КАТОД-КОМПЕНСАТОР Российский патент 2001 года по МПК H01J37/77 H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к накальным катодам-компенсаторам на газообразных рабочих телах, и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках плазмы для ионноплазменной обработки поверхности материалов в вакууме.

Известен катод-компенсатор, содержащий поджигной электрод, в котором соосно ему размещен цилиндрический держатель нагревателя, на котором установлена изоляционная трубка, охватывающая спираль нагревателя с размещенным внутри нее эмиссионным узлом, в полости которого установлен термоэмиттер с каналом, и трубку подвода газа [1].

Известный катод-компенсатор имеет следующие недостатки.

В процессе запуска и разогрева эмиссионного узла с эмиттером до высокой рабочей температуры жесткость нагревателя снижается, что отрицательно сказывается на формоустойчивости в пространстве спиралеобразного нагревателя. В результате этого происходит, во-первых, провисание витков нагревателя в поперечном направлении, приводящее к соприкосновению с изоляционной трубкой, а это приводит к химическому взаимодействию и образованию окислов, нитридов и хлоридов конструкционных материалов, что вызывает разрушение деталей; во-вторых, деформация спиралеобразного нагревателя в продольном направлении, приводящая к соприкосновению и закорачиванию соседних витков, что в свою очередь приводит к изменению электрических параметров нагревателя, а такая нестабильность приведет к изменению пусковых режимов.

Известен катод-компенсатор, принятый за прототип, содержащий поджигной электрод, в котором соосно ему размещен цилиндрический держатель нагревателя, на котором установлена изоляционная трубка, окруженная тепловыми экранами, спираль нагревателя с опорным кольцом, охватывающая эмиссионный узел, в полости которого размещен термоэмиттер с каналом, и трубку подвода газа [2].

В прототипе по сравнению с аналогом увеличена устойчивость средней части спиралеобразного нагревателя при высоких температурах за счет введения опорного кольца, которое опирается в изоляционную трубку и тем самым исключает межвитковое закорачивание нагревателя и касание других элементов конструкции.

Однако и такая конструкция нагревателя катода-компенсатора имеет свои недостатки.

Введение опорного кольца связано со следующими негативными особенностями. Для обеспечения достаточной устойчивости в пространстве спиралеобразного нагревателя необходимо, чтобы соединение с опорным кольцом было выполнено минимум на 3/4 длины одного витка. Кроме того, спиралеобразный нагреватель имеет шаг навивки. Все эти факторы свидетельствуют, что такое опорное кольцо будет иметь достаточно большую массу, а следовательно, и высокую теплоемкость. Поэтому в процессе разогрева нагреватель будет иметь два температурных максимума для каждого участка по обе стороны опорного кольца. Средняя часть эмиттера будет всегда опаздывать с прогревом, а такая неравномерность приведет к неэффективному прогреву рабочей части эмиссионного узла. Такой температурный дисбаланс при многократных циклических включениях снижает надежность и ограничивает срок службы катода-компенсатора.

Кроме того, размещение опорного кольца непосредственно на одном витке самой спирали при воздействии механических нагрузок будет приводить к смещению в любом направлении средней части спирали нагревателя, увеличивая внутренние напряжения витков, которые при разогреве также будут приводить к изменению геометрии спирали.

Для катодов-компенсаторов большой мощности "разбиение" нагревателя на несколько нагревных участков за счет введения опорных колец не позволит решить задачу по повышению устойчивости в пространстве спиралеобразного нагревателя. Повышение мощности предполагает увеличение сопротивления нагревателя за счет длины спирали и диаметра навивки, а это только снижает собственную жесткость нагревателя.

Целью изобретения является повышение устойчивости в пространстве спиралеобразного нагревателя в условиях высоких температур и обеспечение более равномерного разогрева эмиттера и как следствие повышение надежности и ресурса работы катода-компенсатора в процессе его эксплуатации.

Это достигается тем, что в катоде-компенсаторе, содержащем поджигной электрод, внутри которого установлен держатель нагревателя, на котором установлена изоляционная трубка, окруженная тепловыми экранами, спираль нагревателя, охватывающая эмиссионный узел, в полости которого размещен термоэмиттер с каналом, и трубку подвода газа, согласно изобретению спираль нагревателя обвита проволокой с шагом обвивки больше диаметра проволоки, причем проволока покрыта слоем материала, химически пассивного к контактирующим материалам. С одного торца нагревателя дополнительно может быть установлен по меньшей мере один торцевой тепловой экран с центральным отверстием. Спираль нагревателя может быть покрыта слоем материала, химически пассивного к окружающим материалам, со степенью черноты не менее чем 0,3.

Предлагаемая конструкция катода-компенсатора позволяет повысить устойчивость спиралеобразного нагревателя в пространстве, особенно в катодах большой мощности, за счет армирования поверхности спирали нагревателя при помощи плотной обвивки проволокой (например, вольфрам-рениевая проволока малого диаметра). Это позволяет опереть протяженную рабочую часть спирали нагревателя на внутреннюю поверхность изоляционной трубки на большей длине и исключить тем самым изменение геометрической формы в радиальном направлении. Кроме того, значительно увеличивается устойчивость спирали нагревателя в продольном направлении, что в условиях высоких температур исключает "сползание" витков в одном из направлений и позволяет избавиться от межвиткового замыкания соседних витков. Также дополнительное повышение устойчивости за счет снижения рабочей температуры спирали нагревателя при прочих равных условиях достигается при помощи покрытия непосредственно самой спирали нагревателя слоем материала, повышающего степень черноты поверхности до 0,3 и выше. При этом снижается рабочая температура спирали нагревателя как минимум на ~ 150^oC и теплонапряженность в конструкции, и как следствие повышается надежность работы катода-компенсатора в целом.

Нанесение химически пассивного покрытия на проволоку обвивки позволяет избежать химического взаимодействия и диффузионных процессов между прилегающими материалами, в результате чего исключаются необратимые изменения формы деталей, их охрупчивание с последующим растрескиванием, что позволяет увеличить количество включений и срок службы катода-компенсатора.

Задача более равномерного прогрева эмиссионного узла в продольном направлении решена за счет равномерного размещения обвивочной проволоки по спирали нагревателя, которая обладает малой теплоемкостью, и отток тепла в начальный момент разогрева будет минимальным, а это приведет к повышению эффективности разогрева эмиттера. Дополнительные мероприятия по снижению тепловых потерь достигаются за счет установки по меньшей мере с одного торца нагревателя дополнительных торцевых тепловых экранов с центральным отверстием.

Изобретение проиллюстрировано чертежами, где:
на фиг. 1 изображен предлагаемый катод-компенсатор, продольный разрез;
на фиг. 2 изображена спираль нагревателя, обвитая проволокой с покрытием, химически пассивным к материалу керамической трубки, с помощью которой выполнена опора спирали нагревателя на изоляционную трубку (выносной элемент А).

Катод-компенсатор содержит поджигной электрод 1, внутри которого соосно ему установлен держатель 2 нагревателя, на котором установлена изоляционная трубка 3, окруженная тепловыми экранами 4, спираль нагревателя 5, охватывающая эмиссионный узел 6, в полости которого размещен термоэмиттер 7 с каналом, и трубку подвода газа 8, причем спираль нагревателя 5 обвита проволокой 9 с шагом обвивки больше диаметра проволоки, причем проволока 9 покрыта слоем материала 10, химически пассивного к контактирующим материалам. В продольном направлении нагреватель защищен дополнительными торцевыми тепловыми экранами 11.

Катод-компенсатор работает следующим образом.

Рабочее тело (например, ксенон) по трубке подвода газа 8 поступает в полость держателя 2, а затем в полость эмиссионного узла 6. С помощью спирали нагревателя 5 разогревают термоэмиттер 7 до температуры, обеспечивающей необходимую эмиссию электронов, достаточную для поддержания стабильного электрического разряда между термоэмиттером и анодом (не показан) ускорителя плазмы. Подается пусковое напряжение на поджигной электрод 1, и происходит зажигание стартового разряда между поджигным электродом 1 и термоэмиттером 7 и образовавшаяся плазма обеспечивает возникновение основного разряда. После зажигания основного разряда пусковое напряжение с поджигного электрода отключается, и катод-компенсатор работает в авторежиме, при котором необходимая энергия для поддержания условий работы поступает от основного разряда. В процессе запуска происходит резкий разогрев самой спирали нагревателя 5, при этом проволока 9 с покрытием 10, опираясь на изоляционную трубку 3, удерживает спираль в номинальном положении как в радиальном, так и в продольном направлениях. Тепловой поток за счет излучения в процессе работы снижается при помощи дополнительных тепловых экранов 11.

Источники информации
1 Патент РФ N 2030016, кл. 6 H 01 J 37/077, F 03 H 1/00, H 05 H 1/54.

2 Патент РФ N 2012946, кл. 5 H 01 J 37/077, F 03 H 1/00 - прототип.

Изобретение предназначено для использования в накальных катодах-компенсаторах, работающих на газообразных телах, для нейтрализации ионного пучка в плазменных ускорителях, а также в технологических источниках плазмы. Технический результат заключается в повышении формоустойчивости в пространстве спиралеобразного нагревателя, а также надежности и ресурса работы. Катод-компенсатор содержит поджигной электрод 1, внутри которого соосно установлен держатель 2, на котором установлена изоляционная трубка 3, окруженная тепловыми экранами 4, спираль нагревателя 5, охватывающая эмиссионный узел 6, в полости которого размещен термоэмиттер 7 с каналом, и трубку подвода газа 8, спираль нагревателя обвита проволокой 9 с шагом обвивки больше диаметра проволоки, причем проволока 9 покрыта слоем материала 10, химически пассивного к контактирующим материалам. В продольном направлении нагреватель охвачен по меньшей мере одним торцевым тепловым экраном 11 с центральным отверстием. Спираль нагревателя может быть покрыта слоем материала, химически пассивного к окружающим материалам, со степенью черноты не менее чем 0,3. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Катод-компенсатор, содержащий поджигной электрод, внутри которого соосно ему установлен держатель нагревателя, на котором установлена изоляционная трубка, окруженная тепловыми экранами, спираль нагревателя, охватывающая эмиссионный узел, в полости которого размещен термоэмиттер с каналом, и трубку подвода газа, отличающийся тем, что спираль нагревателя обвита проволокой с шагом обвивки больше диаметра проволоки, причем проволока покрыта слоем материала, химически пассивного к контактирующим материалам. 2. Катод-компенсатор по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, с одного торца нагревателя дополнительно установлен, по меньшей мере, один торцевой тепловой экран с центральным отверстием. 3. Катод-компенсатор по п.1, отличающийся тем, что спираль нагревателя покрыта слоем материала, химически пассивного к окружающим материалам, со степенью черноты не менее чем 0,3.