一种扩宽空心阴极点模式放电电流范围的方法

摘要

一种扩宽空心阴极点模式放电电流范围的方法，涉及扩宽空心阴极放电电流范围的技术领域，为了解决空心阴极点模式放电电流范围窄，而传统扩展空心阴极点模式放电电流范围的方法会使整个推进系统的比冲降低且易造成阴极过热的问题。根据空心阴极实际需求设计阴极零件，并初步设定节流孔内移距离；使阴极正常工作，测量空心阴极工作参数；根据空心阴极工作参数优化节流孔内移距离，然后使阴极正常工作，测量空心阴极工作参数；重复步骤三，直至找到最优的节流孔内移距离。本发明适用于扩宽空心阴极点模式放电电流范围。

说明书

技术领域

本发明涉及扩宽空心阴极放电电流范围的技术领域。

背景技术

空心阴极是一种电子源，广泛应用于空间电推进技术、等离子体加工技术等领域。空心阴极一般使用惰性气体作为工质，通过电离气体在空心阴极内腔形成等离子体环境。当外界电势较高时，就可从空心阴极内部拉出电子。空心阴极有两种工作模式，分别为点模式和羽流模式。点模式的特征是放电电压低，电压和电流振荡小。相对应，羽流模式的特征是放电电压高，电压和电流振荡大。以前的电推进系统，只应用在通讯卫星同步轨道保持。系统的推力变化范围小，空心阴极的放电电流基本固定。目前发展出了全电推进平台，就是在原来的轨道保持任务的基础上，增加了一个把目标物体从近地低轨道提升到工作所需的远地高轨道。轨道提升所需的功率大于轨道保持时的功率，因此阴极的放电电流大大增加。这就要求全电推进平台配备的空心阴极具有大范围内变化放电电流的能力。而当放电电流改变时，空心阴极的工作模式会在点模式和羽流模式之间转换。羽流模式会产生高能离子，腐蚀阴极零件，还会消耗加速电压，降低系统推力。阴极羽流模式与发动机耦合起来会降低系统的稳定性，甚至造成发动机熄火。因此扩宽空心阴极点模式放电电流范围是研究空心阴极的关键技术之一。

传统扩展空心阴极点模式放电电流范围的方法是增加供气量：增加供气流量可以使空心阴极的放电电压降低，有利于维持点模式工作。由于空心阴极在电推进系统中不提供推力，增加供气会使整个推进系统的比冲降低。另外，供气流量增加后，会把等离子体推向阴极节流孔，此处的等离子体加热效果增强，发射体的有效发射长度变短，温度梯度增加，非常容易造成阴极过热，给阴极的零部件材料和寿命带来严峻考验。

发明内容

本发明的目的是为了解决空心阴极点模式放电电流范围窄，而传统扩展空心阴极点模式放电电流范围的方法会使整个推进系统的比冲降低且易造成阴极过热的问题，从而提供一种扩宽空心阴极点模式放电电流范围的方法。

本发明所述的一种扩宽空心阴极点模式放电电流范围的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：根据空心阴极实际需求设计阴极零件，并初步设定节流孔内移距离；

步骤二：使阴极正常工作，测量空心阴极工作参数；

步骤三：根据空心阴极工作参数优化节流孔内移距离，然后使阴极正常工作，测量空心阴极工作参数；

重复步骤三，直至找到最优的节流孔内移距离。

优选的是，节流孔的材料是钨、LaB₆、铈钨、镧钨或钡钨，空心阴极的发射体的材料为钨、LaB₆、铈钨、镧钨或钡钨。

优选的是，空心阴极的发射体的长度和内径根据发射体的电子发射能力和所需最大放电电流确定，节流孔孔径的最小值根据过孔电流密度确定，节流孔孔径的最大值根据供气流量和阴极所需最低节流效果确定。

优选的是，节流孔内移距离的范围为空心阴极的发射体总长度的20％-50％。

优选的是，空心阴极的电流范围为5A-200A。

优选的是，阴极供气流量的范围为2sccm-50sccm。

本发明通过改变节流孔位置来降低温度梯度并把电子发射任务分配给节流孔内外两部分发射体。根据实际电流范围需求，合理分配电子发射任务，优化通过节流孔的电子电流比例，扩展点模式放电电流范围的方法。保证在所需电流范围内，既不会因为电流小时等离子体加热能量不足而熄灭，也不会因为电流大时阴极温度过高。

本发明的有益效果：本发明提出了一种利用内移节流孔，降低发射体温度梯度，增加有效发射面积获得更宽的点模式放电电流范围的方法，该方法实施简单，不需要增加阴极供气流量。

本发明适用于扩宽空心阴极点模式放电电流范围。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的一种扩宽空心阴极点模式放电电流范围的方法的流程图；

图2是具体实施方式三中的电子发射电流密度与温度关系的曲线图；

图3是具体实施方式五中的空心阴极测试系统；1为节流孔，2为气压计。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种扩宽空心阴极点模式放电电流范围的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：根据空心阴极实际需求设计阴极零件，并初步设定节流孔内移距离；

步骤二：使阴极正常工作，测量空心阴极工作参数；

步骤三：根据空心阴极工作参数优化节流孔内移距离，然后使阴极正常工作，测量空心阴极工作参数；

重复步骤三，直至找到最优的节流孔内移距离。

根据实际需求选择设计发射体和节流孔的材料和尺寸及节流孔内移距离，测量空心阴极气压和放电电流等参数，根据放电特性优化节流孔内移距离。

本实施方式通过热源位置的变化，增加有效发射长度，扩大工作范围。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种扩宽空心阴极点模式放电电流范围的方法作进一步说明，本实施方式中，节流孔的材料是钨、LaB₆、铈钨、镧钨或钡钨等，空心阴极的发射体的材料为钨、LaB₆、铈钨、镧钨或钡钨等。

具体实施方式三：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种扩宽空心阴极点模式放电电流范围的方法作进一步说明，本实施方式中，空心阴极的发射体的长度和内径根据发射体的电子发射能力和所需最大放电电流确定，节流孔孔径的最小值根据过孔电流密度确定，节流孔孔径的最大值根据供气流量和阴极所需最低节流效果确定。

图2是电子发射电流密度与温度关系的曲线图。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种扩宽空心阴极点模式放电电流范围的方法作进一步说明，本实施方式中，节流孔内移距离的范围为空心阴极的发射体总长度的20％-50％。

具体实施方式五：结合图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种扩宽空心阴极点模式放电电流范围的方法作进一步说明，本实施方式中，根据估算内移程度，加工长度为发射体总长度的20％、30％和50％的发射体进行试验；

首先根据任务需求选择加工发射体和节流孔，组装阴极，然后让空心阴极在如图3所示的空心阴极测试系统测试，对比不同内移程度的特性，选择最佳方案。

任务需求电流范围为2A-10A，供气流量为3sccm-5sccm。选择LaB₆作为发射体，电子发射能力为20A/cm²。发射体尺寸设计为内径2mm，外径5mm，共分两段，总长度10mm。内移距离分别为2mm，3mm和5mm。节流孔孔径0.8mm。

通过内移节流孔，减少发射体温度梯度，扩大有效电子发射面积，防止阴极过热，降低工作电压，扩展点模式放电电流范围。该方法简单，可以在不增加供气流量的前提下，扩展阴极电模式的放电电流范围。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。