本發(fā)明屬空間推進(jìn)領(lǐng)域，具體涉及一種大電流多通道金屬陰極。

背景技術(shù)：

電推進(jìn)具有很高的噴氣速度，相對化學(xué)推進(jìn)具有比沖高的顯著特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于航天器軌道轉(zhuǎn)移、軌道維持、姿態(tài)控制、無拖曳控制、深空探測主推進(jìn)等任務(wù)，顯著節(jié)省推進(jìn)劑、增加航天器壽命或減小運(yùn)載需求。隨著空間推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，目前成熟的霍爾或離子推力器的比沖很高(1500～3000s)，但推力較小(40～300mN)，無法滿足深空探測、載人登月等任務(wù)需求的大推力(幾牛到幾十牛)、高比沖(6000～10000s)的推進(jìn)任務(wù)要求。磁等離子體推力器(MPDT,MagenetoPlasma Dynamic Thruster)的比沖理論值為11000s，分別是霍爾或離子推力器的6或3倍，是液體火箭發(fā)動機(jī)的20倍，推力能夠達(dá)到200N，可能是未來航天器快速轉(zhuǎn)移、天地往返的主要運(yùn)輸工具。

磁等離子體推力器的功率要求幾十千瓦甚至兆瓦，50kW的推力器放電電流達(dá)到100～500A，兆瓦級的推力器放電電流達(dá)到1000A以上，要求配套的陰極發(fā)射更大的電流，滿足工作需求。

現(xiàn)有電推力器的陰極主要為單通道空心陰極，內(nèi)部包含鋇鎢或六硼化鑭電子發(fā)射體材料，發(fā)射電流密度5～10A/cm²時的工作溫度分別～1050℃或～1500℃，發(fā)射電流密度增大到15A/cm²以上時，工作溫度增加上百度，材料蒸發(fā)率增加1～2個數(shù)量級，嚴(yán)重影響陰極的壽命。受產(chǎn)品尺寸重量限制，不可能無限增大發(fā)射體的發(fā)射面積，現(xiàn)有產(chǎn)品的發(fā)射電流范圍為幾安培～幾十安培。而且，現(xiàn)有的鋇鎢或六硼化鑭空心陰極需要外加加熱器預(yù)熱發(fā)射體材能點(diǎn)火放電，同時需要專用的加熱電源，陰極本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)控制難度大?，F(xiàn)有的單通道空心陰極不適合發(fā)射電流要求百安及以上的磁等離子體推力器使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的大電流多通道金屬陰極，發(fā)射電流為100～500A，可采用氬、氮、氨、氪或氙作為工質(zhì)，采用一種新型結(jié)構(gòu)，通過合理的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證陰極發(fā)射電流達(dá)到數(shù)百安量級，無需外部加熱器，結(jié)構(gòu)和控制簡單，發(fā)射的電子電流可以滿足50～100kW的磁等離子體推力器、霍爾推力器或離子推力器的工作需求。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種大電流多通道金屬陰極，包括陰極管、多根金屬發(fā)射體和氣路接口，陰極管為細(xì)長的難熔金屬管，一端平行排列多根難熔金屬發(fā)射體，金屬發(fā)射體之間、金屬發(fā)射體與陰極管內(nèi)壁之間的表面相切，陰極管另一端與氣路接口氣密性焊接連接，氣路接口通過焊接或螺母與進(jìn)氣管路連接，空心陰極工作時，氣體工質(zhì)由氣路接口流入陰極管內(nèi)部，經(jīng)過金屬棒之間及金屬棒與陰極管內(nèi)壁的縫隙流出陰極，陰極管內(nèi)部形成一定的高氣壓，在外加高電壓下形成氣體放電，產(chǎn)生電子電流。由于發(fā)射體材料由多根金屬棒或金屬管組成，氣體經(jīng)過金屬棒之間及金屬棒與陰極管內(nèi)壁的縫隙，形成多個放電通道，大大增加了發(fā)射面積，能夠產(chǎn)生百安量級的電子電流。

優(yōu)選地，所述的金屬發(fā)射體由多根鎢、鉭、錸金屬棒材或管材制成，這些材料的熔點(diǎn)高、電子逸出功低，高溫下蒸發(fā)率低，能夠承受大電流氣體放電的高溫?zé)g。

優(yōu)選地，所述的金屬發(fā)射體表面涂敷有金屬釷層或金屬銥層，降低表面逸出功，增加發(fā)射電子能力。

優(yōu)選地，所述的陰極管為金屬鎢、鉭或鉬制成，能承受大電流氣體放電產(chǎn)生的高溫?zé)g，可以加工成需要的形狀，并與進(jìn)氣端材料能夠氣密性焊接。

優(yōu)選地，所述的氣路接口采用鉬、不銹鋼材料加工，必須與陰極管能夠氣密性焊接，同時能方便前級進(jìn)氣管路焊接或螺接。

優(yōu)選地，所述的氣體工質(zhì)為氬、氮、氨、氪或氙的一種或幾種混合。

優(yōu)選地，所述氣路接口為直管接口或一定角度的喇叭口。

優(yōu)選地，貼緊陰極管的金屬發(fā)射體外形適當(dāng)打磨，便于金屬發(fā)射體在陰極管內(nèi)部塞緊。

優(yōu)選地，所述陰極管端部加工有一個小臺階，所述陰極管端內(nèi)部設(shè)有一金屬網(wǎng)，便于金屬發(fā)射體定位裝配。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明采用多根低逸出功高電子發(fā)射能力的金屬棒材或管材，形成多發(fā)射通道，在有限尺寸條件下增大發(fā)射面積，提高了發(fā)射電流能力。本發(fā)明的多通道金屬陰極無需外部加熱器，內(nèi)部通入一定流量的氣體工質(zhì)，外部施加一定的高電壓，可直接點(diǎn)火發(fā)射100～500A的電子電流。單位面積的發(fā)射電流密度不超過10A/cm²，從而大大降低發(fā)射體表面溫度和材料燒蝕率，有利于延長空心陰極和推力器的壽命；本發(fā)明可用于50～100kW的磁等離子體推力器，還可以50kW及以上的大功率霍爾或離子推力器，為未來大功率電推進(jìn)系統(tǒng)完成載人深空探測、星際貨運(yùn)、航天器快速轉(zhuǎn)移等任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的大電流多通道金屬陰極一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的大電流多通道金屬陰極一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的大電流多通道金屬陰極一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的電流多通道金屬陰極放電工作原理圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實施例1

如圖1所示，多通道金屬陰極包括多根金屬發(fā)射體1、陰極管2、和氣路接口3組成。陰極管為內(nèi)徑Φ10的鎢管，內(nèi)部裝配了Φ1*10(直徑*長度)鎢棒76根，氣路接口材料選擇鉬，陰極管與氣路接口采用電子束焊接。

多通道金屬陰極安裝在真空艙內(nèi)，工作原理圖見圖4，工作環(huán)境真空度不低于5×10^-1Pa。當(dāng)氬氣工質(zhì)流量為1～5mg/s，陽極電壓為80～120V時，發(fā)射電子電流達(dá)到80～200A，發(fā)射體材料的發(fā)射電流密度為2.1～8.4A/cm²，可以滿足功率10～50kW的磁等離子體推力器放電工作需要。

實施例2

如圖3所示，多通道金屬陰極包括多根金屬發(fā)射體1、陰極管2、和氣路接口3組成。陰極管為內(nèi)徑Φ10的鎢管，內(nèi)部裝配了Φ1*10(直徑*長度)鎢棒76根，氣路接口材料選擇鉬，陰極管與氣路接口采用電子束焊接，氣路接口為60°喇叭口，與球頭螺母進(jìn)氣管連接。

多通道金屬陰極安裝在真空艙內(nèi)，工作原理圖見圖4，工作環(huán)境真空度不低于5×10^-1Pa。當(dāng)氬氣工質(zhì)流量為1～5mg/s，陽極電壓為80～120V時，發(fā)射電子電流達(dá)到80～200A，發(fā)射體材料的發(fā)射電流密度為2.1～8.4A/cm²，可以滿足功率10～50kW的磁等離子體推力器放電工作需要。

實施例3

如圖1所示，多通道金屬陰極包括多根金屬發(fā)射體1、陰極管2、和氣路接口3組成。陰極管為內(nèi)徑Φ20的鎢管，內(nèi)部裝配了Φ2*20(直徑*長度)鎢棒76根，氣路接口材料選擇鉬，陰極管與氣路接口采用電子束焊接。

多通道金屬陰極安裝在真空艙內(nèi)，工作原理圖見圖4，工作環(huán)境真空度不低于5×10^-1Pa。當(dāng)氬氣工質(zhì)流量為5～11mg/s，陽極電壓為100～200V時，發(fā)射電子電流達(dá)到200～500A，發(fā)射體材料的發(fā)射電流密度為2.09～5.24A/cm²，可以滿足功率50～100kW的磁等離子體推力器放電工作需要。

實施例4

如圖2所示，多通道金屬陰極包括多根金屬發(fā)射體1、陰極管2、和氣路接口3組成。陰極管為內(nèi)徑Φ20的鉬管，內(nèi)部裝配了Φ3/Φ2*20(外徑/內(nèi)徑*長度)鉭管34根，氣路接口材料選擇鉬，陰極管與氣路接口采用電子束焊接。

多通道金屬陰極安裝在真空艙內(nèi)，工作原理圖見圖4，工作環(huán)境真空度不低于5×10^-1Pa。當(dāng)氬氣工質(zhì)流量為5～11mg/s，陽極電壓為80～150V時，發(fā)射電子電流達(dá)到200～500A，發(fā)射體材料的發(fā)射電流密度為1.34～4.68A/cm²，可以滿足功率50～100kW的磁等離子體推力器放電工作需要。

以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。