一种射频辅助放电型高效冷启动空心阴极的制作方法

本发明属于空间电推进技术和地面电真空装置领域，具体涉及一种射频辅助放电型高效冷启动空心阴极。

背景技术：

空心阴极是目前广泛应用的离子和霍尔空间电推进系统的电子源，是mpd、pit等新型空间电推进的原初或中和电子源，空心阴极作为电子源和易损耗部组件直接影响着电推进系统的效率和寿命。随着大型长寿命卫星平台和载人航天技术的发展，对电推进的寿命、效率和功率要求不断提高，空心阴极作为影响电推进寿命和效率的部关键组件。

传统空心阴极首先在阴极管上游通入工质气体，在阴极顶小孔节流作用下在发射体区域空间内产生足够的气体压力，同时采用通电铠装热子或陶瓷固定的加热裸丝，对发射体外部的同轴阴极管进行加热，热量传导到发射体材料使其达到电子发射温度后，在触持极与阴极顶之间施加高压脉冲将气体击穿放电，待放电扩展到发射体区域产生放电等离子体时，发射体加热机制过渡到离子轰击，此时关闭热子供电，实现空心阴极正常放电。传统空心阴极热子属于易损耗部件，加热过程中的蒸发损耗和多次启动时的冷热交变微裂纹扩展断裂是其失效的主要原因；另一方面传统空心阴极气体工质是在发射体区域实现加热电离，由此抬高了触持极及阳极电离加速了空心阴极结构件的磨损；再者传统的阴极顶与阴极管焊接结构的开裂风险也是威胁其应用可靠性的关键。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种射频辅助放电型高效冷启动空心阴极，可以提高工质气体的利用率以及提高空心阴极的使用寿命。

一种射频辅助放电型空心阴极，环形结构的空心阴极从外到内依次包括触持极(1)、热屏蔽组件(5)、阴极管(3)、发射体(4)以及辅助放电组件；辅助放电组件包括陶瓷材料的支撑管(6)和同轴绕在支撑管(6)外壁的射频线圈(7)；支撑管(6)同轴固连在阴极管(3)的前端；

所述射频线圈(7)用于发射射频频率电磁波，将进入到空心阴极的工质气体进行激发和电离。

较佳的，支撑管(6)与阴极管(3)通过卡箍方式连接。

较佳的，支撑管(6)与阴极管(3)连接的一端为收口结构，伸入到阴极管(3)中，前端顶在发射体(4)前端。

较佳的，阴极管(3)后端设置阴极顶(2)，发射体(4)末端固定在阴极顶(2)的内侧。

较佳的，阴极管(3)和阴极顶(2)是一体结构。

较佳的，射频线圈(7)发射电磁波频率为2.0mhz。

较佳的，所述触持极(1)、阴极管(3)以及阴极顶(2)的材料选用石墨。

本发明具有如下有益效果：

本发明的空心阴极结合了冷启动空心阴极没有传统预热式空心阴极的热子寿命的限制，对于lab6发射体空心阴极热子是威胁空心阴极寿命的关键失效模式之一；通过在传统冷启动空心阴极前级增加射频辅助放电组件，经计算射频能量的95％以上可以耦合到放电气体内，可以延长传统空心阴极等离子体放电区域，提高工质气体的利用率，进而在与传统空心阴极相同的发射体条件下，相同发射电流下可以降低发射体的负担，有效延长了空心阴极发射体的寿命，同时也降低了预点火阶段对点火电源的要求；触持极和阴极顶材料全部为抗离子轰击溅射，耐高温的失效材料，同时由于射频预电离过程的引入，有效降低了空心阴极工作电压，有效提高了空心阴极耐溅射能力，提高了空心阴极寿命；阴极顶和阴极管的一体式结构也降低了由于传统焊缝开裂造成阴极失效的风险。综上，本发明空心阴极具有效率高、寿命长的特点。

附图说明

图1为本发明的空心阴极的结构示意图；

其中，1-触持极；2-阴极顶；3-阴极管；4-发射体；5-热屏蔽组件；6-支撑管；7-射频线圈。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明的一种射频辅助放电型高效冷启动空心阴极，为环形结构，从外到内依次包括触持极1、热屏蔽组件5、阴极管3、发射体4以及辅助放电组件；辅助放电组件包括陶瓷材料的支撑管6和绕在支撑管6外壁的射频线圈7；支撑管6通过卡箍方式同轴固连在阴极管3的前端，并保证两者的气密性。

本发明的空心阴极的工作原理为：

触持极1和发射体4的功能与二者在常规空心阴极中功能相同，本发明中，阴极管3不具有热传导加热发射体功能；射频线圈7发射射频频率(本实施例中为2.0mhz)电磁波，将进入到支撑管6中的工质气体进行激发和电离，由于工质气体不断注入到空心阴极中，被射频电磁波电离后的工质气体进入到阴极管3腔体内并离子轰击阴极管3内壁设置的发射体4，对发射体4材料起到加热的作用，当发射体4温度升高到一定程度后开始发射电子，电子束流从阴极管6后端设置的阴极顶2的开孔中发射出去；同时射频频率电磁波对工质气体的激发和电离效应，有效提高了空心阴极腔体内的工质利用效率，进而提高了空心阴极整体工作效率。

本发明中，阴极管3和阴极顶2是一体结构，有效规避了传统焊接连接结构由于开关机引起的冷热交变导致的焊缝开裂阴极顶2脱落或连接处漏气的风险；材料选用耐溅射更强的石墨；阴极顶2中部开有小孔，用于使得阴极管3腔体内保持一定的压力，使得发射体4稳定放电。

支撑管6与阴极管3连接的一端为收口结构，伸入到阴极管3中，前端顶在发射体4前端；发射体4末端固定在阴极顶2的内侧，因此支撑管6与阴极顶2完成了发射体4的固定。

热屏蔽组件5在触持极1和阴极管3之间，一是起到对阴极管3保温的作用，二是起到触持极1和阴极管3的电极之间绝缘的作用。

这里的石墨阴极管3和陶瓷支撑管3，由于石墨和陶瓷材料的热膨胀系数都极低，不会因为发生热膨胀系数不同引起零件破裂，因此采用卡箍方式固定，能够保证结构可靠，但要保证气密性。

本发明的一种射频辅助放电型高效冷启动空心阴极，根据计算射频能量的95％以上可以耦合到冷启动空心阴极的前级，有效提高了空心阴极腔体内的气体放电效率和利用率，降低了发射体电子发射需求，有效提高了冷启动空心阴极发射体寿命；采用石墨触持极和石墨阴极顶的冷启动空心阴极一方面提高了材料耐溅射能力，另一方面不存在传统预热式空心阴极热子寿命对空心阴极的限制，使本设计的空心阴极可以实现更长寿命。本发明的射频辅助型高效冷启动空心阴极具有效率高、寿命长的特点。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种射频辅助放电型高效冷启动空心阴极，通过在传统冷启动空心阴极前级增加射频辅助放电组件，经计算射频能量的95％以上可以耦合到放电气体内，可以延长传统空心阴极等离子体放电区域，提高工质气体的利用率，进而在与传统空心阴极相同的发射体条件下，相同发射电流下可以降低发射体的负担，有效延长了空心阴极发射体的寿命，同时也降低了预点火阶段对点火电源的要求；触持极和阴极顶材料全部为抗离子轰击溅射，耐高温的失效材料，同时由于射频预电离过程的引入，有效降低了空心阴极工作电压，有效提高了空心阴极耐溅射能力，提高了空心阴极寿命。

技术研发人员：贾艳辉;张天平;郭宁;吴辰宸;孙新锋;顾左;冯杰
受保护的技术使用者：兰州空间技术物理研究所
技术研发日：2018.12.10
技术公布日：2019.04.23