КАТОД ПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ Российский патент 2007 года по МПК H05H1/54 H01J37/77 

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно к классу плазменных ускорителей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды. При необходимости оно может быть использовано в смежных областях техники.

Известен катод для плазменных ускорителей, выполненный по широко распространенной конструктивной схеме (1). Он имеет эмиттер, установленный внутри держателя цилиндрической формы, через который подается к эмиттеру рабочий газ. На внешнюю цилиндрическую поверхность держателя намотан спиральный нагреватель, предназначенный для стартового разогрева эмиттера. Нагреватель выполнен в виде металлической спирали из проволоки, покрытой с внешней стороны высокотемпературной электроизоляцией, которая в свою очередь одета в металлическую защитную оболочку.

В данной конструкции держатель с эмиттером и нагреватель выполнены в виде единого узла, то есть нагреватель находится в прямом тепловом контакте с держателем эмиттера. Это приводит к тому, что при работе катода, когда необходимая температура эмиттера поддерживается за счет энергии дугового разряда, радиально направленный тепловой поток от эмиттера за счет теплопроводности поступает через держатель к нагревателю и повышает его температуру до высоких значений, близких к температуре держателя и самого эмиттера. При этом возникает возможность образования значительных тепловых утечек от эмиттера к нагревателю и понижения температуры эмиттера, что отрицательно сказывается на рабочих характеристиках катода. Для уменьшения этих тепловых утечек на внешнюю поверхность нагревателя приходится устанавливать тепловые экраны. Следует отметить, что с целью уменьшения тепловых утечек в осевом направлении от единого узла "эмиттер-нагреватель" в тело катода держатель эмиттера выполнен в виде трубопровода, имеющего малую площадь поперечного сечения. То есть на таком трубопроводе наблюдается консольное закрепление и эмиттера, и спирали нагревателя с экранами, что отрицательно сказывается на вибропрочности катода при значительных механических нагрузках.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому по совокупности существенных признаков является плазменный катод-компенсатор (2). В этом плазменном катоде нагреватель и держатель эмиттера выполнены раздельно друг от друга, спираль нагревателя не имеет прямого теплового контакта с держателем эмиттера, она установлена с зазором по отношению к нему. Стартовый разогрев держателя и эмиттера перед запуском катода осуществляется посредством излучения с внешней поверхности спирали нагревателя. В данной конструкции катода за счет того, что его нагреватель не находится в прямом тепловом контакте с внешней поверхностью держателя эмиттера, появляется возможность уменьшить радиально направленный тепловой поток от эмиттера в сторону нагревателя, то есть обеспечить более высокие температуры эмиттера при работе катода по сравнению с катодом, выполненным в соответствии с (1), что в целом положительно сказывается на рабочих характеристиках катода. Вот, в частности, почему в катодах, выполненных в соответствии с (2), как правило, используются эмиттеры из гексаборида лантана, в то время как в катодах, выполненных в соответствии с (1), используются вольфрам-бариевые эмиттеры. Известно, что рабочая температура эмиттеров из гексаборида лантана (˜1600...1800 С) существенно выше рабочей температуры вольфрам-бариевых эмиттеров (˜1100...1200 С).

Однако конструкция катода, выполненная в соответствии с (2), также не лишена одного существенного недостатка. А именно, при длительной эксплуатации катода, сопровождающейся большим числом циклов его включений, при которых осуществляется многократный разогрев эмиттера катода до высокой температуры с последующим охлаждением, в его конструкции могут происходить заметные деформации различных элементов конструкции катода. Эти деформации могут быть вызваны, например, изменением структуры материалов при высокой температуре, стыковкой разнородных элементов конструкции катода, имеющих различные коэффициенты линейного расширения, изменением свойств сварочных соединений этих элементов и т.п. При этом наиболее теплонапряженным элементом конструкции катода является держатель с установленным в него эмиттером. Деформация держателя катода может привести к касанию держателя спирали нагревателя (наиболее вероятным является касание конца держателя, где установлен эмиттер), то есть к электрическому замыканию между спиралью нагревателя и держателем.

Последнее непосредственно связано с тем, что в катодах плазменных ускорителей, выполненных в соответствии с (2), зазор между наружной поверхностью держателя эмиттера и спиралью нагревателя с целью минимизации массы и габаритов катода, а также уменьшения тепловых утечек от эмиттера выполняется, как правило, минимально возможными, порядка 1 мм. Поэтому при достаточно длинных держателях эмиттера, когда длина держателя на порядок больше его диаметра, касание держателя к спирали нагревателя становится вполне реальным. Тогда, если учесть, что одна из клемм спирали нагревателя в конструкции катода, опять же с целью минимизации массы и габаритов катода, обычно находится под одним потенциалом с держателем или даже напрямую соединена с держателем, то появление электрического замыкания между спиралью нагревателя и держателем вызовет шунтирование цепи нагревателя по телу держателя эмиттера. Возникновение такого электрического замыкания с неизбежностью приведет к протеканию основной части тока от источника питания нагревателя катода не по спирали нагревателя, а по телу держателя эмиттера, поскольку величина электрического сопротивления держателя много меньше сопротивления спирали нагревателя.

Отсюда следует, что при запуске катода, когда от источника питания нагревателя катода будет подано напряжение на нагреватель, его спираль будет нагрета недостаточно и, соответственно, эмиттер катода не достигнет высокой температуры, необходимой для его запуска. Будет иметь место отказ в запуске катода и, соответственно, в запуске плазменного ускорителя. Такого рода дефект наблюдался, в частности, при длительных ресурсных испытания на число включений (число включений измерялось десятками тысяч, именно такие ресурсные характеристики требуются от современных катодов) в конструкции катода, близкой к конструкции, представленной в (2).

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности работы катода за счет предотвращения возможности образования электрического контакта между спиралью нагревателя и держателем эмиттера при тепловой деформации держателя.

Поставленная цель достигается тем, что в катоде плазменного ускорителя, содержащем соосно расположенные держатель с эмиттером и охватывающий держатель нагреватель, состоящий из корпуса, в котором размещен электроизолятор, внутри которого с зазором по отношению к держателю установлена спираль нагревателя, электроизолятор имеет выступ в сторону держателя, образующий зазор с держателем. При этом зазор между выступом электроизолятора меньше величины зазора между спиралью нагревателя и держателем.

Кроме того, выступ электроизолятора может быть выполнен в виде отдельной втулки из электроизоляционного материала, установленной внутри корпуса нагревателя, причем во втулке могут быть выполнены каналы для спирали нагревателя. Дополнительно к этому втулка из электроизоляционного материала может быть установлена вблизи выходного торца держателя.

В случае возникновения значительной тепловой деформации держателя катода относительно спирали нагревателя, способной привести к касанию держателя к спирали нагревателя, то есть к электрическому замыканию между ними, выступ электроизолятора, направленный в сторону держателя эмиттера, предотвратит это касание, то есть предотвратит это электрическое замыкание. Тогда никакого шунтирования цепи нагревателя по телу держателя эмиттера не произойдет и при запуске катода, когда от источника питания нагревателя катода будет подано напряжение на нагреватель катода, его спираль будет нагрета до высокой температуры и, соответственно, эмиттер катода также достигнет температуры, необходимой для его запуска. Будет обеспечен запуск катода и, соответственно, запуск плазменного ускорителя.

Для предотвращения возможности касания держателя к спирали нагревателя зазор между выступом электроизолятора и держателем должен быть выполнен меньше зазора между спиралью нагревателя и держателем. Это необходимо для того, чтобы при возникновении значительной тепловой деформации держателя катода относительно спирали нагревателя держатель не касался спирали нагревателя, а стал упираться на внутреннюю поверхность выступа электроизолятора. При контакте держателя с выступом электроизолятора и при дальнейшей тепловой деформации держателя осуществляется уже совместная деформация держателя и нагревателя за счет передачи усилия от держателя через выступ электроизолятора на корпус нагревателя и соответствующей деформации этого корпуса (в конструкции катода, выполненной в соответствии с [2], это привело бы к электрическому замыканию между спиралью нагревателя и держателем). При этом величина зазора между выступом электроизолятора и держателем должна быть выбрана из соображения, чтобы, с одной стороны, она гарантировала невозможность касания держателя к спирали нагревателя при его тепловой деформации, а с другой стороны, чтобы при передаче усилия от держателя через выступ электроизолятора на корпус нагревателя (после образования упора держателя в выступ электроизолятора) корпус нагревателя не подвергся механическому разрушению (как известно, высокотемпературные изоляторы катодов изготавливаются из материалов, имеющих высокую прочность при сжатии, так что их разрушение не произойдет). Таким образом, величина зазора определяется конкретной конструкцией катода.

Следует также отметить, что наличие зазора между выступом электроизолятора и держателем положительно сказывается на поддержании необходимого температурного режима катода при его работе, так как при наличии зазора отсутствует прямой тепловой контакт между выступом электроизолятора и держателем, а теплопередача между ними осуществляется посредством излучения. Даже в случае контакта держателя с выступом электроизолятора теплопередача путем теплопроводности от держателя эмиттера к нагревателю будет осуществляться практически по линии или по точке контакта-упора, но никак не по всей внутренней поверхности выступа электроизолятора. Такая теплопередача, как известно, не является эффективной.

Поскольку процесс изготовления высокотемпературных изоляторов сложной формы для катодов плазменных ускорителей является трудоемкой технологической операцией, то целесообразно выступ электроизолятора выполнить в виде отдельной втулки из электроизоляционного материала, установленной во внутренней полости корпуса нагревателя. Причем с целью сохранения единой формы спирали нагревателя целесообразно выполнить в этой втулке каналы для прохода сквозь нее спирали нагревателя. Кроме того, учитывая, что максимальная деформация держателя катода относительно спирали нагревателя должна, как правило, наблюдаться на выходном конце держателя, соответствующем выходному концу эмиттера, то втулку из электроизоляционного материала следует установить также на конце нагревателя, соответствующего выходному концу держателя.

Следует также отметить, что дополнительным достоинством такой конструкции катода, помимо прочего, является повышение вибропрочности катода за счет создания выступа, который путем образования зазора с держателем ограничивает радиальные перемещения конца держателя. При возникновении, например, резонансных колебаний держателя с высокими значениями амплитуд, превышающими величину этого зазора, данный выступ будет выполнять демпфирующую роль.

Предлагаемое устройство катода плазменного ускорителя иллюстрируется схемой представленной на чертеже. Катод плазменного ускорителя содержит соосно расположенные держатель 1 с эмиттером 2 и охватывающий держатель нагреватель, состоящий из корпуса 3, в котором размещен электроизолятор 4, внутри которого установлена спираль нагревателя 5. Электроизолятор 4 имеет выступ 6 в сторону держателя 1. Выступ 6 электроизолятора образует зазор Δ₁ с держателем 1 и ограничивает радиальное перемещение держателя 1 относительно спирали нагревателя 5. Величина этого зазора Δ₁ меньше зазора Δ₂ между спиралью нагревателя 5 и держателем 1. На чертеже показан вариант конструкции катода, в котором выступ 6 электроизолятора выполнен в виде отдельной втулки из электроизоляционного материала, установленной внутри корпуса 3 нагревателя, причем во втулке выполнены каналы 7 для спирали нагревателя 5. Эта втулка установлена вблизи выходного торца держателя 1. Подача рабочего газа в катод при его работе осуществляется со стороны входного конца эмиттера 2 (на чертеже направление подачи показано стрелкой 8) в сторону выходного конца эмиттера 2 и его держателя 1.

Катод плазменного ускорителя работает следующим образом. На спираль нагревателя 5 подается напряжение от источника питания накала катода. После разогрева спирали нагревателя 5 и достижения эмиттером 2 температуры, обеспечивающей термоэмиссию электронов, в полость держателя 1 катода подается рабочий газ в направлении, показанном стрелкой 8. От источника питания поджига катода подается напряжение на поджигной электрод катода (на чертеже не показан), расположенный ниже по течению рабочего газа относительно эмиттера 2, а также подается напряжение разряда между катодом и плазменным ускорителем от источника питания разряда плазменного ускорителя (на чертеже ускоритель плазмы также не показан). Между поджигным электродом и эмиттером 2 возникает электрический разряд.

Образовавшаяся в результате этого разряда плазма инициирует зажигание основного разряда между эмиттером 2 катода и ускорителем плазмы. После зажигания основного разряда отключают источник питания накала катода и источник питания поджига разряда. Катод продолжает работать от источника питания разряда плазменного ускорителя.

При выполнении серии включений катода, особенно при выполнении большого числа включений, измеряемых десятками тысяч часов, осуществляется многократный разогрев эмиттера 2 катода до высокой температуры с последующим его охлаждением. В этих условиях в конструкции катода могут происходить заметные деформации отдельных элементов конструкции катода друг относительно друга. В том числе может происходить деформация держателя 1 катода, которая при отсутствии выступа 6 электроизолятора, ограничивающего деформацию держателя 1, может привести к касанию держателя 1 спирали нагревателя 5, то есть к электрическому замыканию. Что ведет к невозможности разогрева спирали нагревателя 5 и к отказу в запуске катода. Наличие выступа электроизолятора 6 в предлагаемом техническом решении предотвратит электрическое замыкание между спиралью нагревателя 5 и держателем 1. Таким образом надежность работы катода будет существенно повышена.

Наличие зазора между выступом 6 электроизолятора и держателем 1 является полезным как в плане предотвращения возможного разрушения корпуса нагревателя 3 при значительной тепловой деформации держателя 1 катода, так и в плане поддержания высокотемпературного теплового режима эмиттера 2 катода.

Источники информации

1. S.D.Kovaleski, M.I.Patterson, G.C.Soulas, Т.К.Sarver-Verhey "F review of testing of hollow cathode for the International", 27-th International Electric Propulsion Conference, October 14-19, 2001, Pasadena, California.

2. "Плазменный катод-компенсатор", РФ, патент №2030016, МПК H01J 37/077, Н05Н 1/54, F03H 1/00, Опытное конструкторское бюро "Факел", РФ, заявка №92005120, заявл. 11.11.92 г., опубл. 27.02.95 г.

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно к классу плазменных ускорителей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды. Катод плазменного ускорителя включает в себя держатель, в который установлен эмиттер, и осесимметрично расположенный с держателем нагреватель, состоящий из корпуса, во внутренней полости которого установлен электроизолятор, кроме того, во внутренней полости электроизолятора установлена спираль нагревателя. Электроизолятор имеет выступ в сторону держателя, образующий зазор с держателем и ограничивающий радиальное перемещение держателя относительно спирали нагревателя. При этом величина зазора между выступом электроизолятора и держателем меньше зазора между спиралью нагревателя и держателем. Выступ электроизолятора выполнен в виде отдельной втулки из электроизоляционного материала, которая установлена во внутренней полости корпуса нагревателя, причем во втулке выполнены каналы для прохода сквозь нее спирали нагревателя. Кроме того, эта втулка установлена на конце нагревателя, который соответствует выходному концу держателя эмиттера. Технический результат: повышение надежности работы катода за счет предотвращения возможности электрического контакта между спиралью нагревателя и держателем эмиттера при тепловой деформации держателя. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Катод плазменного ускорителя, содержащий держатель, в котором размещен эмиттер, и осесимметрично расположенный с держателем нагреватель, состоящий из корпуса, во внутренней полости которого установлен электроизолятор, кроме того, во внутренней полости электроизолятора установлена спираль нагревателя, отличающийся тем, что электроизолятор имеет выступ в сторону держателя, образующий зазор с держателем, при этом зазор между выступом электроизолятора и держателем меньше зазора между спиралью нагревателя и держателем.2. Катод плазменного ускорителя по п.1, отличающийся тем, что выступ электроизолятора выполнен в виде отдельной втулки из электроизоляционного материала, установленной во внутренней полости корпуса нагревателя, причем во втулке выполнены каналы для прохода сквозь нее спирали нагревателя.3. Катод плазменного ускорителя по п.2, отличающийся тем, что втулка из электроизоляционного материала установлена на конце нагревателя, который соответствует выходному концу держателя.