RU2662795C1

RU2662795C1 - Hollow cathode

Info

Publication number: RU2662795C1
Application number: RU2017113445A
Authority: RU
Inventors: Григорий Александрович Парахин; Денис Александрович Семененко; Константин Николаевич Козубский; Денис Сергеевич Рябов
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" ФГУП "ОКБ "Факел"
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2018-07-31

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of plasma technology, namely hollow cathodes operating on gaseous working bodies and can be used in electrically reactive engines to neutralize the ion flow, as well as in technological plasma sources intended for ion-plasma treatment of surfaces of various materials in a vacuum, and also as an autonomous functioning plasma source. In the hollow cathode containing hollow capsule 1, where inside emitter 2 is placed, the inlet channel of working body 3, outlet 4 and starting electrode 5, on the output side of the starting electrode, there is cantilever screen 6 that extends to the emitter and forms axial gap 7 relative to the hollow capsule. Starting electrode 5 and console screen 6a are formed integrally. Console screen is preferably made of refractory metals or alloys based on them.EFFECT: wider field of use.3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к полым катодам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано как в составе электрореактивных двигателей для нейтрализации (или компенсации объемного заряда ионов) ускоренного ионного потока плазмы, так и в составе технологических источников плазмы, применяемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в условиях вакуума, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы [Патент РФ №2219683, кл. 7 Н05Н 1/24, 1/54, F03H 1/00].The invention relates to plasma technology, in particular to hollow cathodes operating on gaseous working fluids, and can be used both as a part of electric reactive engines to neutralize (or compensate for the space charge of ions) an accelerated ion plasma flow, and as a part of technological plasma sources used for ion-plasma treatment of surfaces of various materials in a vacuum, as well as an autonomously functioning plasma source [RF Patent No. 2219683, cl. 7 H05H 1/24, 1/54, F03H 1/00].

Малые космические аппараты (КА) располагают небольшой бортовой мощностью, поэтому и все применяемое на них оборудование, включая компоненты ЭРД, должны при минимальной потребляемой мощности обеспечивать необходимые параметры и характеристики. Кроме этого, и запасы рабочего тела для работы ЭРД на борту малого КА также ограничены. Поэтому применяемые на малых КА ЭРД, включая полый катод, должны быть надежными, эффективными и сверхэкономичными, что и предопределяет необходимость создания и разработки малорасходного полого катода.Small spacecraft (SC) have a small onboard power, therefore, all equipment used on them, including the components of the electric propulsion, should at the minimum power consumption provide the necessary parameters and characteristics. In addition, the reserves of the working fluid for the operation of electric propulsion on board a small spacecraft are also limited. Therefore, the electric propulsion used on small spacecraft, including the hollow cathode, must be reliable, efficient and super-efficient, which determines the need to create and develop a low-consumption hollow cathode.

Наиболее широкое применение в технике нашли катоды двух разновидностей. Катоды накального типа, в которых разогрев эмиттера до рабочей температуры эмиссии осуществляется при помощи специального нагревателя [Н.В. Белан, В.П. Ким, А.И. Оранский, В.Б. Тихонов. Стационарные плазменные двигатели // Харьков: Харьк. авиац. ин-т, 1989, стр. 140]. Катоды без специального нагревателя для разогрева эмиттера называются безнакальными [Патент РФ №2031472, кл. 6 H01J 37/077, F03H 1/00, Н05Н 1/54, J.A. Burkhart, G.R. Seikel, J. Spacecraft and Rockets, v. 9, №7, 1972], в них разогрев эмиттера до рабочей температуры происходит за счет начальной тепловой энергии, выделяющейся в момент запуска при подаче высоковольтного пускового импульса, например 800-1000 В и выше, при помощи пускового электрода и последующим переходом к функционированию его в авторежиме термоэмиссии электронов. В обеих схемах электрической цепью «катод» является непосредственно эмиттер совместно с поддерживающими его и сопрягаемыми с ним деталями.The most widely used in technology are the cathodes of two varieties. Filament-type cathodes in which the emitter is heated to the operating temperature of the emission by a special heater [N.V. Belan, V.P. Kim, A.I. Oransky, V.B. Tikhonov. Stationary plasma engines // Kharkov: Khark. Aviation Institute, 1989, p. 140]. Cathodes without a special heater for heating the emitter are called non-implicit [RF Patent No. 2031472, cl. 6 H01J 37/077, F03H 1/00, H05H 1/54, J.A. Burkhart, G.R. Seikel, J. Spacecraft and Rockets, v. 9, No. 7, 1972], in which the emitter is heated to operating temperature due to the initial heat energy released at the time of starting when a high-voltage starting pulse, for example 800-1000 V and above, is supplied with the help of a starting electrode and its subsequent transition to functioning in the automatic mode of electron thermal emission. In both circuits, the “cathode” electric circuit is the emitter directly, together with its supporting and mating parts.

Известен полый катод, содержащий полую капсулу с торцевыми стенками и проходными отверстиями рабочего тела входа и выхода, внутри которой размещен эмиттер и пусковой электрод [Патент РФ №2030016, кл. 7 H01J 37/077, F03H 1/00].Known hollow cathode containing a hollow capsule with end walls and passage holes of the working fluid inlet and outlet, inside which is placed an emitter and a starting electrode [RF Patent No. 2030016, cl. 7 H01J 37/077, F03H 1/00].

Недостатком такого известного полого катода является узкая область его применения из-за неработоспособности в режимах с малым расходом рабочего тела.A disadvantage of such a known hollow cathode is the narrow scope of its application due to inoperability in low flow rate modes.

Известен полый катод, принятый за прототип, содержащий полую капсулу с торцевыми стенками, внутри которой размещен эмиттер, который внешней цилиндрической поверхностью сопряжен с внутренней поверхностью полой капсулы, входной канал рабочего тела, выходное отверстие и пусковой электрод [Патент РФ №2012946, кл. 7 Н01J 37/077, F03H 1/00].Known hollow cathode, adopted for the prototype, containing a hollow capsule with end walls, inside which an emitter is placed, which is connected by an outer cylindrical surface to the inner surface of the hollow capsule, the input channel of the working fluid, the outlet and the starting electrode [RF Patent No. 2012946, cl. 7 H01J 37/077, F03H 1/00].

И такому известному полому катоду присущи недостатки аналога, обусловленные ограничениями работоспособности по допускаемому минимальному расходу рабочего тела. Функционирование такого известного полого катода в составе ЭРД малой мощности происходит с затруднениями, состоящими в ненадежности запусков и дополнительными затратами мощности при стационарной работе для обеспечения стабильности.And such a well-known hollow cathode has inherent disadvantages of the analogue due to limitations in working capacity for the permissible minimum flow rate of the working fluid. The functioning of such a known hollow cathode as part of a low power electric propulsion system is difficult due to unreliable starts and additional power consumption during stationary operation to ensure stability.

Основная причина заключается в том, что массовый расход газа в собственном канале эмиттера влияет на протяженность активной зоны эмиссии электронов следующим образом: при повышенных расходах активная зона сжимается со смещением к выходу эмиттера, тогда как при уменьшении расхода активная зона расширяется, уходя от выходного торца эмиттера вглубь канала. Таким образом, при малых расходах рабочего газа эффективность эмиссии активной зоны снижается по причине более затрудненного проникновения разряда вглубь канала эмиттера (в особенности к границе начала активной зоны) и, тем самым, равномерно-распределенной теплопередачи энергии разряда всей активной зоне, необходимой для обеспечения и поддержания рабочей температуры всей протяженной активной зоны, что дополнительно усугубляется и тепловыми потерями обратно в конструкцию [Оранский А.И., Долгов А.С., Таран А.А. Газоразрядные полые высокоэмиссионные катоды. Том 1. Основы проектирования. Национальный аэрокосмический институт им. Н.Е. Жуковского, 2011 г.]. Таким образом, относительно малые расходы рабочего газа принципиально усложняют работу полого катода.The main reason is that the mass gas flow in the emitter’s own channel affects the length of the active zone of electron emission as follows: at increased flow rates, the active zone is compressed with a shift to the emitter’s output, while when the flow decreases, the active zone expands away from the output end of the emitter deep into the channel. Thus, at low flow rates of the working gas, the efficiency of core emission decreases due to a more difficult discharge penetrating deep into the emitter channel (especially to the boundary of the beginning of the core) and, therefore, evenly distributed heat transfer of the discharge energy to the entire core, which is necessary to ensure and maintaining the operating temperature of the entire extended core, which is further exacerbated by heat losses back to the structure [Oransky AI, Dolgov AS, Taran AA Gas-discharge hollow high-emission cathodes. Volume 1. Basics of design. National Aerospace Institute. NOT. Zhukovsky, 2011]. Thus, the relatively low consumption of working gas fundamentally complicates the work of the hollow cathode.

При создании изобретения решалась задача по расширению области применения полого катода.When creating the invention, the problem was solved to expand the scope of the hollow cathode.

Указанный технический результат достигается тем, что в полом катоде, содержащим полую капсулу, внутри которой размещен эмиттер, входной канал рабочего тела, выходное отверстие и пусковой электрод, согласно изобретению, со стороны выхода на пусковой электрод установлен консольный экран, который простирается к эмиттеру и образует относительно полой капсулы осевой зазор. Пусковой электрод и консольный экран могут быть сделаны цельно. Консольный экран предпочтительней изготовлять из тугоплавких металлов или сплавов на их основе.The specified technical result is achieved by the fact that in the hollow cathode containing a hollow capsule inside which an emitter is placed, an input channel of the working fluid, an outlet and a trigger electrode, according to the invention, a cantilever screen is installed on the outlet side of the trigger electrode, which extends to the emitter and forms axial clearance relative to the hollow capsule. The trigger electrode and the console screen can be made whole. The console screen is preferable to be made of refractory metals or alloys based on them.

Установка на пусковом электроде дополнительного консольного экрана позволяет решить задачу по расширению области применения полого катода, в частности, для режимов работы при сверхмалых расходах газа, путем, с одной стороны, уменьшения пробойного промежутка между электрической цепью «катод» и пусковым электродом, а, с другой стороны, локального обеспечения в рабочей зоне электрического пробоя повышенной плотности газа за счет сепаратных функций консольного полого экрана, который собой ограничивает зону выхода газа и электронов минимального объема, препятствуя при этом рассеиванию части рабочего тела по всему внутреннему объему конструкции. Формирование в рабочей зоне перед эмиттером локальной области повышенной плотности рабочего газа повышает вероятность и способствует улучшению условий для электрического пробоя [М.Д. Гуревич, М.Д. Гуревич. Электровакуумные приборы. М.: Военное издательство Министерства обороны Союза ССР, 1960, с. 330-338].The installation of an additional cantilever screen on the starting electrode allows us to solve the problem of expanding the scope of application of the hollow cathode, in particular, for operating modes at extremely low gas flow rates, by, on the one hand, reducing the breakdown gap between the cathode electric circuit and the starting electrode, a, s on the other hand, local provision in the working zone of electric breakdown of increased gas density due to the separate functions of the cantilever hollow screen, which limits the exit zone of gas and electrons to a minimum ceiling elements volume, thus preventing dissipation of the working part of the body around the internal construction volume. The formation in the working zone in front of the emitter of the local region of increased density of the working gas increases the probability and helps to improve the conditions for electrical breakdown [M.D. Gurevich, M.D. Gurevich. Vacuum devices. M .: Military Publishing House of the Ministry of Defense of the USSR, 1960, p. 330-338].

Изготовление пускового электрода и консольного экрана в виде единой цельной конструкции позволит избежать избыточного электрического контактного сопротивления, снизить потери и обеспечить на данном участке целостность электрической цепи.The manufacture of the starting electrode and the cantilever screen in the form of a single integral design will allow to avoid excessive electrical contact resistance, reduce losses and ensure the integrity of the electric circuit in this section.

Изготовление консольного экрана из тугоплавких металлов или сплавов на их основе позволяет решить задачу повышения надежности и стойкости в условиях действия высоких температур и ионной бомбардировки струи ЭРД.The manufacture of a cantilever screen from refractory metals or alloys based on them allows us to solve the problem of increasing reliability and durability under conditions of high temperatures and ion bombardment of the jet.

Таким образом, полый катод, изготовленный согласно изобретению, в котором пусковой электрод дополнительно снабжен консольным экраном, свободный край которого расположен перед полой капсулой с эмиттером с осевым зазором, уменьшив тем самым пробойный промежуток в рабочей зоне, позволяет добиться надежного запуска и стабильной работы на режимах сверхмалых расходов (менее 0,1 мг/с), расширив тем самым его функциональные возможности.Thus, the hollow cathode made according to the invention, in which the starting electrode is additionally equipped with a cantilever screen, the free edge of which is located in front of the hollow capsule with an emitter with axial clearance, thereby reducing the breakdown gap in the working area, allows for reliable start-up and stable operation in the modes ultra-low costs (less than 0.1 mg / s), thereby expanding its functionality.

Изобретение иллюстрируется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлен продольный разрез полого катода, на котором также условно показан источник электрического питания и схема его подключения к токопроводящим элементам полого катода.In FIG. 1 shows a longitudinal section of a hollow cathode, which also conventionally shows an electric power source and a circuit for connecting it to the conductive elements of the hollow cathode.

На фиг. 2 показан выносной элемент А, на котором представлен вариант цельной конструкции пускового электрода с консольным экраном.In FIG. 2 shows a remote element A, which shows a variant of the integral design of the trigger electrode with a cantilever screen.

Полый катод содержит полую капсулу 1, внутри которой расположен эмиттер 2, входной канал подвода рабочего тела 3, выходное отверстие 4 для выхода эмитируемых электронов

в окружающее пространство и пусковой электрод 5. На пусковом электроде установлен консольный экран 6, который обращен к эмиттеру 2, так что между свободным концом консольного экрана 6 и полой капсулой 1 образован осевой зазор 7. Источник электрического питания подключается к элементам полого катода следующим образом: токоподводящая линия подачи импульса запуска (клемма "+" источника электрического питания) присоединяется к токопроводящим элементам пускового электрода 5, а другой токоподвод (клемма "-" источника электрического питания) осуществляется к токопроводящим элементам полой капсулы 1 с эмиттером 2. При другом варианте конструкции пусковой электрод 5 и консольный экран 6а могут быть сделаны в виде частей одной цельной детали.The hollow cathode contains a hollow capsule 1, inside of which there is an emitter 2, an input channel for supplying a working fluid 3, an outlet 4 for the exit of emitted electrons

into the surrounding space and the starting electrode 5. A console screen 6 is installed on the starting electrode, which faces the emitter 2, so that an axial clearance is formed between the free end of the console screen 6 and the hollow capsule 1. The electric power source is connected to the hollow cathode elements as follows: the lead-in current supply line (terminal "+" of the electric power source) is connected to the conductive elements of the start electrode 5, and the other current path (terminal "-" electric power source) is tvlyaetsya to the conductive elements of the capsule 1 with a hollow emitter 2. In another embodiment, the trigger electrode 5 and the console screen 6a may be made in the form of parts of a single integral piece.

Полый катод работает следующим образом.The hollow cathode operates as follows.

Рабочее тело (например, газообразный ксенон), поступающее в полый катод, ионизируется при электрическом разряде в газовой среде при подаче напряжения по токоподводящей линии подачи пускового импульса (клемма "+" источника электрического питания) через пусковой электрод 5 к консольному экрану 6, при этом клемма "-" источника электрического питания присоединена к токопроводящим элементам полой капсулы 1 с эмиттером 2, который в разогретом состоянии при рабочей температуре порядка 1500°С-1700°C, является источником электронов. Подача рабочего газа в полый катод осуществляется по входному каналу 3, герметично соединенному с полостью полой капсулы 1. Далее газ попадает во внутреннюю полость полой капсулы 1, в которой располагается эмиттер 2. За счет выделяющейся энергии стартового электрического разряда в осевом зазоре 7 в момент запуска эмиттер 2 разогревается, преимущественно со стороны выходного отверстия 4, до рабочей температуры, вызывающей эмиссию электронов. В стационарном режиме работы ЭРД уровень эмиссии электронов из полого катода должен быть достаточным для поддержания электрического разряда между рабочей полостью эмиттера 2 и анодом ЭРД (на рисунке не показан). В таких условиях и происходит первичная инициализация плазмы. После запуска полый катод переходит в стационарный режим с функционированием в автоматическом режиме, при котором необходимый уровень температуры эмиттера 2 поддерживается за счет энергии, поступающей от установившегося плазменного разряда.The working fluid (for example, gaseous xenon) entering the hollow cathode is ionized by an electric discharge in a gaseous medium when voltage is applied via the current supply line of the start pulse supply (terminal "+" of the electric power source) through the start electrode 5 to the console screen 6, while the "-" terminal of the electric power source is connected to the conductive elements of the hollow capsule 1 with the emitter 2, which is a source of electrons in a heated state at an operating temperature of the order of 1500 ° C-1700 ° C. The working gas is supplied to the hollow cathode through an inlet channel 3, hermetically connected to the cavity of the hollow capsule 1. Next, the gas enters the internal cavity of the hollow capsule 1, in which the emitter 2 is located. Due to the released electric discharge energy in the axial clearance 7 at the time of starting the emitter 2 is heated, mainly from the side of the outlet 4, to a working temperature that causes the emission of electrons. In the stationary operation mode of the electric propulsion system, the level of electron emission from the hollow cathode should be sufficient to maintain an electric discharge between the working cavity of the emitter 2 and the electric propulsion anode (not shown). Under such conditions, the initial initialization of the plasma occurs. After starting, the hollow cathode goes into stationary mode with automatic operation, at which the necessary temperature level of emitter 2 is maintained due to the energy coming from the steady-state plasma discharge.

Промышленная реализуемость предложенного изобретения подтверждена испытаниями опытных образцов полого катода при наземной отработке как автономно, так и в составе ЭРД, при которой были получены следующие положительные результаты:The industrial feasibility of the proposed invention is confirmed by testing prototypes of a hollow cathode during surface mining both autonomously and as a part of electric propulsion, in which the following positive results were obtained:

- результаты испытаний продемонстрировали надежность запусков с улучшенной динамикой выхода на стационарный режим работы;- the test results demonstrated the reliability of launches with improved dynamics of reaching the stationary mode of operation;

- напряжение в цепи «катод-земля» U_к-з (разность потенциалов в сконцентрированном сгустке плазмы между эмиттером полого катода и областью контакта сгустка плазмы с плазменной струей, истекающей из ЭРД, это параметр, характеризующий затраты мощности на транспортировку электронов от катода до плазменной струи и анода ЭРД), при работе в составе ЭРД относительно низкое (фактическая величина U_к-з составляет 13-17 В) и стабильное при стационарной работе.- circuit voltage "cathode-to-ground» U _k-s (the potential difference in a concentrated plasma clot connected between the emitter of the hollow cathode and the area of contact of the plasma clot to plasma jet issuing from the ERE, a parameter characterizing the power requirement on the electron transport from the cathode to the plasma jet and anode of the electric propulsion), when operating as part of the electric propulsion is relatively low (the actual value of U _to-z is 13-17 V) and stable during stationary operation.

Claims

1. A hollow cathode containing a hollow capsule, inside which an emitter is placed, an input channel of the working fluid, an outlet and a trigger electrode, characterized in that a console screen is installed on the exit side of the trigger electrode, which extends to the emitter and forms an axial clearance relative to the hollow capsule .

2. The hollow cathode according to claim 1, characterized in that the starting electrode and the cantilever screen are made integrally.

3. The hollow cathode according to claim 1, characterized in that the cantilever screen is made of refractory metals or alloys based on them.