RU2684633C2

RU2684633C2 - Cathode-compensator

Info

Publication number: RU2684633C2
Application number: RU2017116282A
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Гопанчук; Юрий Митрофанович Горбачев; Григорий Александрович Парахин
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" (ФГУП "ОКБ "Факел")
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2019-04-11
Also published as: RU2017116282A; RU2017116282A3

Abstract

FIELD: electricity.SUBSTANCE: invention relates to plasma engineering, namely to hollow cathodes operating on gaseous working bodies, and can be used in electric jet engines, as well as in plasma process sources intended for ion-plasma treatment of surfaces of different materials in vacuum, as well as an autonomous functioning plasma source. Cathode-compensator comprises hollow capsule 1 with thermoemitter 2, which envelopes filament spiral 3 surrounded by insulating tube 4, on top of which heat shields 5, spiral holder 6, igniting electrode 7 and a gas supply tube 8 are located. Insulating tube has inner diameter smaller than outer diameter of filament spiral, and on inner surface of insulating tube there is screw-like groove 9 with pitch of filament spiral, wherein they are mutually conjugated with matching their azimuthal positioning. Insulation tube 4 can be made of at least two longitudinal parts 4a and 4b.EFFECT: increased resource and increased reliability of operation.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике, в частности, к полым катодам (или 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 Н05Н 1/24, 1/54, F03H 1/00].The invention relates to a plasma technique, in particular, to hollow cathodes (or cathodes-compensators), working on gaseous working fluids, and can be used as part of electrojet engines to neutralize (or compensate for the volume charge of ions) accelerated ion flux of plasma, and in the composition of technological plasma sources used for ion-plasma surface treatment of various materials in vacuum conditions, as well as an autonomously functioning plasma source [RF Patent №2219683, cl. 7 H05H 1/24, 1/54, F03H 1/00].

Основное преимущество катодов накального типа, в которых разогрев эмиттера до рабочих температур эмиссии электронов 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] состоит в том, что при практическом их использовании они не требуют использования высоковольтных источников электрического питания, которые являются более дорогостоящими, а их применение предполагает проведение дополнительных мероприятий по обеспечению техники безопасности и аттестации оборудования и рабочих мест.The main advantage of the cathode filament type, in which the heating of the emitter to the operating temperature of the electron emission is carried out using a special heater [N.V. Belan, V.P. Kim, A.I. Oransky, V.B. Tikhonov. Stationary plasma engines // Kharkov: Kharkov. Aviation Inst., 1989, p. 140] consists in the fact that in their practical use they do not require the use of high-voltage electric power sources, which are more expensive, and their use implies additional measures to ensure safety and certification of equipment and workplaces .

Известен катод-компенсатор, содержащий полую капсулу с термоэмиттером с каналом, которые охватывает винтообразная спираль, окруженную изоляционной трубкой, держатель спирали, поджигной электрод и трубку подвода газа [Патент РФ №2030016, кл. 6 H01J 37/077. F03H 1/00, Н05Н 1/54].Known cathode compensator, containing a hollow capsule with a thermal emitter with a channel, which covers a spiral spiral surrounded by an insulating tube, a spiral holder, a burning electrode and a gas supply tube [RF Patent №2030016, cl. 6 H01J 37/077. F03H 1/00, H05H 1/54].

Известный катод-компенсатор имеет принципиальный недостаток. При функционировании и многократных включениях с разогревом спирали до рабочей температуры жесткость спирали, а с ней и формоустойчивость уменьшаются, в результате чего под воздействием различных факторов происходит постепенное провисание и сползание рабочих, наиболее теплонапряженных, витков спирали. Такая деградация номинальной геометрической формы является следствием деформаций во всех направлениях, которые приводят к соприкосновению и электрическому закорачиванию соседних витков спирали, что, в свою очередь, приводит к существенным изменениям электрических параметров нагревателя и нестабильному функционированию.The known cathode compensator has a fundamental disadvantage. When functioning and multiple inclusions with the heating of the helix to the working temperature, the rigidity of the helix, and with it the dimensional stability decrease, as a result of which under the influence of various factors there is a gradual sagging and slipping of the workers, the most heat-stressed, turns of the helix. Such a degradation of the nominal geometric shape is a consequence of deformations in all directions, which lead to the contact and electric shorting of the neighboring turns of the spiral, which, in turn, leads to significant changes in the electrical parameters of the heater and unstable functioning.

Известен катод-компенсатор, принятый за прототип, содержащий полую капсулу с термоэмиттером, которые охватывает накальная спираль, окруженную изоляционной трубкой, поверх которой расположены тепловые экраны, держатель спирали, опорное кольцо, поджигной электрод и трубку подвода газа [Патент РФ №2012946, кл. 5 H01J 37/077, F03H 1/00].Known cathode compensator adopted for the prototype, containing a hollow capsule with a thermal emitter, which covers the filament spiral surrounded by an insulating tube, over which are heat shields, a spiral holder, a support ring, a burning electrode and a gas supply tube [RF Patent №2012946, Cl. 5 H01J 37/077, F03H 1/00].

В таком известном катоде-компенсаторе, по сравнению с аналогом, увеличена устойчивость винтообразной накальной спирали при ее разогреве до высоких температур за счет опорного кольца, которое расположено внутри изоляционной трубки и, тем самым, фиксирует положение среднего витка, снижая вероятность соприкосновения соседних витков спирали (межвитковое замыкание) и касание других элементов конструкции катода.In such a well-known cathode-compensator, compared with the analog, the stability of the spiral filament spiral is increased when it is heated to high temperatures due to the support ring, which is located inside the insulating tube and thereby fixes the position of the middle turn, reducing the likelihood of adjacent turns of the helix ( interturn closure) and touching other elements of the cathode design.

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

Введение опорного металлического кольца приводит к тому, что минимум 3/4-х длины витка в центральной части фактически исключаются из общей длины накальной спирали. Это происходит из-за повышенной локальной дополнительной теплоемкости опорного кольца, изготавливаемого из тугоплавких материалов, которое при разогреве будет понижать температуру в данном месте и разбивать общую зону нагрева на две - в соответствии с двумя температурными максимумами для каждого участка по обе стороны опорного кольца. Критичным оказывается средняя зона эмиттера, разогрев которой будет происходить с временной задержкой по сравнению с разогревом его концов. Такой неравномерный разогрев эмиттера является неэффективным и с высокими рисками закупоривания проходного тракта легкоиспаряющимися фракциями различных примесей и последующего их осаждения в относительно «холодных» зонах и последующей кристаллизацией в виде твердых скоплений. Эти факторы снижают надежность и ограничивают срок службы катода-компенсатора.The introduction of the supporting metal ring leads to the fact that at least 3/4 of the coil length in the central part are practically excluded from the total length of the filament helix. This is due to the increased local additional heat capacity of the support ring, made of refractory materials, which, when heated, will lower the temperature in this place and divide the total heating zone into two - in accordance with two temperature maxima for each section on both sides of the support ring. Critical is the middle zone of the emitter, the heating of which will occur with a time delay compared to the heating of its ends. Such uneven heating of the emitter is inefficient and with high risks of blocking the flow path by volatile fractions of various impurities and their subsequent precipitation in relatively “cold” zones and subsequent crystallization in the form of solid clusters. These factors reduce the reliability and limit the service life of the cathode-compensator.

Кроме этого, фиксация в металлическом опорном кольце только одного или полтора витка накальной спирали не исключает смещения остальных свободных витков, которые при разогреве могут приводить к нарушению межвитковой геометрии накальной спирали.In addition, fixing in the metal support ring only one or one and a half coils of the filament spiral does not exclude displacement of the remaining free coils, which, when heated, can lead to a violation of the inter-turn geometry of the filament helix.

При создании изобретения решались задачи по увеличению ресурса и повышению надежности работы.When creating the invention solved the problem of increasing the resource and increase reliability.

Указанный технический результат достигается тем, что в катоде-компенсаторе, содержащем полую капсулу с термоэмиттером, которые охватывает накальная спираль, окруженную изоляционной трубкой, поверх которой расположены тепловые экраны, держатель спирали, поджигной электрод и трубку подвода газа, согласно изобретению, изоляционная трубка выполнена с внутренним диаметром меньше наружного диаметра накальной спирали и на внутренней поверхности изоляционной трубки выполнена винтообразная канавка с шагом накальной спирали, при этом они взаимно сопряжены с согласованием их азимутального позиционирования. Изоляционная трубка может быть выполнена по меньшей мере из двух продольных частей.This technical result is achieved by the fact that in the cathode-compensator containing a hollow capsule with a thermal emitter, which covers a filament spiral surrounded by an insulating tube, over which are heat shields, a spiral holder, a burning electrode and a gas supply tube, according to the invention, the insulating tube is made the inner diameter is smaller than the outer diameter of the filament spiral and on the inner surface of the insulating tube there is a helical groove with a pitch of the filament spiral, and they take imno involve harmonization of their azimuth positioning. The insulating tube can be made of at least two longitudinal parts.

Изготовление изоляционной трубки с внутренним диаметром меньше наружного диаметра накальной спирали, на внутренней поверхности которой дополнительно выполнена винтообразная канавка с шагом накальной спирали, а также сопряжение их с согласованием их азимутального позиционирования позволяет решить задачи по повышению надежности и увеличению ресурса работы путем фиксирования номинальной исходной формы накальной спирали за счет организации межвитковой опоры вдоль винтообразной образующей накальной спирали и фиксации наиболее теплонапряженных рабочих витков в винтообразной канавке изоляционной трубки в трехмерном пространстве.The manufacture of an insulating tube with an inner diameter smaller than the outer diameter of the filament spiral, on the inner surface of which an additional helical groove with a pitch of the filament coil is made, as well as their conjugation with the coordination of their azimuthal positioning allows to solve the problem of increasing the reliability and increasing the service life spirals due to the organization of the interturn support along the spiral-shaped generator of the filament spiral and fixing the most warm strained working turns in the helical groove of the insulating tube in three-dimensional space.

Изготовление изоляционной трубки в виде нескольких продольных частей позволяет решить задачу по дополнительному увеличению ресурса и обеспечению надежной и стабильной работы на режимах работы повышенной мощности за счет организации цанговой поддержки рабочих витков накальной спирали, позволяющей обеспечить устойчивое и стабильное соосное расположение элементов термонапряженной конструкции, изготовленных из разнородных материалов с различными КТЛР, при большом количестве включений (теплосмен нагревательного элемента) с обеспечением равномерного азимутального нагрева эмиттера в течение длительной работы.The manufacture of an insulating tube in the form of several longitudinal parts makes it possible to solve the problem of further increasing the resource and ensuring reliable and stable operation at high power operation modes by organizing collet support for the working coils of the filament helix, allowing for a stable and stable coaxial arrangement of thermally stressed elements made of dissimilar materials with various CTLRs, with a large number of inclusions (heat shifts of the heating element) with due to uniform azimuth heating of the emitter for a long time.

Таким образом, катод-компенсатор, изготовленный согласно изобретению, в котором исходная форма накальной спирали устойчива к многочисленным знакопеременным термоциклам, позволяет добиться более надежной и стабильной работы, а также обеспечить более длительный ресурс.Thus, the cathode-compensator manufactured according to the invention, in which the initial form of the filament helix is resistant to numerous alternating thermal cycles, makes it possible to achieve more reliable and stable operation, as well as to ensure a longer resource.

Изобретение иллюстрируется чертежами.The invention is illustrated in the drawings.

На фиг. 1 представлен продольный разрез по оси катода-компенсатора, на котором показаны основные функциональные элементы конструкции.FIG. 1 shows a longitudinal section along the axis of the cathode-compensator, which shows the main functional elements of the structure.

На фиг. 2 показан увеличенный поперечный разрез А-А по секущей плоскости пересекающей сопряжение накальной спирали с поддерживающей ее витки изоляционной трубкой.FIG. 2 shows an enlarged transverse section A-A along the secant plane intersecting the filament helix with the insulating tube supporting it.

Полый катод-компенсатор содержит полую капсулу 1 с термоэмиттером 2, охватывающая их накальная спираль 3, окруженную изоляционной трубкой 4, с внешней области защищаемой тепловыми экранами 5, держатель спирали 6, поджигной электрод 7 и трубка подвода газа 8. Источник электрического питания (на рисунке условно не показан) подключается к электрическим цепям катода-компенсатора следующим образом: токоподводящая линия подачи импульса запуска (клемма "+" источника электрического питания) присоединяется к токопроводящим элементам поджигного электрода 7, а также через держатель спирали 6 к удаленному от входа концу накальной спирали 3; другой токоподвод (клемма "-" источника электрического питания) осуществляется к токопроводящим элементам полой капсулы 1 с термоэмиттером 2 и, одновременно с этим, к ближайшему к входу концу накальной спирали 3. Накальная спираль 3 размещена в винтообразной канавке 9 подобной формы, выполненной на внутренней поверхности изоляционной трубки 4. В другом варианте конструкции изоляционная трубка 4 может быть выполнена как минимум из двух продольных частей 4а и 46, с образованием между частями стыков с минимальными зазорами.The hollow compensating cathode contains a hollow capsule 1 with a thermal emitter 2, covering their filament coil 3, surrounded by an insulating tube 4, from the outer area protected by heat shields 5, the coil holder 6, the firing electrode 7 and the gas supply tube 8. The source of electrical power (in the figure conventionally not shown) is connected to the electrical circuits of the cathode-compensator as follows: the current-carrying supply line of the start-up impulse (the “+” terminal of the electric power supply) is connected to the conductive elements of the ignition electric Trode 7, as well as through the holder of the spiral 6 to the end of the filament spiral 3 remote from the entrance; another current lead (terminal "-" of the electric power source) is carried out to the conductive elements of the hollow capsule 1 with the thermal emitter 2 and, at the same time, to the end of the filament 3 nearest to the entrance. The filament helix 3 is placed in the helical groove 9 of a similar shape made on the inner the surface of the insulating tube 4. In another embodiment, the insulating tube 4 can be made of at least two longitudinal parts 4a and 46, with the formation between the parts of the joints with minimal gaps.

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

Рабочее тело (например, газообразный ксенон) поступает по трубке подвода газа 8 в полую капсулу 1 с термоэмиттером 2, который предварительно разогревается при помощи накальной спирали 3 до рабочей температуры эмиссии электронов, необходимой для поддержания стабильного электрического разряда между термоэмиттером и анодом (на рисунке не показан) плазменного ускорителя. При подаче поджигного напряжения, по токоподводящей линии подачи пускового импульса (клемма "+" источника электрического питания), на поджигной электрод 7, когда при этом клемма "-" источника электрического питания присоединена к токопроводящим элементам полой капсулы 1 с эмиттером 2, инициируется между ними электрический разряд в газовой среде в условиях которого ксенон ионизируется, образуя начальную плазму, которая в дальнейшем обеспечивает возникновение основного разряда в плазменном ускорителе. После возникновения основного разряда поджигное и накальное напряжения отключаются и катод-компенсатор переходит к стационарной работе в автоматическом режиме, в процессе которого необходимая энергия для поддержания устойчивой работы поступает от основного разряда плазменного ускорителя. При работе накальная спираль 3 разогревается до температур выше рабочих температур термоэмиттера, составляющих 1500°С-1700°С. Во время работы удержание витков накальной спирали 3 в номинальном положении, как в радиальном, так и в продольном направлениях, обеспечивается ее опорой вдоль винтообразной канавки изоляционной трубки 4. Для снижения тепловых потерь в результате теплового сброса излучением с конструкции используются коаксиальные тепловые экраны 5.The working fluid (for example, xenon gas) flows through the gas supply tube 8 into the hollow capsule 1 with a thermal emitter 2, which is preheated using the filament coil 3 to the working temperature of the electron emission necessary to maintain a stable electrical discharge between the thermal emitter and the anode (in the figure shown) plasma accelerator. When the ignition voltage is applied, the current supply line of the starting impulse (terminal "+" of the electric power source) to the ignition electrode 7, when the terminal "-" of the electric power source is connected to the conductive elements of the hollow capsule 1 with emitter 2, is initiated between them an electrical discharge in a gaseous environment in which xenon is ionized, forming the initial plasma, which further ensures the appearance of the main discharge in the plasma accelerator. After the onset of the main discharge, the ignition and filament voltages are switched off and the compensating cathode is switched to stationary operation in an automatic mode, during which the necessary energy to maintain stable operation comes from the main discharge of the plasma accelerator. During operation, the filament coil 3 is heated to temperatures above the operating temperatures of the thermal emitter, which are 1500 ° C-1700 ° C. During operation, the retention of the turns of the filament coil 3 in the nominal position, both in the radial and longitudinal directions, is ensured by its support along the helical groove of the insulating tube 4. To reduce heat losses due to thermal reset by radiation from the design, coaxial heat shields are used 5.

В другом варианте катода-компенсатора изоляционная трубка 4 с винтообразной канавкой может быть изготовлена из нескольких продольных частей с образованием между ними разъемных стыков и изменяющихся зазоров для компенсации различных термических напряжений, возникающих в сопрягаемых деталях, изготовленных из разнородных материалов и, тем самым, снижения рисков механических разрушений.In another embodiment of the cathode-compensator, the insulating tube 4 with a helical groove can be made of several longitudinal parts with the formation between them of detachable joints and varying gaps to compensate for various thermal stresses arising in the mating parts made of dissimilar materials and, thereby, reduce the risks mechanical damage.

Промышленная реализуемость предложенного изобретения подтверждена испытаниями опытных образцов катода-компенсатора при наземной отработке, как автономно, так и в составе СПД, и при которой были получены следующие положительные результаты:Industrial feasibility of the proposed invention is confirmed by tests of prototypes of the cathode-compensator during ground testing, both independently and as part of the SPD, and in which the following positive results were obtained:

- результаты испытаний продемонстрировали повышение надежности функционирования, как при запусках, так и в процессе стационарной работы;- test results have demonstrated an increase in the reliability of operation, both during launches and in the process of stationary work;

- работа катода-компенсатора надежна и стабильна, без отклонений от заданных требований, даже в режимах повышенной мощности при разрядном токе 20 А и выше.- operation of the cathode-compensator is reliable and stable, without deviations from the specified requirements, even in high-power modes with a discharge current of 20 A and above.

Claims

1. A cathode-compensator containing a hollow capsule with a thermal emitter, which is covered by a filament spiral surrounded by an insulating tube, on top of which are heat shields, a spiral holder, a firing electrode and a gas supply tube, characterized in that the insulating tube is made with an inner diameter smaller than the outer diameter spiral filament and on the inner surface of the insulating tube there is a helical groove with a pitch of the filament spiral, and they are mutually associated with matching their azimuthal position nirovaniya.

2. The cathode-compensator under item 1, characterized in that the insulating tube is made of at least two longitudinal parts.