RU2672060C1 - Plasma accelerator cathode - Google Patents
Plasma accelerator cathode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2672060C1 RU2672060C1 RU2018104997A RU2018104997A RU2672060C1 RU 2672060 C1 RU2672060 C1 RU 2672060C1 RU 2018104997 A RU2018104997 A RU 2018104997A RU 2018104997 A RU2018104997 A RU 2018104997A RU 2672060 C1 RU2672060 C1 RU 2672060C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- emitter
- housing
- starting electrode
- cathode
- hole
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/54—Plasma accelerators
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к плазменной технике, а именно к классу плазменных ускорителей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды, и может быть использовано при разработке электроракетных двигателей.The invention relates to plasma technology, and in particular to a class of plasma accelerators (Hall, ion) using cathodes in their composition, and can be used in the development of electric rocket engines.
Катод является одним из самых конструктивно и технологически сложных узлов ионных и холловских двигателей и во многом определяет их характеристики. Современные двигатели оснащаются полыми газоразрядными катодами, запуск которых осуществляется после разогрева эмиттера до рабочей температуры с помощью стартового нагревателя. После запуска катода нагреватель отключается, а рабочая температура эмиттера поддерживается за счет энергии, выделяемой из разряда внутри катода.The cathode is one of the most structurally and technologically complex assemblies of ion and Hall engines and largely determines their characteristics. Modern engines are equipped with hollow gas-discharge cathodes, the start of which is carried out after the emitter is heated to operating temperature using the starting heater. After starting the cathode, the heater is turned off, and the working temperature of the emitter is maintained by the energy released from the discharge inside the cathode.
Спираль нагревателя является самым горячим элементом катода. В процессе стартового разогрева катода спираль и окружающие ее элементы нагреваются до температур, превышающих рабочую температуру эмиттера на несколько сотен градусов. Это требует применения материалов с высокой рабочей температурой. Для эффективной передачи тепла при стартовом разогреве узел нагревателя должен находиться в непосредственной близости к эмиттерному узлу. При этом для минимизации тепловых потерь с эмиттера при работе катода узел нагревателя должен быть достаточно ажурным. С другой стороны он должен обладать достаточной прочностью для обеспечения стойкости к внешним механическим нагрузкам и термомеханическим нагружениям, возникающим в момент работы стартового нагревателя.The heater coil is the hottest element of the cathode. During the initial heating of the cathode, the spiral and its surrounding elements are heated to temperatures exceeding the working temperature of the emitter by several hundred degrees. This requires the use of materials with a high operating temperature. For efficient heat transfer during start-up heating, the heater assembly should be in close proximity to the emitter assembly. In this case, to minimize heat loss from the emitter during cathode operation, the heater assembly should be sufficiently openwork. On the other hand, it should be strong enough to provide resistance to external mechanical loads and thermomechanical loads that occur at the time of starting the heater.
Так, известен катод плазменного ускорителя (патент РФ на изобретение №2418337, опубликованный 10.05.2011 г), выполненный по общему принципу накальных катодов и содержащий корпус с эмиссионным отверстием, установленный в полости корпуса эмиттер со сквозным каналом, соосным с эмиссионным отверстием, пусковой электрод с отверстием в торцевой поверхности, нагревательный узел со спиралью и трубку подачи рабочего тела в канал эмиттера. Данное устройство имеет достаточно сложную конструкцию из-за наличия узла нагревателя, кроме того, необходимость электрической изоляции спирали от других элементов приводит к использованию в конструкции катода нескольких дополнительных изоляторов как в зоне монтажного фланца, так и зоне эмиттера, что также усложняет конструкцию катода. Еще одним недостатком катодов, снабженных стартовым нагревателем, является относительно высокая длительность запуска, которая составляет от одной минуты до десятка минут в зависимости от размера катода.So, the cathode of a plasma accelerator is known (RF patent for invention No. 2418337, published May 10, 2011), made according to the general principle of glow cathodes and comprising a housing with an emission hole, an emitter installed in the cavity of the housing with a through channel coaxial with the emission hole, a starting electrode with a hole in the end surface, a heating unit with a spiral and a tube for supplying a working fluid to the emitter channel. This device has a rather complicated design due to the presence of a heater assembly, in addition, the need for electrical isolation of the spiral from other elements leads to the use of several additional insulators in the cathode design both in the mounting flange area and in the emitter zone, which also complicates the cathode design. Another disadvantage of the cathodes equipped with a starting heater is the relatively high start time, which ranges from one minute to ten minutes, depending on the size of the cathode.
Альтернативой катоду, оснащенному стартовым нагревателем, является безнакальный катод. Запуск такого катода осуществляется за счет пробоя при подаче высокого напряжения между двумя электродами катода. После пробоя происходит разогрев эмиттера до рабочей температуры газовым разрядом. Время запуска таких катодов составляет от десятков миллисекунд до единиц секунд. За счет отсутствия узла стартового нагревателя безнакальный катод конструктивно и технологически проще и имеет лучшие массогабаритные характеристики. Основным недостатком такого катода является сильная пусковая эрозия электродов.An alternative to a cathode equipped with a starting heater is a non-cathode cathode. The launch of such a cathode is due to breakdown when a high voltage is applied between the two electrodes of the cathode. After the breakdown, the emitter is heated to operating temperature by a gas discharge. The start-up time of such cathodes is from tens of milliseconds to units of seconds. Due to the lack of a starter heater assembly, a non-cathode cathode is structurally and technologically simpler and has better overall dimensions. The main disadvantage of such a cathode is the strong starting erosion of the electrodes.
В уровне техники известен безнакальный катод (Dan Lev et al., "Heaterless Hollow Cathode Technology - A Critical Review", Space Propulsion Conference, Rome, Italy, 2016, SP 2016-3125366, fig. 1), выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус с эмиссионным отверстием, установленный в полости корпуса эмиттер со сквозным каналом, соосным с эмиссионным отверстием, пусковой электрод с отверстием в торцевой поверхности и трубку подачи рабочего тела в канал эмиттера, при этом корпус эмиттера расположен в полости пускового электрода соосно с ним. Для поджига разряда прикладывается напряжение между корпусом и пусковым электродом, а через трубку подачи рабочего тела и канал эмиттера подается рабочее тело. В результате электрического пробоя возникает разряд, который разогревает эмиттер до рабочей температуры. Недостатком данного катода, как указано выше, является сильная пусковая эрозия рабочей поверхности эмиттера и эмиссионного отверстия.In the prior art, a non-heating cathode is known (Dan Lev et al., "Heaterless Hollow Cathode Technology - A Critical Review", Space Propulsion Conference, Rome, Italy, 2016, SP 2016-3125366, fig. 1), selected as a prototype, containing a housing with an emission hole, an emitter installed in the cavity of the housing with a through channel coaxial with the emission hole, a starting electrode with an opening in the end surface, and a working fluid supply pipe to the emitter channel, the emitter housing being aligned with the starting electrode cavity. To ignite the discharge, a voltage is applied between the housing and the starting electrode, and a working fluid is supplied through the supply pipe of the working fluid and the emitter channel. As a result of electrical breakdown, a discharge occurs that heats the emitter to operating temperature. The disadvantage of this cathode, as indicated above, is the strong starting erosion of the working surface of the emitter and the emission hole.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение высокого ресурса безнакального катода плазменного ускорителя по количеству включений за счет уменьшения пусковой эрозии рабочей поверхности эмиттера в сочетании с относительно малым временем запуска.The objective of the invention is to provide a high resource cathode-free plasma accelerator by the number of inclusions by reducing starting erosion of the working surface of the emitter in combination with a relatively short start time.
Технический результат заключается в обеспечении высокого ресурса катода по количеству включений за счет уменьшения пусковой эрозии эмиттера.The technical result consists in providing a high cathode resource in terms of the number of inclusions by reducing the starting erosion of the emitter.
Указанный результат достигается тем что, в катоде плазменного ускорителя, содержащем пусковой электрод с отверстием в торцевой поверхности, расположенный в полости пускового электрода соосно корпус с эмиссионным отверстием, установленный в полости корпуса эмиттер со сквозным каналом, соосным с эмиссионным отверстием, и трубку подачи рабочего тела в канал эмиттера, на боковой поверхности корпуса выполнено отверстие, любой линейный размер которого больше толщины стенки боковой поверхности корпуса, причем радиальный зазор между боковыми поверхностями корпуса и пускового электрода превышает осевой зазор между торцом корпуса и торцевой поверхностью пускового электрода.This result is achieved by the fact that, in the cathode of the plasma accelerator, containing a starting electrode with a hole in the end surface, a coaxial housing with an emission hole located in the cavity of the starting electrode, an emitter installed in the housing cavity with a through channel coaxial with the emission hole, and a working fluid supply tube a hole is made in the emitter channel on the side surface of the housing, any linear dimension of which is greater than the wall thickness of the side surface of the housing, and the radial clearance between the side and the surfaces of the housing and the starting electrode exceeds the axial clearance between the end of the housing and the end surface of the starting electrode.
Дополнительно, упомянутое отверстие может быть выполнено таким образом, что его размер в осевом направлении не превышает длину эмиттера, а размер в перпендикулярном направлении - не более радиуса эмиттера.Additionally, the said hole can be made in such a way that its size in the axial direction does not exceed the length of the emitter, and the size in the perpendicular direction does not exceed the radius of the emitter.
Помимо этого, радиальный зазор между боковыми поверхностями корпуса и пускового электрода может превышать осевой зазор между торцом корпуса и торцевой поверхностью пускового электрода в 5 раз и более.In addition, the radial clearance between the side surfaces of the housing and the starting electrode may exceed 5 times or more the axial clearance between the housing end and the end surface of the starting electrode.
Дополнительно торцевая поверхность пускового электрода может быть электрически изолирована от его боковой поверхности.Additionally, the end surface of the starting electrode may be electrically isolated from its side surface.
Также отверстие пускового электрода может быть смещено от оси на расстояние не меньше, чем сумма радиусов эмиссионного отверстия и отверстия в пусковом электроде.Also, the opening of the starting electrode can be offset from the axis by a distance no less than the sum of the radii of the emission hole and the hole in the starting electrode.
Кроме того, напротив отверстия в корпусе на внутренней боковой поверхности пускового электрода может быть выполнено как минимум одно острие, выступающее над поверхностью пускового электрода.In addition, at least one tip protruding above the surface of the starting electrode can be formed opposite the opening in the housing on the inner side surface of the starting electrode.
При запуске катода после подачи расхода рабочего тела характерное значение давления в полости пускового электрода составляет р=(10…100) Па. С учетом характерных зазоров между эмиттером и пусковым электродом d=(10-3…10-2) м, величина произведения пробойного промежутка на давление составит p⋅d=(10-2…1) Па⋅м, что соответствует левой ветви кривой Пашена, для которой характерно снижение пробойного напряжения с ростом разрядного промежутка при фиксированном давлении. Поэтому, при превышении радиального зазора между эмиттером и пусковым электродом над зазором в осевом направлении, вероятность пробоя на боковую поверхность корпуса эмиттера возрастает, а на торцевую - снижается, что предохранит рабочую поверхность эмиттера и эмиссионное отверстие в корпусе от пусковой эрозии.When starting the cathode after applying the flow of the working fluid, the characteristic pressure in the cavity of the starting electrode is p = (10 ... 100) Pa. Given the characteristic gaps between the emitter and the starting electrode d = (10 -3 ... 10 -2 ) m, the product of the breakdown gap by pressure is p давлениеd = (10 -2 ... 1) Pa⋅m, which corresponds to the left branch of the Paschen curve , which is characterized by a decrease in breakdown voltage with an increase in the discharge gap at a fixed pressure. Therefore, when the radial clearance between the emitter and the starting electrode is exceeded over the clearance in the axial direction, the probability of breakdown on the side surface of the emitter body increases, and on the end surface it decreases, which will protect the emitter working surface and the emission hole in the housing from starting erosion.
Благодаря выполнению на боковой поверхности корпуса отверстия, открывающего часть боковой поверхности эмиттера, происходит зажигание разряда непосредственно между эмиттером и пусковым электродом, что обеспечит более быстрый прогрев эмиттера до рабочей температуры, и, тем самым, снизит длительность фазы разряда с повышенной эрозией электродов, а также несколько снизит суммарное время, необходимое для запуска катода и выхода его на рабочий режим. Чтобы стенки отверстия (то есть границы отверстия) не снижали напряженность электрического поля на поверхности эмиттера, размеры отверстия должны быть не меньше толщины стенки корпуса.Due to the hole on the side surface of the housing that opens part of the side surface of the emitter, the discharge is ignited directly between the emitter and the starting electrode, which will provide faster heating of the emitter to operating temperature, and thereby reduce the duration of the discharge phase with increased erosion of the electrodes, and slightly reduce the total time required to start the cathode and its output to the operating mode. So that the walls of the hole (that is, the boundaries of the hole) do not reduce the electric field strength on the surface of the emitter, the dimensions of the hole should be no less than the thickness of the wall of the housing.
Выполнение на боковой поверхности корпуса эмиттера отверстия, у которого линейный размер в осевом направлении меньше длины эмиттера, а в перпендикулярном направлении - не более радиуса эмиттера, дополнительно позволит исключить значительные утечки рабочего тела через данное отверстие.Making a hole on the side surface of the emitter body whose linear dimension in the axial direction is less than the length of the emitter, and in the perpendicular direction is no more than the emitter radius, will further eliminate significant leakages of the working fluid through this hole.
В зависимости от предъявляемых к катоду требований, различные катоды отличаются, в том числе, номинальным расходом рабочего тела, геометрией эмиттера и пускового электрода. Эти факторы влияют на условия возникновения пробоя между эмиттером и пусковым электродом. Обеспечение более благоприятных условий для пробоя на боковую поверхность эмиттера, а не на его торцевую поверхность, что предохраняет рабочую поверхность эмиттера и эмиссионное отверстие в корпусе от пусковой эрозии, может быть достигнуто за счет дополнительных конструктивных решений:Depending on the requirements for the cathode, various cathodes differ, including the nominal flow rate of the working fluid, the geometry of the emitter and the starting electrode. These factors influence the breakdown conditions between the emitter and the starting electrode. Providing more favorable conditions for breakdown on the side surface of the emitter, and not on its end surface, which protects the working surface of the emitter and the emission hole in the housing from starting erosion, can be achieved by additional design solutions:
- в зависимости от геометрии эмиссионного отверстия, через которое истекает газ в полость пускового электрода, и геометрии собственно пускового электрода вблизи эмиссионного отверстия и торцевой поверхности корпуса, давление газа может быть выше (до 5 раз), чем у боковой поверхности корпуса. Для обеспечения большего значения произведения p⋅d у боковой поверхности эмиттера, в том числе у катодов с максимальным перепадом давления в полости пускового электрода, радиальный зазор между эмиттером и пусковым электродом может быть в 5 раз и более превышать зазор между ними в осевом направлении;- depending on the geometry of the emission hole through which gas flows into the cavity of the starting electrode, and the geometry of the starting electrode itself near the emission hole and the end surface of the housing, the gas pressure can be higher (up to 5 times) than that of the side surface of the housing. To ensure a larger value of the product p⋅d at the side surface of the emitter, including cathodes with a maximum pressure drop in the cavity of the starting electrode, the radial clearance between the emitter and the starting electrode can be 5 times or more the gap between them in the axial direction;
- торцевая поверхность пускового электрода может быть электрически изолирована от его боковой поверхности, что позволит при запуске катода прикладывать пробойное напряжение только между эмиттером и боковой поверхностью пускового электрода;- the end surface of the starting electrode can be electrically isolated from its side surface, which will allow to apply breakdown voltage when starting the cathode only between the emitter and the side surface of the starting electrode;
- напротив отверстия в корпусе на внутренней боковой поверхности пускового электрода может быть установлено как минимум одно острие, выступающее над поверхностью. Такое острие создаст локальное повышение напряженности электрического поля, и наряду с обеспечением пробоя на боковой поверхности, позволит несколько снизить необходимое пробойное напряжение, что приведет к снижению пусковой эрозии.- opposite the hole in the housing on the inner side surface of the starting electrode can be installed at least one tip protruding above the surface. Such a tip will create a local increase in the electric field strength, and along with providing breakdown on the side surface, it will slightly reduce the necessary breakdown voltage, which will lead to a decrease in starting erosion.
Также для повышения давления в полости пускового электрода отверстие пускового электрода может быть смещено от оси на расстояние не меньше, чем сумма радиусов эмиссионного отверстия и отверстия в пусковом электроде. В этом случае напротив эмиссионного отверстия будет располагаться торцевая поверхность пускового электрода, и поток газа, истекающий из эмиссионного отверстия, будет отражаться от нее. Это приведет к некоторому повышению давления в полости пускового электрода и позволит при фиксированном расходе рабочего тела снизить необходимое пробойное напряжение, что приведет к снижению пусковой эрозии.Also, to increase the pressure in the cavity of the starting electrode, the opening of the starting electrode can be offset from the axis by a distance no less than the sum of the radii of the emission hole and the opening in the starting electrode. In this case, the end surface of the starting electrode will be located opposite the emission hole, and the gas flow flowing from the emission hole will be reflected from it. This will lead to a certain increase in pressure in the cavity of the starting electrode and will allow for a fixed flow rate of the working fluid to reduce the necessary breakdown voltage, which will lead to a decrease in starting erosion.
Таким образом, предлагаемое решение, выполненное по принципу безнакальных катодов, в сочетании с относительно малым временем запуска позволяет практически полностью исключить пусковую эрозию рабочей поверхности эмиттера, что обеспечивает достижение высокого ресурса катода по количеству включений.Thus, the proposed solution, made by the principle of non-cathode cathodes, in combination with a relatively short start time, almost completely eliminates starting erosion of the emitter working surface, which ensures a high cathode resource in terms of the number of inclusions.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется на фиг. 1-3.The invention is illustrated in FIG. 1-3.
На фиг. 1 представлен катод плазменного ускорителя по настоящему изобретению.In FIG. 1 shows the cathode of a plasma accelerator of the present invention.
На фиг. 2 показан катод плазменного ускорителя, включающий в себя дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения.In FIG. 2 shows a cathode of a plasma accelerator, including further embodiments of the present invention.
На фиг. 3 показан один из вариантов исполнения отверстия в боковой поверхности корпуса.In FIG. 3 shows one embodiment of a hole in a side surface of a housing.
Предлагаемый катод содержит эмиттер 1 со сквозным каналом, помещенный в корпусе 2 с эмиссионным отверстием 3, который в свою очередь расположен в полости пускового электрода 4 соосно с ним. Корпус 2 имеет в боковой поверхности отверстие 6, открывающее часть боковой поверхности эмиттера 1, при этом любой линейный размер отверстия 6 больше толщины δ его стенок. Также к корпусу герметично подсоединена трубка подачи рабочего тела 7. При этом сквозной канал эмиттера 1 соосен эмиссионному отверстию 3 и, как показано на фиг. 1, соосен отверстию 5 в торцевой поверхности пускового электрода 4. Также на фиг. 1 обозначены радиальный зазор между боковыми поверхностями корпуса и пускового электрода Н и осевой зазор между торцом корпуса и торцевой поверхностью пускового электрода h.The proposed cathode contains an
Катод плазменного ускорителя с дополнительными вариантами осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 2. На внутренней боковой поверхности пускового электрода 4 напротив отверстия 6 выполнено острие 8. Торцевая поверхность пускового электрода электрически изолирована от его боковой поверхности путем вставок изоляторов 9, а отверстие 5 пускового электрода смещено от оси эмиссионного отверстия 3 на расстояние не меньше, чем сумма радиусов эмиссионного отверстия 3 и отверстия 5 в пусковом электроде 4.The cathode of a plasma accelerator with further embodiments of the present invention is shown in FIG. 2. A
Отверстие 6 может быть выполнено, например, в виде круга, овала, прямоугольника и других геометрических фигур. На фиг. З показан один из вариантов исполнения отверстия 6 в боковой поверхности корпуса. Пунктирной линией обозначены границы эмиттера 1, расположенного внутри корпуса 2 (другие элементы катода на данном рисунке не показаны). Упомянутое отверстие выполнено в виде окна, линейный размер которого в осевом направлении а не превышает длину эмиттера L, а размер в перпендикулярном направлении b составляет не более радиуса эмиттера r.The
Предлагаемый катод плазменного ускорителя работает следующим образом.The proposed cathode of a plasma accelerator operates as follows.
Перед запуском в катод подают рабочее тело. В качестве рабочего тела обычно используется ксенон, возможно также применение других инертных газов - криптона, аргона. Газ проходит через трубку подачи рабочего тела 7, сквозной канал эмиттера 1, эмиссионное отверстие 3 и выходит через отверстие 5 в торцевой поверхности пускового электрода.Before starting, a working fluid is fed into the cathode. Xenon is usually used as a working fluid; other inert gases, such as krypton and argon, are also possible. The gas passes through the supply pipe of the working
Во внутренней полости пускового электрода устанавливается давление р=(10…100) Па, которое определяется, в основном, расходом рабочего тела и гидравлическим сопротивлением отверстия 5. Более высокое давление облегчает запуск катода.In the inner cavity of the starting electrode, a pressure p = (10 ... 100) Pa is established, which is determined mainly by the flow rate of the working fluid and the hydraulic resistance of the
Далее инициируют электрический пробой между эмиттером 1 и пусковым электродом 4, прикладывая между ними разность потенциалов.Next, an electrical breakdown is initiated between the
В момент пробоя возможно сильное разрушение электродов в месте привязки разряда, и распыленный материал может осаждаться на других деталях катода. Поэтому для обеспечения работоспособности катода в течение длительного времени необходимо исключить возможность возникновения пробоя на рабочей поверхности эмиттера 1 (поверхность сквозного канала эмиттера) или вблизи нее (поверхность эмиссионного отверстия и торцевая поверхность корпуса). Если сделать радиальный зазор между эмиттером и пусковым электродом больше зазора между ними в осевом направлении, то более благоприятные условия (большее значение произведения давления и величины зазора) для возникновения пробоя реализуются на боковой поверхности эмиттера через отверстие в корпусе. После пробоя между боковой поверхностью эмиттера и пусковым электродом поддерживается разряд мощностью десятки - сотни Ватт (в зависимости от размеров катода). Под действием ионной бомбардировки происходит разогрев поверхности эмиттера. Благодаря выполнению на боковой поверхности корпуса отверстия 6, открывающего часть боковой поверхности эмиттера, привязка разряда осуществляется непосредственно к эмиттеру. С учетом относительно небольшой массы эмиттера его разогрев до рабочей температуры в этом случае происходит существенно быстрее, чем в случае привязки разряда к относительно массивному корпусу. В результате снижается длительность фазы горения разряда с непрогретым эмиттером, сопровождающаяся повышенной эрозией электродов, то есть сокращается время запуска катода с сохранением высокого ресурса по количеству включений.At the time of breakdown, severe destruction of the electrodes at the point of attachment of the discharge is possible, and the atomized material can be deposited on other parts of the cathode. Therefore, to ensure the cathode is operational for a long time, it is necessary to exclude the possibility of breakdown on the working surface of the emitter 1 (the surface of the through channel of the emitter) or near it (the surface of the emission hole and the end surface of the housing). If you make the radial clearance between the emitter and the starting electrode more than the clearance between them in the axial direction, then more favorable conditions (a larger value of the product of pressure and the clearance) for the occurrence of breakdown are realized on the side surface of the emitter through an opening in the housing. After a breakdown, a discharge with a power of tens to hundreds of watts (depending on the size of the cathode) is maintained between the side surface of the emitter and the starting electrode. Under the influence of ion bombardment, the surface of the emitter is heated. Due to the implementation on the side surface of the housing of the
После прогрева эмиттера до рабочей температуры (1000…1800°С в зависимости от материала эмиттера) с его рабочей поверхности начинается термоэлектронная эмиссия. Поскольку внутри канала эмиттера давление на порядок выше, чем снаружи, место привязки разряда изменяется с внешней поверхности эмиттера на внутреннюю. После чего ток и мощность разряда между эмиттером и пусковым электродом могут быть снижены до номинальных значений. После подачи напряжения между эмиттером и анодом плазменного ускорителя (плазменный ускоритель на рисунках не показан) и подачи рабочего тела в канал ускорителя возникает разряд между катодом и анодом плазменного ускорителя. Источник питания, поддерживающий разряд между эмиттером и пусковым электродом, может быть отключен, и катод продолжает работать от источника питания разряда плазменного ускорителя.After the emitter is heated to a working temperature (1000 ... 1800 ° C depending on the material of the emitter), thermionic emission begins from its working surface. Since the pressure inside the emitter channel is an order of magnitude higher than the outside, the location of the discharge attachment changes from the external surface of the emitter to the internal. After that, the current and discharge power between the emitter and the starting electrode can be reduced to nominal values. After applying voltage between the emitter and the anode of the plasma accelerator (the plasma accelerator is not shown in the figures) and supplying the working fluid to the channel of the accelerator, a discharge arises between the cathode and the anode of the plasma accelerator. The power source supporting the discharge between the emitter and the starting electrode can be turned off, and the cathode continues to operate from the plasma accelerator discharge power source.
Запуск катода с электрически изолированными друг от друга торцевой и боковой поверхностями пускового электрода производится аналогичным образом с тем отличием, что до возникновения пробоя разность потенциалов прикладывается между эмиттером и боковой поверхностью пускового электрода, а торцевая поверхность остается под плавающим потенциалом. Торцевая и боковая поверхности пускового электрода коммутируются друг с другом после пробоя и прогрева эмиттера до рабочей температуры, но перед подачей напряжения между эмиттером и анодом плазменного ускорителя.The cathode is launched with the end and side surfaces of the starting electrode electrically isolated from each other, in the same way, with the difference that before the breakdown occurs, a potential difference is applied between the emitter and the side surface of the starting electrode, and the end surface remains at a floating potential. The end and side surfaces of the starting electrode are switched with each other after breakdown and warming up of the emitter to operating temperature, but before applying voltage between the emitter and the anode of the plasma accelerator.
В ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» был изготовлен экспериментальный образец безнакального катода с эмиттером из пористого вольфрама, в ходе испытаний которого была подтверждена возможность поджига разряда между боковой поверхностью эмиттера и пусковым электродом с последующим перестроением места привязки разряда во внутреннюю полость эмиттера после его прогрева. При этом время запуска катода, включая время прогрева эмиттера дуговым разрядом мощностью около 100 Вт, составило 10…20 с. Необходимо отметить, что время запуска катода аналогичного размера, оснащенного стартовым нагревателем мощностью 70…90 Вт, составляет 3…5 минут. Сравнительные испытания различных конфигураций катода показали, что смещение отверстия пускового электрода от оси эмиссионного отверстия, а также установка на боковой поверхности пускового электрода заостренного винта, расположенного напротив окна в боковой поверхности корпуса, позволили снизить необходимое пробойное напряжение.An experimental sample of a non-cathode cathode with a porous tungsten emitter was made at the State Research Center Federal State Unitary Enterprise “Center of Keldysh”, during the tests of which the possibility of ignition of the discharge between the side surface of the emitter and the starting electrode was confirmed with the subsequent reconstruction of the discharge attachment site into the internal cavity of the emitter after it was heated. In this case, the start time of the cathode, including the time of heating the emitter by an arc discharge with a power of about 100 W, amounted to 10 ... 20 s. It should be noted that the launch time of a cathode of a similar size, equipped with a starting heater with a power of 70 ... 90 W, is 3 ... 5 minutes. Comparative tests of various cathode configurations showed that the displacement of the starting electrode hole from the axis of the emission hole, as well as the installation of a pointed screw located opposite the window on the side surface of the starting electrode, made it possible to reduce the necessary breakdown voltage.
Таким образом, благодаря наличию выше представленных отличительных признаков предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить высокий ресурс катода по количеству включений за счет уменьшения пусковой эрозии рабочей поверхности эмиттера в сочетании с относительно малым временем запуска, то есть создать высоко работоспособную конструкцию катода для плазменных ускорителей.Thus, due to the presence of the above distinguishing features, the proposed technical solution allows to provide a high cathode resource in terms of the number of inclusions by reducing the starting erosion of the emitter working surface in combination with a relatively short start time, that is, to create a highly efficient cathode design for plasma accelerators.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018104997A RU2672060C1 (en) | 2018-02-09 | 2018-02-09 | Plasma accelerator cathode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018104997A RU2672060C1 (en) | 2018-02-09 | 2018-02-09 | Plasma accelerator cathode |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2672060C1 true RU2672060C1 (en) | 2018-11-09 |
Family
ID=64103335
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018104997A RU2672060C1 (en) | 2018-02-09 | 2018-02-09 | Plasma accelerator cathode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2672060C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2764497C2 (en) * | 2017-12-12 | 2022-01-17 | Энпалшн Гмбх | Ion engine |
| CN115681053A (en) * | 2023-01-03 | 2023-02-03 | 国科大杭州高等研究院 | Operation method of self-maintaining Hall thrust system |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040000853A1 (en) * | 2002-06-27 | 2004-01-01 | Kaufman Harold R. | Industrial hollow cathode |
| US20070202358A1 (en) * | 2006-02-28 | 2007-08-30 | Fujifilm Corporation | Organic electroluminescent device |
| RU2418337C1 (en) * | 2010-04-02 | 2011-05-10 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Cathode of plasma accelerator |
-
2018
- 2018-02-09 RU RU2018104997A patent/RU2672060C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040000853A1 (en) * | 2002-06-27 | 2004-01-01 | Kaufman Harold R. | Industrial hollow cathode |
| US20070202358A1 (en) * | 2006-02-28 | 2007-08-30 | Fujifilm Corporation | Organic electroluminescent device |
| RU2418337C1 (en) * | 2010-04-02 | 2011-05-10 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Cathode of plasma accelerator |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Dan Lev, Heaterless Hollow Cathode Technology - A Critical Review, Space Propulsion Conference, Rome, Italy, 2016, SP 2016-3125366, fig. 1. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2764497C2 (en) * | 2017-12-12 | 2022-01-17 | Энпалшн Гмбх | Ion engine |
| CN115681053A (en) * | 2023-01-03 | 2023-02-03 | 国科大杭州高等研究院 | Operation method of self-maintaining Hall thrust system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11690161B2 (en) | Hollow cathode apparatus | |
| US11530690B2 (en) | Ignition process for narrow channel hall thruster | |
| US7488962B2 (en) | Arrangement for the generation of intensive short-wavelength radiation based on a gas discharge plasma | |
| US6541915B2 (en) | High pressure arc lamp assisted start up device and method | |
| RU2672060C1 (en) | Plasma accelerator cathode | |
| JPH05198386A (en) | Device with non-heating type hollow cathode to dynamic generation of plasma | |
| US8259771B1 (en) | Initiating laser-sustained plasma | |
| WO2006081675A1 (en) | Variable arc gap plasma igniter element | |
| US6740841B2 (en) | Plasma torch incorporating electrodes separated by an air gap and squib incorporating such a torch | |
| US5357747A (en) | Pulsed mode cathode | |
| CN105895473A (en) | Cold cathode structure capable of allowing space electric propulsion to be started quickly | |
| US4475063A (en) | Hollow cathode apparatus | |
| RU2270491C2 (en) | High-frequency neutron source such as neutralizer | |
| RU2287203C2 (en) | Plasma cathode-compensator | |
| US5938950A (en) | Plasma torch with improved gas-tightness | |
| RU2418337C1 (en) | Cathode of plasma accelerator | |
| RU2099573C1 (en) | Electric arc rocket engine | |
| US20240014014A1 (en) | High current heaterless hollow cathode | |
| KR102475954B1 (en) | Apparatus and method for operating heaterless hollow cathodes, and electric space propulsion systems using such cathodes | |
| JPS5853460B2 (en) | Hollow cathode discharge device | |
| RU2168793C1 (en) | Compensating cathode | |
| US11482395B2 (en) | Heaterless hollow cathode | |
| RU2663241C1 (en) | Hollow cathode | |
| Kovarik et al. | Initiation of hot cathode arc discharges by electron confinement in Penning and magnetron configurations | |
| RU2304858C1 (en) | Plasma accelerator cathode |