CN112696328A

CN112696328A - 一种高可靠性电推进用空心阴极结构

Info

Publication number: CN112696328A
Application number: CN202011444824.XA
Authority: CN
Inventors: 郝广辉; 邵文生; 张珂; 于志强
Original assignee: No 12 Research Institute Of Cetc
Current assignee: No 12 Research Institute Of Cetc
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2040-12-11
Also published as: CN112696328B

Abstract

本发明实施例公开了一种高可靠性电推进用空心阴极结构，所述结构包括：具有出射孔的触持极；沿触持极上出射孔的轴线依次设置的导气管、发射体以及顶孔板；所述导气管的外壁上包括有热子；所述阴极结构还包括有用以增强发射体表面的电场强度的绝缘环；所述绝缘环位于所述发射体与所述顶孔板之间。本发明所提供的空心阴极结构可有效降低发射体的点火时间，提高电推进设备启动时间的可控性，本发明还可以短时间内清除发射体表面变质的物质，使发射体性能迅速恢复，保障空心阴极点火时间的一致性以及电推进设备的可控性。

Description

一种高可靠性电推进用空心阴极结构

技术领域

本发明涉及等离子体物理和热物理领域。更具体地，涉及一种高可靠性电推进用空心阴极结构。

背景技术

电推进作为先进的空间推进技术，以其高比冲的优势，在美俄等航天器上已经广泛应用，可以降低系统质量、提高寿命、增加载荷，并提高轨道和姿态的控制精度。目前主流电推进系统的工作是以空心阴极工作为前提的，传统的空心阴极结构主要包括发射体、顶孔板、热子、触持极和导气管，其中触持极内腔，导气管内腔，发射体内腔，三个内腔连通，且与触持极上的出射孔同轴连通设置，发射体负责电推进系统的点火、工作过程中放电通道内部电子的补充及羽流区中和。高效、可靠工作的空心阴极是电推进系统稳定放电的基础。目前电推进系统中使用得较多的发射体材料为氧化物阴极、钡钨阴极和六硼化镧阴极，而这种发射体长期暴露大气会造成发射体表面活性物质变质，导致发射体中毒，降低发射体的电子发射性能，大幅度延长了空心阴极的点火时间，导致电推进设备启动时间不可控。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种高可靠性电推进用空心阴极结构，以解决现有技术中电推进设备启动时间不可控的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电推进用空心阴极结构，包括：

具有出射孔的触持极；

沿触持极上出射孔的轴线依次设置的导气管、发射体以及顶孔板；

所述导气管的外壁上包括有热子；

所述阴极结构还包括有用以增强发射体表面的电场强度的绝缘环；

所述绝缘环位于所述发射体与所述顶孔板之间。

此外，优选地方案是，所述顶孔板包括有与所述出射孔对应的且同轴设置的出气孔；

所述出气孔的直径小于出射孔的直径。

此外，优选地方案是，所述发射体的外径小于所述导气管的内径，所述发射体位于所述导气管内部的右侧。

此外，优选地方案是，所述热子为螺旋结构，所述热子位于与所述发射体位置相对应配合的位置。

此外，优选地方案是，所述结构包括位于所述热子与触持极之间的热屏筒，所述热屏筒被配置为降低发射体的热损耗。

此外，优选地方案是，所述绝缘环被配置为保证发射体与顶孔板之间绝缘。

此外，优选地方案是，所述绝缘环包括有连通出气孔与发射体内腔的通孔。

此外，优选地方案是，所述通孔的内径大于所述出气孔的直径。

本申请的有益效果如下：

针对现有技术中存在的技术问题，本申请实施例提供一种高可靠性电推进用空心阴极结构，以解决现有技术中因发射体长期暴露在大气中而产生的表面活性物质变质，发射体中毒进而影响发射性能的问题，以及由此引起的空心阴极点火时间延长，电推进设备启动时间不可控的问题。本发明在传统空心阴极组件基础上，在发射体与顶孔板之间设置一个绝缘环，可有效提高发射体表面的电场强度，加速发射体发射电子，从而有效降低发射体的点火时间，提高点火时间的一致性以及电推进设备启动时间的可控性。

此外，本发明还添加了对空心阴极表面进行辉光放电等离子体清洗的功能，可以短时间内清除发射体表面变质的物质，使发射体性能迅速恢复，保障空心阴极点火时间的一致性以及电推进设备的可控性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明所提供的空心阴极结构的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解的是，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

还需要说明的是，在本申请的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

电推进作为先进的空间推进技术，以其高比冲的优势，在美俄等航天器上已经广泛应用，可以降低系统质量、提高寿命、增加载荷，并提高轨道和姿态的控制精度。目前主流电推进系统的工作是以空心阴极工作为前提的,传统的空心阴极结构主要包括发射体、顶孔板、热子、触持极和导气管，其中触持极内腔，导气管内腔，发射体内腔，三个内腔连通，且与触持极上的出射孔同轴连通设置，发射体负责电推进系统的点火、工作过程中放电通道内部电子的补充及羽流区中和。高效、可靠工作的空心阴极是电推进系统稳定放电的基础。目前电推进系统中使用得较多的发射体材料为氧化物阴极、钡钨阴极和六硼化镧阴极，而这种发射体长期暴露大气会造成发射体表面活性物质变质，导致发射体中毒，降低发射体的电子发射性能，大幅度延长了空心阴极的点火时间，导致电推进设备启动时间不可控。

为克服现有技术存在的缺陷，本发明的实施例提供一种高可靠性电推进用空心阴极结构，结合图1所示，所述结构包括：

具有出射孔11的触持极1；

沿触持极1上出射孔11的轴线依次设置的导气管2、发射体3以及顶孔板4；

其中，所述导气管2用于向发射体3的内腔输送工质气体10，在一个具体示例中，所述工质气体10可以为但不限定为氙气或者碘蒸气等；

所述导气管2的外壁上包括有热子5；

所述阴极结构还包括有用以增强发射体3表面的电场强度的绝缘环6；

所述绝缘环6位于所述发射体3与所述顶孔板4之间。

在一个具体示例中，所述顶孔板4上设置有和所述出射孔11对应且同轴的出气孔41，所述出气孔41的直径小于出射孔11的直径，所述工质气体10通过导气管2输送至发射体3的内腔，可在出气孔41的作用下使得出气孔41的两端形成气压差，满足发射体3的工作条件。所述顶孔板4的材料可选用钨、钽、钼等高熔点抗溅射金属。

在一个具体地实施方式中，所述发射体3的外径小于导气管2的内径，所述发射体3采用钎焊或者激光焊的方式设置在所述导气管2的内部，且位于所述导气管2的右端，所述导气管2用于将工质气体10输送至发射体3的内腔，为发射体3工作提供条件。

在一个具体示例中，所述热子5为螺旋结构，缠绕在所述导气管2的外壁上和所述发射体3相对应配合的位置，且与所述导气管2呈悬空未接触状态，所述热子5的导线套有绝缘管，可防止热子5与其它部件接触导致短路失效。所述热子5可采用钨丝等高熔点金属制作，所述热子5被用于加热发射体3使其达到工作温度，保证在发射体3上形成低功函数表面并产生需要的电子发射密度，使得所述空心阴极可在较低电压下可靠点火。

在一个具体示例中，所述触持极1的作用是在施加点火气压后，在发射体3和触持极1之间实现电弧放电点火，并在适当的工作电压下稳定的工作电流发射，所述触持极1的另一个重要功能是对顶孔板4、出气孔41以及热子5溅射腐蚀的防护功能，触持极1一般采用不锈钢等金属材料或者石墨等抗溅射腐蚀材料制成。

在一个具体示例中，所述空心阴极结构还包括位于所述热子5与触持极1之间的热屏筒7，所述热屏筒7主要作用是减少发射体3区域以热辐射形式损失的热量，使发射体3的温度迅速升高，在更短的时间内使发射的热电子电流足够大，从而过渡到低电压大电流的辉光放电，实现快速启动，提高能量利用率，热屏筒7可采用钽、钼等金属制作，层数一般为3-4层。需要说明的是，所述热屏筒7并不是所述空心阴极结构的必要组成部分，热屏筒7一般应用在低电流空心阴极结构中，因为低电流空心阴极结构紧凑，为实现自持工作，对于热量有更高的要求。

在一个具体地实施例中，所述绝缘环6通过钎焊的方式分别与所述发射体3与所述顶孔板4连接，用于保证发射体3与顶孔板4之间绝缘，当导气管2内充入一定量的氙气作为工质气体10，且发射体3在热子5的加热作用下达到正常工作温度时，顶孔板4加正电压，发射体3表面的电场强度增大，加速发射体发射电子，电子在获取足够的能量后与氙离子碰撞时可将氙离子离化。氙离子在电场的作用下向发射体3表面加速运动，最终与发射体3表面发生碰撞。随离子浓度增加，发射体3可从非自持放电状态过渡到自持放电状态即辉光放电状态。在大量氙离子碰撞发射体3表面时，可实现对发射体3表面进行离子净化，使污染物将迅速脱离，并随氙气经顶孔板4上的出气孔41排出，促使发射体3在数秒时间内恢复活性。此时关闭引线电压，当开启触持极1电压时，可瞬间点火成功。因此该结构的空心阴极可以有效保障点火时间的一致性。另外该结构同样适用于未吸附污染物的发射体3，能有效降低发射体3的点火时间，并且可以有效提高点火时间的一致性，以及电推进设备的可控性。

在一个具体示例中，当发射体3处于辉光放电状态时，大量氙离子碰撞发射体3表面，可实现对发射体3表面进行离子净化，使污染物将迅速脱离，为了保证污染物可随着氙气从所述发射体3的内腔经顶孔板4上的出气孔41顺利排出，所述绝缘环6需包括有连通出气孔41与所述发射体3内腔的通孔61。

在一个实施例中，所述通孔61的内径应大于所述出气孔41的直径。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种高可靠性电推进用空心阴极结构，其特征在于，所述结构包括：

具有出射孔的触持极；

所述导气管的外壁上包括有热子；

所述绝缘环位于所述发射体与所述顶孔板之间。

2.根据权利要求1所述的电推进用空心阴极结构，其特征在于，所述顶孔板包括有与所述出射孔对应的且同轴设置的出气孔；

所述出气孔的直径小于出射孔的直径。

3.根据权利要求1所述的电推进用空心阴极结构，其特征在于，所述发射体的外径小于所述导气管的内径，所述发射体位于所述导气管内部的右侧。

4.根据权利要求3所述的电推进用空心阴极结构，其特征在于，所述热子为螺旋结构，所述热子位于与所述发射体位置相对应配合的位置。

5.根据权利要求1所述的电推进用空心阴极结构，其特征在于，所述结构包括位于所述热子与触持极之间的热屏筒，所述热屏筒被配置为降低发射体的热损耗。

6.根据权利要求1所述的电推进用空心阴极结构，其特征在于，所述绝缘环被配置为保证发射体与顶孔板之间绝缘。

7.根据权利要求2所述的电推进用空心阴极结构，其特征在于，所述绝缘环包括有连通出气孔与发射体内腔的通孔。

8.根据权利要求7所述的电推进用空心阴极结构，其特征在于，所述通孔的内径大于所述出气孔的直径。