RU2684309C1

RU2684309C1 - Plasma hollow cathode

Info

Publication number: RU2684309C1
Application number: RU2018109178A
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Гопанчук; Юрий Митрофанович Горбачев; Мария Ильинична Каташова
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" ФГУП "ОКБ "Факел"
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-04-08

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to plasma engineering, namely in cathode-compensators operating on gaseous working bodies, and can be used in electric jet engines to neutralize ion flow, as well as in plasma process sources intended for ion-plasma treatment of surfaces of different materials in vacuum, as well as plasma source. Plasma hollow cathode comprises hollow capsule 1 with end wall 2 and through outlet 3, inside of which there is emitter 4, inlet branch pipe 5 and starting electrode 6, emitter is made with blind working cavity and with at least one throttle channel 7 of working medium passage. Sections of outer surface of emitter 8 and inner surface of hollow capsule 9 are made cone-shaped, by means of which they are interconnected. Barrier gaps 10 and 11 are formed between external cylindrical part of emitter surface and inner cylindrical part of hollow capsule surface, as well as between emitter and end wall of hollow capsule. Sections of conjugation of external surface of emitter with inner surface of hollow capsule are preferable to distance from through output outlet.EFFECT: technical result is longer life and higher reliability.3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике, а именно, к полым катодам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано как в составе электрореактивных двигателей для нейтрализации ускоренного ионного пучка, так и в составе технологических источников плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве автономного источника плазмы [Патент РФ №2219683, кл.7 Н05Н 1/24, 1/54, F03H 1/00].The invention relates to a plasma technique, namely, to hollow cathodes operating on gaseous working fluids, and can be used both as a part of electric reactive engines to neutralize an accelerated ion beam, and as a part of technological plasma sources intended for ion-plasma treatment of surfaces of various materials in a vacuum, as well as an autonomous plasma source [RF Patent No. 2219683, CL 7 Н05Н 1/24, 1/54, F03H 1/00].

Во время эксплуатации КА в условиях космического пространства все компоненты электрореактивного двигателя (ЭРД), включая плазменный полый катод, должны обеспечивать эффективное и надежное функционирование в течение всего ресурса работы [Фаворский О.Н., Каданер Я.С. "Вопросы теплообмена в космосе". Издательство "Высшая школа", М., 1967 г.]. Ресурс современных ЭРД составляет по времени работы не менее 5000 часов и 10000 включений.During operation of the spacecraft in outer space, all components of an electric jet engine (ERE), including a plasma hollow cathode, must ensure efficient and reliable operation throughout the life of the work [Favorsky ON, Kadaner Y.S. "Issues of heat transfer in space." Publishing house "Higher School", M., 1967]. The resource of modern electric propulsion is not less than 5,000 hours and 10,000 inclusions in operating time.

Надежность же работы самого плазменного полого катода в течение длительного ресурса во многом зависит от взаимодействия материала эмиттера (например, сделанного из гексаборида лантана) с окружающими его материалами элементов конструкции [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].The reliability of the plasma hollow cathode itself over a long life largely depends on the interaction of the emitter material (for example, made of lanthanum hexaboride) with the structural materials surrounding it [High-performance electron emitter based on lanthanum hexaboride. B.C. Kresanov, N.P. Malakhov, V.V. Morozov et al. M .: Energoatomizdat, 1987, pp. 130-131].

Наиболее широкое применение в технике нашли катоды двух конструктивных схем: это так называемые 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] и так называемые безнакальные катоды [например, 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 котором разогрев эмиттера до рабочей температуры, при которой происходит эмиссия электронов, осуществляется за счет первичной тепловой энергии, выделяющейся при подаче высоковольтного поджигного импульса и электрического пробоя в момент запуска катода, с последующим переходом и функционированием его в авторежиме термоэмиссии. В обеих схемах электрической цепью «катод» является непосредственно эмиттер совместно с поддерживающей его деталью.The most widely used in technology are the cathodes of two design schemes: these are the so-called glow-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] and the so-called non-cathode cathodes [for example, 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 the operating temperature at which electron emission occurs, due to the primary thermal energy released when a high-voltage ignition pulse and electrical breakdown are applied at the moment of cathode start-up, with its subsequent transition to thermal emission auto mode. In both schemes, the “cathode” electric circuit is directly the emitter together with its supporting part.

Известен плазменный полый катод, содержащий полую капсулу с торцевыми стенками и проходными отверстиями рабочего тела входа и выхода, внутри которой размещен эмиттер [Патент РФ №2168793, кл.7 H01J 37/077, F03H 1/00, Н05Н 1/54].Known plasma hollow cathode containing a hollow capsule with end walls and passage openings of the working fluid inlet and outlet, inside which the emitter is placed [RF Patent No. 2168793, CL 7 H01J 37/077, F03H 1/00, H05H 1/54].

Недостатком такого известного плазменного полого катода является малый ресурс работы из-за недолговечности деталей, непосредственно контактирующих с материалом эмиттера из гексаборида лантана, в результате образования на контактных поверхностях и доступных поверхностях близрасположенных деталей новых химических соединений на основе бора, который в условиях высоких рабочих температур ~1500°С активно диффундирует и изменяет структуру металлов из-за образования боридов - так называемый процесс борирования, который сопровождается ростом зерна новых образований, что приводит к нарушению исходных межкристаллических связей, что при многочисленных циклических теплосменах в достаточно большом температурном диапазоне постепенно приводит к охрупчиванию материалов с последующим растрескиванием деталей конструкции, что, в свою очередь, вызывает ускоренную выработку активной зоны самого эмиттера.A disadvantage of such a known plasma hollow cathode is a short service life due to the fragility of parts directly in contact with the material of the emitter of lanthanum hexaboride, as a result of the formation of new boron-based chemical compounds on contact surfaces and accessible surfaces of nearby parts, which at high operating temperatures ~ 1500 ° С actively diffuses and changes the structure of metals due to the formation of borides - the so-called boronization process, which is accompanied by growth m Grain new entities, which leads to disruption of the original intercrystalline bonds that for cyclic numerous thermal cycles in a sufficiently large temperature range gradually leads to embrittlement of materials, followed by cracking of construction parts, which in turn causes the accelerated production of the active zone of the emitter.

Известен плазменный полый катод, принятый за прототип, содержащий полую капсулу с торцевыми стенками и проходными отверстиями рабочего тела, внутри которой размещен эмиттер, который контактирует с другими поверхностями деталей конструкции с дополнительным защитным покрытием химически пассивного материала [Патент РФ №2012946, кл.5 H01J 37/077, F03H 1/00].Known plasma hollow cathode, adopted for the prototype, containing a hollow capsule with end walls and through holes of the working fluid, inside which an emitter is placed, which is in contact with other surfaces of the structural parts with an additional protective coating of chemically passive material [RF Patent No. 20132946, cl. 5 H01J 37/077, F03H 1/00].

В таком известном плазменном полом катоде ресурс его работы увеличен путем предпринятых мероприятий существенно ограничивающих процесс взаимодействия материала эмиттера с основными металлами сопрягаемых деталей за счет нанесения дополнительного стойкого покрытия на большей части внутренних поверхностей полой капсулы, представляющего собой дополнительный барьерный слой из химически пассивного материала, например нитрида циркония, который защищает металлы деталей конструкции.In such a well-known plasma hollow cathode, its operating life is increased by taking measures that significantly limit the interaction of the emitter material with the base metals of the mating parts by applying an additional resistant coating on most of the inner surfaces of the hollow capsule, which is an additional barrier layer of a chemically passive material, for example, nitride zirconium, which protects the metals of construction details.

Однако и у такого известного плазменного полого катода имеются существенные недостатки. Процесс нанесения защитного покрытия из химически пассивного материала только на определенные поверхности деталей катода, изготовленных из тугоплавких материалов, относится к трудоемкой и дорогостоящей технологии. Это связано с трудностями обеспечения нанесения барьерного слоя фиксированной и постоянной толщины, который бы равномерно осаждался на всех внутренних поверхностях полой капсулы, включая и мелкие конструктивные элементы конструкции. Дополнительные трудности обусловлены тем, что окончательные поверхности жаропрочных тугоплавких металлов и сплавов на их основе, обладающих высокой твердостью, после механической обработки режущим инструментом получаются с поверхностями с грубой шероховатостью. Проведенные исследования структуры основных материалов (по шлифам), применяемых в полых катодах, проработавших ресурсные испытания длительностью 1000 часов и более с многократными включениями, показали, что наиболее критичными местами конструкции, подверженные максимальному борированию, являются мелкомасштабные межоперационные переходы между внутренними поверхностями полости капсулы. Во время механической обработки деталей из труднообрабатываемых материалов, а также из-за частых смен быстро изнашиваемого режущего инструмента, четкость и плавность данных переходов обеспечить практически невозможно. В результате чего, образующаяся грубая шероховатость поверхностей в целом по детали, и в особенности внутренних труднодоступных переходов малых размеров, препятствуют качественному и равномерному нанесению слоя покрытия по всем внутренним поверхностям детали. Из-за этого, при термоцикличной работе плазменного полого катода в условиях действия высоких температур, в наиболее критичных местах, слабо защищенных барьерным слоем, происходит более интенсивное локальное борирование материала полой капсулы на всю глубину стенки детали, что в целом приводит к существенным изменениям структуры и нарушению изотропности свойств материала, которые характеризуются чередованием зон чистого металла с зонами вновь образовавшихся боридов, отличающихся между собой твердостью и прочностью. Нарушение изотропности свойств и характеристик металлов становится критичным особенно при работе в условиях действия высоких температур при их значительных перепадах, что приводит к возникновению на различных участках единой детали разных внутренних напряжений и, соответственно, различных термических деформаций, что резко повышает локальную хрупкость и повышается вероятность трещинообразований, приводящих в конечном итоге к потере герметичности тракта протекания рабочего тела, что также ограничивает ресурс его работы.However, even such a known plasma hollow cathode has significant drawbacks. The process of applying a protective coating of chemically passive material only on certain surfaces of the cathode parts made of refractory materials is a laborious and expensive technology. This is due to difficulties in ensuring the application of a barrier layer of fixed and constant thickness, which would be uniformly deposited on all internal surfaces of the hollow capsule, including small structural elements of the structure. Additional difficulties are caused by the fact that the final surfaces of refractory refractory metals and alloys based on them having high hardness, after machining with a cutting tool, are obtained with surfaces with a rough roughness. Studies of the structure of the main materials (in thin sections) used in hollow cathodes, which have undergone life tests of 1000 hours or more with multiple inclusions, have shown that small-scale interoperative transitions between the internal surfaces of the capsule cavity are the most critical structural sites subject to maximum boronation. During the machining of parts from difficult-to-process materials, as well as due to the frequent changes of rapidly wearing cutting tools, it is practically impossible to ensure the clarity and smoothness of these transitions. As a result, the resulting rough roughness of the surfaces as a whole over the part, and especially the internal hard-to-reach transitions of small sizes, impede the quality and uniform application of the coating layer over all the inner surfaces of the part. Because of this, during thermocyclic operation of the plasma hollow cathode under high temperature conditions, in the most critical places weakly protected by the barrier layer, more intense local boration of the material of the hollow capsule occurs over the entire depth of the part wall, which generally leads to significant changes in the structure and violation of the isotropic properties of the material, which are characterized by the alternation of zones of pure metal with zones of newly formed borides, differing in hardness and strength. Violation of the isotropy of the properties and characteristics of metals becomes critical especially when operating under high temperatures with significant differences, which leads to the appearance of different internal stresses and, accordingly, various thermal strains in different parts of a single part, which sharply increases local brittleness and increases the likelihood of cracking , leading ultimately to the loss of integrity of the path of the working fluid, which also limits the resource of his work.

Другим недостатком такого известного плазменного полого катода является низкая надежность его работы в составе ЭРД малой мощности из-за нестабильности стационарной работы, особенно при запусках, которые осуществляются при относительно малых расходах газа. Причина этого обусловлена тем, что массовый расход газа внутри полости эмиттера оказывает существенное влияние на протяженность его активной зоны эмиссии электронов. Так, если 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 подачи плазмообразующего газа. Таким образом, при малых расходах рабочего газа эффективность эмиссии активной зоны снижается по причине более затрудненного проникновения разряда вглубь канала эмиттера и, тем самым, равномерно-распределенной теплопередачи энергии разряда активной зоне, необходимой для поддержания рабочей температуры всей протяженной активной зоны, что к тому же дополнительно усугубляется тепловыми потерями, идущими в обратном направлении в конструкцию катода [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, для устойчивости и стабильности плазменного разряда в полости плазменного полого катода, особенно на режимах с малыми расходами рабочего газа, в его конструкции должны учитываться и такого рода дополнительные специфические ограничения «снизу».Another disadvantage of such a known plasma hollow cathode is the low reliability of its operation in the low power propulsion engine due to the instability of stationary operation, especially during launches that are carried out at relatively low gas flow rates. The reason for this is due to the fact that the mass flow of gas inside the emitter cavity has a significant effect on the length of its active zone of electron emission. So, if, at increased flow rates, the active zone is compressed with a shift toward the emitter exit, while, with a decrease in flow rate, the active zone expands, going deeper from the outlet end of the emitter into the plasma-forming gas supply channel. Thus, at low flow rates of the working gas, the efficiency of core emission decreases due to the more difficult discharge penetrating deep into the emitter channel and, therefore, evenly distributed heat transfer of the discharge energy to the core, which is necessary to maintain the operating temperature of the entire extended core, which is also additionally aggravated by thermal losses going back to the cathode structure [Oransky A.I., Dolgov A.S., Taran A.A. Gas-discharge hollow high-emission cathodes. Volume 1. Basics of design. National Aerospace Institute. NOT. Zhukovsky, 2011]. Thus, for the stability and stability of the plasma discharge in the cavity of the plasma hollow cathode, especially in the regimes with low flow rates of the working gas, such additional specific “bottom-up” restrictions must be taken into account in its design.

При создании изобретения решались задачи по увеличению ресурса и повышению надежности работы.When creating the invention, the tasks were solved to increase the resource and increase the reliability.

Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном полом катоде, содержащим полую капсулу с торцевой стенкой и сквозным выходным отверстием, внутри которой размещен эмиттер, входной патрубок и пусковой электрод, согласно изобретению, эмиттер выполнен с несквозной рабочей полостью и по меньшей мере одним дроссельным каналом прохода рабочего тела. Участки внешней поверхности эмиттера и внутренней поверхности полой капсулы выполнены конусообразной формы, при помощи которых они сопряжены между собой, при этом между наружной цилиндрической частью поверхности эмиттера и внутренней цилиндрической частью поверхности полой капсулы, а также между эмиттером и торцевой стенкой полой капсулы образованы барьерные зазоры. Участки сопряжения внешней поверхности эмиттера с внутренней поверхностью полой капсулы отдалены от сквозного выходного отверстия.The specified technical result is achieved by the fact that in the plasma hollow cathode containing a hollow capsule with an end wall and a through outlet, inside of which an emitter is placed, an inlet pipe and a starting electrode, according to the invention, the emitter is made with a through working cavity and at least one throttle channel passage of the working fluid. The portions of the outer surface of the emitter and the inner surface of the hollow capsule are cone-shaped, with which they are interconnected, while barrier gaps are formed between the outer cylindrical part of the surface of the emitter and the inner cylindrical part of the surface of the hollow capsule, as well as between the emitter and the end wall of the hollow capsule. The interface between the outer surface of the emitter and the inner surface of the hollow capsule is remote from the through outlet.

Выполнение эмиттера с несквозной рабочей полостью и по меньшей мере одним дроссельным каналом прохода рабочего тела позволяет решить задачу обеспечения высокой надежности работы плазменного полого катода путем исключения прямоточности протекания газа и проникновения плазменного разряда вглубь рабочей внутренней полости и даже в сам тракт подачи рабочего тела за счет выполнения несквозной рабочей полости ограниченной глубины («глухое»), но достаточной для формирования активной зоны с необходимой эмиссией электронов с ее рабочей поверхности и подачи в нее рабочего плазмообразующего газа через соединяющие дроссельные каналы в виде лабиринтов с их суммарным гидравлическим сопротивлением больше, чем гидравлическое сопротивление полости в эмиттере, и, тем самым, обеспечивая эффект дросселирования газа на данном участке, характеризующийся при этом снижением давления и скорости протекающего газа, а также нарушения сплошности потока газа и создания переменной плотности по объему тракта, что является благоприятной предпосылкой для формирования условий, снижающих риски сверх глубокого провала разрядной дуги по газу противотоком вглубь канала подачи рабочего тела, то есть, в направлении положительного градиента плотности газа.The implementation of the emitter with a non-through working cavity and at least one throttle channel for the passage of the working fluid allows us to solve the problem of ensuring high reliability of the plasma hollow cathode by eliminating the direct flow of the gas and the penetration of the plasma discharge deep into the working internal cavity and even into the supply path of the working fluid by performing non-through working cavity of limited depth (“deaf”), but sufficient to form an active zone with the necessary electron emission from its working surface The surface and the supply of working plasma-forming gas through the connecting throttle channels in the form of labyrinths with their total hydraulic resistance is greater than the hydraulic resistance of the cavity in the emitter, and, thereby, providing the effect of gas throttling in this area, characterized by a decrease in pressure and flow rate gas, as well as violations of the continuity of the gas flow and the creation of a variable density along the volume of the tract, which is a favorable prerequisite for the formation of conditions that reduce risk over deep dip discharge arc gas countercurrent working fluid deeper into the feed channel, i.e., in the direction of a positive gradient of the gas density.

Выполнение участков внешней поверхности эмиттера и внутренней поверхности полой капсулы в виде одинаковых конусов ограниченной протяженности, при помощи которых они сопрягаются между собой, позволяет решить задачу по дополнительному увеличению ресурса катода путем предельного уменьшения контактной площади эмиттера с другими элементами конструкции и локализации тем самым зоны максимального борирования конструкционных материалов. А формирование барьерных зазоров между наружной цилиндрической частью поверхности эмиттера и внутренней цилиндрической частью поверхности полой капсулы, а также между эмиттером и торцевой стенкой полой капсулы позволяет также решить задачу по дополнительному увеличению ресурса катода путем значительного сокращения площади контакта большей части эмиттера, и преимущественно, в наиболее теплонапряженной его выходной части внутренней рабочей полости, с другими элементами конструкции. При сопряжении по конусу автоматически обеспечивается взаимное центрирование полости эмиттера и полой капсулы с высокой точностью по соосности и более надежное контактное электрическое сопротивление. Осевой зазор между эмиттером и торцевой стенкой полой капсулы выполняет функции буферной зоны, в которой компенсируется разность термических деформаций от коэффициентов термических расширений различных материалов.The implementation of the sections of the outer surface of the emitter and the inner surface of the hollow capsule in the form of identical cones of limited length, with which they are interlinked, allows us to solve the problem of further increasing the cathode resource by limiting the contact area of the emitter with other structural elements and thereby localizing the maximum boration zone construction materials. And the formation of barrier gaps between the outer cylindrical part of the surface of the emitter and the inner cylindrical part of the surface of the hollow capsule, as well as between the emitter and the end wall of the hollow capsule, also allows us to solve the problem of further increasing the cathode resource by significantly reducing the contact area of most of the emitter, and mainly, in the most its heat-stressed output part of the internal working cavity, with other structural elements. When mating on a cone, the centering of the emitter cavity and the hollow capsule is automatically ensured with high accuracy in alignment and more reliable contact electrical resistance. The axial clearance between the emitter and the end wall of the hollow capsule functions as a buffer zone in which the difference in thermal deformations from the coefficients of thermal expansion of various materials is compensated.

Отдаление участка сопряжения внешней поверхности эмиттера с внутренней поверхностью полой капсулы от сквозного выходного отверстия позволяет решить задачу по дополнительному увеличению ресурса катода путем размещения контакта соединения деталей в менее теплонапряженной зоне, в которой интенсивность процесса борирования конструкционных материалов, как показали исследования, отсутствует или минимальна, что вероятней всего происходит из-за несколько меньшей температуры, снижение которой связано с дополнительным оттоком тепла из данной зоны, кроме излучения и рассеивания тепла вокруг, за счет теплопроводности входного патрубка и далее от него в другие элементы конструкции катода.The separation of the interface between the outer surface of the emitter and the inner surface of the hollow capsule from the through exit hole allows us to solve the problem of further increasing the cathode resource by placing the contact of the part connection in a less heat-stressed zone, in which the intensity of the boron process of structural materials, as shown by studies, is absent or minimal, which most likely due to a slightly lower temperature, a decrease in which is associated with an additional outflow of heat from yes hydrochloric zone except radiation and heat dissipation around, due to the thermal conductivity of the inlet pipe further from it in other elements of cathode structure.

Таким образом, плазменный полый катод, изготовленный согласно изобретению, в котором предельно минимизирован непосредственный контакт эмиттера с окружающими его элементами конструкции, позволяет увеличить ресурс работы катода и повысить его надежность при эксплуатации.Thus, the plasma hollow cathode made according to the invention, in which the direct contact of the emitter with the surrounding structural elements is minimized, allows to increase the cathode's operating life and increase its reliability during operation.

Изобретение иллюстрируется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

На чертеже изображен осевой разрез предложенного плазменного полого катода, на котором источник электрического питания катода, необходимый для его работы, и пусковой электрод катода показаны условно схематически. Полый эмиттер представлен в варианте с двумя дроссельными каналами прохода рабочего тела, которые расположены симметрично относительно оси эмиттера.The drawing shows an axial section of the proposed plasma hollow cathode, on which the cathode electric power source necessary for its operation, and the cathode starting electrode are shown schematically. The hollow emitter is presented in the embodiment with two throttle channels for the passage of the working fluid, which are located symmetrically with respect to the axis of the emitter.

Плазменный полый катод содержит полую капсулу 1 с торцевой стенкой 2 и сквозным выходным отверстием 3, внутри которой размещен эмиттер 4 с несквозной рабочей полостью и дроссельными каналами 7 для прохода рабочего тела. Подача рабочего тела в катод осуществляется через входной патрубок 5, к которому также осуществляется токоподвод линии цепи подачи пускового импульса (клемма "-" источника электрического питания, который на рисунке показан условно). Снаружи катода расположен пусковой электрод 6 (также показан условно), к которому присоединен другой токоподвод линии цепи подачи пускового импульса (а именно клемма "+" источника электрического питания). На участках внешней поверхности эмиттера 8 и внутренней поверхности полой капсулы 9 выполнены переходы конусообразной формы, при помощи которых эмиттер 4 с полой капсулой 1 сопрягаются до образования соединения между собой. Между наружной цилиндрической частью поверхности эмиттера и внутренней цилиндрической частью поверхности полой капсулы, а также между торцом эмиттера и торцевой стенкой полой капсулы сделаны барьерные зазоры 10 и 11, соответственно. Конусообразные участки сопряжения на внешней поверхности эмиттера 8 и на внутренней поверхности полой капсулы 9 могут быть смещены в направлении от сквозного выходного отверстия, то есть, отдалены от наиболее теплонапряженной зоны при работе катода.The plasma hollow cathode contains a hollow capsule 1 with an end wall 2 and a through outlet 3, inside which an emitter 4 is placed with a through cavity and throttle channels 7 for passage of the working fluid. The supply of the working fluid to the cathode is carried out through the inlet pipe 5, to which the current supply line of the trigger pulse supply circuit is also supplied (terminal “-” of the electric power source, which is conventionally shown in the figure). Outside the cathode there is a starting electrode 6 (also shown conditionally), to which is connected another current supply of the line for supplying the starting pulse (namely, the “+” terminal of the electric power source). On the areas of the outer surface of the emitter 8 and the inner surface of the hollow capsule 9, cone-shaped transitions are made, by which the emitter 4 is paired with the hollow capsule 1 to form a connection between each other. Between the outer cylindrical part of the surface of the emitter and the inner cylindrical part of the surface of the hollow capsule, as well as between the end of the emitter and the end wall of the hollow capsule, barrier gaps 10 and 11 are made, respectively. The conical portions of the interface on the outer surface of the emitter 8 and on the inner surface of the hollow capsule 9 can be shifted in the direction from the through outlet, that is, remote from the most heat-stressed zone during cathode operation.

Плазменный полый катод работает следующим образом.The plasma hollow cathode operates as follows.

Плазмообразующее рабочее тело (например, газообразный ксенон), поступающее под давлением последовательно через входной патрубок 5 и собственные дроссельные каналы 7 в несквозную рабочую полость эмиттера 4, ионизируется за счет энергии, выделяющейся при электрическом пробое в газе во время подачи напряжения по токоподводящей линии поджигного импульса. Электрическая схема коммутации элементов полого катода при этом организована следующим образом: клемма "+" источника электрического питания соединена с пусковым электродом 6 (на чертеже показан условно), тогда как клемма "-" источника электрического питания присоединена, например, к входному патрубку 5, который электрически связан с эмиттером 4, представляющий собой в нагретом состоянии до рабочих температур эмиссионный элемент. При возникновении эмиссии в зоне сквозного выходного отверстия 3, выполненного в торцевой стенке 2 полой капсулы 1, происходит зажигание разряда плазмы. За счет мощности электрического разряда при запуске эмиттер 6 разогревается до рабочей температуры (от 1500 до 1700°С) и обеспечивает необходимую эмиссию электронов, достаточную для стабильного поддержания постоянного электрического разряда между внутренними поверхностями несквозной рабочей полости эмиттера 4 и пусковым электродом 6. После выхода на стационарный режим работы плазменный полый катод работает в автоматическом режиме, при котором необходимый уровень температуры эмиттера 4 обеспечивается за счет энергии, поступающей из плазменного разряда. Барьерные зазоры 10 и 11 между наиболее горячими участками поверхностей эмиттера 4 и полой капсулой 1 во время работы препятствуют процессу борирования металлов деталей конструкции. Также для снижения интенсивности процесса борирования площадь непосредственного контакта сопрягаемых поверхностей эмиттера и полой капсулы 1 минимизирована и ограничена относительно малыми переходными участками сопряжения конусообразной формы 8 и 9, соответственно. Для обеспечения длительной термоцикличной ресурсной наработки предпочтительней чтобы соединение полой капсулы с эмиттером располагалось в менее теплонапряженной зоне, то есть на максимальном удалении от выходного отверстия 3, где температура во время функционирования максимальная.A plasma-forming working fluid (for example, gaseous xenon), which flows under pressure sequentially through the inlet pipe 5 and its own throttle channels 7 into the non-through working cavity of the emitter 4, is ionized due to the energy released during electrical breakdown in the gas during voltage supply through the ignition pulse current supply line . The electrical circuit for switching the hollow cathode elements is organized as follows: the + terminal of the electric power source is connected to the starting electrode 6 (conventionally shown in the drawing), while the "-" terminal of the electric power source is connected, for example, to the input pipe 5, which electrically connected to the emitter 4, which is in the heated state to operating temperatures the emission element. When an emission occurs in the zone of the through outlet 3 made in the end wall 2 of the hollow capsule 1, a plasma discharge is ignited. Due to the power of the electric discharge, at start-up, the emitter 6 is heated to a working temperature (from 1500 to 1700 ° C) and provides the necessary electron emission sufficient to stably maintain a constant electric discharge between the internal surfaces of the through cavity of the emitter 4 and the starting electrode 6. After reaching stationary mode of operation, the plasma hollow cathode operates in automatic mode, at which the necessary temperature level of the emitter 4 is provided due to the energy coming from the plasma nnogo discharge. Barrier gaps 10 and 11 between the hottest sections of the surfaces of the emitter 4 and the hollow capsule 1 during operation impede the process of boring metals of structural parts. Also, to reduce the intensity of the boration process, the area of direct contact of the mating surfaces of the emitter and the hollow capsule 1 is minimized and limited by the relatively small transitional mating portions of the conical shape 8 and 9, respectively. To ensure a long thermocyclic resource life, it is preferable that the connection of the hollow capsule with the emitter is located in a less heat-stressed zone, that is, at a maximum distance from the outlet 3, where the temperature during operation is maximum.

Промышленная реализуемость предложенного изобретения экспериментально подтверждена испытаниями опытных образцов плазменного полого катода повышенной мощности с рабочими токами от 25 до 50 А при его наземной отработке, как автономно, так и в составе стационарного плазменного двигателя мощностью от 10 до 25 кВт [Pyatykh I.N., Bernikova M.Yu., Gopanchuk V.V., Gnizdor R.Yu., Zhasan V.S., Katashova M.I., Savchenko K.A., "SPT-230 Stationary Plasma Thruster", IEPC-2017-548, Presented at the 35^th International Electric Propulsion Conference, Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA, October 8-12, 2017], при этом были получены следующие положительные результаты:The industrial feasibility of the proposed invention has been experimentally confirmed by testing prototypes of a plasma hollow cathode of increased power with operating currents from 25 to 50 A when it is ground-based, both autonomously and as part of a stationary plasma engine with a power of 10 to 25 kW [Pyatykh IN, Bernikova M. Yu., Gopanchuk VV, Gnizdor R. Yu., Zhasan VS, Katashova MI, Savchenko KA, "SPT-230 Stationary Plasma Thruster", IEPC-2017-548, Presented at the 35 ^th International Electric Propulsion Conference, Georgia Institute of Technology , Atlanta, USA, October 8-12, 2017], and the following positive results were obtained:

- анализ результатов ресурсных испытаний продемонстрировал уменьшение общей площади борирования металлов наиболее близко расположенных элементов конструкции и непосредственно окружающих эмиттер на ~8…10%;- analysis of the results of life tests showed a decrease in the total area of boronation of metals of the most closely located structural elements and directly surrounding the emitter by ~ 8 ... 10%;

- уменьшение средней глубины слоя борирования в структуре металлов на ~10%, что позволяет соответственно прогнозировать увеличение ресурса катода.- a decrease in the average depth of the boron layer in the metal structure by ~ 10%, which allows us to accordingly predict an increase in the cathode resource.

Claims

1. Plasma hollow cathode containing a hollow capsule with an end wall and a through outlet, inside of which an emitter is placed, an inlet pipe and a starting electrode, characterized in that the emitter is made with a non-through working cavity and at least one throttle passage of the working fluid passage.

2. The plasma hollow cathode according to claim 1, characterized in that the portions of the outer surface of the emitter and the inner surface of the hollow capsule are cone-shaped, with which they are conjugated to each other, while between the outer cylindrical part of the surface of the emitter and the inner cylindrical part of the surface of the hollow capsule and also between the emitter and the end wall of the hollow capsule formed barrier gaps.

3. The plasma hollow cathode according to claim 2, characterized in that the portions of the interface between the outer surface of the emitter and the inner surface of the hollow capsule are distant from the through outlet.