CN114738217B - 一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极，属于空间电推进领域，包括引出极、阴极顶陶瓷、发射体阴极管、微波馈入天线、微波接口结构、永磁铁磁路、供气结构及阴极负极、微波接口结构和阴极引出孔；引出极在阴极顶陶瓷的上方，阴极顶陶瓷上设置阴极引出孔，引出极的中心开孔与阴极引出孔同轴设置，阴极顶陶瓷下方设置发射体阴极管，永磁铁磁路同轴套设在发射体阴极管外侧，微波馈入天线设置在发射体阴极管下方，且天线的一端伸入发射体阴极管内，另一端连接微波接口结构；发射体阴极管下方设置有供气结构及阴极负极，供气结构及阴极负极与发射体阴极管电位相连，且设置供气管道与发射体阴极管内连通。本发明提高了功率的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及空间电推进技术领域，特别是涉及一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极。
背景技术
阴极广泛应用于空间电推力器的羽流中和以及航天器工作过程中结构的电位控制。在常见的霍尔电推力器和离子电推力器中，推力器产生的羽流通常为携带正电荷的离子束，为避免离子束对航天器带来电荷累积影响，以及提供部分推力器工作需要的源电子，需要令阴极与电推力器匹配工作。空心阴极是航天器阴极中应用最广泛，技术相对成熟的一种。
空心阴极的工作原理在于：发射体形成的阴极管内，由于顶部限流引出孔的作用下，阴极管内压力较高，当阴极管内形成等离子体放电时，发射体表面形成尺度为亚微米的等离子体鞘层，使局部产生强电场，致使场增强热电子发射。发射的初始电子在鞘层电位加速下在阴极管内空间震荡，与中性气体原子碰撞，维持电离，在空心阴极下游引出级(触持极)的作用下引出电子。
近年来，电推力器的兴起和广泛应用对于阴极提出了更多不同的型号需求，其中，微小电推进是国际上研究的热点。而目前最常用的直流加热空心阴极，其工作功率通常在几十瓦量级，气体流量消耗通常在1sccm以上，难以应用于微小电推进以及日益兴起的微纳卫星上。由于微纳卫星、微小电推进的需求牵引，低功率、低气体消耗、高发射电流的阴极的需求越来越迫切。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极，提高了功率的利用率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极，包括引出极、阴极顶陶瓷、发射体阴极管、微波馈入天线、微波接口结构、永磁铁磁路、供气结构及阴极负极、微波接口结构和阴极引出孔；
所述引出极固定在所述阴极顶陶瓷的上方，所述阴极顶陶瓷上设置有所述阴极引出孔，所述引出极中心开孔，且所述引出极的中心开孔与所述阴极引出孔同轴设置，所述阴极顶陶瓷下方设置发射体阴极管，所述发射体阴极管与所述阴极引出孔同轴设置，所述永磁铁磁路同轴套设在所述发射体阴极管外侧，所述永磁铁磁路用于在所述发射体阴极管内形成设定磁场，所述微波馈入天线设置在所述发射体阴极管下方，且所述微波馈入天线的一端伸入所述发射体阴极管内，所述微波馈入天线的另一端连接所述微波接口结构，所述微波接口结构用于输入微波，所述发射体阴极管下方设置有供气结构及阴极负极，所述供气结构及阴极负极与所述发射体阴极管电位相连，且所述供气结构及阴极负极内设置供气管道，所述供气管道与所述发射体阴极管内连通。
可选地，还包括外壳结构，所述外壳结构用于固定阴极顶陶瓷、所述永磁铁磁路、供气结构及阴极负极和微波接口结构。
可选地，还包括绝缘陶瓷，所述绝缘陶瓷用于所述供气结构及阴极负极与所述外壳结构之间的绝缘。
可选地，所述发射体阴极管的材料为钡钨或者六硼化镧。
可选地，所述永磁铁磁路在所述发射体阴极管内形成的磁场包含与输入微波频率匹配形成电子回旋共振的磁场强度区域；
所述电子回旋共振的磁场强度区域与所述微波馈入天线相交。
可选地，所述引出极的中心开孔的直径大于所述阴极引出孔的直径。
可选地，所述永磁铁磁路在所述发射体阴极管内形成的磁场为会切型磁场。
可选地，所述供气结构及阴极负极和所述引出极均采用304不锈钢或1060铝合金。
可选地，所述微波接口结构采用sma接口或N-type接口。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极，通过采用小尺度微波放电的等离子体源，以低功率在阴极管放电室内(发射体阴极管内)形成高密度等离子体，避免了传统直流加热空心阴极的加热过程，大大提高了功率的利用率，且大幅降低了阴极的工作流量，将工质流量需求降低一个数量级。同时，发射体阴极管内的等离子体在空心阴极效应下形成大量游离电子，大大提升了阴极的引出电子电流。此外，低流量、低功率、高电子发射电流的工作特性使其应用于小功率、高精度电推进***时，显著降低了阴极束流造成的推力矢量偏心干扰，提高了阴极在实际应用中的精度指标。
附图说明
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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极剖面示意图；
图2为本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极侧面示意图；
图3为本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极正面示意图；
图4为本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极背面示意图；
图5为本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极立体外观示意图；
图6为本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极整体的运作原理示意图；
符号说明：
1-引出极，2-阴极顶陶瓷，3-发射体阴极管，4-微波馈入天线，5-永磁铁磁路，6-外壳结构，7-供气结构及阴极负极，8-微波接口结构，9-阴极引出孔，10-阴极管放电室，11-绝缘陶瓷。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
本发明的目的是提供一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极，提高了功率的利用率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极剖面示意图，图2为本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极侧面示意图，图3为本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极正面示意图，图4为本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极背面示意图，图5为本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极立体外观示意图，如图1-图5所示，一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极，包括引出极1、阴极顶陶瓷2、发射体阴极管3、微波馈入天线4、微波接口结构8、永磁铁磁路5、供气结构及阴极负极7、微波接口结构8、阴极引出孔9、外壳结构6和绝缘陶瓷11。
引出极1固定在阴极顶陶瓷2的上方，阴极顶陶瓷2上设置有阴极引出孔9，引出极1中心开孔，且引出极1的中心开孔与阴极引出孔9同轴设置，阴极顶陶瓷2下方设置发射体阴极管3，发射体阴极管3与阴极引出孔9同轴设置，即发射体阴极管3与阴极顶陶瓷2同轴安装以形成阴极管放电室10，永磁铁磁路5为环形，永磁铁磁路5同轴套设在发射体阴极管3外侧，永磁铁磁路5用于在发射体阴极管3内形成设定磁场，微波馈入天线4设置在发射体阴极管3下方，且微波馈入天线4的一端伸入发射体阴极管3内，以向阴极管放电室10内馈入微波形成微波等离子体放电，微波馈入天线4的另一端连接微波接口结构8，微波接口结构8与外部微波输入结构连接，微波接口结构8用于输入微波，发射体阴极管3下方设置有供气结构及阴极负极7，供气结构及阴极负极7与发射体阴极管3电位相连，且供气结构及阴极负极7内设置供气管道，供气管道与发射体阴极管3内连通，供气管道用于向阴极管放电室10内供入气体工质。
外壳结构6用于固定阴极顶陶瓷2、永磁铁磁路5、供气结构及阴极负极7和微波接口结构8。
绝缘陶瓷11用于供气结构及阴极负极7与外壳结构6之间的绝缘。
供气结构及阴极负极7通过绝缘陶瓷与引出极1绝缘。
引出极与发射体阴极管之间通过绝缘陶瓷绝缘。
发射体阴极管3的材料为钡钨或者六硼化镧。
永磁铁磁路5在发射体阴极管3内形成的磁场包含与输入微波频率匹配形成电子回旋共振的磁场强度区域。例如，在2450MHz微波频率下，阴极管放电室1010内应包含磁场强度为875高斯的磁场区域。
电子回旋共振的磁场强度区域与微波馈入天线4相交。
引出极1的中心开孔的直径大于阴极引出孔9的直径。
永磁铁磁路5在发射体阴极管3内形成的磁场为会切型磁场。
永磁铁磁路5采用居里温度较高的材料，如钐钴2:17。
供气结构及阴极负极7、外壳结构6和引出极1均采用非导磁或弱导磁材料，如304不锈钢或1060铝合金。
微波接口结构8采用sma接口或N-type接口。
本发明中各结构通过螺栓进行固定安装。
本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极整体通过外壳结构6连接到航天器上，供气结构及阴极负极7连接外部供气管路以供入中性气体，如氙气，同时其连接航天器***中的阴极负电位。引出极1连接正电位，如30V。图1为阴极剖面结构，微波接口结构88连接***中的微波输入通路，微波馈入天线4***到阴极管放电室10内部，以与永磁铁磁路5形成的电子回旋共振面相交，以向放电室内馈入微波功率。
本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极在运行时，中性气体通过供气结构及阴极负极7供入到阴极管放电室10内，微波电源通过微波接口结构8和微波馈入天线4将微波功率馈入到阴极管放电室10内，电离其中的中性气体形成微波等离子体放电。微波等离子体在发射体阴极管3内壁面产生空心阴极效应，产生大量游离电子。引出极1上施加高电位，将游离电子引出，形成电子发射电流，如图6所示。
本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极在设计时，通过采用不同的磁场位型来实现不同微波频率的工作区间和不同程度的电子引出能力。例如，使用强磁场、小谐振面的磁场设计，与较低微波频率相匹配，可以降低阴极的工作流量和工作功率，同时电子引出电流也较小。使用较弱磁场、较大谐振面的磁场设计，与较高微波频率相匹配，可以增大电子引出电流，同时使用较高的工作流量和工作功率。此外，阴极在运行时，可以通过调节微波功率、微波占空比、工质流量和引出极电压等参数来调节阴极的电子发射电流，和相应的工况参数。如，可以使用较高微波功率、较高引出极电压和较低的工质流量，来实现与较低微波功率、较低引出极电压和较高工质流量相同的电子发射电流，以实现***对于电功率和气体工质流量的不同需求。具体实施方式以实际运行操作为准。
本发明一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极具体为基于微波放电和空心阴极效应的微流量低功率阴极，通过微波馈入结构在发射体形成的阴极管内产生等离子体放电，引发空心阴极效应，以在低功率、微流量下实现高电子电流引出。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种基于微波放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，包括引出极、阴极顶陶瓷、发射体阴极管、微波馈入天线、微波接口结构、永磁铁磁路、供气结构及阴极负极、微波接口结构和阴极引出孔；
所述引出极固定在所述阴极顶陶瓷的上方，所述阴极顶陶瓷上设置有所述阴极引出孔，所述引出极中心开孔，且所述引出极的中心开孔与所述阴极引出孔同轴设置，所述阴极顶陶瓷下方设置发射体阴极管，所述发射体阴极管与所述阴极引出孔同轴设置，所述永磁铁磁路同轴套设在所述发射体阴极管外侧，所述永磁铁磁路用于在所述发射体阴极管内形成设定磁场，所述微波馈入天线设置在所述发射体阴极管下方，且所述微波馈入天线的一端伸入所述发射体阴极管内，所述微波馈入天线的另一端连接所述微波接口结构，所述微波接口结构用于输入微波，所述发射体阴极管下方设置有供气结构及阴极负极，所述供气结构及阴极负极与所述发射体阴极管电位相连，且所述供气结构及阴极负极内设置供气管道，所述供气管道与所述发射体阴极管内连通。
2.根据权利要求1所述的基于微波放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，还包括外壳结构，所述外壳结构用于固定阴极顶陶瓷、所述永磁铁磁路、供气结构及阴极负极和微波接口结构。
3.根据权利要求2所述的基于微波放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，还包括绝缘陶瓷，所述绝缘陶瓷用于所述供气结构及阴极负极与所述外壳结构之间的绝缘。
4.根据权利要求1所述的基于微波放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，所述发射体阴极管的材料为钡钨或者六硼化镧。
5.根据权利要求1所述的基于微波放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，所述永磁铁磁路在所述发射体阴极管内形成的磁场包含与输入微波频率匹配形成电子回旋共振的磁场强度区域；
所述电子回旋共振的磁场强度区域与所述微波馈入天线相交。
6.根据权利要求1所述的基于微波放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，所述引出极的中心开孔的直径大于所述阴极引出孔的直径。
7.根据权利要求1所述的基于微波放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，所述永磁铁磁路在所述发射体阴极管内形成的磁场为会切型磁场。
8.根据权利要求1所述的基于微波放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，所述供气结构及阴极负极和所述引出极均采用304不锈钢或1060铝合金。
9.根据权利要求1所述的基于微波放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，所述微波接口结构采用sma接口或N-type接口。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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