RU2307485C2 - Plasma accelerator cathode - Google Patents
Plasma accelerator cathode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2307485C2 RU2307485C2 RU2005135478/06A RU2005135478A RU2307485C2 RU 2307485 C2 RU2307485 C2 RU 2307485C2 RU 2005135478/06 A RU2005135478/06 A RU 2005135478/06A RU 2005135478 A RU2005135478 A RU 2005135478A RU 2307485 C2 RU2307485 C2 RU 2307485C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- heater
- main elements
- assembly
- unit
- Prior art date
Links
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 23
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 11
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 11
- 239000000615 nonconductor Substances 0.000 claims description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 4
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 3
- 238000003032 molecular docking Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 2
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000013401 experimental design Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно к широкому классу плазменных ускорителей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды. При необходимости оно может быть использовано также в смежных областях техники, например при разработке источников плазмы.The invention relates to the field of electro-jet engines, namely to a wide class of plasma accelerators (Hall, ion) using cathodes in their composition. If necessary, it can also be used in related fields of technology, for example, in the development of plasma sources.
Известны катоды для плазменных ускорителей, выполненные по широко распространенной конструктивной схеме (см., например, [1]). Они имеют эмиттер, установленный внутри трубопровода, через который подается к эмиттеру рабочий газ. На внешнюю поверхность трубопровода намотана спираль нагревателя, предназначенного для стартового разогрева эмиттера. Поджигной электрод установлен вблизи выходного конца эмиттера (по потоку рабочего газа).Known cathodes for plasma accelerators, made by a widespread structural scheme (see, for example, [1]). They have an emitter installed inside the pipeline through which working gas is supplied to the emitter. A coil of a heater designed for starting heating of the emitter is wound on the outer surface of the pipeline. The ignition electrode is installed near the output end of the emitter (by the flow of the working gas).
В данной конструкции узел эмиттера и узел нагревателя выполнены в виде единого узла, механически закрепленного на подводящем рабочий газ трубопроводе. В такой конструкции катода его нагреватель находится в прямом тепловом контакте с внешней поверхностью трубопровода эмиттера. Это приводит к тому, что при работе катода, когда эмиттер непосредственно участвует в дуговом разряде, тепловой поток от эмиттера поступает через трубопровод к нагревателю за счет теплопроводности и повышает его температуру до высоких значений, близких к температуре как трубопровода эмиттера, так и самого эмиттера. При этом возникает возможность образования значительных тепловых утечек от эмиттера в радиальном направлении и соответствующего понижения температуры эмиттера, что отрицательно сказывается на рабочих характеристиках катода. Для уменьшения этих тепловых утечек на внешнюю поверхность нагревателя приходится устанавливать тепловые экраны. Такая конструкция имеет значительную массу и габариты. Последнее обстоятельство не способствует достижению высокой вибропрочности катода при значительных механических нагрузках.In this design, the emitter assembly and the heater assembly are made in the form of a single assembly mechanically fixed to the pipeline supplying working gas. In this design of the cathode, its heater is in direct thermal contact with the outer surface of the emitter pipeline. This leads to the fact that during cathode operation, when the emitter is directly involved in the arc discharge, the heat flux from the emitter enters through the pipeline to the heater due to heat conduction and raises its temperature to high values close to the temperature of both the emitter pipeline and the emitter itself. In this case, the possibility arises of the formation of significant heat leaks from the emitter in the radial direction and a corresponding decrease in the emitter temperature, which adversely affects the cathode’s performance. To reduce these heat leaks, heat shields must be installed on the outer surface of the heater. This design has a significant mass and dimensions. The latter circumstance does not contribute to the achievement of high vibration resistance of the cathode at significant mechanical loads.
Известна конструкция катода, в которой узел нагревателя и узел эмиттера выполнены раздельно друг от друга [2]. Также отдельно от этих узлов установлен поджигной электрод. То есть все основные узлы катода выполнены раздельно друг от друга. Спираль нагревателя, как и в [1], охватывает трубопровод эмиттера по его внешней поверхности, однако она не намотана на трубопровод эмиттера, как в [1], а установлена с зазором по отношению к ней. Стартовый разогрев узла эмиттера осуществляется посредством излучения с поверхности спирали нагревателя. В данной конструкции за счет того, что нагреватель не находится в прямом тепловом контакте с внешней поверхностью трубопровода эмиттера, появляется возможность обеспечения высоких температур эмиттера при работе катода, что улучшает его работоспособность.A known cathode design in which the heater assembly and the emitter assembly are made separately from each other [2]. Also, a firing electrode is installed separately from these nodes. That is, all the main nodes of the cathode are made separately from each other. The heater spiral, as in [1], covers the emitter pipeline along its outer surface, however, it is not wound around the emitter pipeline, as in [1], but is installed with a gap in relation to it. Starting heating of the emitter assembly is carried out by radiation from the surface of the heater spiral. In this design, due to the fact that the heater is not in direct thermal contact with the external surface of the emitter pipeline, it becomes possible to ensure high temperatures of the emitter during cathode operation, which improves its performance.
Однако данная конструкция также не лишена существенного недостатка, а именно в ней присутствует так называемый эффект консольности. Крепление основных узлов катода происходит на одном их конце, другие же их концы, расположенные вблизи выходного торца эмиттера (если смотреть по потоку рабочего газа), не имеют дополнительного крепления. Консольное закрепление конструктивных элементов, как известно из теории и практики механических испытаний, не отличается высокой вибропрочностью. Следует учесть, что для катодов, предназначенных к эксплуатации в составе плазменных ускорителей на борту различных космических объектов, вопрос вибропрочности конструкции становится все более и более актуальным.However, this design is also not without a significant drawback, namely, it contains the so-called cantilever effect. The fastening of the main cathode assemblies occurs at one of their ends, while their other ends, located near the output end of the emitter (if you look at the flow of the working gas), do not have additional fastening. Cantilever fixing of structural elements, as is known from the theory and practice of mechanical testing, is not very vibration resistant. It should be noted that for cathodes intended for use as part of plasma accelerators on board various space objects, the issue of vibration resistance of a structure becomes more and more relevant.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принятым за прототип, является катод [3], содержащий следующие основные элементы: поджигной электрод, узел эмиттера, узел нагревателя со спиралью нагревателя. Все эти элементы расположены осесимметрично друг относительно друга. В задней части катода расположен опорный металлокерамический узел сложной формы, к которому своими задними концами крепятся все основные элементы, причем узел нагревателя для стыковки с опорным металлокерамическим узлом имеет так называемую поддерживающую трубку (support tube). Спираль же нагревателя катода установлена непосредственно на узле эмиттера. Отсюда следует, что нагревательный и эмиттерный узлы фактически образуют единый узел аналогично тому, как это выполнено в описанной выше конструкции катода [1]. При этом длина этого единого узла от торца эмиттера до места его крепления к опорному металлокерамическому узлу намного больше его среднего диаметра, то есть консольность конструкции этого узла явно выражена (длина примерно в 7...8 раз превышает диаметр). Последнее выполнено для уменьшения тепловых утечек вдоль оси катода от эмиттера к опорному металлокерамическому узлу.Closest to the proposed technical solution and adopted as a prototype is a cathode [3], containing the following main elements: ignition electrode, emitter assembly, heater assembly with a heater spiral. All these elements are located axisymmetrically relative to each other. In the rear part of the cathode, there is a support metal-ceramic unit of complex shape, to which all the main elements are attached with their rear ends, and the heater unit for docking with the support metal-ceramic unit has a so-called support tube. The spiral of the cathode heater is installed directly on the emitter assembly. It follows that the heating and emitter nodes actually form a single node in the same way as in the cathode design described above [1]. Moreover, the length of this single unit from the end of the emitter to the place of its attachment to the supporting ceramic-metal unit is much larger than its average diameter, that is, the cantilever structure of this unit is clearly expressed (the length is approximately 7 ... 8 times the diameter). The latter is designed to reduce heat leakage along the axis of the cathode from the emitter to the supporting ceramic-metal assembly.
Такая конструкция катода в принципе не отличается высокой вибропрочностью при значительных механических нагрузках, перпендикулярных оси катода.This design of the cathode, in principle, is not characterized by high vibration resistance with significant mechanical loads perpendicular to the axis of the cathode.
Предлагаемое техническое решение позволяет существенно повысить вибропрочность конструкции катода без ухудшения тепловых характеристик элементов конструкции катода и, соответственно, повысить надежность работы катода в составе различных плазменных двигателей при их космической эксплуатации.The proposed technical solution can significantly increase the vibration resistance of the cathode structure without compromising the thermal characteristics of the cathode structure elements and, accordingly, increase the reliability of the cathode as a part of various plasma engines during their space operation.
Поставленная задача решается за счет того, что в катоде плазменного ускорителя, содержащего основные элементы: поджигной электрод, узел эмиттера, узел нагревателя со спиралью нагревателя, расположенные осесимметрично друг относительно друга и жестко стыкующиеся одним своим концом с опорным металлокерамическим узлом, каждый из основных элементов катода вблизи своего другого конца имеет по крайней мере одно соединение с соседним основным элементом, причем это соединение выполнено подвижным. Каждый из этих основных элементов может иметь по крайней мере один участок конической формы, расположенный вблизи места соединения их с металлокерамическим узлом. Кроме того, подвижное соединение между соседними основными элементами может быть выполнено посредством размещения электроизолятора между соседними основными элементами катода, который установлен с зазором по крайней мере от одного из соседних основных элементов, причем величина этого зазора может быть выполнена много меньшей диаметра электроизолятора, образующего этот зазор. Дополнительно к этому, в предлагаемой конструкции катода в узле нагревателя на участке между стыком узла нагревателя с опорным металлокерамическим узлом и спиралью нагревателя могут быть выполнены пазы, уменьшающие площадь поперечного сечения этой части узла нагревателя в направлении к опорному металлокерамическому узлу. При этом с внешней стороны узла нагревателя эти пазы могут быть закрыты тепловым экраном.The problem is solved due to the fact that in the cathode of a plasma accelerator containing the main elements: a firing electrode, an emitter assembly, a heater assembly with a heater spiral, located axisymmetrically relative to each other and rigidly joined at one end with a supporting ceramic-metal assembly, each of the main elements of the cathode near its other end has at least one connection with an adjacent main element, and this connection is made movable. Each of these basic elements can have at least one section of a conical shape located near the junction of them with the ceramic-metal assembly. In addition, a movable connection between adjacent main elements can be made by placing an insulator between adjacent main elements of the cathode, which is installed with a gap from at least one of the neighboring main elements, and the size of this gap can be made much smaller than the diameter of the insulator forming this gap . In addition, in the proposed cathode design, grooves can be made in the section between the junction of the heater unit with the supporting ceramic-metal unit and the heater spiral, reducing the cross-sectional area of this part of the heater unit in the direction of the supporting ceramic-metal unit. At the same time, these grooves can be closed by a heat shield from the outside of the heater assembly.
Цель изобретения достигается тем, что в данной конструкции обеспечена не только жесткая стыковка всех основных элементов катода (поджигного электрода, узла эмиттера, узла нагревателя) одними их концами с опорным металлокерамическим узлом, но и выполнено соединение всех этих элементов друг с другом вблизи их противоположных концов. То есть все основные элементы катода собраны как бы в единый узел. При этом эффект консольности для каждого из основных элементов катода отсутствует, каждый является поддержкой для соседнего узла. Так, если при механических воздействиях на катод возникают предельные по прочности механические нагрузки для какого-либо одного закрепленного основного элемента (в предположении его консольного крепления только на заднем конце, то есть только на опорном металлокерамическим узле), то другие основные элементы, соединенные с данным элементом на его переднем конце, осуществляют его дополнительное подкрепление, повышающее прочность этого элемента. К примеру, если под воздействием вибрационной нагрузки какой-либо из основных элементов катода вступает в режим резонансных колебаний, то другие соседние элементы "гасят" эти колебания, поскольку собственные частоты колебаний основных элементов вследствие их принципиальных конструктивных отличий, как правило, отличаются друг от друга. Тем самым создаются условия для существенного упрочнения всей конструкции катода в целом. Дополнительно к этому для повышения вибропрочности основных элементов и общей связки катода в целом каждый из основных элементов может иметь по крайней мере один участок конической формы, расположенный вблизи места соединения их с металлокерамическим узлом. Это становится важным при наличии механических воздействий на катод, приложенных в различных направлениях, в том числе в направлениях, перпендикулярных оси катода.The purpose of the invention is achieved by the fact that in this design not only a rigid docking of all the main elements of the cathode (ignition electrode, emitter assembly, heater assembly) is provided at one of their ends with a supporting cermet assembly, but all these elements are connected to each other near their opposite ends . That is, all the basic elements of the cathode are assembled, as it were, in a single unit. At the same time, there is no cantilever effect for each of the main elements of the cathode; each is support for the neighboring node. So, if, under mechanical influences on the cathode, ultimate mechanical stresses arise for any one fixed main element (assuming its cantilever fastening only at the rear end, that is, only on the supporting cermet unit), then other main elements connected to this element at its front end, carry out its additional reinforcement, increasing the strength of this element. For example, if under the influence of a vibrational load one of the main elements of the cathode enters the mode of resonant vibrations, then other neighboring elements "damp" these vibrations, since the natural frequencies of vibrations of the main elements due to their fundamental structural differences, as a rule, differ from each other . This creates the conditions for significant hardening of the entire cathode structure as a whole. In addition, to increase the vibration resistance of the main elements and the overall cathode bundle as a whole, each of the main elements can have at least one conical section located near the junction with the ceramic-metal assembly. This becomes important in the presence of mechanical effects on the cathode applied in various directions, including in directions perpendicular to the axis of the cathode.
Соединение каждого из основных элементов катода друг с другом на их концах, противоположно расположенных по отношению к опорному металлокерамическому узлу, выполнено подвижным. Необходимость в подвижных соединениях объясняется следующим образом. Поскольку каждый из основных элементов при работе катода имеет различную температуру, то жесткая стыковка трех основных элементов друг с другом на их концах при наличии тепловой деформации этих элементов может привести к возникновению значительных усилий термического расширения и, возможно, к поломке катода. Поэтому, поскольку одни концы основных элементов катода жестко стыкуются с опорным металлокерамическим узлом, то необходимо обеспечить некоторую подвижность соединений этих основных элементов в другом месте их закрепления.The connection of each of the main elements of the cathode with each other at their ends, oppositely located with respect to the supporting cermet unit, is made movable. The need for mobile connections is explained as follows. Since each of the main elements during the operation of the cathode has a different temperature, the rigid docking of the three main elements with each other at their ends in the presence of thermal deformation of these elements can lead to significant thermal expansion forces and, possibly, to breakdown of the cathode. Therefore, since some ends of the main elements of the cathode are rigidly joined with the supporting ceramic-metal assembly, it is necessary to provide some mobility of the joints of these basic elements at another place of their fastening.
Подвижные соединения могут быть выполнены посредством размещения электроизолятора между всеми соседними основными элементами катода, установленного с зазором по крайней мере от одного из стыкующихся между собой соседних основных элементов. В частности, электроизолятор может быть выполнен в виде цилиндрической втулки, жестко состыкованной по одной своей цилиндрической поверхности с одним из основных элементов и установленной с радиальным зазором между второй своей цилиндрической поверхностью и соответствующей цилиндрической поверхностью другого основного элемента. В таком случае зазор будет иметь только радиальную составляющую.Movable joints can be made by placing an insulator between all adjacent main elements of the cathode, installed with a gap from at least one of the adjacent main elements that are joined together. In particular, the electrical insulator can be made in the form of a cylindrical sleeve rigidly joined along one of its cylindrical surfaces with one of the main elements and installed with a radial clearance between its second cylindrical surface and the corresponding cylindrical surface of the other main element. In this case, the gap will have only a radial component.
Величина зазора должна быть много меньше диаметра электроизолятора, образующего этот зазор. Однако этот зазор не должен быть меньше определенной величины, а именно он не должен быть меньше величины, на которую увеличивается каждый из основных элементов катода при его термическом расширении в процессе стартового разогрева и работы катода в месте установки дополнительного электроизолятора.The size of the gap should be much smaller than the diameter of the electrical insulator forming this gap. However, this gap should not be less than a certain value, namely, it should not be less than the value by which each of the main elements of the cathode increases during its thermal expansion during the initial heating and cathode operation at the installation site of the additional electrical insulator.
Сохранение зазора между основными элементами катода при его работе положительно сказывается на уменьшении тепловых потоков между этими элементами, то есть на поддержании высоких температур эмиттера при относительно низких температурах всех внешне расположенных узлов катода (опорного металлокерамического узла, поджигного электрода и др.). Это обеспечивается за счет того, что при наличии такого зазора каждый из основных элементов катода не имеет прямого теплового контакта с соседним основным элементом. Тогда теплообмен между основными элементами катода осуществляется практически только за счет излучения, а не за счет теплопроводности.Maintaining a gap between the main elements of the cathode during its operation has a positive effect on reducing heat fluxes between these elements, i.e., maintaining high emitter temperatures at relatively low temperatures of all externally located cathode nodes (reference ceramic-metal node, ignition electrode, etc.). This is due to the fact that in the presence of such a gap, each of the main elements of the cathode does not have direct thermal contact with the neighboring main element. Then the heat exchange between the main elements of the cathode is carried out almost exclusively due to radiation, and not due to thermal conductivity.
В конструкции катода за счет, например, тепловой деформации какого-либо одного его основного элемента относительно другого, возникающей при длительной эксплуатации катода, допустимо даже уменьшение этого зазора с одной стороны между этими элементами с соответствующим увеличением этого зазора с другой стороны. При этом уменьшение этого зазора может происходить вплоть до полной его выборки с одной стороны между основными элементами катода с образованием контакта между элементами. Но даже в этом случае площадь контакта между этими элементами будет крайне мала (контакт по точке или по линии), то есть теплообмен между этими элементами за счет теплопроводности будет также незначителен.In the design of the cathode due to, for example, thermal deformation of one of its main elements relative to the other that occurs during long-term operation of the cathode, it is even possible to reduce this gap on one side between these elements with a corresponding increase in this gap on the other hand. Moreover, a decrease in this gap can occur up to its complete selection on the one hand between the main elements of the cathode with the formation of contact between the elements. But even in this case, the contact area between these elements will be extremely small (contact along a point or line), that is, the heat exchange between these elements due to thermal conductivity will also be negligible.
Таким образом, температуры каждого их этих элементов катода во время его работы будут значительно отличаться друг от друга, то есть температура эмиттера при работе катода будет поддерживаться на достаточно высоком уровне как на номинальном режиме работы катода, обеспечивая низкие величины напряжениям разряда катода, так и при сравнительно низких токах разряда (низких мощностях, выделяемых в эмиттере). Последнее обстоятельство обеспечивает возможность работы катода при малых токах разряда (~1 А) без дополнительного подогрева эмиттера. То есть в целом предлагаемая конструкция позволяет обеспечить высокие рабочие характеристики катода.Thus, the temperatures of each of these elements of the cathode during its operation will significantly differ from each other, that is, the emitter temperature during cathode operation will be maintained at a sufficiently high level both at the nominal cathode operation mode, ensuring low values of the cathode discharge voltages, and at relatively low discharge currents (low powers emitted by the emitter). The latter circumstance makes it possible to operate the cathode at low discharge currents (~ 1 A) without additional heating of the emitter. That is, in general, the proposed design allows to provide high performance characteristics of the cathode.
Для уменьшения тепловых утечек от спирали нагревателя в сторону опорного металлокерамического узла в узле нагревателя на участке между стыком узла нагревателя с опорным металлокерамическим узлом и спиралью нагревателя могут быть выполнены пазы. Эти пазы уменьшают суммарную площадь поперечного сечения данной части узла нагревателя, то есть в целом уменьшают тепловой поток, идущий от спирали нагревателя к опорному металлокерамическому узлу. С внешней стороны узла нагревателя эти пазы могут быть закрыты тепловым экраном. Такие средства обеспечивают не только разогрев спирали нагревателя и, соответственно, эмиттера до высоких температур при стартовом разогреве катода умеренной по величине электрической мощностью нагревателя, но и поддержание высоких температур эмиттера при работе катода, когда стартовый нагреватель отключается и разогрев эмиттера катода осуществляется за счет поддержания внутри катода дугового разряда. При этом целесообразно пазы выполнять на конической части узла нагревателя, чтобы ослабление механической прочности узла нагревателя в месте расположения пазов компенсировалось повышением вибропрочности конструкции катода за счет эффекта конусности.To reduce heat leakage from the heater spiral towards the supporting ceramic-metal unit in the heater unit, grooves can be made in the section between the joint of the heating unit and the supporting ceramic-metal unit and the heater spiral. These grooves reduce the total cross-sectional area of this part of the heater assembly, that is, in general, reduce the heat flow from the heater spiral to the ceramic-metal support assembly. On the outside of the heater assembly, these grooves may be covered by a heat shield. Such means provide not only heating the heater spiral and, correspondingly, the emitter to high temperatures when the cathode starts heating up with a moderate electric power of the heater, but also maintaining the emitter high temperatures during the cathode operation, when the starting heater is turned off and the cathode emitter is heated by maintaining inside cathode of an arc discharge. It is advisable to perform the grooves on the conical part of the heater assembly, so that the weakening of the mechanical strength of the heater assembly at the location of the grooves is compensated by an increase in the vibration resistance of the cathode structure due to the taper effect.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами. На фиг.1. представлен катод плазменного ускорителя. На фиг.2 представлено поперечное сечение катода в зоне расположения пазов в узле нагревателя на участке между стыком узла нагревателя с опорным металлокерамическим узлом и спиралью нагревателя. Катод плазменного ускорителя (фиг.1) содержит следующие основные элементы: поджигной электрод 1, узел нагревателя 2, узел 3 эмиттера. Все эти основные элементы расположены осесимметрично друг относительно друга и одними своими концами жестко стыкуются с опорным металлокерамическим узлом 4. Каждый из основных элементов катода (1, 2, 3) вблизи своего второго конца имеет одно соединение с соседним основным элементом.The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings. In figure 1. The cathode of a plasma accelerator is presented. Figure 2 shows the cross section of the cathode in the area of the grooves in the heater assembly in the area between the junction of the heater assembly with the ceramic-metal reference assembly and the heater spiral. The cathode of the plasma accelerator (Fig. 1) contains the following main elements: ignition electrode 1, heater assembly 2, emitter assembly 3. All these basic elements are located axisymmetrically with respect to each other and at one of their ends are rigidly joined to the supporting ceramic-metal node 4. Each of the main elements of the cathode (1, 2, 3) has one connection to the neighboring main element near its second end.
На фиг.1 показана схема катода, в котором соединение поджигного электрода 1 вблизи своего второго конца с узлом нагревателя 2 вблизи его второго конца выполнено посредством размещения между ними электроизолятора 5, а соединение узла 3 эмиттера вблизи своего второго конца с узлом нагревателя 2 вблизи его второго конца выполнено посредством размещения между ними электроизолятора 6. При этом узел нагревателя 2 вблизи своего второго конца соединен через электроизоляторы 5 и 6 с поджигным электродом 1 и узлом 3 эмиттера, соответственно. Подвижность каждого из данных соединений обеспечивается за счет установки электроизоляторов 5 и 6 с зазором по отношению к узлу нагревателя 2 и узлу 3 эмиттера, соответственно. Величина каждого зазора много меньше диаметра электроизоляторов 5 и 6, образующих этот зазор (δ1≪D1, δ2≪D2), где δ1 - зазор между электроизолятором 6 и узлом 3 эмиттера, δ2 - зазор между электроизолятором 5 и узлом нагревателя 2, D21 - диаметр электроизолятора 6, D2 - диаметр электроизолятора 5.Figure 1 shows a cathode diagram in which the connection of the ignition electrode 1 near its second end with the heater assembly 2 near its second end is made by placing an electrical insulator 5 between them, and the connection of the emitter assembly 3 near its second end with the heater assembly 2 near its second the end is made by placing between them an insulator 6. In this case, the heater assembly 2 near its second end is connected through electric insulators 5 and 6 to the ignition electrode 1 and the emitter assembly 3, respectively. The mobility of each of these compounds is ensured by installing electrical insulators 5 and 6 with a gap with respect to the heater assembly 2 and emitter assembly 3, respectively. The size of each gap is much smaller than the diameter of the insulators 5 and 6, forming this gap (δ 1 ≪ D 1 , δ 2 ≪ D 2 ), where δ 1 is the gap between the insulator 6 and the emitter unit 3, δ 2 is the gap between the insulator 5 and the unit heater 2, D 21 - diameter of the insulator 6, D 2 - diameter of the insulator 5.
Каждый из основных элементов катода (поджигной электрод 1, узел нагревателя 2, узел 3 эмиттера) имеет участок конической формы (7, 8, 9, соответственно), расположенный вблизи места соединения их с металлокерамическим узлом.Each of the main elements of the cathode (ignition electrode 1, heater assembly 2, emitter assembly 3) has a conical section (7, 8, 9, respectively) located near their junction with the ceramic-metal assembly.
В узле нагревателя 2 на участке между стыком узла нагревателя 2 с опорным металлокерамическим узлом 4 и спиралью нагревателя 10 выполнены пазы 11 (см. фиг. 1 и фиг. 2). Эти пазы уменьшают площадь поперечного сечения средней части узла нагревателя в направлении к опорному металлокерамическому узлу 4, что позволяет уменьшить величину теплового потока к опорному металлокерамическому узлу 4 как при стартовом разогреве, так и при работе катода, то есть уменьшить величину тепловых утечек при работе катода. С внешней стороны узла нагревателя 2 пазы 11 закрыты тепловым экраном 12.In the node of the heater 2 in the area between the junction of the node of the heater 2 with the supporting ceramic-metal node 4 and the spiral of the heater 10,
Подача рабочего газа в катод осуществляется со стороны опорного металлокерамического узла (на фиг.1 направление подачи показано стрелкой). Эмиттер 13 узла 3 эмиттера установлен в зоне, расположенной рядом со спиралью 10 узла нагревателя 2.The supply of working gas to the cathode is carried out from the side of the ceramic-metal reference unit (in Fig. 1, the supply direction is shown by an arrow). The emitter 13 of the node 3 emitter is installed in the area located next to the spiral 10 of the node of the heater 2.
Катод плазменного ускорителя работает следующим образом. Подается напряжение от источника питания накала катода на спираль 10 узла нагревателя 2. После разогрева спирали 10 и достижения эмиттером 13 температуры, обеспечивающей термоэмиссию электронов, в катод подается рабочий газ в направлении, показанном стрелкой. Практически одновременно с поступлением рабочего газа к эмиттеру 13 подается напряжение на поджигной электрод 1 катода от источника питания поджига катода и напряжение разряда между катодом и плазменным ускорителем (или имитатором плазменного ускорителя) от источника питания разряда плазменного ускорителя (на фиг.1 не показан). Между поджигным электродом 1 и эмиттером 13 возникает электрический разряд.The cathode of a plasma accelerator operates as follows. A voltage is supplied from the cathode glow power supply to the coil 10 of the heater 2 assembly. After heating the coil 10 and the emitter 13 reaches a temperature ensuring thermionic emission of electrons, the working gas is supplied to the cathode in the direction shown by the arrow. Almost simultaneously with the supply of working gas, a voltage is supplied to the emitter 13 of the cathode from the cathode ignition power source and the discharge voltage between the cathode and the plasma accelerator (or plasma accelerator simulator) from the plasma accelerator discharge power source (not shown in Fig. 1). An electric discharge occurs between the ignition electrode 1 and the emitter 13.
Образовавшаяся в результате этого разряда плазма инициирует зажигание основного разряда между эмиттером 13 катода и плазменным ускорителем. После зажигания основного разряда отключают источники питания накала и источник питания поджига разряда. Катод продолжает работать от источника питания разряда плазменного ускорителя.The plasma formed as a result of this discharge initiates the ignition of the main discharge between the cathode emitter 13 and the plasma accelerator. After ignition of the main discharge, the heat sources and the ignition source of the discharge are turned off. The cathode continues to operate from a plasma accelerator discharge power source.
Следует отметить, что подвижное соединение любого основного элемента катода с другим основным элементом катода может быть выполнено на самом конце этого основного элемента. Однако учитывая, что это соединение может быть выполнено в виде электороизолятора, на поверхность которого в процессе функционирования катода могут осаждаться продукты эрозии или испарения эмитттера, понижающие изоляционные свойства этого электроизолятора, целесообразно выполнить это соединение на некотором удалении от конца основного элемента. Это позволяет несколько удалить электроизолятор от зоны эмиттера, то есть от области электрического разряда катода.It should be noted that the movable connection of any main element of the cathode with another main element of the cathode can be performed at the very end of this main element. However, given that this connection can be made in the form of an electrical insulator, on the surface of which during the operation of the cathode erosion or evaporation of the emitter can be deposited, which reduces the insulating properties of this electrical insulator, it is advisable to make this connection at some distance from the end of the main element. This allows you to somewhat remove the electrical insulator from the emitter zone, that is, from the region of the electric discharge of the cathode.
Благодаря наличию вышепредставленных отличительных признаков предлагаемое техническое решение позволяет не только повысить механическую прочность катода за счет устранения эффекта консольности основных элементов катода путем их объединения в общую связку, но и обеспечить высокие рабочие характеристики катода путем минимизации тепловых потоков между элементами конструкции катода за счет тепловых развязок между этими элементами. Механические испытания лабораторной модели катода данной конструкции показали ее высокую вибропрочность.Due to the presence of the above distinguishing features, the proposed technical solution allows not only to increase the cathode mechanical strength by eliminating the cantilever effect of the main cathode elements by combining them into a common bundle, but also to ensure high cathode performance by minimizing heat fluxes between the cathode structure elements due to thermal decoupling between by these elements. Mechanical tests of the laboratory model of the cathode of this design showed its high vibration resistance.
Источники информацииInformation sources
1. "Low Power, Hall Thruster Propulsion System", V.Hruby, J.Monheiser, B.Pote, C.Freeman, W.Conolly, Proceedings of the 26-th International Electric Propulsion Conference, Japan, October 17-21, 1999.1. "Low Power, Hall Thruster Propulsion System", V. Hruby, J. Monheiser, B.Pote, C. Freeman, W. Conolly, Proceedings of the 26th International Electric Propulsion Conference, Japan, October 17-21, 1999.
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. 27.02.97 г.2. "Plasma cathode-compensator", RF Patent No. 2030016, IPC H01J 37/077, H05H 1/54, F03H 1/00, Experimental Design Bureau "Fakel", RF, application No. 92005120, declared. 11/11/92, publ. 02/27/97
3. J.Bussotti, M.Capacci, G.Matticary, G.E.Noci, A. Severy, P.Siciliano (Italy), R.Grill (Austria), D.Estibier (Netherlands) "Medium and high current cathodes for electric propulsion: review of recent development at laben/proel", 28-th International Electric Propulsion Conference, march 17-21, 2003, France, Toulouse.3. J. Bussotti, M. Capacci, G. Matticary, GENoci, A. Severy, P. Siciliano (Italy), R. Grill (Austria), D. Estibier (Netherlands) "Medium and high current cathodes for electric propulsion : review of recent development at laben / proel ", 28th International Electric Propulsion Conference, march 17-21, 2003, France, Toulouse.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005135478/06A RU2307485C2 (en) | 2005-11-16 | 2005-11-16 | Plasma accelerator cathode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005135478/06A RU2307485C2 (en) | 2005-11-16 | 2005-11-16 | Plasma accelerator cathode |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005135478A RU2005135478A (en) | 2007-05-27 |
| RU2307485C2 true RU2307485C2 (en) | 2007-09-27 |
Family
ID=38310330
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005135478/06A RU2307485C2 (en) | 2005-11-16 | 2005-11-16 | Plasma accelerator cathode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2307485C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2410567C1 (en) * | 2009-10-05 | 2011-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" | Modular cathode-compensator |
| RU2521823C1 (en) * | 2013-04-17 | 2014-07-10 | Государственный научный центр Российской Федерации-федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Accelerated test of plasma engine cathodes and device to this end |
| RU2549370C1 (en) * | 2014-02-12 | 2015-04-27 | Государственный научный центр Российской Федерации-федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Cathode of plasma accelerator (versions) |
| RU2757210C1 (en) * | 2021-04-01 | 2021-10-12 | Общество С Ограниченной Отвественностью "Эдвансд Пропалшн Системс" | Wave plasma source of electrons |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2030016C1 (en) * | 1992-11-11 | 1995-02-27 | Опытное конструкторское бюро "Факел" | Plasma cathode-compensator |
| RU2139647C1 (en) * | 1998-06-18 | 1999-10-10 | Бугрова Антонина Ивановна | Closed-electron-drift plasma accelerator |
| IL139487A (en) * | 1998-06-05 | 2004-02-19 | Aerojet General Co | Magnetic flux shaping in ion accelerators with closed electron drift |
| CA2522058A1 (en) * | 2003-04-11 | 2004-10-21 | Leybold Optics Gmbh | High-frequency plasma beam source and method for the irradiation of a surface |
-
2005
- 2005-11-16 RU RU2005135478/06A patent/RU2307485C2/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2030016C1 (en) * | 1992-11-11 | 1995-02-27 | Опытное конструкторское бюро "Факел" | Plasma cathode-compensator |
| IL139487A (en) * | 1998-06-05 | 2004-02-19 | Aerojet General Co | Magnetic flux shaping in ion accelerators with closed electron drift |
| RU2139647C1 (en) * | 1998-06-18 | 1999-10-10 | Бугрова Антонина Ивановна | Closed-electron-drift plasma accelerator |
| CA2522058A1 (en) * | 2003-04-11 | 2004-10-21 | Leybold Optics Gmbh | High-frequency plasma beam source and method for the irradiation of a surface |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2410567C1 (en) * | 2009-10-05 | 2011-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" | Modular cathode-compensator |
| RU2521823C1 (en) * | 2013-04-17 | 2014-07-10 | Государственный научный центр Российской Федерации-федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Accelerated test of plasma engine cathodes and device to this end |
| RU2549370C1 (en) * | 2014-02-12 | 2015-04-27 | Государственный научный центр Российской Федерации-федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Cathode of plasma accelerator (versions) |
| RU2757210C1 (en) * | 2021-04-01 | 2021-10-12 | Общество С Ограниченной Отвественностью "Эдвансд Пропалшн Системс" | Wave plasma source of electrons |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005135478A (en) | 2007-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9980361B2 (en) | Thermally isolated thermionic hollow cathodes | |
| RU2219371C2 (en) | Plasma-jet engine with closed electron drift adapted to high thermal loads | |
| CN109599309B (en) | Hollow cathode heater and hollow cathode structure | |
| JP2017016795A (en) | Hollow cathode | |
| RU2307485C2 (en) | Plasma accelerator cathode | |
| RU2377441C1 (en) | Plasma engine with closed electron drift | |
| RU2418337C1 (en) | Cathode of plasma accelerator | |
| CN212225465U (en) | Hollow cathode | |
| RU2523658C2 (en) | Electrostatic ion accelerator system | |
| JP5995980B2 (en) | Thermoelectric converter with protruding cell stack | |
| RU2191289C2 (en) | Closed-electron-drift plasma-jet engine | |
| RU2672060C1 (en) | Plasma accelerator cathode | |
| Koch et al. | Status of the THALES tungsten/osmium mixed-metal hollow cathode neutralizer development | |
| RU2304858C1 (en) | Plasma accelerator cathode | |
| KR20190119530A (en) | X-ray tube | |
| RU2173002C1 (en) | Compensating cathode | |
| RU2119095C1 (en) | Plasma jet engine with closed-circuit electron drift | |
| Panelli et al. | Development of a cathode for low-power Hall Effect Thruster | |
| RU2168793C1 (en) | Compensating cathode | |
| RU2189085C2 (en) | Cathode design and electron gun for cathode- ray tubes | |
| Kaufman et al. | Hollow cathode without low-work-function insert | |
| RU2751538C1 (en) | Energy-intensive thermal chemical current source | |
| RU2663241C1 (en) | Hollow cathode | |
| RU2707192C1 (en) | Thermionic converter for on-board electric power source | |
| CN223626008U (en) | Novel heating pipe |