一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構，包括陰極管、發射體、熱屏、陰極頂、點火極、絕緣器、殼體和法蘭；陰極管一端安裝在法蘭上，另一端裝有發射體，并采用陰極頂固定；陰極頂上設有中心孔；發射體為空心管狀，安裝在陰極管內部，并與陰極頂緊密接觸；熱屏安裝陰極管外，靠近陰極頂部位，將安裝了發射體的陰極管部分包覆在內；點火極通過絕緣器與殼體相連接，殼體一端與絕緣器相連，另一端與法蘭連接；法蘭上設有安裝孔。本發明無需加熱器預熱，可以快速啟動陰極和電推力器放電，將航天器電推進系統的啟動時間從數百秒縮短到一秒以內，大大提高了電推進系統的響應性能，可用于需要快速啟動的空間推進領域。
【專利說明】
一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構
技術領域
[0001]本發明屬于真空電子和航天推進技術領域，具體涉及一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構。
【背景技術】
[0002]陰極廣泛用于各種電真空器件，如各種電子槍、離子源、行波管中均采用陰極作為電子源，陰極一直被稱為真空電子器件的心臟。在航天器的推進系統中，場發射推力器和膠體推力器需要陰極提供電子用于羽流中和;霍爾推力器、離子推力器和磁等離子體推力器同時需要陰極提供主放電和羽流中和的電子。陰極是航天器電推進系統的關鍵組件，直接影響推進系統的性能和壽命。
[0003]目前電推進領域的陰極大多是熱陰極結構，需要通過加熱器預熱發射體達到高溫發射電子。不同的發射體材料工作溫度不同，航天器推進系統常用的氧化物、鋇鎢和六硼化鑭發射體的工作溫度分別為950°C、105(TC和1450°C左右。通過加熱器預熱發射體通常采用直接或間接方式，一般需要3?1分鐘的時間，嚴重影響電推進系統的快速響應能力，限制了應有范圍。航天器的電推進系統工作壽命要求上萬小時，熱陰極的加熱器結構復雜、工藝難度大，而且隨工作壽命增長加熱器容易發生短路或斷路，因此加熱器是制約熱陰極壽命和可靠性的關鍵因素。另外，航天器推進系統須為熱陰極配置一套低壓大電流加熱電源和一套高壓小電流點火電源，系統較復雜，可靠性較低。
【發明內容】
[0004]為克服現有技術的不足，本發明提供了一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構，發射電子電流為安培級，采用氙、氪、氬等氣體作為推進劑，無加熱器，通過高電壓實現氣體放電并使發射體快速升溫，在Is內實現陰極的快速啟動放電，減少航天器系統配置和空間電源消耗，增加系統可靠性。
[0005]本發明的目的通過以下技術方案來實現:一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構，包括陰極管、發射體、熱屏、陰極頂、點火極、絕緣器、殼體和法蘭;所述的陰極管一端安裝在法蘭上，另一端裝有發射體，并采用陰極頂固定;所述的陰極頂上設有中心孔;所述的發射體為空心管狀，安裝在陰極管內部，并與陰極頂緊密接觸;所述的熱屏安裝陰極管夕卜，靠近陰極頂部位，將安裝了發射體的陰極管部分包覆在內；所述的點火極通過絕緣器與殼體相連接，所述的殼體一端與絕緣器相連，另一端與法蘭連接;所述的法蘭上設有安裝孔，可以安裝到電推力器上。
[0006]優選地，所述的快速啟動的冷陰極為雙筒空心結構。外筒由殼體做支撐，通過陶瓷絕緣器連接點火極；內筒由陰極管做支撐，與外筒形成同軸空心結構，內筒、外筒與法蘭采用氣密性連接結構;所述點火極上設有節流小孔，節流小孔與陰極管和發射體內孔同軸，推進劑氣體工質由外部管路進入陰極管，在陰極管內部、陰極頂和點火極之間形成較高的氣體壓力，采用高壓點火實現內部氣體擊穿放電，通過放電電弧快速預熱發射體使其達到工作溫度，形成可發射安培級電流的電子源。
[0007]優選地，所述發射體為管狀，采用低逸出功的鋇鎢或六硼化鑭發射電子材料制成。
[0008]優選地，所述鋇鎢發射電子材料包括不同摩爾比的鋇鎢發射電子材料、摻雜鈧酸鹽的鋇鎢發射電子材料或表面覆膜的鋇鎢發射體材料;所述六硼化鑭發射電子材料包括單晶或多晶六硼化鑭材料。
[0009]優選地，所述陰極頂和點火極采用耐等離子體電弧燒蝕和耐高溫材料。
[0010]優選地，所述熱屏由鉬、鎢、鉭、鈮、鈦等耐高溫金屬或合金材料制成，加工成圓筒結構，保持發射體的工作溫度。
[0011]優選地，所述陰極管由鉭、鉬、鈦、鈮等耐高溫金屬或合金材料制成，加工成薄壁管狀，有效降低高溫發射體的熱量向法蘭傳導，提高保溫性能，同時降低法蘭溫升。
[0012]優選地，所述絕緣器為高純度AL203或其它陶瓷材料制成，能夠與金屬進行氣密性連接。
[0013]本具體實施無需利用外部加熱電源提供能量、無需通過任何形式的內部加熱器部件預熱發射體，而是依靠一套點火電源的高電壓形成的氣體放電，使發射體升溫達到工作溫度，形成持續發射電子電流的穩定工作狀態。
[0014]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0015]本發明無需加熱器預熱，可以快速啟動陰極和電推力器放電，將航天器電推進系統的啟動時間從數百秒縮短到一秒以內，大大提高了電推進系統的響應性能，可用于需要快速啟動的空間推進領域。本發明去除了加熱器部件，無需加熱電源，簡化系統結構，降低對控制分系統的要求，減少航天器系統資源的占有，大大增加系統可靠性。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明實施例一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
[0018]如圖1所示，本發明實施例提供了一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構，包括陰極管5、發射體3、熱屏4、陰極頂2、點火極1、絕緣器6、殼體7和法蘭8;所述的陰極管5一端安裝在法蘭8上，另一端裝有發射體3，并采用陰極頂2固定;所述的陰極頂2上設有中心孔;所述的發射體3為空心管狀，安裝在陰極管5內部，并與陰極頂2緊密接觸;所述的熱屏4安裝陰極管5外，靠近陰極頂2部位，將安裝了發射體3的陰極管部分包覆在內；所述的點火極I通過絕緣器6與殼體7相連接，所述的殼體7—端與絕緣器6相連，另一端與法蘭8連接;所述的法蘭8上設有安裝孔，可以安裝到電推力器上。
[0019]所述的快速啟動的冷陰極為雙筒空心結構，外筒由殼體做支撐，通過陶瓷絕緣器連接點火極；內筒由陰極管做支撐，與外筒形成同軸空心結構，內筒、外筒與法蘭采用氣密性連接結構;所述點火極上設有節流小孔，節流小孔與陰極管和發射體內孔同軸，推進劑氣體工質由外部管路進入陰極管，在陰極管內部、陰極頂和點火極之間形成較高的氣體壓力，采用高壓點火實現內部氣體擊穿放電，通過放電電弧快速預熱發射體使其達到工作溫度，形成可發射安培級電流的電子源。
[0020]所述發射體為管狀，采用低逸出功的鋇鎢或六硼化鑭發射電子材料制成。所述鋇鎢發射電子材料包括不同摩爾比的鋇鎢發射電子材料、摻雜鈧酸鹽的鋇鎢發射電子材料或表面覆膜的鋇鎢發射體材料;所述六硼化鑭發射電子材料包括單晶或多晶六硼化鑭材料。所述陰極頂和點火極采用耐等離子體電弧燒蝕和耐高溫材料。所述熱屏由鉬、鎢、鉭、鈮、鈦等耐高溫金屬或合金材料制成，加工成圓筒結構，保持發射體的工作溫度。所述陰極管由鉭、鉬、鈦、鈮等耐高溫金屬或合金材料制成，加工成薄壁管狀，有效降低高溫發射體的熱量向法蘭傳導，提高保溫性能，同時降低法蘭溫升。所述絕緣器為高純度AL203或其它陶瓷材料制成，能夠與金屬進行氣密性連接。
[0021]本具體實施的工作過程為:氣體由外部管路進入陰極管內，受點火極和陰極頂小孔的節流作用形成一定的氣體壓力，高電壓加載在點火極和內筒之間，首先在陰極頂和點火極之間形成氣體放電，放電延伸到陰極管內部，依靠等離子體鞘層形成的電場分布效應，大量的離子轟擊發射體表面，使其快速升溫達到持續發射熱電子的溫度，同時氣體推進劑不斷補充，形成大電流的弧光放電，去除高電壓，依靠發射體內部離子轟擊作用維持發射體的工作溫度，發射穩定的電子電流。
[0022]實施例1
[0023]發射體材料選擇411型鋇鎢發射體(Ba0:Al203:Ca0的摩爾比4:1:1)，點火極、陰極頂、陰極管采用鉬，熱屏蔽采用鈦、絕緣器采用95%的Al2O3陶瓷，其它材料選擇不銹鋼。
[0024]在真空度為5X 10—4Pa環境下，快啟動冷陰極組件通入流量為3?5sCCm(標準立方厘米/分鐘)氙氣工質，內部氣體壓力達到3800Pa左右，點火極與陰極頂之間加載300?500V的高電壓，冷陰極在20ms內放電，可穩定發射1.5?2.5A的電子電流。
[0025]實施例2
[0026]發射體材料選擇多晶六硼化鑭，點火極、陰極頂、陰極管采用鉬，熱屏蔽采用鈦、絕緣器采用95 %的Al2O3陶瓷，其它材料選擇不銹鋼。
[0027]在真空度為5 X 10—4Pa環境下，冷陰極通入流量為5?10sCCm(標準立方厘米/分鐘)氙氣工質，內部氣體壓力達到4500Pa左右，點火極與陰極頂之間加載600?1000V的高電壓，冷陰極在20ms內放電，可穩定發射2.5?4.5A的電子電流。
[0028]實施例3
[0029]發射體材料選擇摻雜鈧酸鹽的612型鋇鎢發射體(Ba0:Al203:Ca0的摩爾比6:1:2)，點火極、陰極頂、陰極管采用鉬，熱屏蔽采用鉬筒、絕緣器采用95%的Al2O3陶瓷，其它材料選擇不銹鋼。
[0030]在真空度為5 X 10—4Pa環境下，冷陰極通入流量為3?5sCCm(標準立方厘米/分鐘)氙氣工質，內部氣體壓力達到3000Pa左右，點火極與陰極頂之間加載300?500V的高電壓，冷陰極在20ms內放電，可穩定發射1.5?4.5A的電子電流。
[0031]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
【主權項】
1.一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構，其特征在于，包括陰極管、發射體、熱屏、陰極頂、點火極、絕緣器、殼體和法蘭； 所述的陰極管一端安裝在法蘭上，另一端裝有發射體，并采用陰極頂固定； 所述的陰極頂上設有中心孔； 所述的發射體為空心管狀，安裝在陰極管內部，并與陰極頂緊密接觸； 所述的熱屏安裝陰極管外，靠近陰極頂部位，將安裝了發射體的陰極管部分包覆在內； 所述的點火極通過絕緣器與殼體相連接，所述的殼體一端與絕緣器相連，另一端與法蘭連接； 所述的法蘭上設有安裝孔，可以安裝到電推力器上。2.根據權利I所述的一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構，其特征在于，所述的快速啟動的冷陰極為雙筒空心結構，外筒由殼體做支撐，通過陶瓷絕緣器連接點火極；內筒由陰極管做支撐，與外筒形成同軸空心結構，內筒、外筒與法蘭采用氣密性連接結構;所述點火極上設有節流小孔，節流小孔與陰極管和發射體內孔同軸。3.根據權利I所述的一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構，其特征在于，所述發射體為管狀，采用低逸出功的鋇鎢或六硼化鑭發射電子材料制成。4.根據權利3所述的一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構，其特征在于，所述鋇鎢發射電子材料包括不同摩爾比的鋇鎢發射電子材料、摻雜鈧酸鹽的鋇鎢發射電子材料或表面覆膜的鋇鎢發射體材料;所述六硼化鑭發射電子材料包括單晶或多晶六硼化鑭材料。5.根據權利I所述的一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構，其特征在于，所述陰極頂和點火極采用耐等離子體電弧燒蝕和耐高溫材料。6.根據權利I所述的一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構，其特征在于，所述熱屏由耐高溫金屬或合金材料制成，加工成圓筒結構。7.根據權利I所述的一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構，其特征在于，所述陰極管由耐高溫金屬或合金材料制成，加工成薄壁管狀。8.根據權利I所述的一種可使得空間電推進快速啟動的冷陰極結構，其特征在于，所述絕緣器為高純度AL203或其它陶瓷材料制成，能夠與金屬進行氣密性連接。
【文檔編號】H01J1/30GK105895473SQ201610087609
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月16日
【發明人】康小錄, 喬彩霞, 張志遠, 張巖, 杭觀榮, 薛偉華, 余水淋, 邱剛
【申請人】上海空間推進研究所