Катод-компенсатор



Катод-компенсатор
Катод-компенсатор
H05H1/54 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2684633:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" (ФГУП "ОКБ "Факел") (RU)

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к полым катодам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы. Технический результат - увеличение ресурса и повышение надежности работы. Катод-компенсатор содержит полую капсулу 1 с термоэмиттером 2, которые охватывает накальная спираль 3, окруженная изоляционной трубкой 4, поверх которой расположены тепловые экраны 5, держатель 6 спирали, поджигной электрод 7 и трубку подвода газа 8. Изоляционная трубка выполнена с внутренним диаметром меньше наружного диаметра накальной спирали, а на внутренней поверхности изоляционной трубки выполнена винтообразная канавка 9 с шагом накальной спирали, при этом они взаимно сопряжены с согласованием их азимутального позиционирования. Изоляционная трубка 4 может быть выполнена по меньшей мере из двух продольных частей 4а и 4б. 2 ил.

 

Изобретение относится к плазменной технике, в частности, к полым катодам (или катодам-компенсаторам), работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано как в составе электрореактивных двигателей для нейтрализации (или компенсации объемного заряда ионов) ускоренного ионного потока плазмы, так и в составе технологических источников плазмы, используемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в условиях вакуума, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы [Патент РФ №2219683, кл. 7 Н05Н 1/24, 1/54, F03H 1/00].

Основное преимущество катодов накального типа, в которых разогрев эмиттера до рабочих температур эмиссии электронов осуществляется при помощи специального нагревателя [Н.В. Белан, В.П. Ким, А.И. Оранский, В.Б. Тихонов. Стационарные плазменные двигатели // Харьков: Харьк. авиац. ин-т, 1989, стр. 140] состоит в том, что при практическом их использовании они не требуют использования высоковольтных источников электрического питания, которые являются более дорогостоящими, а их применение предполагает проведение дополнительных мероприятий по обеспечению техники безопасности и аттестации оборудования и рабочих мест.

Известен катод-компенсатор, содержащий полую капсулу с термоэмиттером с каналом, которые охватывает винтообразная спираль, окруженную изоляционной трубкой, держатель спирали, поджигной электрод и трубку подвода газа [Патент РФ №2030016, кл. 6 H01J 37/077. F03H 1/00, Н05Н 1/54].

Известный катод-компенсатор имеет принципиальный недостаток. При функционировании и многократных включениях с разогревом спирали до рабочей температуры жесткость спирали, а с ней и формоустойчивость уменьшаются, в результате чего под воздействием различных факторов происходит постепенное провисание и сползание рабочих, наиболее теплонапряженных, витков спирали. Такая деградация номинальной геометрической формы является следствием деформаций во всех направлениях, которые приводят к соприкосновению и электрическому закорачиванию соседних витков спирали, что, в свою очередь, приводит к существенным изменениям электрических параметров нагревателя и нестабильному функционированию.

Известен катод-компенсатор, принятый за прототип, содержащий полую капсулу с термоэмиттером, которые охватывает накальная спираль, окруженную изоляционной трубкой, поверх которой расположены тепловые экраны, держатель спирали, опорное кольцо, поджигной электрод и трубку подвода газа [Патент РФ №2012946, кл. 5 H01J 37/077, F03H 1/00].

В таком известном катоде-компенсаторе, по сравнению с аналогом, увеличена устойчивость винтообразной накальной спирали при ее разогреве до высоких температур за счет опорного кольца, которое расположено внутри изоляционной трубки и, тем самым, фиксирует положение среднего витка, снижая вероятность соприкосновения соседних витков спирали (межвитковое замыкание) и касание других элементов конструкции катода.

Однако и данная конструкция катода-компенсатора имеет свои недостатки.

Введение опорного металлического кольца приводит к тому, что минимум 3/4-х длины витка в центральной части фактически исключаются из общей длины накальной спирали. Это происходит из-за повышенной локальной дополнительной теплоемкости опорного кольца, изготавливаемого из тугоплавких материалов, которое при разогреве будет понижать температуру в данном месте и разбивать общую зону нагрева на две - в соответствии с двумя температурными максимумами для каждого участка по обе стороны опорного кольца. Критичным оказывается средняя зона эмиттера, разогрев которой будет происходить с временной задержкой по сравнению с разогревом его концов. Такой неравномерный разогрев эмиттера является неэффективным и с высокими рисками закупоривания проходного тракта легкоиспаряющимися фракциями различных примесей и последующего их осаждения в относительно «холодных» зонах и последующей кристаллизацией в виде твердых скоплений. Эти факторы снижают надежность и ограничивают срок службы катода-компенсатора.

Кроме этого, фиксация в металлическом опорном кольце только одного или полтора витка накальной спирали не исключает смещения остальных свободных витков, которые при разогреве могут приводить к нарушению межвитковой геометрии накальной спирали.

При создании изобретения решались задачи по увеличению ресурса и повышению надежности работы.

Указанный технический результат достигается тем, что в катоде-компенсаторе, содержащем полую капсулу с термоэмиттером, которые охватывает накальная спираль, окруженную изоляционной трубкой, поверх которой расположены тепловые экраны, держатель спирали, поджигной электрод и трубку подвода газа, согласно изобретению, изоляционная трубка выполнена с внутренним диаметром меньше наружного диаметра накальной спирали и на внутренней поверхности изоляционной трубки выполнена винтообразная канавка с шагом накальной спирали, при этом они взаимно сопряжены с согласованием их азимутального позиционирования. Изоляционная трубка может быть выполнена по меньшей мере из двух продольных частей.

Изготовление изоляционной трубки с внутренним диаметром меньше наружного диаметра накальной спирали, на внутренней поверхности которой дополнительно выполнена винтообразная канавка с шагом накальной спирали, а также сопряжение их с согласованием их азимутального позиционирования позволяет решить задачи по повышению надежности и увеличению ресурса работы путем фиксирования номинальной исходной формы накальной спирали за счет организации межвитковой опоры вдоль винтообразной образующей накальной спирали и фиксации наиболее теплонапряженных рабочих витков в винтообразной канавке изоляционной трубки в трехмерном пространстве.

Изготовление изоляционной трубки в виде нескольких продольных частей позволяет решить задачу по дополнительному увеличению ресурса и обеспечению надежной и стабильной работы на режимах работы повышенной мощности за счет организации цанговой поддержки рабочих витков накальной спирали, позволяющей обеспечить устойчивое и стабильное соосное расположение элементов термонапряженной конструкции, изготовленных из разнородных материалов с различными КТЛР, при большом количестве включений (теплосмен нагревательного элемента) с обеспечением равномерного азимутального нагрева эмиттера в течение длительной работы.

Таким образом, катод-компенсатор, изготовленный согласно изобретению, в котором исходная форма накальной спирали устойчива к многочисленным знакопеременным термоциклам, позволяет добиться более надежной и стабильной работы, а также обеспечить более длительный ресурс.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 представлен продольный разрез по оси катода-компенсатора, на котором показаны основные функциональные элементы конструкции.

На фиг. 2 показан увеличенный поперечный разрез А-А по секущей плоскости пересекающей сопряжение накальной спирали с поддерживающей ее витки изоляционной трубкой.

Полый катод-компенсатор содержит полую капсулу 1 с термоэмиттером 2, охватывающая их накальная спираль 3, окруженную изоляционной трубкой 4, с внешней области защищаемой тепловыми экранами 5, держатель спирали 6, поджигной электрод 7 и трубка подвода газа 8. Источник электрического питания (на рисунке условно не показан) подключается к электрическим цепям катода-компенсатора следующим образом: токоподводящая линия подачи импульса запуска (клемма "+" источника электрического питания) присоединяется к токопроводящим элементам поджигного электрода 7, а также через держатель спирали 6 к удаленному от входа концу накальной спирали 3; другой токоподвод (клемма "-" источника электрического питания) осуществляется к токопроводящим элементам полой капсулы 1 с термоэмиттером 2 и, одновременно с этим, к ближайшему к входу концу накальной спирали 3. Накальная спираль 3 размещена в винтообразной канавке 9 подобной формы, выполненной на внутренней поверхности изоляционной трубки 4. В другом варианте конструкции изоляционная трубка 4 может быть выполнена как минимум из двух продольных частей 4а и 46, с образованием между частями стыков с минимальными зазорами.

Катод-компенсатор работает следующим образом.

Рабочее тело (например, газообразный ксенон) поступает по трубке подвода газа 8 в полую капсулу 1 с термоэмиттером 2, который предварительно разогревается при помощи накальной спирали 3 до рабочей температуры эмиссии электронов, необходимой для поддержания стабильного электрического разряда между термоэмиттером и анодом (на рисунке не показан) плазменного ускорителя. При подаче поджигного напряжения, по токоподводящей линии подачи пускового импульса (клемма "+" источника электрического питания), на поджигной электрод 7, когда при этом клемма "-" источника электрического питания присоединена к токопроводящим элементам полой капсулы 1 с эмиттером 2, инициируется между ними электрический разряд в газовой среде в условиях которого ксенон ионизируется, образуя начальную плазму, которая в дальнейшем обеспечивает возникновение основного разряда в плазменном ускорителе. После возникновения основного разряда поджигное и накальное напряжения отключаются и катод-компенсатор переходит к стационарной работе в автоматическом режиме, в процессе которого необходимая энергия для поддержания устойчивой работы поступает от основного разряда плазменного ускорителя. При работе накальная спираль 3 разогревается до температур выше рабочих температур термоэмиттера, составляющих 1500°С-1700°С. Во время работы удержание витков накальной спирали 3 в номинальном положении, как в радиальном, так и в продольном направлениях, обеспечивается ее опорой вдоль винтообразной канавки изоляционной трубки 4. Для снижения тепловых потерь в результате теплового сброса излучением с конструкции используются коаксиальные тепловые экраны 5.

В другом варианте катода-компенсатора изоляционная трубка 4 с винтообразной канавкой может быть изготовлена из нескольких продольных частей с образованием между ними разъемных стыков и изменяющихся зазоров для компенсации различных термических напряжений, возникающих в сопрягаемых деталях, изготовленных из разнородных материалов и, тем самым, снижения рисков механических разрушений.

Промышленная реализуемость предложенного изобретения подтверждена испытаниями опытных образцов катода-компенсатора при наземной отработке, как автономно, так и в составе СПД, и при которой были получены следующие положительные результаты:

- результаты испытаний продемонстрировали повышение надежности функционирования, как при запусках, так и в процессе стационарной работы;

- работа катода-компенсатора надежна и стабильна, без отклонений от заданных требований, даже в режимах повышенной мощности при разрядном токе 20 А и выше.

1. Катод-компенсатор, содержащий полую капсулу с термоэмиттером, которые охватывает накальная спираль, окруженная изоляционной трубкой, поверх которой расположены тепловые экраны, держатель спирали, поджигной электрод и трубку подвода газа, отличающийся тем, что изоляционная трубка выполнена с внутренним диаметром меньше наружного диаметра накальной спирали и на внутренней поверхности изоляционной трубки выполнена винтообразная канавка с шагом накальной спирали, при этом они взаимно сопряжены с согласованием их азимутального позиционирования.

2. Катод-компенсатор по п. 1, отличающийся тем, что изоляционная трубка выполнена по меньшей мере из двух продольных частей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно в катодах-компенсаторах, работающих на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного потока, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве источника плазмы.

Изобретение относится к средствам подачи рабочего тела (РТ) источников ионов и электронов и может быть использовано в пневматических трактах подачи РТ плазменным ускорителям и системам плазменного напыления, а также применяться в масс-спектрометрах и ионных микроскопах.

Изобретение относится к ионно-плазменному, или ионному электроракетному двигателю, используемому для управляемого перемещения летательных аппаратов в космическом вакууме, в том числе орбитальных спутников.

Изобретение относится к средствам разделения многокомпонентных смесей на элементы путем масс-сепарации. Предусмотрены создание в двухкамерном плазменном ускорителе аксиально-симметричного плазменного потока, компенсированного по пространственному заряду, подача на анод плазменного ускорителя положительного электрического потенциала UA1, задающего энергию ионов, подача на катод - выходной электрод плазменного ускорителя нулевого электрического потенциала, создание в области азимутатора поперечного скорости плазменного потока магнитного поля, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам.

Изобретение относится к дуговым плазменным горелкам. Сопло дуговой плазменной горелки расположено симметрично относительно оси сопла и содержит сопловое отверстие, отцентрированное относительно оси сопла и имеющее боковую стенку по существу цилиндрической формы, газонаправляющую поверхность, расположенную симметрично относительно оси сопла и охватывающую указанное отверстие и вход, соединяющий указанную газонаправляющую поверхность с указанной боковой стенкой отверстия.

Изобретение относится к области исследования ударной сжимаемости и оптических свойств материалов за сильными ударными волнами при числах Маха более 5. Устройство ударного сжатия малоплотных сред посредством формирования квазистационарного Маховского режима отражения от оси содержит цилиндрический пустотелый заряд взрывчатого вещества, инициируемый гиперзвуковой по отношению к ВВ системой последовательного инициирования.

Изобретение относится к области плазменной техники. Система охлаждения высоковольтного электродугового плазмотрона содержит в одном варианте три электродных узла, каждый из которых содержит цилиндрический полый электрод с катушкой, три составных металлических патрубка, образующих три дуговых канала, каждый из которых соединен с соответствующим полым электродом через изолирующую втулку, а металлические патрубки каждого дугового канала соединены между собой посредством дополнительной изолирующей втулки.

Изобретение относится к способам генерации широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии, медицине и других областях.

Группа изобретений касается области санитарии и может быть использовано для стерилизации жестких контейнеров или их содержимого. Стерилизационный аппарат (100) содержит: резервуар (110), образующий герметичную емкость (110), который может заполняться изолирующим материалом или жидкостью, расположенные внутри резервуара (110) эластичный канал (116) или выемку, причем данная выемка включает в себя жидкостную деформацию изолирующего материала в соответствии с формой контейнера целевого назначения и проходит по меньшей мере частично сквозь герметичный резервуар, таким образом образуя отверстие, через которое контейнер (114), подлежащий стерилизации, может помещаться внутрь, группу электродов (118, 120), расположенных вокруг эластичного канала (116) или выемки, через которые может подаваться переменный ток высокого напряжения.

Изобретение относится к средствам регулирования подачи защитной жидкости в плазменной горелке. Защитный элемент подачи жидкости для плазменной горелки включает в себя тело, имеющее внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, и компонент для регулирования подачи жидкости, расположенный в окружном направлении внутри тела и в непосредственном контакте с внутренней поверхностью тела.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электронным отпаянным пушкам и ускорителям электронов, предназначенным для вывода электронного потока из вакуумной области пушки и ускорителя в атмосферу или иную газовую среду, и может быть использовано в полупроводниковой электронике для создания мощных миниатюрных структур, в квантовой электронике в электроионизационных лазерах, в медицине для стерилизации инструментов и поверхности биологических объектов, в плазмохимии для полимеризации, ускорения химических реакций, а также в других областях техники.

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к полым катодам (катодам-компенсаторам), работающим на газообразных рабочих телах, которые применяются в электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного потока, а также в технологических источниках плазмы и в качестве автономно функционирующего источника плазмы.

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к полым катодам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного потока, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы.

Изобретение относится к устройству с плазменным источником электронов. Применение устройства с плазменным источником электронов для формирования трехмерного изделия путем последовательного плавления частей по меньшей мере одного слоя порошковой основы, нанесенной на рабочий стол, части которого соответствуют последовательным сечениям трехмерного изделия, причем устройство с плазменным источником электронов содержит: разрядную камеру с катодом, в которой сгенерирована плазма, выходное отверстие, которое выполнено в разрядной камере с катодом и из которого электроны из плазмы извлечены ускоряющим полем, образованным между разрядной камерой с катодом и анодом, по меньшей мере одно устройство удержания плазмы, и переключающее средство для переключения по меньшей мере одного устройства удержания плазмы между первым значением, обеспечивающим возможность извлечения электронов из плазмы, и вторым значением, запрещающим извлечение электронов из плазмы.

Изобретение обеспечивает генерацию плотной объемной импульсной плазмы и может быть использовано для интенсификации процессов взаимодействия частиц в объеме и одновременного ограничения температуры поверхности изделий, нагреваемых ионным потоком из плазмы.

Изобретение относится к области физики газового разряда и может быть применено при разработке новых устройств сильноточной электроники, позволяющих получать ленточные пучки ускоренных электронов и мощные наносекундные импульсы тока, в плазменной технологии, электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, в физике газового разряда, в физике и технике газовых лазеров, при разработке коммутаторов, импульсных источников тока наносекундной длительности, импульсных источников оптического излучения с высокой яркостью, большой излучающей поверхностью и высоким КПД, плазмохимической технологии, экспериментальной физике.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройстве генерирования электронного луча. Техническим результатом является обеспечение возможности генерирования узкого электронного луча с малым диаметром в фокусе и высокой плотности мощности при одновременно простой конструкции и конфигурации устройства.

Изобретение относится к области оптической спектроскопии и может быть применено при разработке новых методов нестационарной оптической спектроскопии, позволяющих исследовать свойства неоднородной плазмы в области аномальной дисперсии.

Изобретение относится к способам регистрации аномальной дисперсии неоднородного протяженного плазменного столба и может быть использовано в спектроскопии в неоднородных газовых и плазменных средах, в лазерной спектроскопии и в спектральном анализе газообразных веществ.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при производстве интегральных микросхем на активных и пассивных подложках и элементов дифракционной оптики на криволинейных поверхностях.

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно в катодах-компенсаторах, работающих на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного потока, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве источника плазмы.

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к полым катодам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы. Технический результат - увеличение ресурса и повышение надежности работы. Катод-компенсатор содержит полую капсулу 1 с термоэмиттером 2, которые охватывает накальная спираль 3, окруженная изоляционной трубкой 4, поверх которой расположены тепловые экраны 5, держатель 6 спирали, поджигной электрод 7 и трубку подвода газа 8. Изоляционная трубка выполнена с внутренним диаметром меньше наружного диаметра накальной спирали, а на внутренней поверхности изоляционной трубки выполнена винтообразная канавка 9 с шагом накальной спирали, при этом они взаимно сопряжены с согласованием их азимутального позиционирования. Изоляционная трубка 4 может быть выполнена по меньшей мере из двух продольных частей 4а и 4б. 2 ил.

Наверх