Катод-компенсатор

 

Изобретение предназначено для использования в катодах-компенсаторах, работающих на газообразных телах, для нейтрализации ионного пучка в плазменных ускорителях, а также в технологических источниках плазмы. Техническим результатом является повышение надежности и ресурса работы. Катод-компенсатор содержит корпус 1, поджигной электрод 2 и соосно размещенный эмиссионный узел 3 с трубкой подвода газа 4, между корпусом и поджигным электродом соосно с ними размещен керамический колпачок 5 так, что часть боковой поверхности колпачка сопряжена с боковыми поверхностями корпуса и поджигного электрода, а между поджигным электродом и всей остальной поверхностью колпачка образованы продольный и радиальный зазоры L1 и L2, на боковой поверхности поджигного электрода выполнены по меньшей мере два продольных паза 6. На боковой поверхности корпуса в месте соединения его с керамическим колпачком выполнены равномерно расположенные по контуру по меньшей мере два заклепочных отверстия или пуклевки 7, а на боковой поверхности керамического колпачка выполнены винтообразная или кольцевые канавки 8. Со стороны входа на боковой поверхности поджигного электрода выполнен лепесток 9 со сквозным отверстием 10, в котором закреплен электропроводник 11 системы электропитания. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к катодам-компенсаторам на газообразных рабочих телах, и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках плазмы для ионно-плазменной обработки поверхности материалов в вакууме.

Известен катод-компенсатор, содержащий корпус, поджигной электрод и соосно размещенный эмиссионный узел с трубкой подвода газа [1].

Известный катод-компенсатор имеет следующий недостаток.

В процессе работы поджигной электрод, входящий в состав ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов, его будет подвержен большой эрозии под воздействием ускоренного плазменного потока, что приведет к частичному или полному разрушению торцевой части поджигного электрода, а это ограничивает ресурс и снижает надежность катода-компенсатора.

В данной конструкции полый поджигной электрод также выполняет функцию силового корпуса. Для такой конфигурации имеет место следующее противоречие: деталь в виде консоли должна обладать достаточной механической прочностью и низкой теплопроводностью для снижения тепловых потерь, что является несовместимым.

Известен катод-компенсатор, принятый за прототип, включающий поджигной электрод с покрытием из окиси алюминия [2].

В прототипе по сравнению с аналогом снижена эрозия поджигного электрода за счет нанесения защитного покрытия из окиси алюминия, который повышает стойкость элементов конструкции при воздействии на них ускоренного потока плазмы.

Однако применение таких покрытий, наносимых при помощи газотермического напыления слоя из окиси алюминия, связано со следующими недостатками.

Операция по напылению относится к тяжело контролируемым процессам, поэтому толщина покрытия, в пределах покрываемой поверхности, имеет значительный разброс, что приводит к образованию локальных участков с различной теплоемкостью и теплопроводностью. Это, в свою очередь, приводит к неравномерному прогреву поджигного электрода, в котором будут возникать различные деформации соседних участков, что будет приводит к локальным расслаиваниям соединения "металл - керамика".

Увеличение же наносимого слоя покрытия невозможно по следующей причине. Катод-компенсатор эксплуатируется в условиях циклического, знакопеременного воздействия температур, а поджигной электрод в процессе функционирования подвергается нагреву до высоких температур. При этом в критических условиях оказывается соединение поджигного электрода с покрытием из окиси алюминия, из-за различия их коэффициентов термического линейного расширения (КТЛР). Это вызовет внутренние разрушающие напряжения поджигного электрода в целом.

Целью изобретения является предотвращение эрозии наиболее критичного элемента конструкции, а именно поджигного электрода, снижение тепловых потерь, повышение электрической прочности конструкции и, как следствие, повышение надежности и ресурса работы катода-компенсатора в процессе его эксплуатации.

Это достигается тем, что в катоде-компенсаторе, содержащем корпус, поджигной электрод и соосно размещенный эмиссионный узел с трубкой подвода газа, согласно изобретению между корпусом и поджигным электродом соосно им размещен керамический колпачок таким образом, что часть боковой поверхности колпачка сопряжена с боковыми поверхностями корпуса и поджигного электрода, а между поджигным электродом и всей остальной поверхностью колпачка образованы продольный и радиальный зазоры и на боковой поверхности поджигного электрода выполнены по меньшей мере два продольных паза. На боковой поверхности корпуса в месте соединения его с керамическим колпачком выполнены равномерно расположенные по контуру, по меньшей мере два заклепочных отверстия или буклевки, а на боковой поверхности керамического колпачка выполнены винтообразная или кольцевые канавки. Со стороны входа на боковой поверхности поджигного электрода может быть выполнен лепесток со сквозным отверстием, в котором закреплен электропроводник системы электропитания.

Введение в состав конструкции катода-компенсатора защитного керамического колпачка позволяет значительно снизить эрозию поджигного электрода, так как колпачок изготавливается при помощи обычной механической обработки из боркремнистой нитридной керамики (БГП-10) - материала более стойкого к воздействию ускоренного потока плазмы. Толщина такой детали выбирается из условия обеспечения требуемого ресурса работы катода-компенсатора и не ограничена температурными условиями эксплуатации.

Выполнение в наиболее горячей зоне многослойного соединения корпус - керамический колпачок - поджигной электрод позволит существенно снизить тепловые потери за счет снижения теплопроводности в радиальном направлении, так как керамический колпачок, разделяющий корпус и поджигной электрод, существенно снизит отток тепла из горячей рабочей зоны.

Задача по повышению электрической прочности конструкции решена за счет полного изолирования поджигного электрода при помощи охватывающего его керамического колпачка.

Задача по повышению надежности конструкции решена за счет снижения жесткости поджигного электрода в месте соединения с керамическим колпачком и, как следствие, снижения термических деформаций в соединении "металл - керамика" при помощи продольных пазов в боковой стенке.

Задача по повышению компактности решена за счет трассировки электропроводника системы электропитания внутри катода-компенсатора между корпусом и эмиссионным узлом и подключением к лепестку поджигного электрода.

Изобретение проиллюстрировано чертежами, где на фиг. 1 изображен предлагаемый катод-компенсатор, продольный разрез; на фиг. 2 изображен поперечный разрез катода-компенсатора, где показан поджигной электрод с поперечными пазами, сечение А-А; на фиг. 3 изображено место соединения корпуса, керамического колпачка и поджигного электрода, выносной элемент Б. Соединение корпуса с керамическим колпачком может быть выполнено при помощи алюмохромфосфатного клея, обеспечивающего надежную работу при высоких температурах, а соединение керамического колпачка с поджигным электродом - при помощи резьбы с крупным шагом с последующим стопорением аналогичной клеевой композицией. Геометрические размеры канавки в керамическом колпачке и отверстия в боковой стенке поджигного электрода выбираются из условия превышения суммарной их толщины в радиальном направлении над разницей КТЛР материалов, из которых они сделаны; на фиг. 4 изображен предлагаемый катод-компенсатор с трассировкой и подключением электропроводника системы электропитания, продольный разрез.

Катод-компенсатор содержит корпус 1, поджигной электрод 2, эмиссионный узел 3 с трубкой подвода газа 4, между корпусом и поджигным электродом соосно им размещен керамический колпачок 5 таким образом, что часть боковой поверхности колпачка сопряжена с боковыми поверхностями корпуса и поджигного электрода, а между поджигным электродом и всей остальной поверхностью колпачка образованы продольный и радиальный зазоры L1 и L2, на боковой поверхности поджигного электрода выполнены по меньшей мере два продольных паза 6.

На боковой поверхности корпуса в месте соединения его с керамическим колпачком выполнены равномерно расположенные по контуру по меньшей мере два заклепочных отверстия или пуклевки 7, а на боковой поверхности керамического колпачка выполнены винтообразная или кольцевые канавки 8.

Со стороны входа на боковой поверхности поджигного электрода может быть выполнен лепесток 9 со сквозным отверстием 10, в котором закреплен электропроводник 11 системы электропитания.

Катод-компенсатор работает следующим образом.

При запуске катода-компенсатора газообразное рабочее тело (например ксенон) подается через трубку подвода газа 4 в эмиссионный узел 3 и одновременно подается пусковое напряжение по электропроводнику 11 системы электропитания и лепесток 9 на поджигной электрод 2. При зажигании разряда между поджигным электродом 2 и эмиссионным узлом 3 происходит разогрев последнего, а одновременно образовавшаяся плазма обеспечивает возникновение основного разряда между эмиссионным узлом 3 и внешним анодом (не показан). После зажигания основного разряда пусковое напряжение с поджигного электрода 2 отключается и катод-компенсатор работает в авторежиме, при котором необходимая энергия для поддержания условий работы поступает от основного разряда. В процессе стационарной работы происходит разогрев конструкции катода-компенсатора, особенно элементов, окружающих зону разряда. При этом керамический колпачок 5 понижает отток тепла из рабочей зоны разряда. Поджигной электрод под воздействием теплового расширения не оказывает разрушающего воздействия на керамический колпачок за счет продольных пазов 6, снижающих жесткость боковой стенки поджигного электрода.

Источники информации: 1. Белан Н. В. и др. Стационарные плазменные двигатели. Харьков, ХАИ, 1989, с. 140, рис. 6.2.

2. Патент РФ N 2022493, кл. 5 H 05 H 1/54, F 03 H 1/00 - прототип.

Формула изобретения

1. Катод-компенсатор, содержащий корпус, поджигной электрод и соосно размещенный эмиссионный узел с трубкой подвода газа, отличающийся тем, что между корпусом и поджигным электродом соосно с ними размещен керамический колпачок так, что часть боковой поверхности колпачка сопряжена с боковыми поверхностями корпуса и поджигного электрода, а между поджигным электродом и всей остальной поверхностью колпачка образованы продольный и радиальный зазоры и на боковой поверхности поджигного электрода выполнены, по меньшей мере, два продольных паза.

2. Катод-компенсатор по п.1, отличающийся тем, что на боковой поверхности корпуса в месте соединения его с керамическим колпачком выполнены равномерно расположенные по контуру, по меньшей мере, два заклепочных отверстия или пуклевки, а на боковой поверхности керамического колпачка выполнены винтообразная или кольцевые канавки.

3. Катод-компенсатор по п.1, отличающийся тем, что со стороны входа на боковой поверхности поджигного электрода выполнен лепесток со сквозным отверстием, в котором закреплен электропроводник системы электропитания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к накальным катодам-компенсаторам на газообразных рабочих телах, и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках плазмы для ионноплазменной обработки поверхности материалов в вакууме

Изобретение относится к области сильноточных вакуумных электродуговых устройств

Изобретение относится к электроракетным двигателям и можеи использоваться при их конструировании

Изобретение относится к плазменной эмиссионной электронике, в частности к конструкции плазменных ионных и электронных эмиттеров непрерывного действия с большой поверхностью на основе объемного разряда с холодными электродами, и может быть использовано для термической обработки в вакууме: при спекании изделий из металлических порошков, пайке, закалке, а также в технологических процессах, например, обезгаживания деталей с последующей активизацией и нанесением покрытий, когда требуется комбинация электронных и ионных пучков, решаемая в едином цикле путем переключения полярности ускоряющего частицы напряжения

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей и технологических источников ускоренных потоков для ионно-плазменной обработки поверхности материалов в вакууме

Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно к плазменным катодам-компенсаторам при использовании их в плазменных ускорителях типа УЗДП, УАС, ПИУ и др., работающих на агрессивных газообразных рабочих телах (О2, N2, С, углеводороды и др.)

Изобретение относится к плазменным катодам-компенсаторам на газообразных рабочих телах и может быть использовано в электроракетных двигателях для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках, например, в ускорителях с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДП), ускорителях с анодным слоем и узкой зоной ускорения (УАС), плазменно-ионных ускорителях (ПИУ) и т

Изобретение относится к способам управления током плазменных эмиттеров большой площади и может быть использовано в электронных и ионных источниках, генерирующих пучки с большим поперечным сечением

Изобретение относится к ионным источникам с закрытым дрейфом электронов, которые могут быть использованы в качестве двигателей, в частности, для космических кораблей, либо в качестве ионных источников для промышленных операций, например нанесение покрытий напыления в вакууме

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к накальным катодам-компенсаторам на газообразных рабочих телах, и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках плазмы для ионноплазменной обработки поверхности материалов в вакууме

Изобретение относится к электронным плазменным двигателям, которые используются, в частности, для приведения в движение аппаратов в космосе, а также для осуществления промышленных процессов на земле, и более точно - к плазменному двигателю с закрытым дрейфом электронов, которые также называют двигателями с устойчивой плазмой, двигателями Холла или двигателями с анодным слоем

Изобретение относится к области создания электрических ракетных двигателей, которые имеют наилучшие характеристики по удельному импульсу (отношению силы тяги к массовому расходу рабочего тела), выражаемой через скорость истечения рабочего тела из сопла

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при конструировании электрических ракетных двигателей, в частности плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов, предназначенных для работы в космических условиях для выполнения транспортных задач, а также коррекции орбиты и ориентации космических аппаратов, и может найти применение в других областях техники, например в электронике для ионной очистки, фрезеровки, получения покрытий различного функционального назначения, в вакуумной металлургии

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при создании ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов, применяемых в космических электрореактивных двигателях, а также для научных исследований и производства при создании вакуумных технологических установок

Изобретение относится к ракетным двигателям космических аппаратов и, более конкретно, к ионным двигателям малой тяги

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к катодам-компенсаторам на газообразных рабочих телах, и может быть использовано при разработке электрореактивных двигателей для нейтрализации ионного пучка, а также в технологических источниках ускоренных потоков для ионно-плазменной обработки поверхности материалов в вакууме
Наверх