问题，本发明提供了一种空心阴极。
本发明通过下述技术方案实现：
一种空心阴极，包括空心阴极本体，所述空心阴极包括套装在发射体外部的热子骨架、焊接于发射体上方的阴极顶；热子骨架外表面开设有凹槽，将现有空心阴极中热子外部的绝缘层缩小到仅包裹热子外壁的薄层，表面涂覆有绝缘层的热子铺设在热子骨架外表面的凹槽中，凹槽的深度大于或等于表面涂覆有绝缘层的热子的直径；从而将热子骨架材质由金属代替原有的陶瓷作为热量传导介质，尤其采用金属钼材质用作热子骨架可以极大减少空心阴极的加热功率，实现减少热子材料蒸发的技术效果，同时缩短了热子与发射体之间的距离，热传递效率更高，提高热子寿命。
本申请中的热子骨架末端还包括中空的支撑部，相当于现有技术中的阴极管，在空心阴极中为一体式结构。由于金属钼材质在高温下变脆，容易破裂，所以本申请将传统空心阴极的阴极管进一步做出分体设计改进，即热子骨架和支撑筒，热子骨架末端装配部外壁与支撑筒内壁紧密配合，支撑筒与热子骨架焊接，因为支撑筒的厚度很薄，所以支撑筒采用不同于钼的金属材质，以克服金属钼的脆性带来的破裂风险。
为了屏蔽阴极向下端的热辐射，热子骨架的末端装配部底端装有瓷环。当热子骨架为一体式结构时，瓷环下端设置有一金属材质固定环，固定环焊接在热子骨架内壁，对瓷环进行轴向限位抵紧固定。优选的，热子骨架和支撑筒为分体式结构时，所述瓷环的外径与支撑筒的内径相同，支撑筒内壁的凸起将瓷环抵紧，对其进行轴向限位，对阴极起到很好的隔热效果。
所述空心阴极还包括隔热体、套筒和隔热体支撑环；所述隔热体套在热子骨架的外部，套筒套装在隔热体的外部，套筒顶端与热子骨架焊接，对隔热体进行轴向限位和径向限位，隔热体支撑环装配在支撑筒外部，对隔热体进行支撑并对其进行轴向限位，隔热体支撑环与套筒和支撑筒连接处均为焊接连接，进而将隔热体卡紧固定。
隔热体在热子引出位置开槽，开槽宽度略大于热子直径，隔热体开槽末端，在热子转向引出的位置开圆孔，圆孔直径略大于绝缘管的外径,热子的一端与热子骨架连通并焊接,另一端从热子骨架底部绕出,穿过隔热体沟槽引出,引出的热子外部套有绝缘管，绝缘管通过金属环固定在隔热体支撑环上。
进一步的，所述发射体为六硼化物或钡钨材质。
优选地，所述阴极顶、热子、套筒、隔热体支撑环和支撑筒均为导电金属材质；所述绝缘层、隔热体、瓷环和绝缘管均为绝缘陶瓷材质。因此热子、热子骨架、阴极顶、套筒、隔热体支撑环和支撑筒依次连接形成一个热子加热电流回路。
由于六硼化物和金属钼会在高温下发生化学反应，当发射体为六硼化物时，所述热子骨架与发射体之间焊接连接，焊接形成的焊缝将热子骨架与发射体隔离，所用焊料与六硼化物和金属钼均不发生反应。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本发明通过将现有技术中热子外部的绝缘层缩小到仅包裹热子外壁的薄层，使用金属作为热子骨架，使用金属钼代替原有的陶瓷材质作为热量传导物，降低了空心阴极的加热功率，提高了加热效率，实现了减少热子材料蒸发的技术效果，提高了热子寿命。
2.本发明将传统空心阴极的阴极管做出分体设计，即热子骨架和支撑筒，热子骨架末端装配部与支撑筒内壁紧密配合，支撑筒与热子骨架焊接，因为支撑筒的厚度很薄，所以支撑筒采用不同于钼的金属材质，以克服金属钼在高温下变脆带来的破裂风险，并使零件加工和组装变得容易。
3.本发明在热子骨架与发射体之间通过特定焊料焊接，所述特定焊料与六硼化物和金属钼在高温下均不发生化学反应，保证了在工作时热子骨架和发射体不会发生反应，延长空心阴极的使用寿命。
附图说明
结合附图，可以得到对本发明实施例的进一步理解，从本发明的权利要求和优选实施例的以下描述可以获得本发明的其它特征和优点。在不超出本发明的范围的情况下，在这种情况下可以按任何期望的方式将图中所示的不同实施例的单独特征加以组合。在附图中：
图1为本发明实施例1的机械结构示意图；
图2为本发明实施例2的机械结构示意图。
附图标记说明：1-阴极顶，2-发射体，3-热子骨架，4-热子，5-绝缘层，6-隔热体，7-套筒，8-瓷环，9-隔热体支撑环，10-支撑筒，11-绝缘管，12-固定环，13-隔热槽，14-金属环。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，在本实施例中，一种一体式空心阴极，包括套装在发射体2外部的热子骨架3、焊接于发射体2上方的阴极顶1；所述热子骨架3外表面开设有螺旋凹槽，凹槽底截面为矩形，热子4采用金属钨材质，将现有空心阴极中热子4和发射体2之间的陶瓷件绝缘层5缩小到仅包裹热子4外壁的薄层，热子4缠绕在热子骨架3外表面涂覆有绝缘层5的凹槽中，凹槽的深度等于热子4的直径。由于金属钼的导热性能好，将热子骨架3使用金属钼代替原有的陶瓷材质作为热量传导物，极大减少空心阴极的加热功率，实现减少热子4材料蒸发的技术效果，提高热子4寿命。
根据热力学原理，当空心阴极发射体2处于热平衡时，单位时间、单位面积从热子4传到到阴极的热量为：
Q＝λ×ΔT÷d
式中，λ为中间传导物的导热率(W/m.K)，d为中间传导物的厚度(m或cm，ΔT为中间传导物内外表面的温差(K)，Q的单位是：W/cm2。
由上式可得温差为：
ΔT＝Qd/λ
以六硼化镧空心阴极为例，当发射体2材料为六硼化镧时，空心阴极正常的点火工作条件的Q约为45W/cm2。
当中间传导物为Al2O3陶瓷材料时，有实验表明，其1200℃下的λ约为4.5W/m.K(Al2O3的导热率与材料配方和制备工艺有关，随着温度的增加，λ会非线性增加)，d一般为0.7至1mm(由于耐高低温冲击和振动强度对厚度的要求)，这里d取中间值0.85mm，将长度单位统一为cm，带入上式得：
ΔT＝45x0.085/4.5x10-2
＝85K
当中间传导物为金属钼材料时，室温下其λ大于130W/cm2(随着温度的增加，λ的变化可忽略不计)，d＝0.25mm(钼有很好的耐高低温和振动冲击性能)，于是：
ΔT＝45x0.025/130x10-2
＝0.865K
六硼化镧空心阴极点火时，其阴极表面温度约1300℃-1400℃，以1350℃为例，即1623K。
当中间传导物为Al2O3陶瓷是，其热子4的表面温度为：
Tw(陶瓷)＝1623+85＝1708K
当中间传导物为金属钼时，其热子4的表面温度为：
Tw(钼)＝1623+0.865＝1623.865K
根据黑体辐射定律，物体的辐射功率为aT4，a为常数，T的单位为K，于是：
Tw(陶瓷)/Tw(钼)＝(1708/1623.865)4＝1.22倍
由此可见，用金属钼代替Al2O3陶瓷，六硼化镧空心阴极的加热功率可减少约22％。
本申请中的热子骨架末端还包括中空的支撑部，相当于现有技术中的阴极管，在空心阴极中为一体式结构。为了屏蔽向下端的热辐射，热子骨架3的末端装配部底端装有瓷环8，瓷环8下端设置有一金属材质固定环12，固定环12焊接在热子骨架3内壁，对瓷环8进行轴向限位抵紧固定，对阴极起到很好的隔热效果。
所述空心阴极还包括隔热体6、套筒7和隔热体支撑环9；发射体2为六硼化物发射体或钡钨阴极发射体。所述隔热体6套在热子骨架3的外部，套筒7套装在隔热体6的外部，套筒7顶端与热子骨架3焊接，对隔热体6进行轴向限位和径向限位，隔热体支撑环9装配在热子骨架3下端外部，对隔热体6进行支撑并对其进行轴向限位，隔热体支撑环9与套筒7和热子骨架3连接处均为焊接连接，进而将隔热体6卡紧固定。隔热体6在热子4引出位置开槽，开槽宽度略大于热子4直径，隔热体6开槽末端，在热子4转向引出的位置开圆孔，圆孔直径略大于绝缘管11的外径,热子4的一端与热子骨架3连通并焊接,另一端从热子骨架3底部绕出,穿过隔热体6沟槽引出,引出的热子4外部套有绝缘管11，绝缘管11通过金属环14固定在隔热体支撑环9上。为了减少由热子骨架3通过与套筒7连接向外传递热能，在骨架3的上端开有隔热槽13。
优选地，所述阴极顶1、套筒7和隔热体支撑环9均为导电金属材质；所述绝缘层5、隔热体6、瓷环8和绝缘管11均为绝缘陶瓷材质。因此热子4、热子骨架3、阴极顶1、套筒7和隔热体支撑环9依次连接形成一个良好的发热传导回路。
由于六硼化物和金属钼会在高温下发生化学反应，所述热子骨架3与发射2体之间钎焊连接，焊料将热子骨架3与发射体2隔离，所用焊料与六硼化物和金属钼均不发生反应。
实施例2：
如图2所示，在本实施例中，一种分体式空心阴极，包括套装在发射体2外部的热子骨架3、焊接于发射体2上方的阴极顶1；所述热子骨架3外表面开设有螺旋凹槽，凹槽底截面为矩形，热子4采用金属钨材质，将现有空心阴极中热子4和发射体2之间的陶瓷件绝缘层5缩小到仅包裹热子4外壁的薄层，热子4缠绕在热子骨架3外表面涂覆有绝缘层5的凹槽中，凹槽的深度等于热子4的直径。由于金属钼的导热性能好，将热子骨架3使用金属钼代替原有的陶瓷材质作为热量传导介质，极大减少空心阴极的加热功率，实现减少热子4材料蒸发的技术效果，提高热子4寿命。
由于金属钼材质在高温下变脆，容易破裂，所以本申请将传统空心阴极的阴极管做出分体设计，即热子骨架3和支撑筒10，热子骨架3末端装配部与支撑筒10内壁紧密配合，支撑筒10与热子骨架3焊接，因为支撑筒10的厚度很薄，所以支撑筒10采用金属钽材质制成，以克服金属钼的脆性带来的破裂风险。
为了屏蔽阴极向下端的热辐射，热子骨架3的末端装配部底端装有瓷环8，所述瓷环8的外径与支撑筒10的内径相同，支撑筒10内壁的凸起将瓷环8抵紧，对其进行轴向限位，对阴极起到很好的隔热效果。
所述分体式空心阴极还包括隔热体6、套筒7和隔热体支撑环9；发射体2为六硼化物或钡钨材质。所述隔热体6套在热子骨架3的外部，套筒7套装在隔热体6的外部，套筒7顶端与热子骨架3焊接，对隔热体6进行轴向限位和径向限位，隔热体支撑环9装配在支撑筒10外部，对隔热体6进行支撑并对其进行轴向限位，隔热体支撑环9与套筒7和支撑筒10连接处均为焊接连接，进而将隔热体6卡紧固定。热子4的一端与热子骨架3连通，另一端从热子骨架3底部绕出，穿过隔热体6引出，引出的热子4外部包裹有绝缘管11，绝缘管11通过金属环14固定在隔热体支撑环9上，为了减少由热子骨架3通过与套筒7连接向外传递热能，在骨架3的上端开有隔热槽13。
优选地，所述阴极顶1、套筒7、隔热体支撑环9和支撑筒10均为导电金属材质；所述绝缘层5、隔热体6、瓷环8和绝缘管11均为绝缘陶瓷材质。因此热子4、热子骨架3、阴极顶1、套筒7、隔热体支撑环9和支撑筒10依次连接形成一个良好的热子加热电流回路，为了减少由热子骨架3通过与套筒7连接向外传递热能，在骨架3的上端开有隔热槽13。
由于六硼化物和金属钼会在高温下发生化学反应，所述热子骨架3与发射2体之间钎焊连接，焊料将热子骨架3与发射体2隔离，所用焊料与六硼化物和金属钼均不发生反应。
结合上述实施例，可以看出，本发明通过将现有技术中热子4外部的绝缘层5缩小到仅包裹热子4外壁的薄层，使用金属作为热子骨架3，使用金属钼代替原有的陶瓷材质作为热量传导介质，降低了空心阴极的加热功率，提高了加热效率，实现了减少热子4材料蒸发的技术效果，提高了热子4寿命。将传统空心阴极的阴极管做出分体设计，即热子骨架3和支撑筒10，热子骨架3末端装配部与支撑筒10内壁紧密配合，支撑筒10与热子骨架3焊接，因为支撑筒10的厚度很薄，所以支撑筒10采用不同于钼的金属材质，以克服金属钼在高温下变脆带来的破裂风险，并使零件加工和组装变得容易。在热子骨架3与发射体2之间通过特定焊料焊接，所述特定焊料与六硼化物和金属钼在高温下均不发生化学反应，保证了在工作时热子骨架3和发射体2不会发生反应，延长空心阴极的使用寿命。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种空心阴极，包括空心阴极本体，其特征在于，还包括套装在发射体(2)外部的热子骨架(3)、焊接于发射体(2)上方的阴极顶(1)；所述热子骨架(3)外表面开设有凹槽，表面涂覆有绝缘层(5)的热子(4)铺设在热子骨架(3)外表面的凹槽中，凹槽的深度大于或等于表面涂覆有绝缘层(5)的热子(4)的直径；所述热子骨架(3)为金属材质。
2.根据权利要求1所述的一种空心阴极，其特征在于，所述热子骨架(3)为金属钼材质。
3.根据权利要求1所述的一种空心阴极，其特征在于，所述热子骨架(3)末端还包括中空的支撑部。
4.根据权利要求1所述的一种空心阴极，其特征在于，所述空心阴极还包括中空的支撑筒(10)，热子骨架(3)与支撑筒(10)为分体式结构，热子骨架(3)末端装配部外壁与支撑筒(10)内壁紧密配合，所述支撑筒(10)与热子骨架(3)焊接。
5.根据权利要求4所述的一种空心阴极，其特征在于，所述热子骨架(3)的末端装配部底端装有瓷环(8)，所述瓷环(8)的外径与支撑筒(10)的内径相同，支撑筒(10)内壁的凸起将瓷环(8)抵紧，对其进行轴向限位。
6.根据权利要求4所述的一种空心阴极，其特征在于，所述空心阴极还包括隔热体(6)、套筒(7)和隔热体支撑环(9)；所述隔热体(6)套在热子骨架(3)的外部，套筒(7)套装在隔热体(6)的外部，套筒(7)顶端与热子骨架(3)焊接，对隔热体(6)进行轴向限位和径向限位，隔热体支撑环(9)装配在支撑筒(10)外部，对隔热体(6)进行支撑并对其进行轴向限位，隔热体支撑环(9)与套筒(7)和支撑筒(10)连接处均为焊接连接，进而将隔热体(6)卡紧固定。
7.根据权利要求6所述的一种空心阴极，其特征在于，所述隔热体(6)在热子(4)引出位置开槽，开槽宽度略大于热子(4)直径，隔热体(6)开槽末端，在热子(4)转向引出的位置开圆孔，圆孔直径略大于绝缘管(11)的外径,热子(4)的一端与热子骨架(3)连通并焊接,另一端从热子骨架(3)底部绕出,穿过隔热体(6)沟槽引出,引出的热子外部套有绝缘管(11)，绝缘管(11)通过金属环(14)固定在隔热体支撑环(9)上。
8.根据权利要求6所述的一种空心阴极，其特征在于，所述阴极顶(1)、热子(4)、套筒(7)、隔热体支撑环(9)和支撑筒(10)均为导电金属材质；所述绝缘层(5)、隔热体(6)、瓷环(8)和绝缘管(11)均为绝缘陶瓷材质。
9.根据权利要求6所述的一种空心阴极，其特征在于，所述发射体(2)为六硼化物或钡钨材质。
10.根据权利要求6所述的一种空心阴极，其特征在于，发射体(2)为六硼化物材质、热子骨架(3)为金属钼材质，所述热子骨架(3)与发射体(2)之间焊接连接，焊接形成的焊缝将热子骨架(3)与发射体(2)隔离。
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