ПОЛЫЙ КАТОД
HOLLOW CATHODE

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к полым катодам (катодам-компенсаторам), работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано как в составе электрореактивных двигателей для нейтрализации (или компенсации объемного заряда ионов) ускоренного ионного пучка 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].
Эксплуатация космических аппаратов (КА) проводится в изменяющихся натурных условиях космического пространства, что происходит в результате комплексного воздействия различных факторов, отчего и тепловое состояние самого КА постоянно меняется. В таких условиях очень важно, чтобы все компоненты электрореактивных двигателей (ЭРД), включая полый катод, надежно функционировали в течение всего ресурса работы [Фаворский О.Н., Каданер Я.С. "Вопросы теплообмена в космосе". Издательство "Высшая школа", М., 1967 г.]. Малые КА (миниКА, микроКА и т.д.) располагают небольшой бортовой мощностью, что отражается в виде соответствующих ограничений и на всем оборудовании и компонентах ЭРД. Малый бюджет общей бортовой мощности малого КА устанавливает жесткие ограничения по потребляемой мощности, в том числе и для используемых ЭРД, включая полый катод, которая на разнообразных малых КА составляет порядка от 100 до 300 Вт. Такие ограничения значительно усложняют разработку ЭРД, который должен в условиях дефицита мощности эффективно и надежно функционировать в течение длительного ресурса (по времени работы более 2500 часов). Эффективность и надежность работы ЭРД в значительной степени зависит и от надежности работы полого катода, входящего в его состав.
Эффективность же работы самого полого катода в малорасходном режиме и ограничение потребляемой мощности в течение длительного ресурса, кроме прочего, зависит от тепловой схемы конструкции, которая бы обладала минимальными потерями, а также от химической стойкости элементов конструкции, в особенности контактирующих с эмиттером из гексаборида лантана [Высокоэффективный эмиттер электронов на основе гексаборида лантана. B.C. Кресанов, Н.П. Малахов, В.В. Морозов и др. М.: Энергоатомиздат, 1987 г., стр. 130-131].
В технике, в основном, применяются катоды двух разновидностей. В катодах накального типа 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]. При отсутствии специального нагревателя катоды принято называть безнакального типа [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 осуществляется за счет первичной энергии, выделяющейся в момент запуска при подаче высоковольтного пускового импульса через пусковой электрод и последующим функционированием 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 полый держатель с торцевыми стенками и проходными отверстиями рабочего тела входа и выхода, внутри которого размещен эмиттер [Патент РФ №2168793, кл. 7 H01J 37/077, F03H 1/00, Н05Н 1/54].
Недостатком такого известного плазменного катода является низкая надежность из-за тепловых потерь с внешних поверхностей и ограниченный ресурс работы из-за недолговечности деталей конструкции, контактирующих с эмиттером из гексаборида лантана и подверженных более интенсивной диффузии бора при рабочих температурах ~2000°C и насыщения им структуры металлов с образованием боридов - процесса борирования, что в конечном итоге приводит, с одной стороны, к структурным изменениям исходного металла в виде охрупчивания, растрескивания и преждевременного раскрашивания деталей конструкции катода, а с другой стороны - к ускоренной выработке самого эмиттера.
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, покрытой барьерным слоем химически пассивного материала, входной канал рабочего тела, со стороны которого между торцевой стенкой полой капсулы и эмиттером образован зазор, и выходное отверстие [Патент РФ №2502238, кл. 7 H01J 37/077, F03H 1/00].
В таком известном полом катоде увеличенный ресурс с надежным функционированием достигнут путем существенного ограничения процесса взаимодействия материала эмиттера с металлами сопрягаемых деталей за счет введения дополнительного защитного покрытия на внутренних поверхностях полой капсулы, наносимого в виде дополнительного барьерного слоя химически пассивного материала, например, нитрида циркония, который предотвращает свободное диффундирование бора из эмиттера, защищая тем самым металлические материалы окружающих деталей конструкции.
Однако и у такого известного полого катода имеются недостатки.
В такой конструкции происходят тепловые потери, обусловленные как теплопроводностью через примыкающие к эмиттеру другие элементы конструкции, так и процессом излучения тепла с торцевой поверхности эмиттера изнутри через газовую среду подаваемого рабочего тела в обратном направлении - вовнутрь конструкции в соответствии с градиентом действующих температур. Тепловые потери конструкции не могут быть компенсированы при ограничениях мощности.
Кроме того, другим недостатком конструкции такого известного полого катода будет ограниченность его ресурса, вследствие невозможности обеспечения качественного равномерного нанесения защитного барьерного слоя необходимой толщины на все внутренние поверхности полой капсулы относительно малых геометрических размеров. Это обусловлено тем, что поверхности жаропрочных тугоплавких металлов и сплавов на их основе, обладающих высокой твердостью, после механической обработки режущим инструментом получаются с поверхностями грубой шероховатостью. И наиболее критичными местами конструкции являются мелкоразмерные переходы между внутренними поверхностями полой капсулы, четкость и плавность которых при механической обработке трудно достижима. Грубая шероховатость поверхностей, в особенности внутренних труднодоступных переходов малых размеров, препятствуют качественному нанесению равномерного покрытия. В результате чего, при термоцикличной работе полого катода в условиях действия высоких температур, в наиболее критичных местах, недостаточно хорошо защищенных барьерным слоем заданной толщины, будут происходить процессы диффузионного борирования материала полой капсулы с постепенным проникновением на всю глубину стенки (в поперечном направлении), что в конечном итоге приведет к изменению структуры и свойств материала в продольном направлении так, что участки чистого металла будут чередоваться с зонами образовавшихся боридов, которые отличаются по твердости и прочности. Нарушение исходной изотропности прочностных свойств и характеристик металлов в пределах одной детали, работающих в условиях высоких температур, повышает риски возникновения на спрягаемых участках единой детали различных внутренних напряжений и, соответственно, разных термических деформаций, что приводит к повышению хрупкости материала и увеличению вероятности трещинообразований, которые в конечном итоге приведет к потере герметичности тракта рабочего тела и, тем самым, ограничению ресурса работы.
При создании изобретения решалась задача по повышению надежности работы полого катода в малорасходном режиме.
Указанный технический результат достигается тем, что в полом катоде, содержащем полую капсулу с торцевыми стенками, внутри которой размещен эмиттер, входной канал рабочего тела, со стороны которого между торцевой стенкой полой капсулы и эмиттером образован зазор, и выходное отверстие, согласно изобретению, в зазор установлен по меньшей мере один торцевой экран, образующий лабиринтный канал прохода рабочего тела. Торцевой экран изготовлен из химически пассивного материала относительно эмиттера. Поверхности торцевого экрана покрыты барьерным слоем. На торцевом экране дополнительно выполнены дистанционные ограничители и отверстия.
Введение в зазор между торцевой стенкой полой капсулы и эмиттером, со стороны входного канала, как минимум одного торцевого экрана позволяет предельно минимизировать тепловые потери путем ограничений процессов теплопроводности за счет уменьшения контактных площадей сопрягаемых деталей и теплосброса излучением с торца эмиттера внутри газового тракта по подводимому газу, что и обеспечивает стабильную и надежную работу полого катода в авторежиме термоэмиссии даже при сверхмалых расходах газа без дополнительных затрат мощности.
Изготовление торцевого экрана из химически пассивного материала относительно эмиттера, а также дополнительное покрытие поверхностей торцевого экрана барьерными слоями химически пассивного материала, например, нитрида циркония, позволяют решить комплексную задачу по увеличению ресурса полого катода в целом путем снижения интенсивности процесса борирования металлов. В условиях действия высоких рабочих температур торцевые экраны предпочтительней изготавливать из ленты тугоплавких материалов, например, из молибдена или его сплавов, произведенной методом проката, который придает конечному продукту относительно низкую шероховатость, что и позволяет достигнуть хорошего качества нанесения барьерных слоев с заданной постоянной толщиной и обеспечением равномерности покрытия по всей площади поверхности детали. Предотвращение процессов борирования металлов исключает локальные изменения структуры материалов в процессе ресурса, и, следовательно, повышается надежность конструкции за счет снижения рисков образования трещин вплоть до сквозных в условиях многократных знакопеременных высоких температурных воздействий.
Выполнение на торцевом экране дополнительных дистанционных ограничителей и отверстий позволяет, в случае необходимости применения нескольких экранов в виде наборных пакетов, обеспечить проходимость тракта подачи рабочего тела за счет формирования внутри пакетов торцевых экранов отдельных мелкоразмерных каналов для прохождения газа, сообща образующих единый лабиринт.
Таким образом, полый катод, изготовленный согласно изобретению, в котором улучшены условия термостатирования эмиттера во время работы, позволяет добиться более надежной и стабильной работы даже в малорасходных режимах (менее 0,1 мг/с для ксенона) и малой мощности.
Изобретение иллюстрируется чертежом.
На чертеже представлен продольный разрез предлагаемого полого катода вдоль его оси, на котором также условно показаны пусковой электрод, источник электрического питания и схема его подключения к токопроводящим элементам катода.
Полый катод содержит полую капсулу 1 с торцевыми стенками 2 и 3, входной канал рабочего тела 5 и выходное отверстие 6 для выхода эмитируемых электронов (е) в окружающее пространство, внутри полой капсулы 1 расположен эмиттер 4. В зазоре между торцевой стенкой 2 полой капсулы 1 и эмиттером 4, со стороны входного канала 5, размещены торцевые экраны 7. Торцевые экраны 7 могут содержать разнообразные дополнительные конструктивные элементы, которые могут отличаться между собой, как по количеству, размерам и форме: дистанционные ограничители 7а (например, в виде пуклевок) или ограничители 7б (расположенные по периферии экрана в виде отогнутых лепестков) и отверстия 8, так и их чередующимся расположением в пределах габаритов торцевого экрана 7, состав которых определяется из условия обеспечения приемлемого протока рабочего тела сквозь лабиринты с относительно низким гидравлическим сопротивлением в пакете торцевых экранов. Источник электрического питания может быть подключен следующим образом: токоподводящая линия подачи импульса запуска (клемма "+" источника электрического питания) подсоединяется к токопроводящим элементам пускового электрода (показан условно), а другой токоподвод (клемма "-" источника электрического питания) подсоединяется к полой капсуле с эмиттером со стороны подачи рабочего тела в катод.
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) на пусковой электрод (показан условно), при этом клемма "-" источника электрического питания присоединена к полой капсуле 1 с эмиттером 4. Эмиттер 4 в нагретом состоянии до температур порядка 1500°C-1700°C является источником эмиссии электронов, которая инициирует возникновение разряда и появление плазмы. Подача рабочего газа осуществляется по входному каналу 5, герметично соединенному с торцевой стенкой 2 полой капсулы 1. Далее газ попадает во внутреннюю полость полой капсулы 1, в которой располагается эмиттер 4. При стартовом запуске происходит электрический разряд и за счет выделяющейся при этом первичной энергии эмиттер 4 со стороны выходного отверстия 6 разогревается до рабочей температуры, обеспечивающей эмиссию электронов, которая питает последующий постоянный электрический разряда между рабочей полостью эмиттера 4 и пусковым электродом (показан условно). В стационарный режим работы полый катод переходит при функционировании в автоматическом режиме, при котором необходимый уровень температуры эмиттера 4 уже поддерживается за счет энергии самостоятельного плазменного разряда в полом катоде. В процессе работы торцевые экраны 7 препятствуют оттоку тепла в конструкцию, снижая теплосброс излучением с торца разогретого эмиттера 4 по газу, поступающему по входному каналу 5. Приемлемая проточность тракта подачи рабочего тела с малым гидравлическим сопротивлением обеспечивается при помощи: дистанционных ограничителей 7а и 7б разнообразной формы, формирующих лабиринтные каналы между экранами и окружающих их опорными поверхностями конструкции, а также сквозных отверстий 8 в торцевых экранах 7, что особенно важно в случае применения наборных пакетов торцевых экранов для более лучшего термостатирования работающего эмиттера 4. Изготовление торцевых экранов 4 из материалов химически пассивных по отношению к эмиттеру и дополнительные барьерные слои из аналогичных материалов комплексно снижают риски образования гальванически активных пар металлов и более длительно защищают детали конструкции, увеличивая срок их службы.
Промышленная реализуемость предложенного изобретения подтверждена испытаниями опытных образцов полого катода при наземной отработке, при которой были получены следующие положительные результаты:
- результаты испытаний продемонстрировали более надежное функционирование на всех стадиях, как при запусках, так и в процессе стационарной работы;
- в маломощных режимах ЭРД улучшено термостатирование основного исполнительного элемента - эмиттера полого катода, в частности, при его стационарной работе в режиме «автоэмиссии» без дополнительной подпитки энергией.