ПОЛЫЙ КАТОД Российский патент 2018 года по МПК H01J37/07 F03H1/00 

Изобретение относится к плазменной технике, в частности, к полым катодам (иначе катодам-компенсаторам), работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано как в составе электрореактивных двигателей для нейтрализации (или компенсации объемного заряда ионов) ускоренного ионного потока плазмы, так и в составе технологических источников плазмы, используемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в условиях вакуума, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы [Патент РФ №2219683, кл. 7 H05H 1/24, 1/54, F03H 1/00].

Космические аппараты (КА) эксплуатируются в условиях космического пространства, которые постоянно меняются в результате комплексного воздействия самых различных факторов. В таких условиях важно, чтобы все компоненты электрореактивных двигателей (ЭРД), включая и полый катод, надежно функционировали в течение всего ресурса своей работы [Фаворский О.Н., Каданер Я.С. "Вопросы теплообмена в космосе". Издательство "Высшая школа", М., 1967 г.]. Надежность же работы самого полого катода в течение ресурса, кроме прочего, зависит от организации и обеспечения условий процесса эмиссии электронов [Высокоэффективный эмиттер электронов на основе гексаборида лантана. B.C. Кресанов, Н.П. Малахов, В.В. Морозов и др. М.: Энергоатомиздат, 1987 г., стр. 130-131].

В технике в основном применяются катоды двух разновидностей. В катодах накального типа разогрев эмиттера до рабочей температуры эмиссии осуществляется при помощи специального нагревателя [Н.В. Белан, В.П. Ким, А.И. Оранский, В.Б. Тихонов. Стационарные плазменные двигатели // Харьков: Харьк. авиац. ин-т, 1989, стр. 140]. При отсутствии специального нагревателя для нагрева эмиттера катоды принято называть безнакальными [Патент РФ №2031472, кл. 6 H01J 37/077, F03H 1/00, Н05Н 1/54, J.A. Burkhart, G.R. Seikel, J. Spacecraft and Rockets, v. 9, №7, 1972], в них разогрев эмиттера до рабочей температуры происходит за счет начальной тепловой энергии, выделяющейся в момент запуска при подаче высоковольтного пускового импульса, например 800-1000 В и выше через пусковой электрод, и последующим переходом функционирования его в авторежиме термоэмиссии электронов. В обеих схемах электрической цепью «катод» является непосредственно эмиттер совместно с поддерживающими его и сопрягаемыми с ним деталями.

Известен полый катод, содержащий полую капсулу с торцевыми стенками и проходными отверстиями рабочего тела входа и выхода, внутри которой размещен эмиттер и пусковой электрод [Патент РФ №2012946, кл. 7 H01J 37/077, F03H 1/00].

Недостатком такого известного полого катода является узкая область его применения из-за ограничений по его использованию в условиях действия магнитных полей. Такие ограничения обусловлены тем, что большая магнитная индукция в рабочей зоне полого катода приводит к существенному росту напряжения в цепи «катод-земля» ("cathode ground voltage"), которое снижает эффективность работы ЭРД на 2-3% [Jason D. Sommerville_ and Lyon В. King. "Effect of Cathode Position on Hall-Effect Thruster Performance and Cathode Coupling Voltage". IEPC-2007-78. Presented at the 30^th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007]. Практически данные ограничения препятствуют более компактному расположению полого катода вблизи магнитной системы ЭРД. В противном же случае работа полого катода, располагаемого в зоне повышенного магнитного поля, будет менее надежна, и будет происходить с пониженной эффективностью.

Известен полый катод, принятый за прототип, содержащий полую капсулу с торцевыми стенками, внутри которой размещен эмиттер, который внешней цилиндрической поверхностью сопряжен с внутренней поверхностью полой капсулы, входной канал рабочего тела, выходное отверстие и пусковой электрод [Патент РФ №2287203, кл. 7 H01J 37/077, F03H 1/00].

И такому известному полому катоду присущи аналогичные недостатки. Снижение эффективности работы полых катодов в магнитном поле, генерируемым магнитной системой ЭРД, обусловлено тем, что магнитное поле оказывает влияние на имитируемые электроны и кардинальным образом изменяет их траекторию передвижения. Такое влияние магнитного поля на электроны проявляется в виде так называемого эффекта «замагниченности», при котором движение электронов происходит преимущественно вдоль силовых линий магнитного поля, ориентация которых в окружающем пространстве даже очень ограниченного объема переменна и не совпадает с выходом полого катода, что, в свою очередь, и предопределяет рассеивание части электронов и, как следствие этого, снижению плотности электронных образований и необходимости избыточной эмиссии для компенсации потерь и поддержания стабильности разрядной цепи. Так, если траектория движения электронов в условиях действия только электрического поля близка к прямолинейной, то в условиях действия одновременно скрещенных электрическом и магнитном полях траектория изменяется и становится близкой к винтообразной вдоль силовых линий магнитного поля. Кроме того, поперечное рассеивание заряженных частиц относительно электрического поля уже в самом начале появления электронов резко повышает риски возникновения процессов разрушающей эрозии изнутри конструкции самого полого катода, что ограничивает его ресурс.

При создании изобретения решались задачи по повышению надежности работы и расширению области применения полого катода.

Указанный технический результат достигается тем, что в полом катоде, содержащем полую капсулу с торцевыми стенками, внутри которой размещен эмиттер, входной канал рабочего тела, выходное отверстие и пусковой электрод, охватывающий полую капсулу, согласно изобретению, пусковой электрод выполнен из магнитопроводящего материала так, что, по меньшей мере зона, от эмиттера до пускового электрода по потоку рабочего тела магнитоизолирована. Внешние поверхности пускового электрода могут быть дополнительно покрыты материалом со степенью черноты по меньшей мере 0,75.

Изготовление пускового электрода полого катода из магнитопроводящего материала позволяет решить задачи по повышению надежности и улучшению стабильности его работы даже в условиях действующего магнитного поля путем магнитного экранирования рабочей зоны эмиссии электронов и их выхода наружу за счет максимального снижения или полного исключения распространения и действия магнитного поля в указанной зоне. Магнитное изолирование рабочей зоны позволяет организовать процесс передвижения электронов в электрическом поле в виде классического токопереноса, происходящим только под действием электрической разности потенциалов. Исключая дополнительное воздействие магнитного поля на электроны в рабочей зоне полого катода, рассеивание заряженных частиц уменьшится, а потери снизятся. Таким образом, данное техническое решение снимает ограничения по месторасположению полого катода относительно магнитной системы ЭРД [Патент РФ №2426913 RU, кл. 7 F03H 1/00, H05H 1/54], так как условия газового разряда в нем не будут зависить от уровня действующих магнитных полей в окружающем пространстве.

Расположение над внешними поверхностями пускового электрода материала со степенью черноты не менее 0,75 позволит обеспечить более длительную надежную работу даже в условиях ионной бомбардировки струи ЭРД за счет повышения его эрозионной стойкости. В качестве такого материала может быть использована двуокись алюминия, нанесенная в виде покрытия или в виде оригинальных деталей, изготовленных из боркремнистой нитридной керамики.

Таким образом, полый катод, изготовленный согласно изобретению, в котором пусковой электрод, изготовленный из магнитопроводящего материала, дополнительно выполняет функцию магнитного экрана, локально ограничивая тем самым распространение и действие магнитного поля в рабочей зоне эмиссии электронов, позволяет добиться более стабильной и надежной работы и расширить область его применения.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 представлен продольный разрез вдоль оси полого катода, на котором дополнительно условно показан источник электрического питания и схема его подключения к элементам полого катода.

На фиг. 2 показан вид А - вид по направлению оси полого катода со стороны его рабочей выходной части, на котором условно показаны силовые линии действующего магнитного поля, ориентация которого в окружающем пространстве представлена произвольно.

Полый катод содержит полую капсулу 1 с торцевыми стенками 2 и 3, входной канал 5 для подвода рабочего тела и выходное отверстие 6 для выхода эмитируемых электронов () в окружающее пространство, внутри полой капсулы расположен эмиттер 4, с внешних сторон их располагается пусковой электрод 7. Источник электрического питания подключается к элементам полого катода следующим образом: токоподводящая линия подачи импульса запуска (клемма "+" источника электрического питания) присоединяется к токопроводящим элементам пускового электрода 7, а другой токоподвод (клемма "-" источника электрического питания) осуществляется к токопроводящим элементам полой капсулы с эмиттером. Внешние поверхности пускового электрода 7 могут быть дополнительно покрыты материалом 8, более стойкого к бомбардировке заряженных частиц.

Полый катод работает следующим образом.

Рабочее тело (например, газообразный ксенон), поступающее в полый катод, ионизируется при электрическом разряде в газовой среде при подаче напряжения по токоподводящей линии подачи пускового импульса (клемма "+" источника электрического питания) на пусковой электрод 7, при этом клемма "-" источника электрического питания присоединена к токопроводящим элементам полой капсулы 1 с эмиттером 4, который в разогретом состоянии до рабочих температур порядка 1500°C-1700°C является источником эмиссии электронов. В данных условиях и происходит первичная инициализация плазмы. Подача рабочего газа в полый катод осуществляется по входному каналу 5, соединенному с торцевой стенкой 2 полой капсулы 1. Далее газ попадает во внутреннюю полость полой капсулы 1, в которой располагается эмиттер 4. За счет выделяющейся начальной мощности электрического разряда в момент запуска эмиттер 4 разогревается, преимущественно со стороны выходного отверстия 6 в торцевой стенке 3, до рабочей температуры, обеспечивающей эмиссию электронов, достаточную для поддержания постоянного электрического разряда между рабочей полостью эмиттера 4 и пусковым электродом 7. После запуска полый катод переходит в стационарный режим с функционированием в автоматическом режиме, при котором необходимый уровень температуры эмиттера 4 обеспечивается за счет энергии, поступающей от установившегося плазменного разряда.

При использовании полого катода в составе ЭРД, его функционирование происходит в условиях действия магнитного поля, генерируемого магнитной системой ЭРД. Процесс эмиссии и выход электронов из рабочей зоны будет более стабилен и надежен, когда магнитное поле локально в данной зоне будет предельно снижено или его действие будет полностью исключено, для чего пусковой электрод 7, окружающий полую капсулу 1 с эмиттером 4 снаружи, необходимо изготавливать из магнитопроводящего материала. Долговечность пускового электрода 7, который во время работы в составе ЭРД подвергается бомбардировке ускоренным ионным потоком, может быть увеличена при помощи дополнительного материала, размещаемого с его внешних сторон, более стойкого к бомбардировке заряженных частиц и замедляющих процессы распыления и эрозии основных конструкционных материалов.

Промышленная реализуемость предложенного изобретения подтверждена испытаниями опытных образцов полого катода при наземной отработке, при которой были получены следующие положительные результаты:

- результаты испытаний продемонстрировали повышение надежности функционирования, как при запусках, так и в процессе стационарной работы;

- при работе напряжение в цепи «катод-земля» понижено и стабильно.

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к полым катодам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного потока, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы. Технический результат - повышение надежности работы и расширение области применения. В полом катоде, содержащем полую капсулу 1 с торцевыми стенками 2, 3, внутри которой размещен эмиттер 4, входной канал рабочего тела 5, выходное отверстие 6 и пусковой электрод 7, пусковой электрод выполнен из магнитопроводящего материала так, что по меньшей мере зона от эмиттера до пускового электрода по потоку рабочего тела магнитоизолирована. Внешние поверхности пускового электрода могут быть дополнительно покрыты материалом 8 со степенью черноты по меньшей мере 0,75. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Полый катод, содержащий полую капсулу с торцевыми стенками, внутри которой размещен эмиттер, входной канал рабочего тела, выходное отверстие и пусковой электрод, охватывающий полую капсулу, отличающийся тем, что пусковой электрод выполнен из магнитопроводящего материала так, что по меньшей мере зона от эмиттера до пускового электрода по потоку рабочего тела магнитоизолирована.

2. Полый катод по п. 1, отличающийся тем, что внешние поверхности пускового электрода покрыты материалом со степенью черноты по меньшей мере 0,75.