ПЛАЗМЕННЫЙ КАТОД-КОМПЕНСАТОР Российский патент 1995 года по МПК H01J37/77 F03H1/00 H05H1/54 

Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно к плазменным катодам-компенсаторам при использовании их в плазменных ускорителях типа УЗДП, УАС, ПИУ и др., работающих на агрессивных газообразных рабочих телах (О₂, N₂, С, углеводороды и др.). Изобретение также может найти применение в плазменной технологии для нанесения различных специальных покрытий и для ионного стимулирования при нанесении указанных покрытий.

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

Известен плазменный катод-компенсатор [2], принятый за прототип и содержащий корпус с выходным отверстием, размещенный в корпусе соосно его выходному отверстию трубчатый держатель, в полость которого плотно вставлен термоэмиттер с осевым каналом, спиральный нагреватель, охватывающий трубчатый держатель, размещенные между корпусом и нагревателем тепловые экраны и трубку подвода газа, закрепленную в опорном изоляторе.

Однако при использовании известных катодов, как аналога, так и прототипа, в плазменных ускорителях (УЗДП, УАС, ПИУ и др.), работающих на агрессивных рабочих телах (О₂, N₂, СО₂, Сl), происходит химическое взаимодействие этих рабочих тел с конструкционными материалами держателя эмиттера и нагревателя. В результате химического взаимодействия идет интенсивное образование окислов, нитридов, хлоридов конструкционных материалов (МеО, МеN, МеСl и др.) что вызывает охрупчивание и растрескивание материала держателя и нагревателя, необратимое изменение их формы. Наиболее сильно этот эффект проявляется при пусковых режимах, при которых достигается максимальный уровень температур держателя и нагревателя, что ограничивает срок службы и число включений катода-компенсатора. Указанное химическое взаимодействие может привести также к поломке держателя и нагревателя катода-компенсатора.

Изобретение решает задачу увеличения срока службы и числа включений катода-компенсатора при использовании его в ускорителях плазмы, работающих на агрессивных рабочих телах, повышения его надежности.

Задача решена за счет того, что в катоде-компенсаторе, содержащем корпус, в котором соосно его выходному отверстию установлены полый держатель, в полости которого размещен термоэмиттер с осевым каналом, нагреватель, охватывающий держатель, и тепловые экраны, размещенные между стенкой корпуса и нагревателем, и трубку подвода газа, закрепленную в опорном изоляторе, на поверхность нагревателя и по крайней мере 0,5 длины держателя со стороны выходного отверстия корпуса нанесено антикоррозионное покрытие, при этом между торцовой стенкой корпуса с выходным отверстием и обращенным к ней торцом держателя герметично установлена втулка с осевым отверстием, выполненная из изоляционного материала и размещенная от торца держателя на расстоянии, равном 3-5 диаметров осевого канала термоэмиттера, толщина втулки в области осевого отверстия выбрана равной двум диаметрам осевого канала термоэмиттера, причем отверстие во втулке выполнено соосным выходному отверстию в корпусе и каналу термоэмиттера, а его диаметр равен 1,5 диаметра канала термоэмиттера.

Герметичная установка изоляционной втулки препятствует проникновению в полость катода в район нагревателя, держателя и эмиттера заряженных и нейтральных частиц из плазменного потока агрессивных рабочих тел, на которых работает ускоритель плазмы, и тем самым способствует повышению стойкости элементов конструкции катода, увеличению его ресурса и надежности.

Нанесение антикоррозионного покрытия предотвращает при высоких температурах взаимодействие материала держателя и нагревателя с химически активным рабочим телом, попадающим во внутреннюю полость катода-компенсатора.

На чертеже изображен катод-компенсатор в разрезе. Катод-компенсатор содержит корпус 1, коаксиально расположенный в корпусе полый держатель 2, в котором плотно установлен термоэмиттер 3 со сквозным каналом 4, газоподвод 5, закрепленный в опорном изоляторе 6. На выходном торце корпуса 1 герметично закреплена изоляционная втулка 7. Держатель 2 охвачен спиральным нагревателем 8. На внешнюю поверхность полого держателя 2 и спираль нагревателя 8 нанесено антикоррозионное покрытие 9. Расстояние между изоляционной втулкой 7 и торцом держателя 2 S=(3-5)d_к, толщина втулки l=2d_к, а диаметр отверстия втулки d_в=1,5d_к, где d_к - диаметр осевого канала термоэмиттера.

Катод-компенсатор работает следующим образом.

Рабочее тело по газоподводу 5 поступает в канал 4 термоэмиттера 3. Нагревателем 8 термоэмиттер разогревается до температуры, обеспечивающей необходимую эмиссию электронов, достаточную для поддержания стабильного электрического разряда между внутренней поверхностью термоэмиттера и анодом (на чертеже не показан) ускорителя плазмы. После выхода на стационарный режим двигатель отключается и катод-компенсатор работает в авторежиме, при котором необходимый уровень температуры термоэмиттера обеспечивается за счет энергии, поступающей от разряда.

Использование: в плазменных ускорителях, работающих на агрессивных газообразных рабочих телах, в плазменной технологии. Сущность изобретения: катод-компенсатор содержит корпус 1, полый держатель 2, в котором плотно установлен термоэмиттер 3 со сквозным каналом 4, газопровод 5, закрепленный в опорном изоляторе 6. На выходном торце корпуса 1 герметично закреплена изоляционная втулка 7 с выходным отверстием, соосным каналу 4. Держатель 2 охвачен спиральным нагревателем 8. На внешнюю поверхность полого держателя 2 со стороны выходного отверстия и спираль нагревателя 8 нанесено антикоррозионное покрытие 9. Диаметр отверстия втулки равен 1,5 диаметра канала 4. Втулка 7 установлена на расстоянии, равном 3 - 5 диаметрам канала 4 от торца держателя 2. Данное выполнение катода-компенсатора предотвращает взаимодействие при высоких температурах держателя и нагревателя с химически активным рабочим телом, попадающим во внутреннюю полость катода-компенсатора. 1 ил.

ПЛАЗМЕННЫЙ КАТОД-КОМПЕНСАТОР, содержащий корпус, в котором соосно с его выходным отверстием установлены полый держатель, в полости которого размещен термоэмиттер с осевым каналом, нагреватель, охватывающий держатель, и тепловые экраны, размещенные между стенкой корпуса и нагревателем, и трубку подвода газа, закрепленную в опорном изоляторе, отличающийся тем, что на поверхность нагревателя и по крайней мере 0,5 длины держателя со стороны выходного отверстия корпуса нанесено антикоррозионное покрытие, при этом между торцевой стенкой корпуса с выходным отверстием и обращенным к ней торцом держателя герметично установлена втулка с осевым отверстием, выполненная из изоляционного материала и размещенная от торца держателя на расстоянии 3 - 5 диаметров осевого канала термоэмиттера, толщина втулки в области осевого отверстия выбрана равной двум диаметрам осевого канала термоэмиттера, причем отверстие во втулке выполнено соосным с выходным отверстием в корпусе и каналом термоэмиттера, а его диаметр равен 1,5 диаметрам канала термоэмиттера.