ПЛАЗМЕННЫЙ КАТОД
PLASMA CATHODE

Изобретение относится к области электрореактивньгх двигателей, а именно к широкому классу плазменных двигателей (холловских, ионных), использующих в своем составе плазменные катоды. При необходимости оно может быть использовано в смежных областях техники, например при разработке источников плазмы.
Известны катоды для плазменных двигателей, выполненные по широко распространенной конструктивной схеме (см., например, /1/). Они имеют эмиттер, установленный в корпус, к эмиттеру подается плазмообразующее вещество, обычно рабочий газ - Хе. Катод снабжен нагревателем, предназначенным для стартового разогрева эмиттера, и поджигным электродом для обеспечения его поджига разряда.
6
Конструкция плазменного катода, его рабочие и эксплуатационные характеристики зависят от материала эмиттера и его конфигурации, поэтому в направлении улучшения рабочих и эксплуатационных характеристик такого рода катодов ведутся постоянные работы. В настоящее время наиболее широкое распространение среди эмиттеров для катодов плазменных двигателей получили вольфрам-бариевые (W-Ba) и гексаборид-лантановые (LaB). В то же время наблюдаются попытки использовать и другие материалы в качестве эмиттеров рассматриваемых катодов / 2, 3, 4 /, в которых обязательным условием является подача плазмообразующего вещества к эмиттеру.
6
6
2
6
2
3
3
4
9
2
3
В /2/ рассмотрен широкий спектр веществ применительно к использованию их в качестве материалов эмиттеров этих катодов: LaB, LaB-VB, LaB-ТiВ, BaHfО+W, ВаSсO+W. В /3/ дан детальный анализ различных соединений типа ВаО-СаО-АlО, которые используются в качестве основного наполнителя для вольфрам-бариевых (W-Ba) эмиттеров. В /4/ в качестве добавки к основному материалу пористой губки (вольфраму) в вольфрам-бариевый эмиттер рекомендуется добавлять иридий (Ir) в определенных дозах. Иридий образует в структуре губки пористые иридий-вольфрамовые конгломераты, помимо чисто вольфрамовых конгломератов.
При этом, наряду с поиском новых материалов эмиттеров, взамен традиционно используемых, для улучшения рабочих и эксплуатационных характеристик катодов плазменных двигателей работы ведутся и в части изменения традиционно применяемой формы эмиттера. Традиционной формой эмиттера является форма цилиндра с осевым отверстием. При работе катода к отверстию эмиттера после его разогрева подается плазмообразующее вещество. Работа катода осуществляется за счет термоэмиссии с внутренней поверхности эмиттера.
В /5/ показано, что традиционная форма эмиттера может быть радикально изменена. В данном техническом решении эмиттер выполнен в виде пакета пластин с соосными отверстиями. Пластины установлены с зазором относительно друг друга при помощи расположенных между ними дистанционирующих пластин с соосными отверстиями большего размера. При этом пластины образуют полости, с поверхности которых осуществляется эмиссия электронов. Это позволяет увеличить суммарную эмиттирующую поверхность эмиттера, снижает унос материала эмиттера из его объема, что положительно сказывается на улучшении рабочих характеристик катода. Однако использование традиционно используемых материалов не освобождает данную конструкцию катода от присущих этим материалам недостатков (см. ниже).
К тому же применение эмиттера в виде набора пластин вместо эмиттера в виде полого цилиндра в целом ряде случаев не отвечает требованию обеспечения высокой механической прочности эмиттера и катода в целом вследствие их очевидной меньшей прочности. Требование же обеспечения высокой механической прочности для катодов плазменных двигателей является очень актуальным, поскольку при проведении комплекса испытаний катода он подвергается механическим воздействиям различного вида (вибрационным, ударным и т.п.). При использовании же катода в составе плазменного двигателя для космических летательных аппаратов (КЛА), катод испытывает механические воздействия на этапе выведения КЛА в космос. Кроме того, при изготовлении дистанционирующих пластин из тугоплавкого металла распыление и испарение этого материала под воздействием плазмы внутри эмиттера с последующим его осаждением на рабочих поверхностях эмиттера может приводить к понижению его эмиссионной способности.
6
Поиски наиболее предпочтительного материала эмиттеров имеют под собой весомое основание. Дело в том, что широко применяемые ныне типы эмиттеров (на основе W-Ba или La В) для катодов плазменных двигателей имеют существенные недостатки.
э
Вольфрам-бариевые (W-Ba) эмиттеры отличаются низкой работой выхода φ~2,1…2,3 эВ, что позволяет работать при относительно низких рабочих температурах (Т~1000…1100°С). Такие достоинства W-Ba эмиттеров позволяют создавать простые конструкции катодов, которые отличаются хорошими рабочими характеристиками и приемлемой стойкостью к механическим нагрузкам. Лишь катоды, использующие Cs в том или ином виде способны обеспечить существенно более низкую работу выхода φ~1,2…1,4 эВ, что позволяет им работать при более низких температурах /6/. Однако Cs имеет низкую теплоту испарения, он способен образовывать после истечения из катода сконденсировавшиеся пленки на элементах космических летательных аппаратов /7/, поэтому в качестве вещества, улучшающего рабочие характеристики эмиттеров катодов плазменных двигателей, он не получил своего распространения.
2
3
Катоды же с W-Ba эмиттерами крайне чувствительны к отравлению. Спектр отравляющих веществ для них довольно широк, это кислород, пары воды, углекислый газ и др. Поэтому использование таких катодов в составе плазменных двигателей сопряжено с неудобствами эксплуатационного характера. Еще одним недостатком вольфрам-бариевых эмиттеров является то, что их ресурс ограничивается не только эффектом отравления, но и запасами бария в объеме эмиттера. Типовой вольфрам-бариевый эмиттер представляет из себя втулку из вольфрамовой пористой губки, занимающей примерно 70% ее объема. Губка заполнена алюминатом бария-кальция, например, 2,5 ВаО+СаО+AlO. При работе катода барий с поверхности эмиттера удаляется в основном посредством испарения.
6
6
Существенно более высокой стойкостью к воздействию отравляющих веществ отличаются плазменные катоды с гексаборид-лантановыми (LаВ) эмиттерами, которые практически только при нагревании до высоких температур могут подвергаться заметному отравлению. Кроме того, эмиттер из LаВ представляет из себя монолитную втулку. Ресурс такого эмиттера определяется в первую очередь эффектом распыления в результате его бомбардировки ионами плазмообразующего вещества.
6
Однако эмиттеры из LаВ также имеют один существенный недостаток. Их рабочие температуры составляют ~1500…1600°С, что существенно выше (примерно на 400…500°С), чем у вольфрам-бариевых эмиттеров. Это приводит к необходимости использования более мощных и более высокотемпературных нагревателей для обеспечения стартового поджига разряда катода, к введению в конструкцию катода мощной теплоизоляции, к использованию высокотемпературных электроизоляторов, не отличающихся высокой механической прочностью. Катод работает в условиях большей теплонапряженности конструкции. В целом это усложняет конструкцию катода, ухудшает его стойкость к механическим нагрузкам.
6
6
6
Кроме того, это приводит к ухудшению рабочих характеристик катода, что связано, во-первых, с необходимостью применения более мощных нагревателей и разогревом эмиттера до более высоких температур. Кроме того, поскольку катоды для плазменных двигателей работают, как правило, в автономном режиме, то есть с отключенным после поджига разряда нагревателем, то основным источником тепла, идущим на разогрев эмиттера, является ионная бомбардировки из плазмы, находящейся в объеме эмиттера. Поскольку требуемая температура эмиттера из LaB высока, то и поток тепла для поддержания этой температуры также должен быть большим. Это приводит к бóльшим энергозатратам при работе катода с эмиттером из LаВ по сравнению с катодом с вольфрам-бариевым эмиттером. Поэтому падение напряжения на катоде с эмиттером из LаВ, как правило, больше напряжения на катоде с вольфрам-бариевым эмиттером, о чем свидетельствуют заметные отличия в их вольт-амперных характеристиках (ВАХ).
В связи с рассмотренными недостатками таких эмиттеров для катодов плазменных двигателей ведутся постоянные работы в направлении как поиска новых материалов, так и улучшения конструкции самих эмиттеров /1-5/.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является плазменный катод /8/, включающий в себя эмиттер с осевым отверстием, который установлен в корпус. В выходной части корпуса выполнен канал для прохода плазмообразующего вещества. Внутренняя полость эмиттера сообщена с источником плазмообразующего вещества. Эмиттер содержит пористую металлическую втулку, снабженную резервуаром, заполненным соединениями бария. Втулка выполнена из пористого вольфрама (W), либо из пористого иридий-вольфрама (W-Ir). Внутренняя поверхность втулки является рабочей поверхностью эмиттера, эмиттирующей электроны при работе катода. Помимо этого катод содержит также поджигной электрод и узел стартового разогрева.
В этом катоде используется иридий в качестве составляющего пористой втулки, который можно отнести к веществам, заметно менее склонным к отравлению, чем вещества эмиттеров в традиционно используемых катодах. В работе /8/ отмечено, что температура иридий-вольфрамового эмиттера была несколько ниже температуры эмиттера с губкой из чистого W.
4
Однако данный эмиттер даже при добавках иридия в пористую губку все равно будет склонен к заметному отравлению, поскольку в его конструкции используются и традиционно используемые соединения бария, и вольфрам. Как показали результаты длительных ресурсных испытаний вольфрам-бариевого катода, работающего на нейтральном газе Хе /9/, при отравлении эмиттера под воздействием содержащихся в Хе примесей на внутренней поверхности эмиттера образуется устойчивое соединение BaWO, не способное обеспечить требуемую термоэмиссию катода. Данный катод будет подвержен к такого рода отравляющему воздействию.
Целью изобретения является улучшение рабочих и эксплуатационных характеристик катодов для плазменных двигателей.
Поставленная цель достигается тем, что в катоде плазменного двигателя, включающем в себя корпус, в выходной части которого выполнен канал для прохода плазмообразующего вещества, установленный в корпус эмиттер с осевым отверстием, внутренняя полость которого сообщена с источником плазмообразующего вещества, эмиттер изготовлен из соединения иридия (Ir) с редкоземельным металлом и выполнен из отдельных цилиндрических втулок, пристыкованных соосно друг к другу по торцевым поверхностям, причем втулка, расположенная у выходной части катода, имеет наибольший внутренний диаметр.
Дополнительно к этому в состав эмиттера может быть добавлен металл платиновой группы.
Соединения Ir с редкоземельным металлом, в частности, с лантаном (La) известны, они широко применяются в электронной технике в качестве основного материала эмиттеров /10/. Однако в качестве материала эмиттера катодов плазменных двигателей, работающих с подачей к эмиттеру плазмообразующего вещества, эти соединения до настоящего времени пока еще широко не используются. Это связано, прежде всего, с более высокой работой выхода электронов у соединения Ir с редкоземельным металлом по сравнению с работой выхода традиционно используемого вольфрам-бариевого эмиттера, что приводит к более высокой рабочей температуре катода. Кроме того, эмиттеры из соединения Ir с редкоземельным металлом отличаются существенно более высокой стоимостью.
2
Однако очень важным положительным свойством иридий-лантанового эмиттера является его более высокая стойкость к отравлению. Более высокая стойкость к отравлению, в том числе способность Ir-La эмиттера функционировать после длительного нахождения на открытом воздухе при комнатной температуре, объясняется высокой плотностью материала (ρ~17 г/см)и низкой его пористостью (П<1%). Это обусловливает возможность отравления только приповерхностных слоев эмиттера, которые удаляются при активировании катода и после некоторой наработки катода, в течение которой ионная бомбардировка из плазмы внутри эмиттера очищает его рабочую поверхность. Такое свойство позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики катода.
2
Поэтому применение соединения иридия (Ir) с редкоземельным металлом (например, соединения IrLа) может дать заметный положительный эффект в плане улучшения эксплуатационных качеств катода.
Следует подчеркнуть, что скорость испарения этих металлов с поверхности эмиттера невелика, существенно меньше скорости испарения Ва с поверхности вольфрам-бариевого эмиттера. Отсюда следует, что ресурс работы иридий-лантанового эмиттера будет определяться в основном другим фактором, а именно ионной бомбардировкой из плазмы газового разряда, окружающей эмиттер. Однако если обеспечить режим работы иридий-лантанового эмиттера таким образом, чтобы прикатодное падение потенциала было минимальным, на уровне ~10В, то ресурс работы такого эмиттера может в принципе достигать очень больших значений.
Основным недостатком этого типа эмиттеров по сравнению с вольфрам-бариевыми эмиттерами является их более высокая рабочая температура. Однако проведенные в ФГУП "Центр Келдыша" автономные огневые испытания изготовленного образца катода плазменного двигателя, снабженного иридий-лантановым эмиттером, показали, что ВАХ этого катода в области номинального тока разряда располагается примерно на ~1В выше ВАХ аналогичной конструкции катода, снабженной вольфрам-бариевым эмиттером. Такие слабое различие в ВАХ свидетельствует о том, что иридий-лантановые эмиттеры при условии оптимизации конструкции катода могут стать полноправной заменой вольфрам-бариевых эмиттеров по крайней мере в плане обеспечения приемлемых рабочих характеристик этих катодов.
При проведении автономных огневых испытаний изготовленного образца катода плазменного двигателя, снабженного иридий-лантановым эмиттером, были измерены температуры эмиттеров, необходимые для поджига разряда катода при различных расходах рабочего тела (чем меньше расход, тем выше была температура эмиттера). Результаты измерений представлены в таблице (здесь же для сравнения даны результаты измерений температур для аналогичного катода с эмиттером из гексаборида лантана).
W-Ba
Ir-La
La-B
1130…1180°С
1240…1290°С
1520…1580°С
Как видно из таблицы, при использовании иридий-лантанового катода вместо вольфрам-бариевого для обеспечения поджига разряда требуется увеличение температуры эмиттера на ~100°С, при использовании же гексаборид-лантанового эмиттера - на ~400°С. Таким образом, замена катода с вольфрам-бариевым эмиттером на катод с иридий-лантановым эмиттером не приведет к существенным изменениям конструкции катода, заметному увеличению мощности и времени стартового разогрева, увеличению температуры поджига разряда, заметной деформации ВАХ, понижению его механической прочности. При этом эксплуатационные, в том числе ресурсные характеристики катодов могут быть существенно улучшены за счет повышенной стойкостью к отравлению иридий-лантановых эмиттеров.
Достаточно высокая рабочая температура иридий-лантанового эмиттера позволяет эффективно использовать конструкцию эмиттера, состоящую из отдельных цилиндрических втулок, пристыкованных соосно друг с другу по торцевым поверхностям, при этом втулку, расположенную у выходной части катода, следует выполнить с наибольшим внутренним диаметром. Такая комбинированная конструкция позволяет улучшить как рабочие, так и эксплуатационные характеристики катода.
Как известно, распределение плотности тока и, соответственно, температуры по длине эмиттера в рассматриваемых катодах является неравномерным. Наибольшая плотность тока термоэмиссии будет наблюдаться в выходной части эмиттера, наиболее приближенной к выходному каналу корпуса. Такое распределение тока по поверхности эмиттера является наиболее приемлемым, поскольку затекание разряда далеко вглубь эмиттера приводит к возрастанию напряжения разряда, к дополнительным энергетическим потерям, ухудшению рабочих характеристик катода в целом.
Кроме того, глубокое затекание разряда во внутреннюю полость катода отрицательно сказывается на ресурсе катода. Дело в том, что в реальных условиях эксплуатации катодов для плазменных двигателей содержащиеся в плазмообразующем веществе примеси вызывают отравление прежде всего входной части эмиттера /9/, которая первая воспринимает на себя их воздействие. Тогда глубокое затекание разряда во внутреннюю полость эмиттера при условии отравления его входной части приведет к искажению распределения тока по его поверхности, к ухудшению рабочих характеристик катода. Целесообразна такая организация разряда, когда преимущественно выходная и средняя части эмиттера участвует в термоэмиссии и токопереносе, а входная часть эмиттера выполняет роль геттера, воспринимающего отравляющие примеси плазмообразующего вещества и тем самым дополнительно очищающего это вещество перед подачей его к основной зоне разряда. Здесь следует отметить, что отравление при высокой температуре присуще в той или иной степени практически всем без исключения типам эмиттеров.
Если внешний диаметр эмиттера, выполненного в виде одной втулки, большой, что делается для увеличения объема эмиттера с целью обеспечения значительного ресурса его работы (исчисляемого для катодов плазменных двигателей десятками тысяч часов), то температуры выходной и входной частей эмиттера приближаются друг к другу за счет высокой продольной теплопроводности по единому телу эмиттера. В этих условиях плотность тока разряда будет более равномерно распределена по поверхности эмиттера, глубина затекания разряда будет высокой. Это может крайне негативно сказаться на рабочих характеристиках катода, повысить величину падения напряжение разряда на катоде, ухудшить его рабочие характеристики.
В связи с этим разделение эмиттера на отдельные цилиндрические втулки, пристыкованные соосно друг к другу по торцевым поверхностям, позволяет увеличить разность температур между входной и выходной частями эмиттера, что способствует более предпочтительному распределению тока разряда по поверхности эмиттера. Это увеличение достигается за счет контактной разности температур, всегда возникающей в местах стыка сопрягаемых деталей, так как эмиттер уже не будет представлять собой единое тело с высокой продольной теплопроводностью. Теплопередача между втулками будет теперь в значительной степени определяться излучением от более разогретой втулки, расположенной ближе к выходу катода, к менее разогретой втулки, расположенной перед более разогретой втулкой.
Как известно, тепловой поток, идущий на разогрев эмиттера в рассматриваемых катодах, работающих в автономном режиме, определяется, прежде всего, потоком ионов, бомбардирующих поверхность эмиттера. Увеличение внутреннего диаметра втулки эмиттера приводит к увеличению эмиттирующей поверхности и к увеличению площади контакта с плазмообразующим веществом. Поэтому выходная втулка, имеющая наибольший диаметра, будет иметь увеличенную поверхностью контакта с плазмой, она будет подвергаться более интенсивной ионной бомбардировке, а значит иметь более высокую температуру и, соответственно, более высокую эмиссию электронов. Основная часть тока разряда будет протекать в зоне расположения именно этой выходной втулки. Глубина затекания разряда в таком составном эмиттере с выходной втулкой, имеющей наибольший внутренний диаметр, будет невысокой, что приведет к понижению напряжения разряда, то есть к улучшению рабочих характеристик катода.
При этом следует дополнительно отметить, что установка на входе в эмиттер втулок меньшего диаметра позволяет увеличить суммарную массу эмиттера, увеличить запас эмитирующего электроны вещества, то есть увеличить ресурс работы эмиттера. Масса эмиттера может уменьшаться при длительной работе эмиттера за счет его испарения и под действием ионной бомбардировки частицами плазмообразующего вещества. При этом температура входной втулки будет оставаться достаточной для входного очищающего от примесей эффекта при использовании иридий-лантанового эмиттера, поскольку он имеет в целом довольно высокую температуру, превышающую рабочую температуру вольфрам-бариевого эмиттера. То есть конструкция эмиттера, состоящая из набора втулок, будет наиболее эффективной при использовании в качестве материала эмиттера соединений иридий и лантана.
Кроме того, добавка в состав материала эмиттера металла платиновой группы (например, Pt) может благотворно сказываться на улучшение рабочих характеристик эмиттера и катода в целом, поскольку добавка платины способна привести к некоторому понижению работы выхода эмиттера. Так, к примеру, металлосплавной катод Pt-Ва имеет работу выхода всего ~2,2 эВ при температуре ~1000°С /10/.
Таким образом, реализация данного устройства позволит улучшить рабочие и эксплуатационные характеристики катодов плазменных двигателей.
Предлагаемое устройство катода плазменного двигателя поясняется схемой, представленной на чертеже (представлен вариант катода с тремя втулками эмиттера разного диаметра). Катод плазменного двигателя включает в себя эмиттер, состоящий из входной 1, выходной 2 и средней 3 втулок, изготовленных из соединения иридия (Ir) с редкоземельным металлом, в котором возможно присутствуют добавки порошка иридия и металла платиновой группы. Все втулки 1, 2, 3 имеют единую ось и пристыкованы соосно друг с другом по торцевым поверхностям. Эмиттер установлен в корпус 4, в выходной части которого выполнен канал 5 для прохода плазмообразующего вещества (направление подачи плазмообразующего вещества показано стрелкой 6). Внутренняя полость эмиттера сообщена с источником плазмообразующего вещества 7. На чертеже показан вариант конструкции, в котором выходная втулка 2 имеет наибольший внутренний диаметр, средняя втулка - средний внутренний диаметр, а входная втулка - наименьший внутренний диаметр. Катод снабжен также стартовым нагревателем 8 и поджигным электродом 9, выходное отверстие 10 которого расположено ниже по течению плазмообразующего вещества.
Катод плазменного двигателя работает следующим образом. На стартовый нагреватель 8 подается напряжение от источника питания накала катода (не показан). После достижения эмиттером температуры, обеспечивающей термоэмиссию электронов, в его внутреннюю полость от источника плазмообразующего вещества 7 подается это вещество (обычно газ Хе).
От источника питания поджига катода (не показан) подается напряжение на поджигной электрод 9, а также подается напряжение разряда между эмиттером катода и плазменным двигателем от источника питания разряда плазменного двигателя (не показаны). Между поджигным электродом 9 и эмиттером катода возникает электрический разряд.
Образовавшаяся в результате этого разряда плазма инициирует зажигание основного разряда между эмиттером катода и плазменным двигателем. После зажигания основного разряда отключают источник питания накала катода и источник питания поджига разряда. Катод продолжает работать от источника питания разряда плазменного двигателя.
При этом главной функцией входной втулки является очистка рабочего плазмообразующего вещества катода от примесей, выходной втулки - генерация основного тока термоэмиссии электронов, средняя втулка участвует в обоих этих процессах и служит также для обеспечения запаса эмиттирующего вещества.
Использование описанного выше технического решения позволяет заметно улучшить рабочие и эксплуатационные характеристики катода.
Источники информации
1. "Плазменный катод-компенсатор", РФ, патент №2283203, МПК Н01J 37/077, Н05Н 1/54, F03H 1/00, Опытное конструкторское бюро "Факел", РФ, заявка №2005100357/28, заявл. 11.01.05 г., опубл. 20.06.2006 г.
2. A. Taran, A Loyan, D Voronovich "Comparative high-density emitters poisoning of hollow cathode electric propulsion", 30-th International Electric Propulsion Conference, September 17-20, 2007, Florence, Italy.
3. Ismat M. Ahmed Rudwan and N.C. Wallace "Emitter depletion measurement and modeling in the T5&T6 Kaufman-type ione Thruster", 30-th International Electric Propulsion Conference, September 17-20, 2007, Florence, Italy.
4. "Tungsten-mdium impregnated cathode", United states patent №4,675,570, Н01J1/14, H01J19/16, assignee: Varian associated, Inc., Palo Alto, Calif., date of patent: jun.23,1987, app1. no. 851,896, filed: apr.11,1986.
5. "Катодный узел", РФ, патент №2139590, МПК H01J37/077, НИИ энергетического машиностроения Московского технического государственного университета им. Н Э. Баумана, РФ, заявка №97116173/28, заявл. 12.09.1997 г., опубл. 10.10.1999 г.
6. Морозов А.И. "Физические основы космических электрореактивных двигателей". М.: "Атомиздат", 1978 г.
7. V. Shutov, V. Brukhty, A. Smirnov et al. "Effect of alcali metal electric rocket engines on spacecraft", 23-th International Electric Propulsion Conference, IEPC-93-149, Moscow, Russia, 1993.
8. James E. Polk, Dan M. Goeble and Ron Watkins "Charakterization of hollow cathode performance and thermal behavior" 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, July 9-12,2006, Cakramento, California.
9. Timoti R. Sarver-Verhey "Destructive evaluation of a xenon hollow cathode after a 28,000 hour life test" AJAA - 98-3482.
10. Djubua V.Ch. SPRE "Istok", Fryazino "Research and development of dispenser, metal alloy and oxide thermionic cathode " 1994 Tri-Service/NASA Cathode Workshop.Sheraton City Centre Hotel Cleveland, Ohio, march 29-31,1994, p.3-6.