Плазмовий катод і спосіб його запуску

1 Плазмовий катод, що містить порожній корпус з емісійним отвором, емітер, встановлений у порожнині корпуса, з наскрізним каналом, СПІВВІСним з емісійним отвором, і вузол подачі робочого тіла, який відрізняється тим, що у вузлі подачі робочого тіла на вході у тракт катода послідовно включені дросель із дроселюючим отвором, ресивер, електромагнітний клапан і вихідний ресивер 2 Катод за п 1, який відрізняється тим, що робочий об'єм катода складає 2500-17500 мм3, причо 5 Спосіб запуску плазмового катода, що включає подачу негативного розрядного потенціалу на емітер, встановлений у порожнині корпуса, з наскрізним каналом, СПІВВІСНИМ з емісійним отвором, подачу робочого тіла у плазмовий катод, запалювання пускового розряду у середовищі робочого тіла і запалювання основного розряду у потоці робочого тіла, який відрізняється тим, що тиск робочого тіла у вихідному ресивері вузла подачі робочого тіла підтримують на рівні 0,65-0,85 10 Па Винахід спрямований на зниження ерозії матеріалу емітера катода і збільшення його терміну служби шляхом полегшення умов запуску катода і зменшення часу газодинамічних коливань робочого тіла при старті катода Винахід відноситься до техніки електроракетных двигунів і може бути використаний у технологічних плазмових джерелах для функціональної юно-плазмової обробки поверхонь матеріалів у вакуумі У роботі Арцимовича Л А «Разработка стационарного плазменного двигателя и его испытание на ИСЗ «МЕТЕОР», Космические исследования, т XII, вып 3 1974, с 451-468, відомий плазмовий катод, що містить корпус з відкритим торцем, розміщений у корпусі емітер з наскрізним каналом, один з КІНЦІВ якого розташований напроти відкритого торця корпуса, електричне ізольований щодо корпусу пусковий електрод і пристрій для подачі робочого тіла у наскрізний канал емітера Пусковий електрод розміщений зовні корпуса емітера за його відкритим торцем і іонізує робоче тіло, що виходить до цього торця У цій зоні тиск робочого тіла є низьким, тому що подача робочого тіла здій снюється з іншого кінця наскрізного каналу емітера Недоліками катода і застосовуваного способу запуску є непродуктивні витрати часу й ІСТОТНІ енерговитрати Більш того, у процесі виходу плазмового катода на розрахунковий режим, при недостатньо прогрітому катоді може відбуватися інтенсивна ерозія вихідної частини емітера Найбільш близьким по технічному рішенню є плазмовий катод, представлений у патенті Російської Федерації №2031472, М К л 6 H01J37/077, F03H1/00, Н05Н1/54 опубл 20 03 1995р Б №8, що містить корпус з емісійним отвором, емітер, встановлений у порожньому корпусі з наскрізним отвором, який СПІВВІСНИЙ емісійному отвору, пусковий електрод, електричне ізольований щодо корпусу і вузол подачі робочого тіла Завдяки розміщенню пускового електрода у порожнині корпуса з боку, протилежної емісійному отвору, іонізація робочого тіла, що надходить через вузол подачі робочого тіла у наскрізний канал емітера, відбувається у зоні, в якій тиск близький до максимального тиску робочого тіла у межах корпуса катода 0,67)dTPaKTy, де Тракту - діаметр тракту 4 Катод за п 1, який відрізняється тим, що об'єм реСИВера СКЛадаЄ (0,5-0,16)V KO pnyca катода, ДЄ VKOpnyca катода - Об'ЄМ Корпуса КЭТОДЭ О со Ю 59130 Найбільш близьким способом запуску являється спосіб запуску плазмового катода, якій містить у собі наступні етапи запалювання пускового розряду у середовищі робочого тіла між емітером з наскрізним каналом, СПІВВІСНИМ з емісійним отвором, виконаному, у торцевій частині корпусу катода і пусковим електродом, подачу негативного розрядного потенціалу на емітер і запалювання основного розряду у потоці робочого тіла Такий катод і застосовуваний спосіб його запуску не є оптимальними з погляду газодинамічних процесів, що відбуваються при старті плазмового катода, де мають місце ІСТОТНІ коливання витрати робочого тіла і, отже, значна ерозія матеріалу емітера, що істотно знижує ресурс катода В основу винаходу покладена технічна задача створення плазмового катода, у якого час виходу на квазістацюнарний режим роботи з газодинамічних параметрів було б мінімальним і, як наслідок, зменшення пускової ерозії і збільшення терміну активного існування Поставлена задача вирішується тим, що плазмовий катод, в якому робочий об'єм складає 2500 17500мм3, причому діаметр катода складає 0,08 0,3 від його довжини, містить порожній корпус з емісійним отвором, емітер, встановлений у порожнині корпуса, з наскрізним каналом, СПІВВІСНИМ з емісійним отвором, і вузол подачі робочого тіла, ВІДПОВІДНО до винаходу, у вузлі подачі робочого тіла на вході у тракт катода послідовно включені дросель, товщиною (0,05 0,5)dTpaKTy з дроселируючим отвором, діаметром (0,28 0,67)dTpaKTy, реСИВер 3 Об'ЄМОМ (0,5 0,16)V K o p nyca катода, ЄЛЄКТ ромагнітний клапан і додатковий вихідний ресивер, ДЄ Тракту - Діаметр Тракту, a VKOpnyca катода об'єм корпуса катода Поставлена задача вирішується також тим, що пропонований спосіб запуску плазмового катода містить у собі подачу негативного розрядного потенціалу на емітер, встановлений у порожнині корпуса, з наскрізним каналом, СПІВВІСНИМ З емісійним отвором, подачу робочого тіла у плазмовий катод, запалювання пускового розряду в середовищі робочого тіла і запалювання основного розряду у потоці робочого тіла, що відрізняється тим, що тиск робочого тіла у вихідному ресивері вузла подачі робочого тіла підтримують на рівні 0,65 0,85 105Па При запуску плазмового катода розігрів газу приводить до значного підвищення тиску у порожнині, що носить вибуховий характер У результаті відбувається ВІДТІК нагрітого газу не тільки в об'єм вакуумної камери, але й у проточний тракт катода, що приводить до розігріву газу у тракті катода При запуску плазмового катода існують як кидок витрати газу, так і провал витрати газу При цьому у деяких випадках розряд у катоді горить в атмосфері залишкових газів, при якому має місце значна ерозія матеріалу емітера При малих отворах дроселя спостерігається різке підвищення витрати через емісійний отвір і потім поступове зниження до стаціонарного При збільшенні діаметра дроселя кидок витрати поступово зменшувався по величині і при d>(0,28 0,67) dTpaKTy мм, росту витрати газу не спостерігалося Існує тільки провал витрати через емісійний отвір, у деяких випадках сягаючий величини 5-10% від номінального Підвищений електронний тиск має місце лише на нетривалому етапі запуску Проте, у визначених випадках електронний тиск на емісійному отворі цілком блокує витрату газу через емісійний отвір У будь-якому випадку, наявність електронного тиску приводить до різкого зниження витрати газу, що був зафіксований в експериментах Різкий розігрів газу у порожнині за рахунок електрон-атомних зіткнень приводить, спочатку, до більш плавного спадання витрати, але до більш тривалого, потім, часу відновлення стаціонарної витрати через катод При пропонованому способі запуску плазмового катода не відбувається газодинамічного «голодування» емітера, що знижує як різке збільшення швидкості ерозії, так і абсолютне значення ерозії матеріалу емітера в цілому Сутність винаходу пояснюється фіг На кресленні (фіг) зображено плазмовий катод, що містить порожній корпус 1 з емісійним отвором 2, емітер 3 з наскрізним каналом, СПІВВІСНИМ з емісійним отвором, встановлений у порожнині корпуса 1, і вузол подачі робочого тіла, який складається з послідовно включених на вході у тракт катода дроселя 4, ресивера (Рі) 5, електромагнітного клапана 6 і вихідного ресивера (Ро) 7 Пропонований спосіб запуску плазмового катода здійснюється таким чином у початковий момент газорозрядний тракт знаходиться підтиском навколишнього середовища порядку 2-10 Па Ресивер Рі (5) знаходиться підтиском 2-105Па, потім здійснюється подача негативного потенціалу на емітер катода (3), по команді відбувається наповнення ресивера Ро, що забезпечує задану робочу масову витрату, при досягненні тиску робочого тіла 0,65 0,85 105Па у вихідному ресивері, відкривається клапан (6) і відбувається заповнення об'єму ресивера Рі і плазмового катода робочим тілом, після чого відбувається запалювання пускового розряду у середовищі робочого тіла і запалювання основного розряду у потоці робочого тіла При заданому діаметрі емісійного отвору d 3 0 (2) спостерігається значний вплив діаметра перехідної ділянки на час відновлення витрати Так, при зменшенні діаметра dдpoceля (4) до деякого критичного, спостерігається різке зменшення часу запуску Після досягнення критичного значення dдpoceля час запуску починає знову збільшуватися Спочатку, для великих діаметрів dдpoceля, тиск, необхідний для забезпечення заданої витрати газу, досягається за занадто тривалий час Це відбувається через значну різницю тиску у паразитному обсязі Рі до запуску і стаціонарного Рі Зменшення діаметра dдpoceля, приводить до збільшення тиску у корпусі плазмового катода P-z до появи надкритичного перепаду на діаметрі dдpoceля Починаючи з цього моменту, порожнина ресивера Рі не "почуває" розвиток розряду протягом деякого часу Але при виході на стаціонарні значення перепад усе-таки зменшується і стає менше критичного, зменшується і різниця між тисками у Рі до запуску і після запуску До цього моменту вплив розігріву газу на динаміку мінімальний й обмежується лише деяким підвищенням температури в об'ємі Рі, ІНОДІ 59130 сягаючим температури ДТ=100 200К Подальше зменшення сідроселя приводить до того, що порожнина Рі перестає "почувати" зміну тиску P-z У будьякому випадку (як до запуску, так і після запуску) Але тоді на процес запуску значно впливає розігрів газу, що приводить до підвищення тиску у порожнині Рі і, ВІДПОВІДНО, збільшенню витрати через емісійний отвір катода Це, звичайно, поліпшує умови запуску, але не зменшує час виходу на стаціонарну витрату через емісійний отвір Істотний вплив на час відновлення номінального значення витрати газу робить співвідношення між об'ємами Vi ресивера Рі і V2 ресивера P-z При Vi/V2>2 вплив розігріву газу на "розгін" катода не позначається і час "розгону" визначається лише заповненням об'єму Vi При цьому, чим більше Vi, тим більше час розвантажування При порівнянних об'ємах Vi«V2 і Vi