ПОЛЫЙ КАТОД
HOLLOW CATHODE

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к полым катодам, 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, применяемых 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].
Малые космические аппараты (КА) располагают небольшой бортовой мощностью, поэтому и все применяемое на них оборудование, включая компоненты ЭРД, должны при минимальной потребляемой мощности обеспечивать необходимые параметры и характеристики. Кроме этого, и запасы рабочего тела для работы ЭРД на борту малого КА также ограничены. Поэтому применяемые на малых КА ЭРД, включая полый катод, должны быть надежными, эффективными и сверхэкономичными, что и предопределяет необходимость создания и разработки малорасходного полого катода.
Наиболее широкое применение в технике нашли катоды двух разновидностей. Катоды накального типа, в которых 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]. Катоды без специального нагревателя для разогрева эмиттера называются 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, при помощи пускового электрода и последующим переходом к функционированию 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 №2030016, кл. 7 H01J 37/077, F03H 1/00].
Недостатком такого известного полого катода является узкая область его применения из-за неработоспособности в режимах с малым расходом рабочего тела.
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 №2012946, кл. 7 Н01J 37/077, F03H 1/00].
И такому известному полому катоду присущи недостатки аналога, обусловленные ограничениями работоспособности по допускаемому минимальному расходу рабочего тела. Функционирование такого известного полого катода в составе ЭРД малой мощности происходит с затруднениями, состоящими в ненадежности запусков и дополнительными затратами мощности при стационарной работе для обеспечения стабильности.
Основная причина заключается в том, что массовый расход газа в собственном канале эмиттера влияет на протяженность активной зоны эмиссии электронов следующим образом: при повышенных расходах активная зона сжимается со смещением к выходу эмиттера, тогда как при уменьшении расхода активная зона расширяется, уходя от выходного торца эмиттера вглубь канала. Таким образом, при малых расходах рабочего газа эффективность эмиссии активной зоны снижается по причине более затрудненного проникновения разряда вглубь канала эмиттера (в особенности к границе начала активной зоны) и, тем самым, равномерно-распределенной теплопередачи энергии разряда всей активной зоне, необходимой для обеспечения и поддержания рабочей температуры всей протяженной активной зоны, что дополнительно усугубляется и тепловыми потерями обратно в конструкцию [Оранский А.И., Долгов А.С., Таран А.А. Газоразрядные полые высокоэмиссионные катоды. Том 1. Основы проектирования. Национальный аэрокосмический институт им. Н.Е. Жуковского, 2011 г.]. Таким образом, относительно малые расходы рабочего газа принципиально усложняют работу полого катода.
При создании изобретения решалась задача по расширению области применения полого катода.
Указанный технический результат достигается тем, что в полом катоде, содержащим полую капсулу, внутри которой размещен эмиттер, входной канал рабочего тела, выходное отверстие и пусковой электрод, согласно изобретению, со стороны выхода на пусковой электрод установлен консольный экран, который простирается к эмиттеру и образует относительно полой капсулы осевой зазор. Пусковой электрод и консольный экран могут быть сделаны цельно. Консольный экран предпочтительней изготовлять из тугоплавких металлов или сплавов на их основе.
Установка на пусковом электроде дополнительного консольного экрана позволяет решить задачу по расширению области применения полого катода, в частности, для режимов работы при сверхмалых расходах газа, путем, с одной стороны, уменьшения пробойного промежутка между электрической цепью «катод» и пусковым электродом, а, с другой стороны, локального обеспечения в рабочей зоне электрического пробоя повышенной плотности газа за счет сепаратных функций консольного полого экрана, который собой ограничивает зону выхода газа и электронов минимального объема, препятствуя при этом рассеиванию части рабочего тела по всему внутреннему объему конструкции. Формирование в рабочей зоне перед эмиттером локальной области повышенной плотности рабочего газа повышает вероятность и способствует улучшению условий для электрического пробоя [М.Д. Гуревич, М.Д. Гуревич. Электровакуумные приборы. М.: Военное издательство Министерства обороны Союза ССР, 1960, с. 330-338].
Изготовление пускового электрода и консольного экрана в виде единой цельной конструкции позволит избежать избыточного электрического контактного сопротивления, снизить потери и обеспечить на данном участке целостность электрической цепи.
Изготовление консольного экрана из тугоплавких металлов или сплавов на их основе позволяет решить задачу повышения надежности и стойкости в условиях действия высоких температур и ионной бомбардировки струи ЭРД.
Таким образом, полый катод, изготовленный согласно изобретению, в котором пусковой электрод дополнительно снабжен консольным экраном, свободный край которого расположен перед полой капсулой с эмиттером с осевым зазором, уменьшив тем самым пробойный промежуток в рабочей зоне, позволяет добиться надежного запуска и стабильной работы на режимах сверхмалых расходов (менее 0,1 мг/с), расширив тем самым его функциональные возможности.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 представлен продольный разрез полого катода, на котором также условно показан источник электрического питания и схема его подключения к токопроводящим элементам полого катода.
На фиг. 2 показан выносной элемент А, на котором представлен вариант цельной конструкции пускового электрода с консольным экраном.
Полый катод содержит полую капсулу 1, внутри которой расположен эмиттер 2, входной канал подвода рабочего тела 3, выходное отверстие 4 для выхода эмитируемых электронов  в окружающее пространство и пусковой электрод 5. На пусковом электроде установлен консольный экран 6, который обращен к эмиттеру 2, так что между свободным концом консольного экрана 6 и полой капсулой 1 образован осевой зазор 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 5, а другой токоподвод (клемма "-" источника электрического питания) осуществляется к токопроводящим элементам полой капсулы 1 с эмиттером 2. При другом варианте конструкции пусковой электрод 5 и консольный экран 6а могут быть сделаны в виде частей одной цельной детали.
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) через пусковой электрод 5 к консольному экрану 6, при этом клемма "-" источника электрического питания присоединена к токопроводящим элементам полой капсулы 1 с эмиттером 2, который в разогретом состоянии при рабочей температуре порядка 1500°С-1700°C, является источником электронов. Подача рабочего газа в полый катод осуществляется по входному каналу 3, герметично соединенному с полостью полой капсулы 1. Далее газ попадает во внутреннюю полость полой капсулы 1, в которой располагается эмиттер 2. За счет выделяющейся энергии стартового электрического разряда в осевом зазоре 7 в момент запуска эмиттер 2 разогревается, преимущественно со стороны выходного отверстия 4, до рабочей температуры, вызывающей эмиссию электронов. В стационарном режиме работы ЭРД уровень эмиссии электронов из полого катода должен быть достаточным для поддержания электрического разряда между рабочей полостью эмиттера 2 и анодом ЭРД (на рисунке не показан). В таких условиях и происходит первичная инициализация плазмы. После запуска полый катод переходит в стационарный режим с функционированием в автоматическом режиме, при котором необходимый уровень температуры эмиттера 2 поддерживается за счет энергии, поступающей от установившегося плазменного разряда.
Промышленная реализуемость предложенного изобретения подтверждена испытаниями опытных образцов полого катода при наземной отработке как автономно, так и в составе ЭРД, при которой были получены следующие положительные результаты:
- результаты испытаний продемонстрировали надежность запусков с улучшенной динамикой выхода на стационарный режим работы;
к-з
к-з
- напряжение в цепи «катод-земля» U (разность потенциалов в сконцентрированном сгустке плазмы между эмиттером полого катода и областью контакта сгустка плазмы с плазменной струей, истекающей из ЭРД, это параметр, характеризующий затраты мощности на транспортировку электронов от катода до плазменной струи и анода ЭРД), при работе в составе ЭРД относительно низкое (фактическая величина U составляет 13-17 В) и стабильное при стационарной работе.