[發明專利]具有內芯的用于航天器自持空心陰極的發射體

有效

• 申請號: 201310215998.2
• 申請日: 2013-06-03
• 公開（公告）號: CN103311066A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 寧中喜;安秉健;于達仁;孟天航;黃超
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01J1/13
• 分類號: H01J1/13;H01J1/20
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 高媛

技術領域

本發明涉及一種自持空心陰極的發射體。

背景技術

自持空心陰極是電推進器如霍爾推力器、離子推力器等的關鍵部件，也可用于空間站作電位控制用，具有高可靠性、壽命長、發射電流大、電流發射效率高、體積小、重量輕、結構緊湊和抗振動能力強等特點。空心陰極作為電子源使用，是電推力器的單點失效部件，具有很高的重要性，也有很高的壽命要求，一般要達到上萬小時。

陰極基本結構如圖1所示。發射體是自持空心陰極中實際發射電子的部件，通常用低逸出功材料制作，如LaB₆，鋇鎢氧化物等。這些材料需要在很高的溫度下工作，例如LaB₆需要在1600℃左右，鋇鎢氧化物需要在900℃左右。自持空心陰極在正常工作時可以自發產熱以維持發射體所需溫度，在啟動時需要加熱器將其加熱到該溫度。加熱器通常采用電阻絲為熱源，用陶瓷材料做絕緣。如此高的溫度要求對陰極設計中的材料選擇、工藝等帶來很大困難，也是制約壽命的主要因素。陰極材料部件等的壽命與溫度呈指數關系，通常溫度每升高一百度，壽命降低一個數量級，因此降低陰極溫度對延長壽命有很重要的作用。

目前自持空心陰極所用的發射體普遍采用圓管狀結構，用其內表面發射電子。對于這種發射體，在進行設計時，原則是盡量使發射體內表面溫度梯度小，因為發射體材料會不斷的蒸發，且蒸發速率隨溫度快速上升，如圖2所示，溫度不均勻會使高溫部分發射體材料提前耗盡，不利于陰極壽命。在這種設計下，發射體材料的溫度即其設計溫度，使得其材料蒸發速率大，且外圍其他部件溫度也高。本發明則利用在發射體內部加芯的方法，制造溫度不均勻分布，使芯的溫度很高，利用其發射電子，并降低外圍發射體材料及陰極其他部件的溫度，以增加陰極壽命。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有內芯的用于航天器自持空心陰極的發射體，為解決發射體材料及陰極其他部件溫度高、蒸發速率大導致陰極壽命短的問題。

本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是：方案一：所述發射體包括圓管、圓柱形芯體和二個連接體，圓管內設有圓柱形芯體且二者同軸設置，圓管的底端面、圓柱形芯體的底端面和二個連接體的底端面在同一平面上，圓柱形芯體通過二個連接體與圓管的側壁連接且三者制成一體。

方案二：所述發射體包括圓管和芯板，芯板沿徑向設在圓管內且二者制成一體，芯板的底端面與圓管的底端面在同一平面上。

方案三：所述發射體包括圓管、圓臺形芯體和二個連接體，圓管內設有圓臺形芯體且二者同軸設置，圓管的底端面、圓臺形芯體的大直徑端面和二個連接體的底端面在同一平面上，圓臺形芯體通過二個連接體與圓管的側壁連接且三者制成一體。

本發明具有以下有益效果：本發明通過在圓管內加芯體的方法，制造發射體溫度的不均勻分布，使大部分電子通過高溫的芯體發射，從而降低發射體外圍及陰極其他部件的溫度，以延長空心陰極壽命。

附圖說明

圖1是自持空心陰極原理圖(熱電子發射體9、啟動電加熱器10、點火極11、陰極小孔12)，圖2是發射體常用材料蒸發速率的溫度特性圖，圖3是本發明方案一的整體結構示意圖，圖4是圖3的俯視圖，圖5是現有發射體和方案一中發射體放電溫度特性對比圖，圖6是本發明方案二的整體結構示意圖，圖7是圖6的俯視圖，圖8是本發明方案三的整體結構示意圖，圖9是圖8的俯視圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式的所述發射體包括圓管1、圓柱形芯體2和二個連接體3，圓管1內設有圓柱形芯體2且二者同軸設置，圓管1的底端面、圓柱形芯體2的底端面和二個連接體3的底端面在同一平面上，圓柱形芯體2通過二個連接體3與圓管1的側壁連接且三者制成一體。

圓管1內設有圓柱形芯體2，由于放電時圓柱形芯體2處于等離子體的中心，其受到的加熱更多，而且還受到圓管1的輻射傳熱，使得其溫度較高，而圓管1溫度則較低；高溫有利于發射更多的電子，這造成放電會部分轉移到圓柱形芯體2，于是形成正反饋效應，圓柱形芯體2受到更多加熱，而圓管1受到更少的加熱，使圓管1溫度進一步降低。陰極自持工作時，發射體是熱源，因此這也降低了陰極其他部件的溫度。原理可參考雙套管空心陰極效應。在圓柱形芯體2材料耗盡之前，圓管1及陰極其他部件處于較低溫度，這使得這些部件壽命大大延長。圓柱形芯體6工作的時候還能提高陰極性能，降低陰極功耗和工質流量消耗。因此發明的總體效果相當于在不改變其他性能甚至提高性能的基礎上，增加了對應于芯工作時間的壽命。