RU2139590C1

RU2139590C1 - Cathode unit

Info

Publication number: RU2139590C1
Application number: RU97116173A
Authority: RU
Inventors: Г.К. Клименко; А.А. Ляпин
Priority date: 1997-09-12
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 1999-10-10

Abstract

FIELD: heavy-current vacuum electric-arc gears. SUBSTANCE: cathode unit has main frame that houses hollow thermal emission cathode whose cavity communicates with external source of plasma-forming substance and additional cathode located inside main frame and insulated from it electrically. Thermal emission cathode is fabricated in the form of package of plates with uniaxial holes mounted with clearance one with regard to another with the use of spacing plates placed between them and having uniaxial holes of bigger diameter. These plates form cavities from which surfaces electrons are emitted. EFFECT: reduced consumption of working substance through cathode, prolonged operational life of cathode due to reduced carry- over of cathode material from hollow during its evaporation, enhanced reliability of initiation of discharge in hollow. 5 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области сильноточных вакуумных электродуговых устройств и может быть использовано, в частности, для катодов электроракетных двигателей или катодов печей плазменного переплава металлов. The present invention relates to the field of high-current vacuum electric arc devices and can be used, in particular, for cathodes of electric rocket engines or cathodes of plasma melting furnaces.

Известны катодные узлы вакуумных электродуговых устройств, содержащие корпус, в котором размещен полостной термоэмиссионный катод, полости которого сообщены с внешним источником плазмообразующего вещества. Эмиттер таких катодов выполнен в виде трубки, внутренняя поверхность которой образует полость, в которой проходит катодный процесс. (См., например, книгу С.Д. Гришина, Л.В. Лескова "Электрические ракетные двигатели космических аппаратов", М., Машиностроение, 1989 г., стр.87). Known cathode assemblies of vacuum electric arc devices containing a housing in which there is a cavity thermionic cathode, the cavity of which is in communication with an external source of plasma-forming substance. The emitter of such cathodes is made in the form of a tube, the inner surface of which forms a cavity in which the cathode process takes place. (See, for example, the book by S. D. Grishin, L. V. Leskov, "Electric rocket engines of spacecraft," M., Mechanical Engineering, 1989, p. 87).

Недостатком таких катодов является их плохая экономичность по использованию плазмообразующего газа. The disadvantage of such cathodes is their poor efficiency in the use of plasma-forming gas.

Известны также катодные узлы вакуумных электродуговых устройств, содержащие корпус, в котором размещена пластина с отверстием (диафрагма) и установленный с зазором относительно нее эмиттер в виде пластины, образующие полость, в которой реализуется катодный процесс. (См. кн. Гришина С.Д., стр. 87. ). Такие катоды позволяют получить высокие плотности тока в выходном отверстии диафрагмы и снизить расход плазмообразующего газа на единицу снимаемого тока. Also known are the cathode assemblies of vacuum electric arc devices comprising a housing in which a plate with an aperture (diaphragm) is placed and an emitter mounted in the form of a plate with a gap relative to it, forming a cavity in which the cathodic process is realized. (See book. Grishina S.D., p. 87.). Such cathodes make it possible to obtain high current densities in the outlet opening of the diaphragm and to reduce the consumption of plasma-forming gas per unit of removed current.

К недостаткам таких катодов следует отнести интенсивный износ в отверстии диафрагмы и необходимость установки стартового омического нагревателя. The disadvantages of such cathodes include intensive wear in the aperture of the diaphragm and the need to install a starting ohmic heater.

Такие катоды часто снабжаются дополнительным электродом, размещенным снаружи, вне полости катода для стартового пробоя и зажигания вспомогательного разряда после прогрева катода стартовым омическим нагревателем. Such cathodes are often equipped with an additional electrode placed outside, outside the cathode cavity for starting breakdown and ignition of an auxiliary discharge after heating of the cathode by a starting ohmic heater.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является катодный узел вакуумных электродуговых устройств, содержащие корпус, в котором размещен полостной термоэмиссионный катод, полость которого сообщена с источником плазмообразующего вещества, и дополнительный электрод, размещенный внутри корпуса и электрически изолированный от него (например, патент N 2031472, по кл. H 01 J 37/077 за 1992 г.) Преимуществом таких катодов является возможность разогрева их тлеющим разрядом без использования омического нагревателя. The closest in technical essence to the claimed device is a cathode assembly of vacuum electric arc devices containing a housing in which there is a cavity thermionic emission cathode, the cavity of which is in communication with a plasma-forming substance source, and an additional electrode placed inside the housing and electrically isolated from it (for example, patent N 2031472, according to class H 01 J 37/077 for 1992) An advantage of such cathodes is the possibility of heating them by a glow discharge without using an ohmic heater.

К недостаткам такого катода следует отнести повышенный расход рабочего вещества и износ эмиттирующих поверхностей катода вследствие уноса продуктов испарения этих поверхностей с потоком рабочего вещества через полость. The disadvantages of such a cathode include increased consumption of the working substance and wear of the emitting surfaces of the cathode due to the entrainment of the products of evaporation of these surfaces with the flow of the working substance through the cavity.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение расхода рабочего вещества через катод и повышение ресурса катода вследствие снижения уноса материала катода из полости при его испарении, а также повышение надежности зажигания разряда в полости. The technical result of the claimed invention is to reduce the flow rate of the working substance through the cathode and to increase the cathode resource due to reduced ablation of the cathode material from the cavity during its evaporation, as well as to increase the reliability of ignition of the discharge in the cavity.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с прототипом термоэмиссионный катод выполнен в виде пакета пластин с соосными отверстиями, установленных с зазором друг относительно друга при помощи расположенных между ними дистанционирующих пластин с соосными отверстиями большего размера, при этом пластины образуют полости, с поверхностей которых осуществляется эмиссия электронов. The specified technical result is achieved in that, in comparison with the prototype, the thermionic cathode is made in the form of a package of plates with coaxial holes, installed with a gap relative to each other by means of spacing plates located between them with larger coaxial holes, while the plates form cavities from the surfaces of which electron emission is carried out.

Предусмотрены варианты выполнения узла, в котором дополнительный электрод выполнен в виде пластины с отверстием, соосным отверстиям остальных пластин и электрически изолированной от них; в котором дополнительный электрод выполнен в виде стержня и изолирован относительно корпуса; в котором на корпусе перед выходным отверстием в пластине катода установлен вспомогательный электрод поджига разряда; в котором в корпусе на пути потока плазмообразующего вещества установлен геттер; в котором установлен омический нагреватель. Embodiments of the assembly are provided in which the additional electrode is made in the form of a plate with a hole, coaxial holes of the remaining plates and electrically isolated from them; in which the additional electrode is made in the form of a rod and is insulated relative to the housing; in which an auxiliary ignition ignition electrode is mounted on the housing in front of the outlet in the cathode plate; in which a getter is installed in the housing in the path of the plasma-forming substance flow; in which an ohmic heater is installed.

Размещение электрода внутри корпуса, в области повышенной концентрации плазмообразующего вещества, облегчает зажигание дополнительного разряда (снижает напряжение пробоя), и разряд зажигается на внутренних, т.е. рабочих поверхностях эмиттера, нагревая преимущественно их. Placing the electrode inside the housing, in the region of increased concentration of plasma-forming substance, facilitates the ignition of an additional discharge (reduces the breakdown voltage), and the discharge is ignited on the internal ones, i.e. working surfaces of the emitter, heating them predominantly.

Сравнительный анализ признаков предлагаемого катодного узла и прототипа указывает на наличие новых существенных признаков, которые отсутствуют у прототипа и заключаются в том, что термоэмиссионный катод выполнен в виде пакета пластин с соосными отверстиями, установленных с зазором друг относительно друга при помощи, например, расположенных между ними дистанционирующих пластин с соосными отверстиями большего размера, при этом пластины образуют полости, с поверхностей которых осуществляется эмиссия электронов. A comparative analysis of the features of the proposed cathode assembly and prototype indicates the presence of new significant features that are absent in the prototype and that the thermionic cathode is made in the form of a package of plates with coaxial holes installed with a gap relative to each other using, for example, located between them spacing plates with coaxial holes of a larger size, while the plates form cavities from the surfaces of which electron emission is carried out.

Такой катод обладает преимуществами по сравнению с трубчатым полостным катодом, например, в части экономии расхода плазмообразующего вещества на единицу снимаемого тока, более низкой рабочей температуры и связанного с ней ресурса. Преимуществом такого катода перед диафрагмированным является повышенный ресурс, т.к. при износе выходного отверстия в пластине (диафрагме) и падении в прилегающей полости давления разряд и эмиссия перемещаются в следующую полость. Such a cathode has advantages in comparison with a tubular cavity cathode, for example, in terms of saving the consumption of a plasma-forming substance per unit of removed current, lower operating temperature and associated resource. The advantage of such a cathode over a diaphragm is an increased resource, because when the outlet in the plate (diaphragm) is worn and the pressure in the adjacent cavity decreases, the discharge and emission move to the next cavity.

Такое выполнение облегчает пробой за счет его заостренности и обеспечивает большое количество включений за счет значительной длины и массы электрода. Выполнение дополнительного электрода в виде пластины с отверстием, аналогичной пластинам эмиттера, улучшает прогрев пластин эмиттера дополнительным разрядом на развитых поверхностях, а также позволяет уменьшить габариты и вес катодного узла. Выполнение устройства с вспомогательным электродом поджига, установленным перед выходным отверстием эмиттера, способствует вытягиванию разряда из полости и облегчению зажигания основного разряда и снижению пускового износа катода. Размещение геттера на пути потока плазмообразующего вещества позволяет использовать развитую поверхность пластин эмиттера для эффективного нагрева геттера разрядом и повышения ресурса узла в целом. Размещение в катодном узле омического нагревателя в сочетании с прогревом дополнительным разрядом позволяет активировать эмиттер (при первом включении в работу), быстро вывести катод на рабочий режим, повышает надежность и снижает пусковой износ. This embodiment facilitates the breakdown due to its sharpness and provides a large number of inclusions due to the significant length and mass of the electrode. The implementation of an additional electrode in the form of a plate with a hole similar to the emitter plates improves the heating of the emitter plates by an additional discharge on developed surfaces, and also allows to reduce the dimensions and weight of the cathode assembly. The implementation of the device with an auxiliary ignition electrode installed in front of the emitter outlet, helps to extend the discharge from the cavity and facilitate ignition of the main discharge and reduce the starting wear of the cathode. Placing the getter in the path of the plasma-forming substance flow allows using the developed surface of the emitter plates to efficiently heat the getter with a discharge and increase the resource of the assembly as a whole. Placing an ohmic heater in the cathode assembly in combination with heating with an additional discharge allows the emitter to be activated (when it is first used), to quickly bring the cathode to operating mode, increases reliability and reduces starting wear.

Все изложенное выше доказывает необходимость и существенность предложенных отличий, поскольку они способствуют достижению указанного технического результата. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень". All of the above proves the necessity and materiality of the proposed differences, since they contribute to the achievement of the specified technical result. This allows us to conclude that the criterion of "inventive step".

Анализ существующей научно-технической и патентной литературы выявил отсутствие заявленной совокупности существенных признаков, хотя по отдельности они присутствуют в разных конструкциях катодных узлов. Однако, именно в заявленном сочетании они способны обеспечить указанный технический результат. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию новизны. The analysis of the existing scientific, technical and patent literature revealed the absence of the claimed combination of essential features, although individually they are present in different designs of the cathode assemblies. However, it is in the claimed combination that they are able to provide the specified technical result. Therefore, the claimed invention meets the criterion of novelty.

Предложенный катодный узел предназначен для использования в различных областях плазменной техники, применяемой в народном хозяйстве, в частности, в электроракетных двигателях, в металлургии для плазменного переплава металлов, для вакуумной сварки и т.д. там, где используются электродуговые разряды низкого давления. The proposed cathode assembly is intended for use in various fields of plasma technology used in the national economy, in particular, in electric rocket engines, in metallurgy for plasma remelting of metals, for vacuum welding, etc. where low pressure electric arc discharges are used.

Для заявленного катодного узла, в том виде, как он охарактеризован в заявке, подтверждена возможность его осуществления с помощью представленных в заявке материалов. Ясно, какого рода знания и опыт использованы для осуществления изобретения. For the claimed cathode assembly, as described in the application, the possibility of its implementation using the materials presented in the application is confirmed. It is clear what kind of knowledge and experience was used to implement the invention.

Заявочные материалы содержат убедительные доказательства того, как с помощью предложенного катодного узла можно достичь указанного технического результата. The application materials contain convincing evidence of how, using the proposed cathode assembly, it is possible to achieve the specified technical result.

Перечисленные выше доводы указывают на соответствие предлагаемого изобретения критерию "промышленная применимость". The above arguments indicate that the proposed invention meets the criterion of "industrial applicability".

Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан катодный узел в разрезе, на фиг.2 - фрагмент варианта узла с дополнительным электродом в виде пластины. The essence of the proposal is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a cathode assembly in section, Fig. 2 is a fragment of a variant of the assembly with an additional electrode in the form of a plate.

В корпусе 1 (фиг.1) помещен эмиттер, включающий пакет пластин 2 с отверстиями 3, образующими канал, сообщенный с подводом плазмообразующего вещества 4, разделенных дистанционирующими пластинами 5, с отверстиями 6, соосными отверстиям 3. Отверстия 6 и пластины 2 образуют полости, с поверхностей которых осуществляется эмиссия электронов, которые через отверстия 3 вытягиваются из катода в основной разряд. В корпусе 1 помещен дополнительный электрод 7, изолированный от корпуса изолятором 8. Внутри корпуса 1 может быть установлен геттер 9 в виде пористой структуры, размещенной на пути потока плазмообразующего вещества. На корпусе может быть размещен внешний вспомогательный пусковой электрод 10, изолированный от корпуса изолятором 11. Подвод тока к эмиттеру осуществляется с помощью токоподвода 12. В катодном узле может быть размещен омический нагреватель 13. An emitter is placed in the housing 1 (FIG. 1), including a package of plates 2 with openings 3 forming a channel in communication with the supply of plasma-forming substance 4, separated by spacer plates 5, with openings 6, coaxial openings 3. Holes 6 and plates 2 form cavities, from the surfaces of which electrons are emitted, which through holes 3 are drawn from the cathode into the main discharge. An additional electrode 7 is placed in the housing 1, insulated from the housing by an insulator 8. Inside the housing 1, a getter 9 can be installed in the form of a porous structure placed on the flow path of the plasma-forming substance. An external auxiliary starting electrode 10, isolated from the housing by an insulator 11, can be placed on the housing. The current is supplied to the emitter using a current lead 12. An ohmic heater 13 can be placed in the cathode assembly.

Действует катод следующим образом. В корпус 1 через подвод 4 подается плазмообразующее вещество - газ, которое, проходя через геттер 9, отверстия 3 и 6, образующие канал с полостями, вытекает наружу, в вакуум, поддерживает необходимую концентрацию среды в полостях эмиттера. На эмиттер с помощью токоподвода 12 и на дополнительный электрод 7, разделенные изолятором 8, подается разность потенциалов, достаточная для пробоя и зажигания тлеющего разряда, который разогревает рабочие поверхности эмиттера и образует плазму в полостях и канале эмиттера. Для облегчения вытягивания электронов из разряда разность потенциалов может быть подана между эмиттером (пластины 2 и 5) и отделенным изолятором 11 внешним вспомогательным электродом 10. При разности потенциалов между эмиттером катода и внешним анодом (на чертежах не показан) зажигается основной разряд, катодный процесс в котором обеспечивается эмиссией электронов с нагретых поверхностей пластин 2 и 5 в отверстиях 3 и 6, образующих канал с поперечными полостями, имеющими развитые рабочие поверхности. Омический нагреватель 13 при необходимости осуществляет предварительный прогрев катодного узла. The cathode operates as follows. A plasma-forming substance, gas, is supplied into the housing 1 through the inlet 4, which, passing through the getter 9, openings 3 and 6, forming a channel with cavities, flows out into the vacuum, maintains the necessary concentration of the medium in the emitter cavities. A potential difference sufficient to breakdown and ignite a glow discharge, which heats the working surfaces of the emitter and forms a plasma in the cavities and channel of the emitter, is supplied to the emitter using a current lead 12 and to an additional electrode 7, separated by an insulator 8. To facilitate the pulling of electrons from the discharge, a potential difference can be supplied between the emitter (plates 2 and 5) and the external auxiliary electrode 10 separated by the insulator 11. When the potential difference between the cathode emitter and the external anode (not shown) is ignited, the main discharge which is provided by the emission of electrons from the heated surfaces of the plates 2 and 5 in the holes 3 and 6, forming a channel with transverse cavities having developed working surfaces. The ohmic heater 13, if necessary, preheats the cathode assembly.

Такое выполнение катодного узла позволяет быстро и надежно подготовить катод к включению в работу, причем использовать тот набор признаков, который наиболее со ответствует условиям работы системы в целом. Кроме того, такое выполнение катодного узла открывает дополнительные возможности реализации эмиттера, обеспечивающие его ресурсные характеристики путем последовательного включения в работу следующих полостей при износе предыдущих, а также путем варьирования материалов пластин 2 и 5, образующих рабочие полости. This embodiment of the cathode assembly makes it possible to quickly and reliably prepare the cathode for inclusion in the work, and to use the set of features that most suits the working conditions of the system as a whole. In addition, this embodiment of the cathode assembly opens up additional possibilities for the implementation of the emitter, ensuring its resource characteristics by sequentially switching on the following cavities when the previous ones are worn, as well as by varying the materials of the plates 2 and 5 forming the working cavities.

Claims

1. A cathode assembly comprising a casing in which a cavity thermionic cathode is placed, the cavity of which is in communication with an external source of plasma-forming substance, and an additional electrode placed inside the casing and electrically isolated from it, characterized in that the thermionic cathode is made in the form of a package of plates with coaxial holes installed with a gap relative to each other using spacing plates located between them with coaxial holes of a larger size, while the plates form a floor spines from the surfaces of which electron emission occurs.

2. The cathode assembly according to claim 1, characterized in that the additional electrode is made in the form of a plate with a hole, coaxial holes of the remaining plates, and an electric one isolated from them.

3. The cathode assembly according to claim 1, characterized in that the additional electrode is made in the form of a rod and is insulated relative to the housing.

4. The cathode assembly according to claims 1 to 3, characterized in that on the casing in front of the outlet in the cathode plate an auxiliary electrode for ignition of the discharge is installed.

5. The cathode assembly according to claims 1 to 4, characterized in that a getter is installed in the housing in the path of the plasma-forming substance flow.

6. The cathode assembly according to claims 1 to 5, characterized in that an ohmic heater is installed in it.