ПЛАЗМЕННЫЙ КАТОД-КОМПЕНСАТОР Российский патент 2006 года по МПК H01J37/77 H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к катодам-компенсаторам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано как в составе электрореактивных двигателей для нейтрализации ионного пучка, так и в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы.

Известен плазменный катод-компенсатор, содержащий держатель с отверстием на выходе, внутри которого расположена полая капсула с торцевой стенкой и проходным отверстием на выходе, которая охвачена нагревателем, тепловыми экранами, а внутри расположен термический эмиттер с осевым каналом прохода рабочего газа, опорный изолятор и трубку подвода рабочего тела, сообщенную с полой капсулой [1].

Недостатком известного плазменного катода-компенсатора является нестабильность параметров и характеристик при его запуске и работе, в особенности на режимах малых расходов газа из-за нестабильности места "привязки" электрического разряда при многократных включениях, вследствие использования прямоточной схемы истечения рабочего газа. При такой схеме расположения полость разряда, ограниченная осевым каналом, соосна проходному отверстию полой капсулы так, что они сопряжены между собой без зазора таким образом, что эмиссионная поверхность представляет собой довольно протяженную цилиндрическую форму по глубине осевого канала. Кроме этого, такая постоянно плавающая "привязка" электрического разряда вызывает неравномерную эрозию термического эмиттера по глубине его канала как по форме в начале ресурса кромки, а потом и всего фронта эрозии, так и по месту расположения максимальной зоны эрозии. Что в конечном итоге приводит к различной выработке термических эмиттеров одной партии катодов-компенсаторов при их одинаковой ресурсной наработке по времени и количеству включений.

Известен плазменный катод-компенсатор, принятый за прототип, содержащий полый держатель с торцевой стенкой и выходным отверстием на выходе, внутри которого расположена полая капсула с торцевой стенкой и проходным отверстием на выходе, которую охватывают последовательно нагреватель и тепловые экраны, а внутри нее размещен термический эмиттер, имеющий с одной стороны сплошную торцевую стенку и по меньшей мере один канал прохода рабочего тела, опорный изолятор и трубку подвода рабочего тела, сообщенную с полой капсулой [2].

Снабжение известного плазменного катода-компенсатора термическим эмиттером с каналом прохода рабочего тела, выполненного в виде лабиринта, позволило устранить недостаток, присущий аналогам, и несколько повысить стабильность параметров и характеристик при запуске и работе катода-компенсатора. Это достигнуто путем создания на входе в полость разряда участка в канале подачи рабочего тела с увеличенным гидравлическим сопротивлением и повышенной плотностью газа за счет разветвления канала со стороны входа в термическом эмиттере в виде отдельных пазов. Минуя такие пазы, рабочее тело вновь сходится в радиальном направлении к центру в единый осевой канал, выполненный на выходе из термического эмиттера, в полости которого и образуется полость разряда.

Однако и такой известный плазменный катод-компенсатор также имеет ряд существенных недостатков. При такой конфигурации канала подачи рабочего тела в термическом эмиттере участок с максимальным гидравлическим сопротивлением, а следовательно, максимальным давлением и с повышенной плотностью газа, располагается лишь на подходе к зоне разряда. А поэтому непосредственно в самой зоне разряда давление газа уже спадает и устанавливается действующее в ней давление меньше максимального. Такие условия в сочетании с удаленностью расположения участка с повышенной плотностью и максимальным давлением по глубине от зоны возникновения разряда затрудняют проникновение разряда по глубине канала и последующее его стабильное поддержание. И в такой конструктивной схеме истечение ионизированного газа происходит непосредственно из зоны разряда через проходное отверстие полой капсулы, так же, как и в известном аналоге, и является прямоточным.

Из-за довольно протяженной эмиссионной поверхности, определяемой глубиной глухого осевого отверстия, расположенного на выходе из термического эмиттера, ее равномерный разогрев в момент запуска невозможен. Это объясняется тем, что распределение собственного поля температур нагревателя неравномерно вследствие довольно протяженной формы, которая приводит к тому, что максимальная температура нагревателя находится в его срединной части, тогда как ближе к краям она уменьшается из-за оттока тепла в местах его закрепления. А из-за неравномерного разогрева термического эмиттера в начальный момент зажигания разряда в виде электрической дуги он не распределяется по всей зоне разряда, что приводит к неравномерной эрозии поверхности термического эмиттера вследствие произвольной по месту и постоянно блуждающей во времени "привязки". Это оказывает негативное влияние на стабильность параметров и характеристик при запуске, в особенности при работе на режимах относительно малых расходов и давлениях рабочего газа в полости канала.

Кроме того, такой плазменный катод-компенсатор обладает недостаточной надежностью при его запуске, что обусловлено взаимным расположением нагревателя и термического эмиттера, при котором крайние витки спиралеобразного нагревателя оказываются ближе к выходу, чем эмиссионная поверхность термического эмиттера. Такое взаимное расположение элементов в сочетании с первичностью разогрева самого нагревателя, который обладает собственной эмиссией материала, приводит к тому, что создаются условия, при которых вероятность "привязки" разряда к любым другим элементам конструкции, в особенности к виткам нагревателя, резко возрастает. А такие нежелательные "привязки" разряда к различным элементам конструкции приводят к локальному испарению материала нагревателя или полого держателя, повреждению нагревателя, загрязнению эмиссионной поверхности термического эмиттера и снижению тока эмиссии, что, в конечном счете, ограничивает срок службы катода-компенсатора.

При создании изобретения решались задачи по стабилизации параметров и характеристик катода-компенсатора при включениях и повышению его надежности.

Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном катоде-компенсаторе, содержащем полый держатель с торцевой стенкой и выходным отверстием на выходе, внутри которого расположена полая капсула с торцевой стенкой и проходным отверстием на выходе, которую охватывают последовательно нагреватель и тепловые экраны, а внутри нее размещен термический эмиттер, имеющий с одной стороны сплошную торцевую стенку и по меньшей мере один канал прохода рабочего тела, опорный изолятор и трубку подвода рабочего тела, сообщенную с полой капсулой, согласно изобретению сплошная торцевая стенка термического эмиттера размещена относительно торцевой стенки с проходным отверстием полой капсулы с зазором так, что между ними образована полость, а канал прохода рабочего тела в термическом эмиттере образован со стороны входа по меньшей мере одним глухим продольным отверстием, а со стороны выхода по меньшей мере одним продольным пазом на боковой поверхности термического эмиттера и сообщенных между собой по меньшей мере одним поперечным отверстием. Диаметр проходного отверстия полой капсулы может быть выполнен меньше диаметра осевого отверстия термического эмиттера. Между полой капсулой и трубкой подвода рабочего газа может быть введена вставка, выполненная из материала с низкой теплопроводностью. Коаксиально выходному отверстию полого держателя может быть установлен экран с осевым зазором относительно торцевой стенки полой капсулы.

Размещение сплошной торцевой стенки термического эмиттера с зазором относительно торцевой стенки с проходным отверстием полой капсулы и образование между ними полости, а также образование канала прохода рабочего тела в термическом эмиттере за счет выполнения со стороны входа одного глухого продольного отверстия, а со стороны выхода продольных пазов на боковой поверхности термического эмиттера, которые сообщены между собой поперечными отверстиями, позволяют решить задачу по стабилизации параметров и характеристик плазменного катода-компенсатора при его включениях путем уменьшения протяженности эмиссионной поверхности по оси канала и локализации ее вблизи проходного отверстия. При этом эмиссионная поверхность образована поверхностью торцевой стенки термического эмиттера и поверхностями продольных пазов, разнесенных по периферии полости разряда. Данная конструктивная схема позволяет реализовать криволинейное истечение ионизированного газа непосредственно из зоны разряда. Кроме того, такая локализация зоны "привязки" разряда по отношению к эмиссионной поверхности термического эмиттера позволяет обеспечить более мягкие условия запуска и достигнуть идентичности условий зажигания разряда для большого количества запусков. Это достигается путем придания каналу расходящейся формы непосредственно в зоне разряда и создания участка с повышенным гидравлическим сопротивлением, а следовательно, и повышенной плотностью газа непосредственно в полости разряда за счет размещения нескольких продольных пазов напротив торцевой стенки полой капсулы.

Выполнение диаметра проходного отверстия в торцевой стенке полой капсулы меньше диаметра осевого отверстия на входе в термический эмиттер позволяет дополнительно повысить надежность запуска за счет увеличения гидравлического сопротивления потоку рабочего тела. Это приведет к повышению плотности рабочего тела непосредственно в полости перед торцевой стенкой термического эмиттера, т.е. в полости разряда. Кроме того, ионизация рабочего тела, поступающего в продольные пазы канала термического эмиттера, преимущественно, происходит в полости, в которой давление газа близко к максимальному давлению рабочего тела в пределах выходной части тракта. Такие условия существенно облегчают процессы зажигания и горения основного разряда, так как известно, что чем выше давление рабочего тела, тем ниже напряжение, необходимое для зажигания разряда и ионизации.

С целью повышения эффективности тепловой схемы путем снижения тепловых потерь в предложенном плазменном катоде-компенсаторе между полой капсулой и трубкой подвода рабочего тела герметично установлена цилиндрическая вставка, которая может быть выполнена из материала, обладающего низкой теплопроводностью.

Установка экрана коаксиально выходному отверстию полого держателя с внешней стороны торцевой стенки позволяет дополнительно повысить надежность плазменного катода-компенсатора за счет исключения "привязок" разряда к виткам нагревателя в начальный момент запуска путем их защиты тонкостенным элементом, сделанным из тугоплавкого материала и находящимся под одним потенциалом с нагревателем.

Таким образом, плазменный катод-компенсатор, изготовленный согласно изобретению, в котором взаимное расположение термического эмиттера относительно других элементов конструкции формирует более благоприятные условия ионизации рабочего тела, позволяет повысить стабильность параметров и характеристик при запуске и надежность при его эксплуатации, в особенности на режимах малых расходов газа, а также сделать выработку эмиттера в ресурсе более прогнозируемой.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На Фиг.1 изображен продольный разрез предлагаемого плазменного катода-компенсатора.

На Фиг.2 показан выносной элемент А с конфигурацией полости разряда и зоны эмиссии плазменного катода-компенсатора.

Плазменный катод-компенсатор содержит полый держатель 1 с торцевой стенкой 2 и выходным отверстием 3 на выходе, который выполняет функцию одной из токоподводящих линий (клемма "+"). Внутри полого держателя расположена соосно полая капсула 4 с торцевой стенкой 5 и проходным отверстием 6 на выходе. Полая капсула 4 последовательно охвачена нагревателем 7 (например, спиралеобразной формы) и тепловыми экранами 8. Внутри полой капсулы 4 расположен термический эмиттер 9, имеющий с одной стороны сплошную торцевую стенку 10 и канал прохода рабочего тела 11. Канал прохода рабочего тела (например, газообразного ксенона) расходящейся формы в зоне разряда может быть образован со стороны выхода рабочего тела (сплошной торцевой стенки 10) по меньшей мере одним продольным пазом 12 на боковой поверхности 13 термического эмиттера 9, а со стороны входа - по меньшей мере одним глухим осевым отверстием 14, которые сообщены по меньшей мере одним поперечным отверстием 15. Плазменный катод-компенсатор также содержит связующий опорный изолятор 16 и трубку подвода рабочего тела 17, которая также выполняет функцию другой токоподводящей линии (клемма "-"). Термический эмиттер 9 размещен так, что между его сплошной торцевой стенкой 10 и торцевой стенкой 5 полой капсулы 4 образован зазор (L₁), обеспечивающий требуемый рабочий объем полости 18. Для формирования в полости 18 перепада давления газа и повышенной плотности газа площадь поперечного сечения (S₁) выхода из полости 18 за счет диаметра (d₁) проходного отверстия 6 полой капсулы 4 выполняется меньше площади поперечного сечения (S₂) входа в полость 18 за счет диаметра (d₂) осевого отверстия 14 термического эмиттера 9. Между входом полой капсулы 4 и трубкой подвода рабочего тела 17 может быть герметично встроена тонкостенная вставка 19, изготовленная из тугоплавкого материала с низкой теплопроводностью. Коаксиально выходному отверстию 3 токоподводящего держателя 1 с внешней стороны торцевой стенки 2 может быть расположен защитный экран 20, например, конусообразной формы, который в продольном направлении простирается к торцевой стенке 5 полой капсулы 4 и не доходит до нее на величину осевого зазора (L₂). Зазор L₂ выбирается из условия обеспечения электрической прочности независимых электрических цепей, т.е. исключающим электрический пробой при запитывании от источника электрического питания.

Плазменный катод-компенсатор работает следующим образом.

Рабочее тело (например, газообразный ксенон), поступающее в плазменный катод-компенсатор, ионизируется при подаче напряжения на анод ускорителя плазмы (не показан) и термический эмиттер 9, являющийся эмиссионным элементом в нагретом состоянии, при этом происходит зажигание разряда. Подача рабочего газа осуществляется по трубке подвода 17 в полую капсулу 4, а затем последовательно через осевое отверстие 14, поперечное отверстие 15, продольные пазы 12 в рабочую полость 18, которая сформирована между торцевой стенкой 5 полой капсулы 4 и сплошной торцевой стенкой 10 термического эмиттера 9. С помощью нагревателя 7 термический эмиттер 9 разогревается до температуры, обеспечивающей необходимую эмиссию электронов и достаточную для поддержания постоянного электрического разряда между сплошной торцевой стенкой 10 термического эмиттера и анодом ускорителя плазмы. После выхода на стационарный режим нагреватель 7 отключается, а плазменный катод-компенсатор работает в автоматическом режиме, при котором необходимый уровень температуры термического эмиттера 9 обеспечивается за счет энергии, поступающей от разряда. Локализация области "привязки" разряда перед сплошной торцевой стенкой 10 и, соответственно, стабилизация электрического разряда в рабочей полости 18 достигается за счет создания перепада давления газа и повышения плотности газа непосредственно в рабочей полости 18. Это достигается определенным соотношением диаметра (d₁) проходного отверстия 6 в полой капсуле 4 и диаметра (d₂) осевого отверстия 14 канала прохода рабочего тела 11 в термическом эмиттере 9. При этом в первый момент запуска за счет защитного экрана 20 исключается возможность "привязки" разряда к виткам нагревателя 7 как элемента, первично разогретого и обладающего собственной эмиссией материала. Тонкостенная вставка 19, размещенная между входом полой капсулы 4 и трубкой подвода рабочего тела 17, в процессе работы снижает отток тепла от термического эмиттера 9. А в радиальном направлении тепловые экраны 8 препятствуют рассеиванию излучаемого теплового потока, выделяемого нагревателем 7 и полой капсулой 4 с термическим эмиттером 9, и теплопередаче к другим элементам конструкции. Эмиссия электронов, истекающих из катода-компенсатора, происходит последовательно через проходное отверстие 6 в торцевой стенке 5 полой капсулы 4, а затем через выходное отверстие 3 торцевой стенки 2 полого держателя 1.

Источники информации

1. Патент РФ №2168793, кл. 7 Н 01 J 37/077, Н 05 Н 1/54, F 03 Н 1/00.

2. Патент РФ №2012946, кл. 5 Н 01 J 37/077, F 03 Н 1/00 - прототип.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к катодам-компенсаторам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей материалов. Плазменный катод-компенсатор содержит полый держатель 1 с торцевой стенкой 2 и выходным отверстием 3 на выходе, внутри которого расположена полая капсула 4 с торцевой стенкой 5 и проходным отверстием на выходе, которую охватывают последовательно нагреватель 7 и тепловые экраны 8, а внутри нее размещен термический эмиттер 9, имеющий с одной стороны сплошную торцевую стенку 10 и по меньшей мере один канал прохода рабочего тела 11, опорный изолятор 16 и трубку подвода рабочего газа 17, сообщенную с полой капсулой 4, сплошная торцевая стенка термического эмиттера 10 размещена относительно торцевой стенки 5 с проходным отверстием полой капсулы 4 с зазором (L₁) так, что между ними образована полость, а канал прохода рабочего тела 11 в термическом эмиттере 9 образован со стороны входа по меньшей мере одним глухим продольным отверстием, а со стороны выхода - по меньшей мере одним продольным пазом на боковой поверхности термического эмиттера, и сообщенных между собой по меньшей мере одним поперечным отверстием. Диаметр (d₁) проходного отверстия полой капсулы 4 предпочтительней выполнять меньше диаметра (d₂) осевого отверстия термического эмиттера 9. Между полой капсулой 4 и трубкой подвода рабочего газа 17 может быть введена вставка 19, выполненная из материала с низкой теплопроводностью. Коаксиально выходному отверстию 3 полого держателя 1 может быть установлен экран 20 с осевым зазором (L₂) относительно торцевой стенки 5 полой капсулы 4. Технический результат: стабилизация параметров катода-компенсатора при включениях и повышение его надежности. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Плазменный катод-компенсатор, содержащий полый держатель с торцевой стенкой и выходным отверстием на выходе, внутри которого расположена полая капсула с торцевой стенкой и проходным отверстием на выходе, которую охватывают последовательно нагреватель и тепловые экраны, а внутри которой размещен термический эмиттер, имеющий с одной стороны сплошную торцевую стенку и по меньшей мере один канал прохода рабочего тела, опорный изолятор и трубку подвода рабочего тела, сообщенную с полой капсулой, отличающийся тем, что сплошная торцевая стенка термического эмиттера размещена относительно торцевой стенки с проходным отверстием полой капсулы с зазором так, что между ними образована полость, а канал прохода рабочего тела в термическом эмиттере образован со стороны входа по меньшей мере одним глухим продольным отверстием, а со стороны выхода по меньшей мере одним продольным пазом на боковой поверхности термического эмиттера и сообщенных между собой по меньшей мере одним поперечным отверстием.2. Плазменный катод-компенсатор по п.1, отличающийся тем, что диаметр проходного отверстия полой капсулы выполнен меньше диаметра осевого отверстия термического эмиттера.3. Плазменный катод-компенсатор по п.1, отличающийся тем, что между полой капсулой и трубкой подвода рабочего газа введена вставка, выполненная из материала с низкой теплопроводностью.4. Плазменный катод-компенсатор по п.1, отличающийся тем, что коаксиально выходному отверстию полого держателя установлен экран с осевым зазором относительно торцевой стенки полой капсулы.