КАТОДНЫЙ УЗЕЛ Российский патент 1998 года по МПК F03H1/00 H01J37/77 

Изобретение относится к электроракетным двигателям и может использоваться при их конструировании.

При создании ионного двигателя одной из важнейших задач является разработка эффективного катода - источника первичных электронов в газоразрядной камере. В связи с этим становится весьма актуальным вопрос о разработке катода, обладающего низким энергопотреблением и высоким ресурсом.

Экспериментальные исследования показали, что наилучшие характеристики ионного двигателя по энергозатратам и коэффициенту использования рабочего тела реализуются, когда катод работает в режиме контрагированного дугового разряда с вольтамперной характеристикой, имеющей насыщение по току эмиссии, поэтому к требованию по эффективности и ресурсу добавляется устойчивая работа в режиме контрагированного дугового разряда.

Известны полые катоды, работающие на щелочных металлах, в частности на цезии [1] . Такие катоды обладают значительным ресурсом, необходимой эффективностью, но использование в качестве рабочего тела цезия не всегда возможно на борту космического летательного аппарата из-за опасности осаждения цезия на оптических поверхностях КА.

В настоящее время в космических двигателях в качестве рабочего тела используется ксенон, а для снижения работы выхода материала катода используются присадки, например гексаборид лантана. Примером такого катода может служить устройство, описанное в [2]. Основным его недостатком является высокая рабочая температура, сокращающая ресурс катода.

Ближайшим техническим решением является катодный узел на основе капиллярного пленочного полого катода [3]. Данное устройство содержит катод 1 (фиг. 1) с центральным капиллярным отверстием в одной из торцовых стенок, трубопровод плазмообразующего газа 6, внутренний источник эмиссионного вещества (гексаборида лантана) 2 и нагревательный элемент 3. При включении нагревателя гексаборид испаряется и осаждается на боковой поверхности отверстия, снижая работу выхода материала катода. При подаче ксенона в отверстии устанавливается давление на 2 - 3 порядка выше, чем в газоразрядной камере, а при зажигании разряда там образуется плотная плазма, наличие которой позволяет реализовать эффект полого катода - существенное увеличение плотности тока эмиссии. Недостатком известной конструкции является высокая температура катода, при которой реализуется необходимый уровень эмиссии (1900 K), что приводит к повышению энергетических затрат и уменьшению ресурса.

Целью изобретения является повышение ресурса и эффективности работы катода.

Эта цель достигается тем, что внутренний источник эмиттирующего вещества образован установленным на выходе трубопровода жиклером, отверстие которого соосно с капиллярным отверстием, причем рабочий зазор между торцом жиклера и торцовой стенкой катода составляет не более диаметра капилляра, и термогенератором паров цезия, размещенным во внутренней полости катода.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 2. Внутри корпуса катода 1 расположен жиклер 2, по которому подается плазмообразующий газ (ксенон), внутри полости катода находится термогенератор паров цезия, например в виде таблеток цезийсодержащего материала 3, который выделяет цезий при нагреве с помощью нагревателя 4.

Катодный узел работает следующим образом. При нагреве катода пары цезия поступают в капилляр и образуют на его боковой поверхности покрытие, снижающее работу выхода. После зажигания разряда в капилляре образуется плазма, обеспечивающая высокий уровень эмиссии и протекание электронного тока.

Эксперименты показывают, что при давлении ксенона 4•10⁹ - 4•10⁴ Па и давлении цезия 13 Па температура катода не превышала 1100 K, а ток эмиссии достигал 60 A. Спектральные изменения показали, что концентрация паров цезия в пристеночном слое заметно превышает концентрацию на оси, так как атомы цезия, слетая с поверхности, ионизируются в непосредственной близости от стенки, а ионы возвращаются электрическим полем на поверхность. Трудность ухода ионов и атомов цезия из пристеночного слоя подтверждает тот факт, что первоначально покрытый пленкой цезия катод стабильно работал 10 - 20 ч при давлении паров цезия 0,13 Па.

Приведенные выше результаты экспериментальных исследований подтверждают возможность реализации режимов работы катода при расходах цезия в 1000 раз меньше, чем расход ксенона. Учитывая, что расход газа через катод составляет 5 - 7% от общего расхода рабочего тела в ионном двигателе, то расход цезия при использовании такого катода не может превысить сотых долей процента, что позволит использовать ионный двигатель с таким катодом на борту KA, так как потоки цезия соизмеримы с потоками материала ускоряющего электрода, распыляемого ионами перезарядки в процессе работы.

Размещение жиклера в непосредственной близости от капилляра катода позволит иметь одинаковый тепловой режим этих элементов конструкции и наличие плазмы вблизи отверстия жиклера, поэтому уход цезия сквозь жиклер в систему подачи плазмообразующего газа также будет минимальным.

Литература.

1. Korovkin V.N., Latyshev L.A., Obukhov V.A., Grigoryan V.G. "Research of ion thrusters in the USSR" // IEPC-91-081, p.1. (22nd International Electric Propulsion Conference), Italy, 1991.

2. Патент РФ N 2012946, кл. H 01 J 37/077, F 03 H 1/00.

3. Гаврюшин В.М., Григорьян В.Г., Латышев Л.А. Применение электростатических ускорителей в народном хозяйстве. Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 1989, с. 55 - 56.

Изобретение относится к электроракетным двигателям и можеи использоваться при их конструировании. Для повышения ресурса и эффективности работы катода, использующего в качестве плазмообразующего газа ксенон, внутренний источник эмиттирующего вещества образован установленным на выходе трубопровода подвода плазмообразующего газа жиклером и термогенератором паров цезия. Термогенератор расположен во внутренней полости катода. Отверстие жиклера ориентировано соосно с капиллярным отверстием корпуса катодного узла. Рабочий зазор между торцом жиклера и торцовой стенкой корпуса составляет не более диаметра капилляра. 2 ил.

Катодный узел, содержащий полый цилиндрический корпус с центральным капиллярным отверстием в одной из торцевых стенок, трубопровод подвода плазмообразующего газа к капиллярному отверстию, внутренний источник эмиттирующего вещества и нагревательный элемент, отличающийся тем, что внутренний источник эмиттирующего вещества образован установленным на выходе трубопровода жиклером и термогенератором паров цезия, расположенным во внутренней полости катода, причем отверстие жиклера ориентировано соосно с капиллярным отверстием корпуса, а рабочий зазор между торцом жиклера и торцовой стенкой корпуса составляет не более диаметра капилляра.