RU2663241C1 - Полый катод - Google Patents
Полый катод Download PDFInfo
- Publication number
- RU2663241C1 RU2663241C1 RU2017106694A RU2017106694A RU2663241C1 RU 2663241 C1 RU2663241 C1 RU 2663241C1 RU 2017106694 A RU2017106694 A RU 2017106694A RU 2017106694 A RU2017106694 A RU 2017106694A RU 2663241 C1 RU2663241 C1 RU 2663241C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- emitter
- hollow cathode
- hollow
- plasma
- electrode
- Prior art date
Links
- 239000002775 capsule Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- 235000015842 Hesperis Nutrition 0.000 description 1
- 235000012633 Iberis amara Nutrition 0.000 description 1
- VXAUWWUXCIMFIM-UHFFFAOYSA-M aluminum;oxygen(2-);hydroxide Chemical compound [OH-].[O-2].[Al+3] VXAUWWUXCIMFIM-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000010849 ion bombardment Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/02—Details
- H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
- H01J37/06—Electron sources; Electron guns
- H01J37/07—Eliminating deleterious effects due to thermal effects or electric or magnetic fields
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к полым катодам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного потока, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы. Технический результат - повышение надежности работы и расширение области применения. В полом катоде, содержащем полую капсулу 1 с торцевыми стенками 2, 3, внутри которой размещен эмиттер 4, входной канал рабочего тела 5, выходное отверстие 6 и пусковой электрод 7, пусковой электрод выполнен из магнитопроводящего материала так, что по меньшей мере зона от эмиттера до пускового электрода по потоку рабочего тела магнитоизолирована. Внешние поверхности пускового электрода могут быть дополнительно покрыты материалом 8 со степенью черноты по меньшей мере 0,75. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к плазменной технике, в частности, к полым катодам (иначе катодам-компенсаторам), 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, используемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в условиях вакуума, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы [Патент РФ №2219683, кл. 7 H05H 1/24, 1/54, F03H 1/00].
Космические аппараты (КА) эксплуатируются в условиях космического пространства, которые постоянно меняются в результате комплексного воздействия самых различных факторов. В таких условиях важно, чтобы все компоненты электрореактивных двигателей (ЭРД), включая и полый катод, надежно функционировали в течение всего ресурса своей работы [Фаворский О.Н., Каданер Я.С. "Вопросы теплообмена в космосе". Издательство "Высшая школа", М., 1967 г.]. Надежность же работы самого полого катода в течение ресурса, кроме прочего, зависит от организации и обеспечения условий процесса эмиссии электронов [Высокоэффективный эмиттер электронов на основе гексаборида лантана. B.C. Кресанов, Н.П. Малахов, В.В. Морозов и др. М.: Энергоатомиздат, 1987 г., стр. 130-131].
В технике в основном применяются катоды двух разновидностей. В катодах накального типа 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]. При отсутствии специального нагревателя для нагрева эмиттера катоды принято называть 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 через пусковой электрод, и последующим переходом функционирования его в авторежиме термоэмиссии электронов. В обеих схемах электрической цепью «катод» является непосредственно эмиттер совместно с поддерживающими его и сопрягаемыми с ним деталями.
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 №2012946, кл. 7 H01J 37/077, F03H 1/00].
Недостатком такого известного полого катода является узкая область его применения из-за ограничений по его использованию в условиях действия магнитных полей. Такие ограничения обусловлены тем, что большая магнитная индукция в рабочей зоне полого катода приводит к существенному росту напряжения в цепи «катод-земля» ("cathode ground voltage"), которое снижает эффективность работы ЭРД на 2-3% [Jason D. Sommerville_ and Lyon В. King. "Effect of Cathode Position on Hall-Effect Thruster Performance and Cathode Coupling Voltage". IEPC-2007-78. Presented at the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007]. Практически данные ограничения препятствуют более компактному расположению полого катода вблизи магнитной системы ЭРД. В противном же случае работа полого катода, располагаемого в зоне повышенного магнитного поля, будет менее надежна, и будет происходить с пониженной эффективностью.
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 №2287203, кл. 7 H01J 37/077, F03H 1/00].
И такому известному полому катоду присущи аналогичные недостатки. Снижение эффективности работы полых катодов в магнитном поле, генерируемым магнитной системой ЭРД, обусловлено тем, что магнитное поле оказывает влияние на имитируемые электроны и кардинальным образом изменяет их траекторию передвижения. Такое влияние магнитного поля на электроны проявляется в виде так называемого эффекта «замагниченности», при котором движение электронов происходит преимущественно вдоль силовых линий магнитного поля, ориентация которых в окружающем пространстве даже очень ограниченного объема переменна и не совпадает с выходом полого катода, что, в свою очередь, и предопределяет рассеивание части электронов и, как следствие этого, снижению плотности электронных образований и необходимости избыточной эмиссии для компенсации потерь и поддержания стабильности разрядной цепи. Так, если траектория движения электронов в условиях действия только электрического поля близка к прямолинейной, то в условиях действия одновременно скрещенных электрическом и магнитном полях траектория изменяется и становится близкой к винтообразной вдоль силовых линий магнитного поля. Кроме того, поперечное рассеивание заряженных частиц относительно электрического поля уже в самом начале появления электронов резко повышает риски возникновения процессов разрушающей эрозии изнутри конструкции самого полого катода, что ограничивает его ресурс.
При создании изобретения решались задачи по повышению надежности работы и расширению области применения полого катода.
Указанный технический результат достигается тем, что в полом катоде, содержащем полую капсулу с торцевыми стенками, внутри которой размещен эмиттер, входной канал рабочего тела, выходное отверстие и пусковой электрод, охватывающий полую капсулу, согласно изобретению, пусковой электрод выполнен из магнитопроводящего материала так, что, по меньшей мере зона, от эмиттера до пускового электрода по потоку рабочего тела магнитоизолирована. Внешние поверхности пускового электрода могут быть дополнительно покрыты материалом со степенью черноты по меньшей мере 0,75.
Изготовление пускового электрода полого катода из магнитопроводящего материала позволяет решить задачи по повышению надежности и улучшению стабильности его работы даже в условиях действующего магнитного поля путем магнитного экранирования рабочей зоны эмиссии электронов и их выхода наружу за счет максимального снижения или полного исключения распространения и действия магнитного поля в указанной зоне. Магнитное изолирование рабочей зоны позволяет организовать процесс передвижения электронов в электрическом поле в виде классического токопереноса, происходящим только под действием электрической разности потенциалов. Исключая дополнительное воздействие магнитного поля на электроны в рабочей зоне полого катода, рассеивание заряженных частиц уменьшится, а потери снизятся. Таким образом, данное техническое решение снимает ограничения по месторасположению полого катода относительно магнитной системы ЭРД [Патент РФ №2426913 RU, кл. 7 F03H 1/00, H05H 1/54], так как условия газового разряда в нем не будут зависить от уровня действующих магнитных полей в окружающем пространстве.
Расположение над внешними поверхностями пускового электрода материала со степенью черноты не менее 0,75 позволит обеспечить более длительную надежную работу даже в условиях ионной бомбардировки струи ЭРД за счет повышения его эрозионной стойкости. В качестве такого материала может быть использована двуокись алюминия, нанесенная в виде покрытия или в виде оригинальных деталей, изготовленных из боркремнистой нитридной керамики.
Таким образом, полый катод, изготовленный согласно изобретению, в котором пусковой электрод, изготовленный из магнитопроводящего материала, дополнительно выполняет функцию магнитного экрана, локально ограничивая тем самым распространение и действие магнитного поля в рабочей зоне эмиссии электронов, позволяет добиться более стабильной и надежной работы и расширить область его применения.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 представлен продольный разрез вдоль оси полого катода, на котором дополнительно условно показан источник электрического питания и схема его подключения к элементам полого катода.
На фиг. 2 показан вид А - вид по направлению оси полого катода со стороны его рабочей выходной части, на котором условно показаны силовые линии действующего магнитного поля, ориентация которого в окружающем пространстве представлена произвольно.
Полый катод содержит полую капсулу 1 с торцевыми стенками 2 и 3, входной канал 5 для подвода рабочего тела и выходное отверстие 6 для выхода эмитируемых электронов () в окружающее пространство, внутри полой капсулы расположен эмиттер 4, с внешних сторон их располагается пусковой электрод 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 7, а другой токоподвод (клемма "-" источника электрического питания) осуществляется к токопроводящим элементам полой капсулы с эмиттером. Внешние поверхности пускового электрода 7 могут быть дополнительно покрыты материалом 8, более стойкого к бомбардировке заряженных частиц.
Полый катод работает следующим образом.
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) на пусковой электрод 7, при этом клемма "-" источника электрического питания присоединена к токопроводящим элементам полой капсулы 1 с эмиттером 4, который в разогретом состоянии до рабочих температур порядка 1500°C-1700°C является источником эмиссии электронов. В данных условиях и происходит первичная инициализация плазмы. Подача рабочего газа в полый катод осуществляется по входному каналу 5, соединенному с торцевой стенкой 2 полой капсулы 1. Далее газ попадает во внутреннюю полость полой капсулы 1, в которой располагается эмиттер 4. За счет выделяющейся начальной мощности электрического разряда в момент запуска эмиттер 4 разогревается, преимущественно со стороны выходного отверстия 6 в торцевой стенке 3, до рабочей температуры, обеспечивающей эмиссию электронов, достаточную для поддержания постоянного электрического разряда между рабочей полостью эмиттера 4 и пусковым электродом 7. После запуска полый катод переходит в стационарный режим с функционированием в автоматическом режиме, при котором необходимый уровень температуры эмиттера 4 обеспечивается за счет энергии, поступающей от установившегося плазменного разряда.
При использовании полого катода в составе ЭРД, его функционирование происходит в условиях действия магнитного поля, генерируемого магнитной системой ЭРД. Процесс эмиссии и выход электронов из рабочей зоны будет более стабилен и надежен, когда магнитное поле локально в данной зоне будет предельно снижено или его действие будет полностью исключено, для чего пусковой электрод 7, окружающий полую капсулу 1 с эмиттером 4 снаружи, необходимо изготавливать из магнитопроводящего материала. Долговечность пускового электрода 7, который во время работы в составе ЭРД подвергается бомбардировке ускоренным ионным потоком, может быть увеличена при помощи дополнительного материала, размещаемого с его внешних сторон, более стойкого к бомбардировке заряженных частиц и замедляющих процессы распыления и эрозии основных конструкционных материалов.
Промышленная реализуемость предложенного изобретения подтверждена испытаниями опытных образцов полого катода при наземной отработке, при которой были получены следующие положительные результаты:
- результаты испытаний продемонстрировали повышение надежности функционирования, как при запусках, так и в процессе стационарной работы;
- при работе напряжение в цепи «катод-земля» понижено и стабильно.
Claims (2)
1. Полый катод, содержащий полую капсулу с торцевыми стенками, внутри которой размещен эмиттер, входной канал рабочего тела, выходное отверстие и пусковой электрод, охватывающий полую капсулу, отличающийся тем, что пусковой электрод выполнен из магнитопроводящего материала так, что по меньшей мере зона от эмиттера до пускового электрода по потоку рабочего тела магнитоизолирована.
2. Полый катод по п. 1, отличающийся тем, что внешние поверхности пускового электрода покрыты материалом со степенью черноты по меньшей мере 0,75.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017106694A RU2663241C1 (ru) | 2017-02-28 | 2017-02-28 | Полый катод |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017106694A RU2663241C1 (ru) | 2017-02-28 | 2017-02-28 | Полый катод |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2663241C1 true RU2663241C1 (ru) | 2018-08-03 |
Family
ID=63142691
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017106694A RU2663241C1 (ru) | 2017-02-28 | 2017-02-28 | Полый катод |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2663241C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115750252A (zh) * | 2023-01-03 | 2023-03-07 | 国科大杭州高等研究院 | 无工质阴极及包括其的霍尔推力器、空间设备 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2030134C1 (ru) * | 1992-11-02 | 1995-02-27 | Опытное конструкторское бюро "Факел" | Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов |
US6366011B1 (en) * | 1997-04-30 | 2002-04-02 | Hitachi, Ltd. | Electron gun for cathode-ray tube for image display having an electrode with reduced electron beam passage hole and a cathode with an electron emissive layer mainly made of an oxide of an alkaline earth metal and containing an oxide of a rare earth metal |
RU2287203C2 (ru) * | 2005-01-11 | 2006-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Федерального космического агентства "Опытное конструкторское бюро "Факел" | Плазменный катод-компенсатор |
RU2360847C2 (ru) * | 2006-12-06 | 2009-07-10 | Людмила Михайловна Пономарева | Система для запуска космического аппарата на сверхпроводнике и способ его осуществления |
RU2377441C1 (ru) * | 2008-05-21 | 2009-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" | Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов |
RU2426913C1 (ru) * | 2010-04-06 | 2011-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" | Способ размещения катода-компенсатора в плазменном двигателе и устройство для его осуществления |
-
2017
- 2017-02-28 RU RU2017106694A patent/RU2663241C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2030134C1 (ru) * | 1992-11-02 | 1995-02-27 | Опытное конструкторское бюро "Факел" | Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов |
US6366011B1 (en) * | 1997-04-30 | 2002-04-02 | Hitachi, Ltd. | Electron gun for cathode-ray tube for image display having an electrode with reduced electron beam passage hole and a cathode with an electron emissive layer mainly made of an oxide of an alkaline earth metal and containing an oxide of a rare earth metal |
RU2287203C2 (ru) * | 2005-01-11 | 2006-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Федерального космического агентства "Опытное конструкторское бюро "Факел" | Плазменный катод-компенсатор |
RU2360847C2 (ru) * | 2006-12-06 | 2009-07-10 | Людмила Михайловна Пономарева | Система для запуска космического аппарата на сверхпроводнике и способ его осуществления |
RU2377441C1 (ru) * | 2008-05-21 | 2009-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" | Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов |
RU2426913C1 (ru) * | 2010-04-06 | 2011-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" | Способ размещения катода-компенсатора в плазменном двигателе и устройство для его осуществления |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115750252A (zh) * | 2023-01-03 | 2023-03-07 | 国科大杭州高等研究院 | 无工质阴极及包括其的霍尔推力器、空间设备 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101620009B1 (ko) | 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기 | |
CN110500250B (zh) | 一种螺旋波电磁加速等离子体源 | |
JP7271489B2 (ja) | 高エネルギー効率、高出力のプラズマトーチ | |
JP6935284B2 (ja) | ホールスラスタ | |
CN105788998A (zh) | 一种小尺寸、小功率钡钨空心阴极 | |
US10184460B2 (en) | Cusped-field thruster | |
CN109538431B (zh) | 一种基于多阳极结构的真空弧推进器 | |
CN112523984B (zh) | 一种用于微型会切场推力器的微波电离式阴极 | |
RU2663241C1 (ru) | Полый катод | |
RU2371605C1 (ru) | Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов | |
US4475063A (en) | Hollow cathode apparatus | |
CN115898802A (zh) | 霍尔推力器、包括其的空间设备及其使用方法 | |
US7009342B2 (en) | Plasma electron-emitting source | |
RU2287203C2 (ru) | Плазменный катод-компенсатор | |
RU2662795C1 (ru) | Полый катод | |
RU2527898C1 (ru) | Стационарный плазменный двигатель малой мощности | |
Ermilov et al. | Particularities of ignition of the non-self-sustained discharge with a thermoemission cathode in crossed fields | |
RU2656851C1 (ru) | Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов | |
Raitses et al. | Effects of cathode electron emission of Hall thruster discharge | |
RU152775U1 (ru) | Стационарный плазменный двигатель с модифицированным каналом | |
CN114738217B (zh) | 一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极 | |
RU2565646C1 (ru) | Ионный двигатель | |
RU2602468C1 (ru) | Электроракетный двигатель (варианты) | |
Raitses et al. | Optimization of cylindrical hall thrusters | |
Gurciullo et al. | Alternative Neutralization Technologies Enabling the Use of Exotic Propellants in Electric Propulsion |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20210506 |