RU2168793C1

RU2168793C1 - Compensating cathode

Info

Publication number: RU2168793C1
Application number: RU2000112131A
Authority: RU
Inventors: В.В. Гопанчук; Ю.М. Горбачев; К.Н. Козубский
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2001-06-10

Abstract

FIELD: compensating heater cathodes neutralizing ion beams in plasma accelerators and auxiliary plasma sources. SUBSTANCE: compensating cathode has igniter electrode 1 that houses coaxially mounted holder 2; the latter carries insulating tube 3 surrounded by heat shields 3, coil of heater 5 placed around emission unit 6 accommodating heated emitter 7 with duct and gas feeding pipe 8; wire 9 is wound on heater coil at winding pitch larger than wire diameter; wire is covered with material 10 chemically inactive to contacting material. Heater is surrounded in longitudinal direction by at least one end heat shield 11 provided with central hole. Heater coil may be covered with material chemically inactive to surrounding materials, emissivity factor being at least 0.3. EFFECT: improved shape stability within coil-shaped heater, enhanced reliability and service life. 2 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к накальным катодам-компенсаторам на газообразных рабочих телах, и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках плазмы для ионноплазменной обработки поверхности материалов в вакууме. The invention relates to a plasma technique, namely to filament compensator cathodes on gaseous working fluids, and can be used in the development of electric reactive engines to neutralize the ion beam, as well as in technological plasma sources for ion-plasma surface treatment of materials in vacuum.

Известен катод-компенсатор, содержащий поджигной электрод, в котором соосно ему размещен цилиндрический держатель нагревателя, на котором установлена изоляционная трубка, охватывающая спираль нагревателя с размещенным внутри нее эмиссионным узлом, в полости которого установлен термоэмиттер с каналом, и трубку подвода газа [1]. A known cathode-compensator containing an ignition electrode, in which a cylindrical heater holder is mounted coaxially to it, on which an insulating tube is installed, enclosing the heater spiral with an emission assembly located inside it, in the cavity of which there is a thermal emitter with a channel and a gas supply tube [1].

Известный катод-компенсатор имеет следующие недостатки. The known cathode-compensator has the following disadvantages.

В процессе запуска и разогрева эмиссионного узла с эмиттером до высокой рабочей температуры жесткость нагревателя снижается, что отрицательно сказывается на формоустойчивости в пространстве спиралеобразного нагревателя. В результате этого происходит, во-первых, провисание витков нагревателя в поперечном направлении, приводящее к соприкосновению с изоляционной трубкой, а это приводит к химическому взаимодействию и образованию окислов, нитридов и хлоридов конструкционных материалов, что вызывает разрушение деталей; во-вторых, деформация спиралеобразного нагревателя в продольном направлении, приводящая к соприкосновению и закорачиванию соседних витков, что в свою очередь приводит к изменению электрических параметров нагревателя, а такая нестабильность приведет к изменению пусковых режимов. In the process of starting and heating the emission unit with the emitter to a high operating temperature, the stiffness of the heater decreases, which negatively affects the dimensional stability in the space of the spiral heater. As a result of this, firstly, sagging of the turns of the heater in the transverse direction, leading to contact with the insulating tube, and this leads to chemical interaction and the formation of oxides, nitrides and chlorides of structural materials, which causes the destruction of parts; secondly, the deformation of the spiral-shaped heater in the longitudinal direction, leading to the contact and shorting of adjacent turns, which in turn leads to a change in the electrical parameters of the heater, and such instability will lead to a change in the starting conditions.

Известен катод-компенсатор, принятый за прототип, содержащий поджигной электрод, в котором соосно ему размещен цилиндрический держатель нагревателя, на котором установлена изоляционная трубка, окруженная тепловыми экранами, спираль нагревателя с опорным кольцом, охватывающая эмиссионный узел, в полости которого размещен термоэмиттер с каналом, и трубку подвода газа [2]. A known cathode-compensator, adopted for the prototype, containing a firing electrode, in which a cylindrical heater holder is mounted coaxially to it, on which an insulating tube is installed, surrounded by heat shields, a heater spiral with a support ring, covering the emission unit, in the cavity of which there is a thermal emitter with a channel, and a gas supply pipe [2].

В прототипе по сравнению с аналогом увеличена устойчивость средней части спиралеобразного нагревателя при высоких температурах за счет введения опорного кольца, которое опирается в изоляционную трубку и тем самым исключает межвитковое закорачивание нагревателя и касание других элементов конструкции. In the prototype, in comparison with the analogue, the stability of the middle part of the spiral heater at high temperatures is increased due to the introduction of a support ring that rests in the insulating tube and thereby eliminates the inter-turn shorting of the heater and touching other structural elements.

Однако и такая конструкция нагревателя катода-компенсатора имеет свои недостатки. However, this design of the cathode-compensator heater has its drawbacks.

Введение опорного кольца связано со следующими негативными особенностями. Для обеспечения достаточной устойчивости в пространстве спиралеобразного нагревателя необходимо, чтобы соединение с опорным кольцом было выполнено минимум на 3/4 длины одного витка. Кроме того, спиралеобразный нагреватель имеет шаг навивки. Все эти факторы свидетельствуют, что такое опорное кольцо будет иметь достаточно большую массу, а следовательно, и высокую теплоемкость. Поэтому в процессе разогрева нагреватель будет иметь два температурных максимума для каждого участка по обе стороны опорного кольца. Средняя часть эмиттера будет всегда опаздывать с прогревом, а такая неравномерность приведет к неэффективному прогреву рабочей части эмиссионного узла. Такой температурный дисбаланс при многократных циклических включениях снижает надежность и ограничивает срок службы катода-компенсатора. The introduction of the support ring is associated with the following negative features. To ensure sufficient stability in the space of the spiral heater, it is necessary that the connection with the support ring was made at least 3/4 of the length of one turn. In addition, the spiral heater has a winding pitch. All these factors indicate that such a support ring will have a sufficiently large mass, and therefore a high heat capacity. Therefore, during heating, the heater will have two temperature maximums for each section on both sides of the support ring. The middle part of the emitter will always be late with heating, and such unevenness will lead to inefficient heating of the working part of the emission unit. Such a temperature imbalance with repeated cyclic inclusions reduces reliability and limits the life of the cathode-compensator.

Кроме того, размещение опорного кольца непосредственно на одном витке самой спирали при воздействии механических нагрузок будет приводить к смещению в любом направлении средней части спирали нагревателя, увеличивая внутренние напряжения витков, которые при разогреве также будут приводить к изменению геометрии спирали. In addition, the placement of the support ring directly on one coil of the spiral itself under the action of mechanical loads will lead to a displacement in any direction of the middle part of the heater spiral, increasing the internal stresses of the coils, which, when heated, will also lead to a change in the geometry of the spiral.

Для катодов-компенсаторов большой мощности "разбиение" нагревателя на несколько нагревных участков за счет введения опорных колец не позволит решить задачу по повышению устойчивости в пространстве спиралеобразного нагревателя. Повышение мощности предполагает увеличение сопротивления нагревателя за счет длины спирали и диаметра навивки, а это только снижает собственную жесткость нагревателя. For compensating cathodes of high power, the “splitting” of the heater into several heating sections due to the introduction of support rings will not solve the problem of increasing the stability in the space of a spiral heater. An increase in power implies an increase in heater resistance due to the length of the spiral and the diameter of the winding, and this only reduces the heater’s own stiffness.

Целью изобретения является повышение устойчивости в пространстве спиралеобразного нагревателя в условиях высоких температур и обеспечение более равномерного разогрева эмиттера и как следствие повышение надежности и ресурса работы катода-компенсатора в процессе его эксплуатации. The aim of the invention is to increase the stability in the space of a spiral-shaped heater at high temperatures and to ensure more uniform heating of the emitter and, as a result, to increase the reliability and service life of the cathode-compensator during its operation.

Это достигается тем, что в катоде-компенсаторе, содержащем поджигной электрод, внутри которого установлен держатель нагревателя, на котором установлена изоляционная трубка, окруженная тепловыми экранами, спираль нагревателя, охватывающая эмиссионный узел, в полости которого размещен термоэмиттер с каналом, и трубку подвода газа, согласно изобретению спираль нагревателя обвита проволокой с шагом обвивки больше диаметра проволоки, причем проволока покрыта слоем материала, химически пассивного к контактирующим материалам. С одного торца нагревателя дополнительно может быть установлен по меньшей мере один торцевой тепловой экран с центральным отверстием. Спираль нагревателя может быть покрыта слоем материала, химически пассивного к окружающим материалам, со степенью черноты не менее чем 0,3. This is achieved by the fact that in the cathode-compensator containing the ignition electrode, inside which there is a heater holder, on which an insulating tube is installed, surrounded by heat shields, a heater spiral covering the emission unit, in the cavity of which a thermoemitter with a channel is placed, and a gas supply tube, according to the invention, the heater spiral is entwined with a wire with an increment of entanglement greater than the diameter of the wire, the wire being coated with a layer of material chemically passive to the contacting materials. At one end of the heater, at least one end heat shield with a central opening can be additionally installed. The spiral of the heater may be coated with a layer of material chemically passive to the surrounding materials, with a degree of blackness of not less than 0.3.

Предлагаемая конструкция катода-компенсатора позволяет повысить устойчивость спиралеобразного нагревателя в пространстве, особенно в катодах большой мощности, за счет армирования поверхности спирали нагревателя при помощи плотной обвивки проволокой (например, вольфрам-рениевая проволока малого диаметра). Это позволяет опереть протяженную рабочую часть спирали нагревателя на внутреннюю поверхность изоляционной трубки на большей длине и исключить тем самым изменение геометрической формы в радиальном направлении. Кроме того, значительно увеличивается устойчивость спирали нагревателя в продольном направлении, что в условиях высоких температур исключает "сползание" витков в одном из направлений и позволяет избавиться от межвиткового замыкания соседних витков. Также дополнительное повышение устойчивости за счет снижения рабочей температуры спирали нагревателя при прочих равных условиях достигается при помощи покрытия непосредственно самой спирали нагревателя слоем материала, повышающего степень черноты поверхности до 0,3 и выше. При этом снижается рабочая температура спирали нагревателя как минимум на ~ 150^oC и теплонапряженность в конструкции, и как следствие повышается надежность работы катода-компенсатора в целом.The proposed design of the cathode-compensator allows to increase the stability of the spiral heater in space, especially in high-power cathodes, by reinforcing the surface of the heater spiral by means of a dense wrapping with a wire (for example, small diameter tungsten-rhenium wire). This allows you to lean the extended working part of the heater spiral on the inner surface of the insulating tube over a greater length and thereby eliminate the change in geometric shape in the radial direction. In addition, the stability of the heater spiral in the longitudinal direction is significantly increased, which at high temperatures eliminates the "sliding" of the turns in one of the directions and eliminates the inter-turn closure of adjacent turns. Also, an additional increase in stability by lowering the operating temperature of the heater spiral, all other things being equal, is achieved by directly coating the heater spiral itself with a layer of material that increases the degree of blackness of the surface to 0.3 and higher. This reduces the operating temperature of the heater spiral by at least ~ 150 ^o C and the thermal stress in the structure, and as a result, the reliability of the cathode-compensator as a whole increases.

Нанесение химически пассивного покрытия на проволоку обвивки позволяет избежать химического взаимодействия и диффузионных процессов между прилегающими материалами, в результате чего исключаются необратимые изменения формы деталей, их охрупчивание с последующим растрескиванием, что позволяет увеличить количество включений и срок службы катода-компенсатора. Applying a chemically passive coating to the wire leads to avoid chemical interaction and diffusion processes between adjacent materials, as a result of which irreversible changes in the shape of parts, their embrittlement with subsequent cracking are eliminated, which allows to increase the number of inclusions and the service life of the cathode-compensator.

Задача более равномерного прогрева эмиссионного узла в продольном направлении решена за счет равномерного размещения обвивочной проволоки по спирали нагревателя, которая обладает малой теплоемкостью, и отток тепла в начальный момент разогрева будет минимальным, а это приведет к повышению эффективности разогрева эмиттера. Дополнительные мероприятия по снижению тепловых потерь достигаются за счет установки по меньшей мере с одного торца нагревателя дополнительных торцевых тепловых экранов с центральным отверстием. The problem of more uniform heating of the emission unit in the longitudinal direction was solved by uniformly placing the wrapping wire in a spiral of the heater, which has low heat capacity, and the heat outflow at the initial time of heating will be minimal, and this will increase the efficiency of heating the emitter. Additional measures to reduce heat loss are achieved by installing at least one end of the heater additional end heat screens with a central hole.

Изобретение проиллюстрировано чертежами, где:
на фиг. 1 изображен предлагаемый катод-компенсатор, продольный разрез;
на фиг. 2 изображена спираль нагревателя, обвитая проволокой с покрытием, химически пассивным к материалу керамической трубки, с помощью которой выполнена опора спирали нагревателя на изоляционную трубку (выносной элемент А).The invention is illustrated by drawings, where:
in FIG. 1 shows the proposed cathode-compensator, a longitudinal section;
in FIG. 2 shows a heater spiral wrapped in a wire with a coating chemically passive to the material of the ceramic tube, with the help of which the heater spiral is supported on an insulating tube (remote element A).

Катод-компенсатор содержит поджигной электрод 1, внутри которого соосно ему установлен держатель 2 нагревателя, на котором установлена изоляционная трубка 3, окруженная тепловыми экранами 4, спираль нагревателя 5, охватывающая эмиссионный узел 6, в полости которого размещен термоэмиттер 7 с каналом, и трубку подвода газа 8, причем спираль нагревателя 5 обвита проволокой 9 с шагом обвивки больше диаметра проволоки, причем проволока 9 покрыта слоем материала 10, химически пассивного к контактирующим материалам. В продольном направлении нагреватель защищен дополнительными торцевыми тепловыми экранами 11. The cathode-compensator contains a firing electrode 1, inside of which a heater holder 2 is mounted coaxially to it, on which an insulating tube 3 is mounted, surrounded by heat shields 4, a heater spiral 5 covering the emission unit 6, in the cavity of which a thermoemitter 7 with a channel is placed, and a supply tube gas 8, moreover, the spiral of heater 5 is entwined with wire 9 with an increment of entrapment greater than the diameter of the wire, and wire 9 is coated with a layer of material 10 chemically passive to the contacting materials. In the longitudinal direction, the heater is protected by additional end heat shields 11.

Катод-компенсатор работает следующим образом. The cathode-compensator operates as follows.

Рабочее тело (например, ксенон) по трубке подвода газа 8 поступает в полость держателя 2, а затем в полость эмиссионного узла 6. С помощью спирали нагревателя 5 разогревают термоэмиттер 7 до температуры, обеспечивающей необходимую эмиссию электронов, достаточную для поддержания стабильного электрического разряда между термоэмиттером и анодом (не показан) ускорителя плазмы. Подается пусковое напряжение на поджигной электрод 1, и происходит зажигание стартового разряда между поджигным электродом 1 и термоэмиттером 7 и образовавшаяся плазма обеспечивает возникновение основного разряда. После зажигания основного разряда пусковое напряжение с поджигного электрода отключается, и катод-компенсатор работает в авторежиме, при котором необходимая энергия для поддержания условий работы поступает от основного разряда. В процессе запуска происходит резкий разогрев самой спирали нагревателя 5, при этом проволока 9 с покрытием 10, опираясь на изоляционную трубку 3, удерживает спираль в номинальном положении как в радиальном, так и в продольном направлениях. Тепловой поток за счет излучения в процессе работы снижается при помощи дополнительных тепловых экранов 11. The working fluid (for example, xenon) through the gas supply pipe 8 enters the cavity of the holder 2, and then into the cavity of the emission unit 6. Using the spiral of the heater 5, heat the emitter 7 to a temperature that provides the necessary electron emission sufficient to maintain a stable electrical discharge between the thermo emitter and an anode (not shown) of the plasma accelerator. A starting voltage is applied to the ignition electrode 1, and a start discharge is ignited between the ignition electrode 1 and the thermal emitter 7, and the resulting plasma provides the occurrence of the main discharge. After ignition of the main discharge, the starting voltage from the ignition electrode is turned off, and the cathode-compensator operates in auto mode, in which the necessary energy to maintain operating conditions comes from the main discharge. In the process of starting, the spiral of the heater 5 itself is sharply heated, while the wire 9 with the coating 10, resting on the insulating tube 3, holds the spiral in its nominal position both in the radial and longitudinal directions. The heat flux due to radiation during operation is reduced by using additional heat shields 11.

Источники информации
1 Патент РФ N 2030016, кл. 6 H 01 J 37/077, F 03 H 1/00, H 05 H 1/54.Sources of information
1 RF Patent N 2030016, cl. 6 H 01 J 37/077, F 03 H 1/00, H 05 H 1/54.

2 Патент РФ N 2012946, кл. 5 H 01 J 37/077, F 03 H 1/00 - прототип. 2 RF Patent N 2012946, cl. 5 H 01 J 37/077, F 03 H 1/00 - prototype.

Claims

1. A cathode-compensator containing a firing electrode, inside which a heater holder is mounted coaxially to it, on which an insulating tube is installed, surrounded by heat shields, a heater spiral covering the emission unit, in the cavity of which there is a thermal emitter with a channel, and a gas supply tube, characterized in that the heater spiral is entwined with a wire with an increment of entanglement greater than the diameter of the wire, and the wire is coated with a layer of material chemically passive to the contacting materials.

2. The cathode-compensator according to claim 1, characterized in that at least one end of the heater is additionally equipped with at least one end heat shield with a central hole.

3. The cathode-compensator according to claim 1, characterized in that the heater spiral is coated with a layer of material chemically passive to the surrounding materials, with a degree of blackness of not less than 0.3.