КАТОД-КОМПЕНСАТОР Российский патент 2019 года по МПК H01J37/77 H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к плазменной технике, в частности, к полым катодам (или 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 Н05Н 1/24, 1/54, F03H 1/00].

Основное преимущество катодов накального типа, в которых разогрев эмиттера до рабочих температур эмиссии электронов 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] состоит в том, что при практическом их использовании они не требуют использования высоковольтных источников электрического питания, которые являются более дорогостоящими, а их применение предполагает проведение дополнительных мероприятий по обеспечению техники безопасности и аттестации оборудования и рабочих мест.

Известен катод-компенсатор, содержащий полую капсулу с термоэмиттером с каналом, которые охватывает винтообразная спираль, окруженную изоляционной трубкой, держатель спирали, поджигной электрод и трубку подвода газа [Патент РФ №2030016, кл. 6 H01J 37/077. F03H 1/00, Н05Н 1/54].

Известный катод-компенсатор имеет принципиальный недостаток. При функционировании и многократных включениях с разогревом спирали до рабочей температуры жесткость спирали, а с ней и формоустойчивость уменьшаются, в результате чего под воздействием различных факторов происходит постепенное провисание и сползание рабочих, наиболее теплонапряженных, витков спирали. Такая деградация номинальной геометрической формы является следствием деформаций во всех направлениях, которые приводят к соприкосновению и электрическому закорачиванию соседних витков спирали, что, в свою очередь, приводит к существенным изменениям электрических параметров нагревателя и нестабильному функционированию.

Известен катод-компенсатор, принятый за прототип, содержащий полую капсулу с термоэмиттером, которые охватывает накальная спираль, окруженную изоляционной трубкой, поверх которой расположены тепловые экраны, держатель спирали, опорное кольцо, поджигной электрод и трубку подвода газа [Патент РФ №2012946, кл. 5 H01J 37/077, F03H 1/00].

В таком известном катоде-компенсаторе, по сравнению с аналогом, увеличена устойчивость винтообразной накальной спирали при ее разогреве до высоких температур за счет опорного кольца, которое расположено внутри изоляционной трубки и, тем самым, фиксирует положение среднего витка, снижая вероятность соприкосновения соседних витков спирали (межвитковое замыкание) и касание других элементов конструкции катода.

Однако и данная конструкция катода-компенсатора имеет свои недостатки.

Введение опорного металлического кольца приводит к тому, что минимум 3/4-х длины витка в центральной части фактически исключаются из общей длины накальной спирали. Это происходит из-за повышенной локальной дополнительной теплоемкости опорного кольца, изготавливаемого из тугоплавких материалов, которое при разогреве будет понижать температуру в данном месте и разбивать общую зону нагрева на две - в соответствии с двумя температурными максимумами для каждого участка по обе стороны опорного кольца. Критичным оказывается средняя зона эмиттера, разогрев которой будет происходить с временной задержкой по сравнению с разогревом его концов. Такой неравномерный разогрев эмиттера является неэффективным и с высокими рисками закупоривания проходного тракта легкоиспаряющимися фракциями различных примесей и последующего их осаждения в относительно «холодных» зонах и последующей кристаллизацией в виде твердых скоплений. Эти факторы снижают надежность и ограничивают срок службы катода-компенсатора.

Кроме этого, фиксация в металлическом опорном кольце только одного или полтора витка накальной спирали не исключает смещения остальных свободных витков, которые при разогреве могут приводить к нарушению межвитковой геометрии накальной спирали.

При создании изобретения решались задачи по увеличению ресурса и повышению надежности работы.

Указанный технический результат достигается тем, что в катоде-компенсаторе, содержащем полую капсулу с термоэмиттером, которые охватывает накальная спираль, окруженную изоляционной трубкой, поверх которой расположены тепловые экраны, держатель спирали, поджигной электрод и трубку подвода газа, согласно изобретению, изоляционная трубка выполнена с внутренним диаметром меньше наружного диаметра накальной спирали и на внутренней поверхности изоляционной трубки выполнена винтообразная канавка с шагом накальной спирали, при этом они взаимно сопряжены с согласованием их азимутального позиционирования. Изоляционная трубка может быть выполнена по меньшей мере из двух продольных частей.

Изготовление изоляционной трубки с внутренним диаметром меньше наружного диаметра накальной спирали, на внутренней поверхности которой дополнительно выполнена винтообразная канавка с шагом накальной спирали, а также сопряжение их с согласованием их азимутального позиционирования позволяет решить задачи по повышению надежности и увеличению ресурса работы путем фиксирования номинальной исходной формы накальной спирали за счет организации межвитковой опоры вдоль винтообразной образующей накальной спирали и фиксации наиболее теплонапряженных рабочих витков в винтообразной канавке изоляционной трубки в трехмерном пространстве.

Изготовление изоляционной трубки в виде нескольких продольных частей позволяет решить задачу по дополнительному увеличению ресурса и обеспечению надежной и стабильной работы на режимах работы повышенной мощности за счет организации цанговой поддержки рабочих витков накальной спирали, позволяющей обеспечить устойчивое и стабильное соосное расположение элементов термонапряженной конструкции, изготовленных из разнородных материалов с различными КТЛР, при большом количестве включений (теплосмен нагревательного элемента) с обеспечением равномерного азимутального нагрева эмиттера в течение длительной работы.

Таким образом, катод-компенсатор, изготовленный согласно изобретению, в котором исходная форма накальной спирали устойчива к многочисленным знакопеременным термоциклам, позволяет добиться более надежной и стабильной работы, а также обеспечить более длительный ресурс.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 представлен продольный разрез по оси катода-компенсатора, на котором показаны основные функциональные элементы конструкции.

На фиг. 2 показан увеличенный поперечный разрез А-А по секущей плоскости пересекающей сопряжение накальной спирали с поддерживающей ее витки изоляционной трубкой.

Полый катод-компенсатор содержит полую капсулу 1 с термоэмиттером 2, охватывающая их накальная спираль 3, окруженную изоляционной трубкой 4, с внешней области защищаемой тепловыми экранами 5, держатель спирали 6, поджигной электрод 7 и трубка подвода газа 8. Источник электрического питания (на рисунке условно не показан) подключается к электрическим цепям катода-компенсатора следующим образом: токоподводящая линия подачи импульса запуска (клемма "+" источника электрического питания) присоединяется к токопроводящим элементам поджигного электрода 7, а также через держатель спирали 6 к удаленному от входа концу накальной спирали 3; другой токоподвод (клемма "-" источника электрического питания) осуществляется к токопроводящим элементам полой капсулы 1 с термоэмиттером 2 и, одновременно с этим, к ближайшему к входу концу накальной спирали 3. Накальная спираль 3 размещена в винтообразной канавке 9 подобной формы, выполненной на внутренней поверхности изоляционной трубки 4. В другом варианте конструкции изоляционная трубка 4 может быть выполнена как минимум из двух продольных частей 4а и 46, с образованием между частями стыков с минимальными зазорами.

Катод-компенсатор работает следующим образом.

Рабочее тело (например, газообразный ксенон) поступает по трубке подвода газа 8 в полую капсулу 1 с термоэмиттером 2, который предварительно разогревается при помощи накальной спирали 3 до рабочей температуры эмиссии электронов, необходимой для поддержания стабильного электрического разряда между термоэмиттером и анодом (на рисунке не показан) плазменного ускорителя. При подаче поджигного напряжения, по токоподводящей линии подачи пускового импульса (клемма "+" источника электрического питания), на поджигной электрод 7, когда при этом клемма "-" источника электрического питания присоединена к токопроводящим элементам полой капсулы 1 с эмиттером 2, инициируется между ними электрический разряд в газовой среде в условиях которого ксенон ионизируется, образуя начальную плазму, которая в дальнейшем обеспечивает возникновение основного разряда в плазменном ускорителе. После возникновения основного разряда поджигное и накальное напряжения отключаются и катод-компенсатор переходит к стационарной работе в автоматическом режиме, в процессе которого необходимая энергия для поддержания устойчивой работы поступает от основного разряда плазменного ускорителя. При работе накальная спираль 3 разогревается до температур выше рабочих температур термоэмиттера, составляющих 1500°С-1700°С. Во время работы удержание витков накальной спирали 3 в номинальном положении, как в радиальном, так и в продольном направлениях, обеспечивается ее опорой вдоль винтообразной канавки изоляционной трубки 4. Для снижения тепловых потерь в результате теплового сброса излучением с конструкции используются коаксиальные тепловые экраны 5.

В другом варианте катода-компенсатора изоляционная трубка 4 с винтообразной канавкой может быть изготовлена из нескольких продольных частей с образованием между ними разъемных стыков и изменяющихся зазоров для компенсации различных термических напряжений, возникающих в сопрягаемых деталях, изготовленных из разнородных материалов и, тем самым, снижения рисков механических разрушений.

Промышленная реализуемость предложенного изобретения подтверждена испытаниями опытных образцов катода-компенсатора при наземной отработке, как автономно, так и в составе СПД, и при которой были получены следующие положительные результаты:

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

- работа катода-компенсатора надежна и стабильна, без отклонений от заданных требований, даже в режимах повышенной мощности при разрядном токе 20 А и выше.

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к полым катодам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях, 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 - увеличение ресурса и повышение надежности работы. Катод-компенсатор содержит полую капсулу 1 с термоэмиттером 2, которые охватывает накальная спираль 3, окруженная изоляционной трубкой 4, поверх которой расположены тепловые экраны 5, держатель 6 спирали, поджигной электрод 7 и трубку подвода газа 8. Изоляционная трубка выполнена с внутренним диаметром меньше наружного диаметра накальной спирали, а на внутренней поверхности изоляционной трубки выполнена винтообразная канавка 9 с шагом накальной спирали, при этом они взаимно сопряжены с согласованием их азимутального позиционирования. Изоляционная трубка 4 может быть выполнена по меньшей мере из двух продольных частей 4а и 4б. 2 ил.

1. Катод-компенсатор, содержащий полую капсулу с термоэмиттером, которые охватывает накальная спираль, окруженная изоляционной трубкой, поверх которой расположены тепловые экраны, держатель спирали, поджигной электрод и трубку подвода газа, отличающийся тем, что изоляционная трубка выполнена с внутренним диаметром меньше наружного диаметра накальной спирали и на внутренней поверхности изоляционной трубки выполнена винтообразная канавка с шагом накальной спирали, при этом они взаимно сопряжены с согласованием их азимутального позиционирования.

2. Катод-компенсатор по п. 1, отличающийся тем, что изоляционная трубка выполнена по меньшей мере из двух продольных частей.