一种耐溅射污染的绝缘增强型栅极系统

1.本发明属于空间电推进技术领域和离子源中的高速离子束引出技术领域，尤其涉及一种具有排气孔和耐溅射污染的用于微小型离子推力器的绝缘增强型栅极系统。


背景技术：

2.离子推力器是一种电推力器，用于空间电推进(或称航天等离子体推进、电火箭)，具有比冲高、推力变化范围广、技术成熟等优点，目前已被广泛应用于航天器的姿态和轨道控制。
3.离子推力器在结构和原理上与离子源具有很高的相似性，是一种专用于空间电推进领域的离子源，其特点是使用由大量小孔组成栅网状结构的栅极系统加速排出离子以获得推力。离子推力器的主体结构一般由电离室、栅极系统和中和器组成。电离室用于生成等离子体，栅极系统用于引出并加速离子，中和器用于发射电子以中和被栅极系统加速的离子。
4.栅极系统，亦被称为离子光学系统，由至少两个栅极组成(双栅极)，也有由三栅极或四栅极组成的栅极系统，但其主要原理相同。以双栅栅极系统为例，其由屏栅、加速栅、栅间绝缘件组成，屏栅与加速栅上均开有一定数量的孔。屏栅位于上游，与电离室内的等离子体直接接触；加速栅位于下游；栅间绝缘件位于屏栅与加速栅之间，将双栅分隔并形成一定的栅间距，栅间距通常为0.5mm至2.0mm左右，典型值为1.0mm。离子推力器工作时，栅极系统被加上直流电压，栅间电场方向由屏栅指向加速栅，离子经由屏栅孔进入栅极系统，被栅间电场加速，最后经由加速栅孔被引出。大量离子被加速引出，形成高速离子束流，使离子推力器产生推力。
5.专利申请cn112555113a，一种离子推力器栅极组件一体化绝缘结构，公开了“上屏蔽罩和下屏蔽罩共同形成绝缘支撑环的防护罩，防止栅极组件离子光学引出过程中离子溅射污染绝缘支撑环”，这种设计适用于中大型离子推力器，对于微小型离子推力器，该栅极绝缘结构过于复杂，零件多，结构尺寸较大，不利于微小型离子推力器的小型化。
6.专利申请cn112696329a，一种离子推力器栅极绝缘连接结构及装配方法，公开了“栅极栅网之间通过一套绝缘装置实现三栅的绝缘连接，减少了多套绝缘安装造成的累积误差，同时可有效减少栅极热变形造成栅极孔对中精度差的问题，且结构简单，装配工艺好”，这种设计适用于中大型离子推力器，对于小型离子推力器，该结构零件多、结构复杂，结构尺寸较大，不利于微小型离子推力器的小型化。并且该设计没有考虑封闭栅间边缘的区域，会使中性气体和溅射污染物从边缘空间向外扩散，降低栅极绝缘性能，影响推力器正常工作。
7.专利申请cn109712861a一种防短路功能的离子光学系统及微型离子源，公开了“离子光学系统包括平行相对设置的屏栅和加速栅，并通过绝缘体使所述屏栅和加速栅的外端部支撑连接。为防止屏栅与加速栅之间短路，在所述绝缘体的内端面上设置金属颗粒阻拦凸起部、或者采用三层不等内径的环形绝缘体或者采用导流挡板。采用上述设置的离
子光学系统的微型离子源具有较高的绝缘性能”，这种设计适用于微小型离子推力器，但该设计采用平板状加速栅，考虑到栅间距较小，绝缘体的厚度很小，实际制造中很难加工和使用如此薄的绝缘结构，存在结构的机械强度问题和绝缘强度问题。长时间使用后，由于溅射污染，较薄的金属颗粒阻拦凸起部很容易被溅射污染覆盖，导致栅极系统较早地发生绝缘失效。
8.对于离子推力器的栅极系统绝缘设计，尤其是对于要考虑结构尺寸限制的微小型离子推力器，现有技术的缺点和问题如下：首先，现有栅极系统对于双栅的固定的结构，需要较为复杂的绝缘连接设计，零件较多。对于微小型离子推力器，整体尺寸较小，如果继续沿用中大型离子推力器的栅极系统结构设计，会导致小尺寸的零件的加工和装配的成本和难度较高，可靠性降低。目前缺少紧凑型栅极系统的结构设计，以降低栅极系统的加工和装配的成本和难度。其次，由于离子推力器双栅间距较小，在毫米或亚毫米量级，采用平板状加速栅的结构设计时，栅间绝缘件的厚度较小，加工难度较大，双栅间沿栅间绝缘件表面的路径距离较短，造成栅极系统的防爬电打火的能力较差。同时，由于栅间绝缘件的厚度较小，表面积较小，能够容纳的溅射污染物较少，导致栅间绝缘件的耐溅射污染能力较差，溅射产物易附着在其表面，容易造成栅极短路。上述问题都会造成栅极系统的绝缘失效。第三，现有设计无法将栅间的中性气体定向排出，中性气体容易在栅间积累，造成栅间气压较高，容易造成栅极在双栅与栅间绝缘件接触的地方发生打火短路，特别是被溅射污染物附着的表面附近，这会对离子推力器的工作稳定性造成影响。栅间气压较高同时会限制对栅极施加的电压，限制了被电压加速的离子束的速度，从而限制了离子推力器实现更高的比冲性能。


技术实现要素：

9.为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种耐溅射污染的绝缘增强型栅极系统，本发明的具体技术方案如下：
10.一种耐溅射污染的绝缘增强型栅极系统，包括通过定位孔依次同轴安装的加速栅结构、栅间绝缘结构和屏栅结构，其中，所述加速栅结构上设置接线孔与电源相连，所述屏栅结构上设置接线孔与高压电源相连，所述栅间绝缘结构用于将所述加速栅结构和所述屏栅结构绝缘隔开。
11.进一步地，所述加速栅结构包括环状加速栅电极和加速栅，其中，所述加速栅电极的环状表面设置加速栅电极定位孔，在环状边缘的凸耳上设置加速栅电极接线孔；
12.所述加速栅为凹式碗状结构，包括与所述加速栅电机外径相同的环状部分，以及从所述环状部分向下凹陷的加速栅下凹结构，在环状部分的上表面设置与所述加速栅电极定位孔同轴的加速栅定位孔，在环状部分的内缘呈圆周阵列设置加速栅极排气孔，在所述加速栅的底部设置加速栅孔。
13.进一步地，所述栅间绝缘结构即栅间绝缘件，所述栅间绝缘件为环状，在环状表面设置与加速栅电极定位孔同轴的栅间绝缘件定位孔，在环状内壁上设置栅间绝缘件沟槽，使所述栅间绝缘件内部形成阶梯型结构。
14.进一步地，所述屏栅为圆形，在表面设置与所述加速栅电极定位孔同轴的屏栅定位孔，在所述屏栅上设置屏栅孔，所述屏栅孔与所述加速栅孔一一同轴对准。
15.所述屏栅电极与所述加速栅电极的结构相同，包括在环状表面设置的与所述加速栅电极定位孔同轴的屏栅电极定位孔及在环状边缘的凸耳上设置的屏栅电极接线孔。
16.进一步地，还包括绝缘定位销，所述绝缘定位销能穿过所述加速栅电极定位孔、所述加速栅定位孔和所述栅间绝缘件定位孔，所述屏栅定位孔和所述屏栅电极定位孔，能够实现所述栅极系统机械结构的相对固定。
17.进一步地，所述栅间绝缘件沟槽的截面形状为矩形、三角形、菱形或圆弧形，所述栅间绝缘件沟槽的数量不少于两个。
18.进一步地，所述屏栅孔与所述加速栅孔为圆形或正六边形，所述屏栅孔与所述加速栅孔按照相同的栅孔间距排列。
19.进一步地，所述加速栅电极、所述屏栅电极由高导电金属制成，所述加速栅、所述屏栅由耐溅射金属制成，所述定位销、所述栅间绝缘件由耐温绝缘材料制成。
20.进一步地，所述加速栅电极、所述屏栅电极由铜制成，所述加速栅、所述屏栅由钼制成，所述定位销、所述栅间绝缘件由氧化铝陶瓷制成。
21.进一步地，所述系统的整体直径为10.0～200.0mm，所述加速栅电极、所述加速栅、所述屏栅和所述屏栅电极的厚度为0.2～2.0mm，所述栅间绝缘件、所述绝缘定位销的厚度为2.0～5.0mm，所述屏栅孔和所述加速栅孔的直径为1.0～5.0mm，所述加速栅下凹结构的深度为1.0～10.0mm。
22.本发明的有益效果在于：
23.1.本发明采用紧凑的结构设计，使用绝缘性能优异的氧化铝陶瓷材料的绝缘定位销进行定位，在保证了栅极系统的优异绝缘性能的情况下，简化了绝缘连接结构，减少了零件数量，降低了加工和装配的成本和难度。
24.2.加速栅采用凹式碗状结构设计，在保证栅间距不变的情况下，提高了栅间绝缘件的厚度，增强了栅极系统的绝缘性能。
25.3.栅间绝缘件内壁上开有耐溅射沟槽使其内部形成阶梯结构，有效增加了爬电距离，增强了绝缘性能。同时，耐溅射沟槽能够捕获溅射污染物，但阶梯结构不会使溅射污染物在栅间绝缘件内壁上形成完整的连接回路，不易造成栅极间发生短路，从而增强了绝缘性能，提高了栅极系统受到溅射污染后的使用寿命。
26.4.加速栅上设有多个排气孔，沿中心轴线呈圆周分布。排气孔可将栅间尤其是栅间绝缘件表面附近积累的中性气体向外排出，降低了由于气压较高导致的栅间击穿短路的风险。同时，中性气体的排出方向与栅极引出离子束流的方向一致，减少了排出的中性气体对推力器的影响。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
28.图1是本发明的整体结构示意图；
29.图2是本发明的结构的爆炸示意图；
30.图3为本发明整体结构剖面示意图；
31.图4为本发明加速栅电极结构示意图；
32.图5为本发明加速栅结构示意图；
33.图6为本发明加速栅结构剖面示意图；
34.图7为本发明栅间绝缘件结构示意图；
35.图8为本发明栅间绝缘件结构剖面示意图；
36.图9为本发明屏栅结构示意图；
37.图10为本发明屏栅电极结构示意图。
38.附图标号说明：
39.1-加速栅电极，2-加速栅，3-绝缘定位销，4-栅间绝缘件，5-屏栅，6-屏栅电极，101-加速栅电极定位孔，102-加速栅电极接线孔，201-加速栅定位孔，202-加速栅排气孔，203-加速栅下凹结构，204-加速栅孔，401-栅间绝缘件定位孔，402-栅间绝缘件沟槽，501-屏栅定位孔，502-屏栅孔，601-屏栅电极定位孔，602-屏栅电极接线孔。
具体实施方式
40.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
41.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
42.如图1-3所示，一种耐溅射污染的绝缘增强型栅极系统，包括通过定位孔依次同轴安装的加速栅结构、栅间绝缘结构和屏栅结构，其中，加速栅结构上设置接线孔与电源相连，屏栅结构上设置接线孔与高压电源相连，栅间绝缘结构用于将加速栅结构和屏栅结构绝缘隔开。
43.如图4-6所示，加速栅结构包括环状加速栅电极1和加速栅2，其中，
44.加速栅电极1的环状表面设置加速栅电极定位孔101，在环状边缘的凸耳上设置加速栅电极接线孔102；
45.加速栅2为凹式碗状结构，包括与加速栅电机1外径相同的环状部分，以及从环状部分向下凹陷的加速栅下凹结构203，在环状部分的上表面设置与加速栅电极定位孔101同轴的加速栅定位孔201，在环状部分的内缘呈圆周阵列设置加速栅极排气孔202，在加速栅2的底部设置加速栅孔204。加速栅采用凹式碗状结构设计，在保证栅间距不变的情况下，提高了栅间绝缘件的厚度，增强了栅极系统的绝缘性能。加速栅排气孔202可将栅间尤其是栅间绝缘件4表面附近积累的中性气体向外排出，降低了由于气压较高导致的栅间击穿短路的风险。同时，中性气体的排出方向与栅极引出离子束流的方向一致，减少了排出的中性气体对推力器的影响。
46.如图7-8所示，栅间绝缘结构即栅间绝缘件4，栅间绝缘件4为环状，在环状表面设置与加速栅电极定位孔101同轴的栅间绝缘件定位孔401，在环状内壁上设置栅间绝缘件沟槽402，使栅间绝缘件4内部形成阶梯型结构。栅间绝缘件内壁上开有耐溅射沟槽使其内部
形成阶梯结构，有效增加了爬电距离，增强了绝缘性能。同时，耐溅射沟槽能够捕获溅射污染物，但阶梯结构不会使溅射污染物在栅间绝缘件内壁上形成完整的连接回路，不易造成栅极间发生短路，从而增强了绝缘性能，提高了栅极系统受到溅射污染后的使用寿命。
47.如图9-10所示，屏栅5为圆形，在表面设置与加速栅电极定位孔101同轴的屏栅定位孔501，在屏栅5上设置屏栅孔502，屏栅孔502与加速栅孔204一一同轴对准。
48.屏栅电极6与加速栅电极1的结构相同，包括在环状表面设置的与加速栅电极定位孔101同轴的屏栅电极定位孔601及在环状边缘的凸耳上设置的屏栅电极接线孔602。
49.在一些实施方式中，还包括绝缘定位销3，绝缘定位销3能穿过加速栅电极定位孔101、加速栅定位孔201和栅间绝缘件定位孔401，屏栅定位孔501和屏栅电极定位孔601，能够实现栅极系统机械结构的相对固定，实现了每个加速栅孔204和与之对应的屏栅孔502的中心轴线一一对应重合，从而实现了屏栅和加速栅的栅极孔对准。
50.本发明采用紧凑的结构设计，使用绝缘性能优异的氧化铝陶瓷材料的绝缘定位销进行定位，在保证了栅极系统的优异绝缘性能的情况下，简化了绝缘连接结构，减少了零件数量，降低了加工和装配的成本和难度。
51.在一些实施方式中，栅间绝缘件沟槽402的截面形状为矩形、三角形、菱形或圆弧形，栅间绝缘件沟槽402的数量不少于两个。
52.在一些实施方式中，屏栅孔502与加速栅孔204为圆形或正六边形，屏栅孔502与加速栅孔204按照相同的栅孔间距排列。
53.在一些实施方式中，加速栅电极1、屏栅电极6由高导电金属制成，加速栅2、屏栅5由耐溅射金属制成，定位销3、栅间绝缘件4由耐温绝缘材料制成。
54.较佳地，加速栅电极1、屏栅电极6由铜制成，加速栅2、屏栅5由钼制成，定位销3、栅间绝缘件4由氧化铝陶瓷制成。
55.在一些实施方式中，系统的整体直径为10.0～200.0mm，加速栅电极1、加速栅2、屏栅5和屏栅电极6的厚度为0.2～2.0mm，栅间绝缘件4、绝缘定位销3的厚度为2.0～5.0mm，屏栅孔502和加速栅孔202的直径为1.0～5.0mm，加速栅下凹结构203的深度为1.0～10.0mm。
56.本发明的典型工作模式：
57.工作模式：加速栅电极1通过加速栅电极接线孔102与电源相连，典型的电压为0～-200v，加速栅电极1与加速栅2接触，电压相同；屏栅电极6通过屏栅电极接线孔602与高压电源相连，典型的电压为500～3000v，屏栅电极6与屏栅5接触，电压相同；此时在屏栅5与加速栅2之间具有较大的电势差，形成了较强的电场，可以将离子束流加速引出。
58.非工作模式：加速栅电极1和屏栅电极6不接电，此时在屏栅5与加速栅2之间没有电势差，没有电场，不加速引出离子束流。
59.现有技术中，微小型离子推力器的研究和应用较少，没有适用于微小型离子推力器的栅极系统设计，现有的离子推力器栅极系统的栅间绝缘结构较为复杂，不适用于对结构体积较为敏感的微小型离子推力器，栅间绝缘件厚度较小，防爬电性能较差，耐溅射污染能力较差，容易发生栅间打火短路，没有考虑栅间积累的中性气体，影响了绝缘性能，降低了能够对栅极系统施加的最大加速电压，阻碍了离子推力器实现更高的比冲性能。本发明的耐溅射污染的绝缘增强型栅极系统结构复杂度低、尺寸小，绝缘可靠性强和使用寿命长，能够将栅间积累的中性气体排出，适用于微小型离子推力器。
60.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
61.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
62.在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
63.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。