ПЛАЗМЕННЫЙ КАТОД-КОМПЕНСАТОР Российский патент 1994 года по МПК H01J37/77 F03H1/00 

Изобретение относится к плазменным катодам-компенсаторам на газообразных рабочих телах и может быть использовано в электроракетных двигателях для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках, например, в ускорителях с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДП), ускорителях с анодным слоем и узкой зоной ускорения (УАС), плазменно-ионных ускорителях (ПИУ) и т. д.

Известен накальный полный катод [1] , содержащий корпус, на внутренней поверхности которого закреплена полая цилиндрическая вставка, являющаяся термоэмиттером, нагреватель, закрепленный на наружной поверхности корпуса, и закрепленную на торцевой поверхности корпуса диафрагму с отверстием, являющимся выходным отверстием катода.

Однако при таком конструктивном выполнении катода требуется большая мощность нагревателя для разогрева термоэмиттера до температур, обеспечивающих термоэлектронную эмиссию, достаточную для поддержания стабильного разряда.

Известен плазменный катод-компенсатор [2] , содержащий корпус с выходным отверстием в одной из его стенок, размещенный в корпусе соосно его выходному отверстию трубчатый держатель, в полость которого плотно вставлен термоэмиттер с центральным сквозным каналом. Катод-компенсатор содержит также нагреватель, охватывающий трубчатый держатель, и размещенные между ними и стенками корпуса тепловые экраны. С трубчатым держателем соединена закрепленная в корпусе через электрический изолятор трубка подвода газа во внутреннюю полость корпуса и канал термоэмиттера через его входной участок.

Во время работы катода-компенсатора газ через трубчатый держатель поступает в канал термоэмиттера. Разогретый до высокой температуры термоэмиттер обеспечивает эмиссию электронов, достаточную для поддержания стабильного электрического разряда между внутренней поверхностью термоэмиттера и анодом источника плазмы. После выхода на стационарный режим нагреватель отключается и катод-компенсатор работает в авторежиме, при котором необходимый уровень температуры обеспечивается за счет энергии, выделяющейся в прикатодном слое и примерно равной произведению ионного тока, поступающего из разряда, на прикатодное падение потенциала.

Известному катоду присущи следующие недостатки: в процессе работы может происходить перемещение разряда из канала термоэмиттера во внутреннюю полость трубчатого держателя, что приводит к испарению материала держателя и загрязнению канала термоэмиттера материалом держателя вплоть до полной его закупорки. В результате необратимая деградация термоэмиссионных поверхностей и падение тока термоэмиссии, что ограничивает срок службы катода-компенсатора несколькими десятками часов. Кроме того, непосредственное соединение держателя термоэмиттера с трубкой подвода газа приводит к интенсивному отводу тепла от эмиттера к внешним частям конструкции и, как следствие, к повышению прикатодного падения потенциала для обеспечения требуемой для поддержания авторежима энергии. Повышение прикатодного падения потенциала приводит также к сокращению срока службы термоэмиттера вследствие его усиленной бомбардировки ионами. Кроме того, при плотном контакте термоэмиссионных материалов с держателем при высоких рабочих температурах между ними идет активное химическое взаимодействие, например, проникновение бора с образованием боридов металла, что вызывает охрупчивание и растрескивание материала держателя и термоэмиттера, необратимое изменение формы держателя. Наиболее сильно этот эффект проявляется на пусковых режимах, при которых достигается максимальный уровень температур, что ограничивает срок службы и число включений катода-компенсатора. Кроме того, нагреватель, выполненный в виде спирали, охватывающей трубчатый держатель, характеризуется недостаточной жесткостью, в результате чего происходит провисание и деформация ее витков, приводящее к касанию держателя или тепловых экранов, а следовательно, к закорачиванию нагревателя. Это приводит к ограничению числа включений катода-компенсатора и срока его службы. Кроме того, в рабочем газе в незначительном количестве, например десятые или сотые доли процента, содержатся примеси кислорода, воды и так далее, которые активно взаимодействуют при рабочих температурах с материалом термоэмиттера, ухудшая термоэмиссионные характеристики материала. При работе в течение десятков и сотен часов этот эффект становится значительным и ограничивает срок службы катода-компенсатора.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и увеличение за счет этого срока службы и числа включений катода-компенсатора, повышение его надежности и экономичности.

Поставленная задача решается тем, что в плазменном катоде-компенсаторе, содержащем размещенные в корпусе соосно его выходному отверстию коаксиально установленные полый держатель и термоэмиттер и центральным каналом, сообщенным с полостью держателя, нагреватель, охватывающий держатель, тепловые экраны, размещенные между нагревателем и стенками корпуса, и трубку подвода газа в полость держателя, закрепленную в опорном изоляторе, согласно изобретению, центральный канал термоэмиттера со стороны подвода газа выполнен глухим и сообщен с полостью держателя посредством сквозного канала, выполненного в стенке термоэмиттера так, что его ось пересекает ось центрального канала и продольных пазов, выполненных на боковой поверхности термоэмиттера в месте расположения водных отверстий сквозного канала, а полость держателя сообщена с трубкой подвода газа через герметичную полость, образованную зазорами между коаксиально установленными тепловыми экранами, последовательно соединенными проставочными кольцами и закрепленными на трубке подвода газа, и в этой полости под держателем установлен геттер, расположенный между механическими фильтрами, при этом между внутренней поверхностью держателя и боковой поверхностью термоэмиттера расположен слой материала, химически пассивного при высоких температурах по отношению к материалам держателя и термоэмиттера, а нагреватель снабжен опорным кольцом, размещенным в его средней части и установленным в изоляционной втулке, отделяющей нагреватель от тепловых экранов.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого плазменного катода-компенсатора; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1.

Плазменный катод-компенсатор содержит корпус 1 (фиг. 1) с выходным отверстием 2, коаксиально установленные полый держатель 3 и термоэмиттер 4 с центральным каналом 5. Деpжатель 3 размещен в корпусе 1 соосно выходному отверстию 2 и охвачен нагревателем 6, выполненным в виде спирали, один конец которой закреплен на корпусе 1, а другой - на держателе 3. Нагреватель 6 снабжен опорным кольцом 7, размещенным в его средней части и являющимся дополнительной точкой опоры.

Центральный канал 5 термоэмиттера 4 со стороны подвода газа выполнен глухим и сообщен с полостью держателя 3 посредством сквозного канала 8 (фиг. 2), который выполнен в стенке термоэмиттера 4 и ось которого перпендикулярна оси центрального канала 5 и продольных пазов 9, выполненных на боковой поверхности термоэмиттера 4 в месте расположения входных отверстий сквозного канала 8. Между внутренней поверхностью держателя 3 и боковой поверхностью термоэмиттера 4 расположен слой 10 (фиг. 1) материала, химически пассивного при высоких температурах по отношению к материалам держателя 3 и термоэмиттера 4. Между нагревателем 6 и стенками корпуса 1 размещена система коаксиально установленных тепловых экранов 11, соединенных последовательно через проставочные кольца 12 и закрепленных на трубке 13 подвода газа с образованием герметичной полости 14, через которую полость держателя 3 сообщена с трубкой 13 подвода газа. Между держателем 3 и трубкой 13 установлен геттер 15, размещенный между механическими фильтрами 16, а трубка 13 закреплена в опорном изоляторе 17. Нагреватель 6 отделен от системы тепловых экранов 11 изоляционной втулкой 18, в которой закреплено опорное кольцо 7.

Катод-компенсатор работает следующим образом.

Газ по трубке 13 поступает через геттер 15 и механические фильтры 16 в полость держателя 3 и затем через пазы 9 и канал 8 в центральный канал 5 термоэмиттера 4. С помощью нагревателя 6 термоэмиттер 4 разогревается до температуры, обеспечивающей необходимую эмиссию электронов, достаточную для поддержания стабильного электрического разряда между внутренней поверхностью термоэмиттера 4 и анодом (не показан) источника плазмы. После выхода на стационарный режим нагреватель 6 отключается и катод-компенсатор работает в авторежиме, при котором необходимый уровень температуры термоэмиттера 4 обеспечивается за счет энергии, поступающей от разряда.

При выполнении центрального канала 5 со стороны подачи газа глухим подбором давления а газа и размеров канала 5 стабилизируют электрический разряд в канале 5. При этом исключается возможность "привязки" разряда к стенкам держателя 3, загрязнения и закупорки канала 5 термоэмиттера 4, что сохраняет первоначальную термоэмиссию с внутренней поверхности термоэмиттера 4 и существенно увеличивает срок службы катода-компенсатора. Помещение между внутренней поверхностью держателя 3 и боковой поверхностью термоэмиттера 4 слоя 10 материала, химически пассивного в широком диапазоне температур по отношению к материалам держателя 3 и термоэмиттера 4, исключает возможность химического взаимодействия и взаимной диффузии данных материалов, в результате чего исключаются и необратимые изменения формы держателя 3 и растрескивание держателя 3 и термоэмиттера 4. При этом значительно увеличивается количество включений и срок службы катода-компенсатора.

С помощью системы коаксиальных тепловых экранов 11, которые вместе с трубкой 13 подвода газа и держателем 3 образуют герметичную полость 14, удается значительно уменьшить тепловой поток от держателя 3 до термоэмиттера 4 к внешним частям конструкции и, как следствие, понизить величину прикатодного падения потенциала до уровня потенциала ионизации газа и значительно увеличить срок службы катода-компенсатора.

Введение в катод-компенсатор опорного кольца 7, закрепленного в изоляционной втулке 18, значительно увеличивает жесткость спирали нагревателя 6, исключает закорачивание спирали нагревателя 6 (касание держателя 3 или экранов 11) даже при некоторой деформации витков спирали, которое может произойти при большом количестве термоциклов включения. Это позволяет значительно увеличить число включений и срок службы катода-компенсатора.

Введение в катод-компенсатор геттера 15, расположенного между механическими фильтрами 16 и установленного непосредственно в месте подвода газа в полость держателя 3, позволяет произвести тонкую дополнительную химическую очистку газа от пpимесей кислорода, воды и так далее и обеспечивает более стабильные термоэмиссионные характеристики термоэмиттера 4, за счет чего удается значительно увеличить срок службы катода-компенсатора.

Таким образом, применение в плазменном катоде-компенсаторе термоэмиттера со специальным каналом для газа, слоя химически пассивного материала, системы коаксиально установленных тепловых экранов, опорного кольца, изоляционной втулки, геттера и механических фильтров, согласно изобретению, позволяет значительно увеличить срок службы и количество включений катода-компенсатора.

Использование: плазменные катоды-компенсаторы на газообразных рабочих телах для нейтрализации ионного пучка в электроракетных двигателях, а также в технологических источниках. Сущность изобретения: катод-компенсатор содержит термоэмиттер 4, помещенный в корпус 2 с нанесенным на него защитным слоем 10, спираль-нагреватель 6 с опорным кольцом 7, изоляционную втулку 18, систему тепловых экранов 11, геттер 15, трубку 13 подачи газа, электроизолятор 17 в цепи накала спирали-нагревателя. Центральный канал 5 тетроэмиттера выполнен со сплошной торцевой стенкой и сообщен с полостью держателя 3 через сквозные каналы 8 в боковой стенке термоэмиттера и продольные пазы 9, выполненные по боковой поверхности термоэмиттера. Полость держателя сообщена с трубкой 13 подачи газа через герметичную полость 14, образованную коаксиально установленными тепловыми экранами 11. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ПЛАЗМЕННЫЙ КАТОД-КОМПЕНСАТОР, содержащий размещенные в корпусе соосно с его выходным отверстием коаксиально установленные полый держатель и термоэмиттер с осевым каналом, сообщенным с полостью держателя, нагреватель, охватывающий держатель, тепловые экраны, размещенные между нагревателем и стенками корпуса, и трубку подвода плазмообразующего газа в полость держателя, закрепленную в опорном изоляторе, отличающийся тем, что, с целью увеличения срока службы и числа включений, повышения надежности и газовой экономичности катода-компенсатора, центральный канал термоэмиттера со стороны подвода газа выполнен со сплошной торцевой стенкой и сообщен с полостью держателя через по меньшей мере один сквозной канал, выполненный в боковой стенке термоэмиттера, ось симметрии которого пересекает ось симметрии канала термоэмиттера, и через по меньшей мере один продольный паз, выполненный на боковой поверхности термоэмиттера и соединенный с входным отверстием сквозного канала, при этом полость держателя сообщена с трубкой подвода газа через герметичную полость, образованную коаксиально установленными тепловыми экранами, последовательно соединенными проставочными кольцами и установленными на трубке подвода газа. 2. Катод-компенсатор по п. 1, отличающийся тем, что в герметичной полости между держателем и выходом трубки подвода газа установлен геттер, размещенный между механическими фильтрами. 3. Катод-компенсатор по п. 1, отличающийся тем, что между внутренней поверхностью держателя и боковой поверхностью термоэмиттера размещен слой материала, химически пассивного к материалам держателя и термоэмиттера. 4. Катод-компенсатор по п. 1, отличающийся тем, что нагреватель снабжен опорным кольцом, размещенным в средней части витков нагревателя и установленным в полости изоляционной втулки, расположенной между нагревателем и тепловыми экранами.