一种基于磁场作用的真空等离子体生成的放电电极结构的制作方法

本发明属于微小卫星应用的电推进技术领域，涉及一种等离子体生成的放电电极结构，更具体的涉及一种生成高密度、高能量、定向喷射等离子体的放电电极。

背景技术：

真空环境内放电产生金属等离子体，这些金属等离子体具有很高的能量，其特性与电极结构密切相关。当电弧电流较小时，真空电弧的形态呈扩散态，产生具有一定运动能量的等离子体。金属等离子体可应用于离子束表面分析技术及离子注入技术；针对于宇宙空间的真空环境，可利用电极提供金属等离子体来产生推力，无需携带额外的推进剂，而且利用放电电流流过阳极螺线管部分产生磁场无需外加电磁线圈，减小了推进器尺寸，可应用于小型卫星姿态微调的推进系统。

在现有的技术中,真空放电大多采用锥-板电极以及锥-筒电极。锥-板电极产生的等离子体在轴向传播时会被板状阳极阻挡，能利用的仅为少部分径向传播的等离子体；锥-筒电极生成的等离子体在轴向的传播未被阻挡，但是由于电场线的作用在传播过程中会在径向扩散，因而轴向等离子体的密度、能量会显著降低。

中国专利CN102869181A提了“用于等离子体推进器的电极结构及电极固定结构”，通过设计圆柱状阴极和开喇叭口状的阳极，利用放电时等离子体对绝缘壁的烧蚀，产生高能量、高密度的等离子体，一定程度上提升了此类推进器的推进性能。但是该专利的电极结构产生的等离子体在轴向传播过程中并未有效抑制径向扩散的等离子体，会损失一定的加速能量，影响推进器的性能。文献“窦志军,刘文正,陈修阳.真空放电中磁场对等离子体生成特性的影响[J].真空,2015,03:59-62.”中提到的电极为锥螺旋状电极，提出了使用螺旋状阳极产生轴向磁场对等离子体产生约束、定向作用的理论，同时定量地对比了锥筒状电极和锥螺旋状电极产生的等离子体密度，证明了锥螺旋电极能够利用磁场提高等离子体产生密度和定向性。但是，该文献只是提出和验证了螺旋状阳极结构能够有效束缚等离子体理论，并没有综合电、磁场角度全面对电极结构设计优化。

本发明即发明人基于在先发表的理论研究提出的实践结构。

技术实现要素：

本发明提出了一种用于真空等离子体生成的放电电极结构。通过合理的电极结构设计，利用阴、阳极相互配合，在阴极尖端近旁产生较强电场区，降低了电极的起始放电电压；利用阳极螺线管部分，在电极内部腔体中产生较强轴向磁场，能够有效地约束等离子体，减少等离子体的径向扩散，增加电极喷射出的等离子体密度和能量。

本发明的目的在于提供一种真空等离子体放电电极结构，既能解决现有锥-板电极在放电过程中只能利用沿电极径向扩散的等离子体密度较小的问题，又能解决锥-筒类电极真空放电时等离子体由于径向扩散致使轴向能量下降快的问题。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种基于磁场作用的真空等离子体生成的放电电极结构，置于真空环境中，包括阴极、阳极和绝缘部件，所述阴极包括一金属圆柱体，金属圆柱体的一端设置有圆锥体，圆锥体的锥端作为阴极的放电端；绝缘部件包括一套装包裹阴极的筒状绝缘部，筒状绝缘部的一端设有喇叭状放射绝缘部；阳极包括一环状阳极以及一螺旋管状阳极；其中，

筒状绝缘部的一端通过环状阳极连接喇叭状放射绝缘部；螺旋管状阳极为单层或多层带绝缘的金属线螺旋缠绕在绝缘部件的外部；环状阳极以及螺旋管状阳极的轴线与阴极圆锥体的锥端中心线保持重合；阴极通过接线柱与外电路的负高压端子相连接，螺旋管状阳极的一个端子与环状阳极直接连接，螺旋管状阳极的另一端通过导线接地。

所述的圆锥体的锥端为弧形或球形。所述圆锥体锥的锥度为1:2至2:1。

所述环状阳极的两端带有凹槽结构，筒状绝缘部与喇叭状绝缘部分别嵌入环状阳极的凹槽。

或者，

所述环状阳极的两端带有螺纹结构，筒状绝缘部与喇叭状绝缘部通过螺纹与环状阳极连接。

所述阴极的金属圆柱体采用良导磁金属材料制成。阴极的圆锥体端部可选择其他导体材料，并保持为一良好导电体。

所述的阴极的圆锥体端部在螺旋管状阳极三分之一范围内位置可调。

所述绝缘体部的材质可用介电常数较大的材料，如聚四氟材料。

本发明的有益效果是：

本发明与现有技术相比，本发明将放电电极的阳极设置成螺线管状，锥状阴极插入该螺线管阳极中保持两者的中心线重合，放电在所述阴极尖端产生。放电时电流流过螺线管会在螺线管内部产生较强的轴向磁场。等离子体在扩散的过程中，带电粒子轴向运动分量不会受到影响，径向运动分量在洛仑兹力的作用下会向中心轴偏转，因此达到了束缚等离子体的效果，从而在轴向得到高密度、高能量的等离子体。此外，由于所述阴极柱体部分使用的是导磁特性良好的金属导体，阴极会汇聚磁力线通过阴极柱体，在锥状尖端处存在一个强磁场区，保证了磁场的有效利用。

该放电电极结构简单，放电稳定性和重复性好。

附图说明

结合附图考虑，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明并容易得知其中许多伴随的优点，此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是本发明的放电电极结构的实施例的二维结构示意图；

图2是包含图1所示的放电电极的具体放电电路图；

图3表示出了利用朗缪尔探针法测得的电极周围等离子体的密度分布情况。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本发明的放电电极实施例的结构二维示意图。参看图1，本实施例中，放电电极包括带圆锥体端部的阴极1、环状阳极3a、螺线管状阳极3b以及筒状绝缘部件2a、喇叭状绝缘部件2b。

其中，所述阴极1为一端具有圆锥体锥端的结构，该锥端作为阴极1的放电端。通过设置锥端作为放电端，可增强放电效果，并使等离子体出现在电极中心区域，便于磁场约束控制，但是圆锥体的锥的尖端不易太尖，否则会引起放电点偏移，影响放电稳定性。本实施例中，阴极1包括金属圆柱体以及设置于该金属圆柱体一端的圆锥体结构，圆锥体结构的锥度为1:2至2:1，本实施例中具体为1:1。阴极与外电路的负高压端子相连接。

所述阴极1的金属圆柱体的柱体部分的材质可以采用铁质良导磁特性金属。

此外，为进一步提高放电的稳定性，阴极1的锥端的尖端要保持一定的圆度，例如，可以将锥端尖部设置为弧状或球状。

所述螺旋管状阳极3b为一螺线管结构，其为漆包导线制作，螺线管的漆包导线直径和螺线管直径以及螺线管的螺距等可相应与放电电压而设置。

为便于理解，下面给出一组放电电极的详细尺寸。放电环状阳极3a为筒环，其内径为5mm宽度为4mm，通过凹槽插接在筒状绝缘部件2a和喇叭状绝缘部件2b之间，螺旋管状阳极3b采用直径为8.0mm，长34.5mm的漆包铜导线双层密绕匝数为230匝的螺旋状电极，螺旋管状阳极3b的一个端子焊接在环状阳极3a的外侧。阴极圆锥体尖端采用铅金属，金属圆柱体采用不锈钢材料，阴极总长25mm，金属圆柱体直径为5mm，圆锥体锥度为1:1。阴极和阳极之间的筒状绝缘部件2a和喇叭状绝缘部件2b为聚四氟乙烯材料。

放电电源采用脉冲放电形式，其具体放电电路如图2所示。220V交流电源，经过变压器升压，倍压整流电路变换后给电容C2充电。当给三点间隙施加点火脉冲时，三点间隙导通，经C2、27Ω电阻、160μH电感和真空间隙构成回路，真空间隙击穿产生放电现象。阴极通过接线柱接电源高压端，环状阳极通过导线接地。

图3示出了通过朗缪尔探针法测了锥-螺旋电极和锥-筒电极的等离子体的密度，其中放电阳极分别采用螺距为3mm，10匝，内径10mm的钢质螺旋状电极，和内径10mm的筒状电极。放电阴极采用锥角60°，内径5mm的铅质锥状电极。在相同放电电流时，与锥-筒电极相比，锥-螺旋电极生成的等离子体密度较大。说明利用锥-螺旋电极结构可以获得高密度、大面积的金属等离子体。

本实施例中，将放电电极的阳极设置为螺旋管状，锥状阴极与螺线管为同一中心线。由于放电时电流流过阳极螺线管会在电极中心产生一个较大的轴向磁场，这个磁场会对带电粒子的径向运动分量产生束缚作用，可以增加等离子体的密度、能量。也就是说，相对传统锥-筒和锥-板电极，在本发明方案提出的锥螺旋电极生成的等离子体在轴向的密度有了很大提高，可实现高密度等离子体的生成。而且，该放电电极结构简单，放电稳定性和重复性好。

上述的放电电极可应用于等离子体装置中，应用该等离子体装置可实现脉冲放电等离子体注入技术和脉冲金属离子推进技术。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。