RU2108484C1 - Cathode unit - Google Patents

Abstract

FIELD: electric rocket engines. SUBSTANCE: xenon is used as plasma forming gas; inner source of emitting agent is formed by jet fitted at outlet of plasma forming gas supply pipe line and thermogenerator of cesium vapors. Thermogenerator is located in inner cavity of cathode. Orifice of jet is oriented coaxially relative to capillary hole of cathode unit housing. Working clearance between end of jet and end wall of housing does not exceed diameter of capillary. EFFECT: enhanced operational efficiency and increased service life. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электроракетным двигателям и может использоваться при их конструировании. The invention relates to electric rocket engines and can be used in their design.

При создании ионного двигателя одной из важнейших задач является разработка эффективного катода - источника первичных электронов в газоразрядной камере. В связи с этим становится весьма актуальным вопрос о разработке катода, обладающего низким энергопотреблением и высоким ресурсом. When creating an ion engine, one of the most important tasks is to develop an effective cathode - a source of primary electrons in a gas discharge chamber. In this regard, the issue of developing a cathode with low power consumption and high resource becomes very relevant.

Экспериментальные исследования показали, что наилучшие характеристики ионного двигателя по энергозатратам и коэффициенту использования рабочего тела реализуются, когда катод работает в режиме контрагированного дугового разряда с вольтамперной характеристикой, имеющей насыщение по току эмиссии, поэтому к требованию по эффективности и ресурсу добавляется устойчивая работа в режиме контрагированного дугового разряда. Experimental studies have shown that the best characteristics of an ion engine in terms of energy consumption and working fluid utilization are realized when the cathode operates in a counter-arc mode with a current-voltage characteristic that has saturation in the emission current, therefore, stable operation in a counter-arc mode is added to the demand for efficiency and resource discharge.

Известны полые катоды, работающие на щелочных металлах, в частности на цезии [1] . Такие катоды обладают значительным ресурсом, необходимой эффективностью, но использование в качестве рабочего тела цезия не всегда возможно на борту космического летательного аппарата из-за опасности осаждения цезия на оптических поверхностях КА. Hollow cathodes operating on alkali metals, in particular cesium, are known [1]. Such cathodes have a significant resource, the required efficiency, but the use of cesium as a working fluid is not always possible on board a spacecraft because of the danger of deposition of cesium on the optical surfaces of the spacecraft.

В настоящее время в космических двигателях в качестве рабочего тела используется ксенон, а для снижения работы выхода материала катода используются присадки, например гексаборид лантана. Примером такого катода может служить устройство, описанное в [2]. Основным его недостатком является высокая рабочая температура, сокращающая ресурс катода. Currently, in space engines, xenon is used as a working medium, and additives, for example, lanthanum hexaboride, are used to reduce the work function of the cathode material. An example of such a cathode is the device described in [2]. Its main disadvantage is the high operating temperature, which reduces the cathode resource.

Ближайшим техническим решением является катодный узел на основе капиллярного пленочного полого катода [3]. Данное устройство содержит катод 1 (фиг. 1) с центральным капиллярным отверстием в одной из торцовых стенок, трубопровод плазмообразующего газа 6, внутренний источник эмиссионного вещества (гексаборида лантана) 2 и нагревательный элемент 3. При включении нагревателя гексаборид испаряется и осаждается на боковой поверхности отверстия, снижая работу выхода материала катода. При подаче ксенона в отверстии устанавливается давление на 2 - 3 порядка выше, чем в газоразрядной камере, а при зажигании разряда там образуется плотная плазма, наличие которой позволяет реализовать эффект полого катода - существенное увеличение плотности тока эмиссии. Недостатком известной конструкции является высокая температура катода, при которой реализуется необходимый уровень эмиссии (1900 K), что приводит к повышению энергетических затрат и уменьшению ресурса. The closest technical solution is a cathode assembly based on a capillary film hollow cathode [3]. This device contains a cathode 1 (Fig. 1) with a central capillary hole in one of the end walls, a plasma-forming gas pipeline 6, an internal source of emission substance (lanthanum hexaboride) 2, and a heating element 3. When the heater is turned on, hexaboride vaporizes and precipitates on the side surface of the hole , reducing the work function of the cathode material. When xenon is supplied in the hole, the pressure is set 2 to 3 orders of magnitude higher than in the gas discharge chamber, and when the discharge is ignited, a dense plasma is formed there, the presence of which allows the hollow cathode effect to be realized - a significant increase in the emission current density. A disadvantage of the known design is the high temperature of the cathode, at which the required emission level (1900 K) is realized, which leads to an increase in energy costs and a decrease in resource.

Целью изобретения является повышение ресурса и эффективности работы катода. The aim of the invention is to increase the resource and efficiency of the cathode.

Эта цель достигается тем, что внутренний источник эмиттирующего вещества образован установленным на выходе трубопровода жиклером, отверстие которого соосно с капиллярным отверстием, причем рабочий зазор между торцом жиклера и торцовой стенкой катода составляет не более диаметра капилляра, и термогенератором паров цезия, размещенным во внутренней полости катода. This goal is achieved by the fact that the internal source of emitting substance is formed by a nozzle installed at the outlet of the pipeline, the opening of which is coaxial with the capillary hole, and the working gap between the end of the nozzle and the end wall of the cathode is not more than the diameter of the capillary and the cesium vapor generator located in the inner cavity of the cathode .

Сущность изобретения поясняется на фиг. 2. Внутри корпуса катода 1 расположен жиклер 2, по которому подается плазмообразующий газ (ксенон), внутри полости катода находится термогенератор паров цезия, например в виде таблеток цезийсодержащего материала 3, который выделяет цезий при нагреве с помощью нагревателя 4. The invention is illustrated in FIG. 2. Inside the cathode casing 1 there is a nozzle 2 through which plasma-forming gas (xenon) is supplied; inside the cathode cavity there is a cesium vapor thermogenerator, for example, in the form of cesium-containing material tablets 3, which releases cesium when heated by a heater 4.

Катодный узел работает следующим образом. При нагреве катода пары цезия поступают в капилляр и образуют на его боковой поверхности покрытие, снижающее работу выхода. После зажигания разряда в капилляре образуется плазма, обеспечивающая высокий уровень эмиссии и протекание электронного тока. The cathode assembly operates as follows. When the cathode is heated, cesium vapors enter the capillary and form a coating on its lateral surface, which reduces the work function. After ignition of the discharge, a plasma is formed in the capillary, which provides a high level of emission and the flow of electron current.

Эксперименты показывают, что при давлении ксенона 4•10⁹ - 4•10⁴ Па и давлении цезия 13 Па температура катода не превышала 1100 K, а ток эмиссии достигал 60 A. Спектральные изменения показали, что концентрация паров цезия в пристеночном слое заметно превышает концентрацию на оси, так как атомы цезия, слетая с поверхности, ионизируются в непосредственной близости от стенки, а ионы возвращаются электрическим полем на поверхность. Трудность ухода ионов и атомов цезия из пристеночного слоя подтверждает тот факт, что первоначально покрытый пленкой цезия катод стабильно работал 10 - 20 ч при давлении паров цезия 0,13 Па.Experiments show that at a xenon pressure of 4 • 10 ⁹ - 4 • 10 ⁴ Pa and a cesium pressure of 13 Pa, the cathode temperature did not exceed 1100 K, and the emission current reached 60 A. Spectral changes showed that the concentration of cesium vapor in the wall layer significantly exceeds the concentration on the axis, since cesium atoms flying off the surface are ionized in the immediate vicinity of the wall, and ions are returned to the surface by an electric field. The difficulty in the escape of cesium ions and atoms from the wall layer is confirmed by the fact that the cathode originally coated with a cesium film worked stably for 10–20 h at a cesium vapor pressure of 0.13 Pa.

Приведенные выше результаты экспериментальных исследований подтверждают возможность реализации режимов работы катода при расходах цезия в 1000 раз меньше, чем расход ксенона. Учитывая, что расход газа через катод составляет 5 - 7% от общего расхода рабочего тела в ионном двигателе, то расход цезия при использовании такого катода не может превысить сотых долей процента, что позволит использовать ионный двигатель с таким катодом на борту KA, так как потоки цезия соизмеримы с потоками материала ускоряющего электрода, распыляемого ионами перезарядки в процессе работы. The above experimental results confirm the feasibility of implementing cathode operating modes at cesium consumption 1000 times less than xenon consumption. Given that the gas flow through the cathode is 5 - 7% of the total flow of the working fluid in the ion engine, the cesium consumption when using such a cathode cannot exceed hundredths of a percent, which will allow the use of an ion engine with such a cathode on board KA, since the flows cesium is commensurate with the flows of accelerating electrode material sprayed by charge ions during operation.

Размещение жиклера в непосредственной близости от капилляра катода позволит иметь одинаковый тепловой режим этих элементов конструкции и наличие плазмы вблизи отверстия жиклера, поэтому уход цезия сквозь жиклер в систему подачи плазмообразующего газа также будет минимальным. Placing the nozzle in the immediate vicinity of the cathode capillary will allow one to have the same thermal regime of these structural elements and the presence of plasma near the nozzle opening; therefore, cesium escape through the nozzle into the plasma-forming gas supply system will also be minimal.

Литература. Literature.

1. Korovkin V.N., Latyshev L.A., Obukhov V.A., Grigoryan V.G. "Research of ion thrusters in the USSR" // IEPC-91-081, p.1. (22nd International Electric Propulsion Conference), Italy, 1991. 1. Korovkin V.N., Latyshev L.A., Obukhov V.A., Grigoryan V.G. "Research of ion thrusters in the USSR" // IEPC-91-081, p.1. (22nd International Electric Propulsion Conference), Italy, 1991.

2. Патент РФ N 2012946, кл. H 01 J 37/077, F 03 H 1/00. 2. RF patent N 2012946, cl. H 01 J 37/077, F 03 H 1/00.

3. Гаврюшин В.М., Григорьян В.Г., Латышев Л.А. Применение электростатических ускорителей в народном хозяйстве. Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 1989, с. 55 - 56. 3. Gavryushin V. M., Grigoryan V. G., Latyshev L. A. The use of electrostatic accelerators in the national economy. Tutorial. - M .: Publishing House of the Moscow Aviation Institute, 1989, p. 55 - 56.

Claims (1)

Катодный узел, содержащий полый цилиндрический корпус с центральным капиллярным отверстием в одной из торцевых стенок, трубопровод подвода плазмообразующего газа к капиллярному отверстию, внутренний источник эмиттирующего вещества и нагревательный элемент, отличающийся тем, что внутренний источник эмиттирующего вещества образован установленным на выходе трубопровода жиклером и термогенератором паров цезия, расположенным во внутренней полости катода, причем отверстие жиклера ориентировано соосно с капиллярным отверстием корпуса, а рабочий зазор между торцом жиклера и торцовой стенкой корпуса составляет не более диаметра капилляра. A cathode assembly comprising a hollow cylindrical body with a central capillary hole in one of the end walls, a plasma gas supply pipe to the capillary hole, an internal source of emitting substance and a heating element, characterized in that the internal source of emitting substance is formed by a jet nozzle and a vapor generator cesium located in the inner cavity of the cathode, and the nozzle hole is oriented coaxially with the capillary hole of the housing, and the working gap between the end of the nozzle and the end wall of the housing is not more than the diameter of the capillary.

Images