一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路及该工作电路的工作方法
【专利摘要】一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路及该工作电路的工作方法，属于等离子体推进所用自持空心阴极【技术领域】。解决了空心阴极并联使用时难点火，稳态运行时电流严重不均，导致容易使其中一个空心阴极熄灭的问题。它包括N个单元，每个单元包括空心阴极、触持极电源、二极管、加热电源和滑动变阻器R1；空心阴极的阴极管内嵌有节流环，触持极电源正极与二极管的阳极连接，该二极管阴极作为单元的第二输出端与空心阴极的触持极连接，该空心阴极阴极管同时与触持极电源的负极、加热电源负极和滑动变阻R1一端连接，加热电源正极与空心阴极加热器连接，主供气管通过N个支供气管路分别与N个空心阴极的阴极管连通。本发明应用在等离子体推力器上。
【专利说明】—种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路及该工作电路的工作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于等离子体推进所用自持空心阴极【技术领域】，具体涉及空心阴极并联放电极与阴极-等离子体推力器耦合领域。
【背景技术】
[0002]空心阴极是电推力器的必备部件，电推力器所需的全部电子电流都由空心阴极提供。它在热发射状态下产生的电子，一部分作为种子电子维持等离子体放电，另一部分作为中和电子中和推力器离子束流。不同推力器空心阴极安装位置不同，以霍尔推力器为例，其空心阴极安装在通道出口处，阴极等离子体通过一条等离子体桥与推力器羽流耦合，。
[0003]随着电推力器的功率逐步提高，相应的空心阴极放电电流也更大，于是产生两个问题。一是放电电流过大会使阴极过热，溅射也更严重，会缩短阴极寿命；二是耦合区电子数密度过高，可能造成羽流不对称，从而产生偏心距。这些问题的解决措施之一是使用多个阴极并联工作，即由现有的单台推力器-单台阴极耦合改为单台推力器-多台阴极耦合。通过多个阴极分担放电电流，可有效降低单台阴极的负载；通过沿轴对称安装阴极，可以使通道羽流趋于对称。由于空心阴极是一个典型的低阻抗不稳定装置，多只并联放电很容易出现熄火，不能同时工作的现象。
[0004]空心阴极并联使用时难点火，稳态运行时电流严重不均，且很容易使其中一个熄灭。因此必须采取一定的辅助措施，用来保证多只空心阴极稳定可靠并联放电。
【发明内容】
[0005]本发明是为了解决空心阴极并联使用时难点火，稳态运行时电流严重不均，导致容易使其中一个空心阴极熄灭的问题，本发明提供了一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路及该工作电路的工作方法。
[0006]一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路，它包括一个主供气管、N个支供气管路、一个单刀多掷开关、一个电阻R2、一个点火电源、一个阳极电源和N个单兀；所述的N为大于或等于2的整数，
[0007]N个单元的第一输出端同时与点火电源的负极和阳极电源的负极连接，所述的点火电源的正极与电阻R2的一端连接，阳极电源的正极与阳极的一端连接，
[0008]N个单元的第二输出端分别与单刀多掷开关的N个静端连接；所述的单刀多掷开关的动端与电阻R2的另一端连接，
[0009]每个单元包括空心阴极、触持极电源、二极管、加热电源和滑动变阻R1 ;所述的空心阴极的阴极管内嵌有节流环，
[0010]触持极电源的正极与二极管的阳极连接，该二极管的阴极与空心阴极的触持极连接，并作为单元的第二输出端，该空心阴极的阴极管同时与触持极电源的负极、加热电源的负极和滑动变阻R1的一端连接，[0011]加热电源的正极与空心阴极的加热器连接，
[0012]滑动变阻R1的另一端作为单元的第一输出端，
[0013]一个主供气管通过N个支供气管路分别与N个空心阴极的阴极管连通。
[0014]基于本发明所述的一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路实现多个空心阴极稳定并联的工作方法，该方法的具体过程为，
[0015]步骤一、使N个空心阴极的羽流口均与阳极相对设置，且空心阴极的羽流口与阳极的距离为d毫米，所述的d的取值为大于5的实数，
[0016]步骤二、将氙气通入主供气管中；
[0017]步骤三、接通触持极电源、加热电源和点火电源，将单刀多掷开关的动端依次与其N个静端连接，空心阴极的触持极与阴极管之间的氙气进行电离，使空心阴极进入空闲模式，断开加热电源和点火电源，
[0018]步骤四、接通阳极电源，氙气在空心阴极与阳极之间进行电离，
[0019]步骤五、调节滑动变阻R1或阳极与空心阴极之间的距离d，使每个空心阴极的阴极管产生电流的值趋于一致，即完成了多个空心阴极的稳定并联工作。
[0020]发明旨在通过采取一定的辅助措施和方法，实现多个阴极并联稳定工作放电，保障多只空心阴极既能实现并联点火，又能方便调节各空心阴极之间电流匹配、放电稳定，主要通过对触持极电流调节、各支供气管路流量调节和阻抗匹配，三种手段实现，并在实现了多个空心阴极并联放电的基础上，各空心阴极的放电电流相等，延长了空心阴极组件寿命。
[0021]1、触持极电流调节:利用触持极放电在触持极与阴极管之间形成等离子体，可为进一步的阳极放电提供种子电子和所需要的阴极温度，且该部分等离子体可有效抑制阴极放电振荡、降低阴极电势降，较好地维持空心阴极工作和电流比例调节。
[0022]2、各支供气管路流量调节:在定放电电压下，阴极发射电流能力与阴极通入疝气的流量正相关，并联气路可形成流量分配机制，会对电流分配的形成负反馈机制。当某一支路的阴极电流因某种扰动增加时，该阴极温度提高会增强热节流效应，使得该支路上气压升高，驱使工质流向其他空心阴极，减小其他空心阴极处的阻抗，在总放电电流不变的情况下，该空心阴极放电电流又会趋于减小，当空心阴极个数为2时，并联气路对电流并联的负反馈作用的原理示意图，具体参见图4 ;反之亦然。
[0023]3.阻抗匹配:放电电流均分需要并联各支路阻抗相等，可通过调节各支路上的阻抗来实现，阴极放电时的内部阻抗与内腔等离子体物理过程有关，一般不易干预；阴极外部阻抗包括羽流区阻抗和电路阻抗，可以人为干预，其中电路阻抗本发明通过串联滑动变阻凡进行电阻调节，羽流区阻抗本发明通过改变阳极位置、施加磁场环境等干预，在实际阴极-推力器耦合过程中，体现为不同的阴极安装位置和角度。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明所述的空心阴极的结构示意图，其中，附图标记1-2表示发射体；
[0025]图2为【具体实施方式】一所述的一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路的电路原理不意图；
[0026]图3为【具体实施方式】一中，当空心阴极个数为2时，本发明所述的种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路的电路原理示意图，其中，12表示阳极电源的总输出电流，Ii表示一个空心阴极的放电电流，I2表示另一个空心阴极的放电电流，Hl2表示另一个空心阴极通入疝气的流量，Cl1表示一个空心阴极与阳极之间的距离，d2表示另一个空心阴极与阳极之间的距离；
[0027]图4为当空心阴极个数为2时，并联气路对电流并联的负反馈作用的原理示意图；
[0028]图5为空心阴极在霍尔推力器中的安装位置关系图；
[0029]图6为【具体实施方式】一中，当空心阴极个数为2时，其中一个空心阴极的放电电流与阳极电源的总放电电流比率。
【具体实施方式】
[0030]【具体实施方式】一:参见图1和2说明本实施方式，本实施方式所述的一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路，它包括一个主供气管4、N个支供气管路3、一个单刀多掷开关12、一个电阻R2、一个点火电源8、一个阳极电源9和N个单元13 ;所述的N为大于或等于2的整数，
[0031]N个单元13的第一输出端同时与点火电源8的负极和阳极电源9的负极连接，所述的点火电源8的正极与电阻R2的一端连接，阳极电源9的正极与阳极10的一端连接，
[0032]N个单元13的第二输出端分别与单刀多掷开关12的N个静端连接；所述的单刀多掷开关12的动端与电阻R2的另一端连接，
[0033]每个单元13包括空心阴极1、触持极电源5、二极管6、加热电源7和滑动变阻R1 ；所述的空心阴极I的阴极管1-1内嵌有节流环2，
[0034]触持极电源5的正极与二极管6的阳极连接，该二极管6的阴极与空心阴极I的触持极1-4连接，并作为单元13的第二输出端，该空心阴极I的阴极管1-1同时与触持极电源5的负极、加热电源7的负极和滑动变阻R1的一端连接，
[0035]加热电源7的正极与空心阴极I的加热器1-3连接，
[0036]滑动变阻R1的另一端作为单元13的第一输出端，
[0037]一个主供气管4通过N个支供气管路3分别与N个空心阴极I的阴极管1_1连通。
[0038]本实施方式中，本发明在现有的空心阴极I结构的基础上，在现有的空心阴极I的阴极管1-1内嵌入节流环2，可达到节流的作用，
[0039]流量负反馈:各空心阴极I的供气管路并联:主供气管4通过多个支供气管路3为多个空心阴极I供气，并在空心阴极I的阴极管1-1内嵌有节流环2，从而达到节流的作用；
[0040]阻抗匹配:空心阴极I独立放电中，各空心阴极I串联滑动变阻R1,阻值可调，
[0041]当空心阴极个数为2时，本发明所述的种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路的电路原理示意图，具体参见图3 ；
[0042]当空心阴极个数为2时，对本发明所述的一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路进行空心阴极放电实验，其中一个空心阴极的放电电流与阳极电源的总放电电流比率，具体参见图6。
[0043]【具体实施方式】二:本实施方式【具体实施方式】一所述的一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路的区别在于，所述的N的范围为2到20。
[0044]【具体实施方式】三:基于【具体实施方式】一或二所述的一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路实现多个空心阴极稳定并联的工作方法，该方法的具体过程为，
[0045]步骤一、使N个空心阴极I的羽流口 1-5均与阳极10相对设置，且空心阴极I的羽流口 1-5与阳极10的距离为d毫米，所述的d的取值为大于5的实数，
[0046]步骤二、将氙气通入主供气管4中；
[0047]步骤三、接通触持极电源5、加热电源7和点火电源8，将单刀多掷开关12的动端依次与其N个静端连接，空心阴极I的触持极1-4与阴极管1-1之间的氙气进行电离，使空心阴极I进入空闲模式，断开加热电源7和点火电源8，
[0048]步骤四、接通阳极电源9，氙气在空心阴极I与阳极10之间进行电离，
[0049]步骤五、调节滑动变阻R1或阳极10与空心阴极I之间的距离d，使每个空心阴极I的阴极管1-1产生电流的值趋于一致，即完成了多个空心阴极I的稳定并联工作。
[0050]本实施方式中，点火时，各空心阴极I分先后实现触持极1-4点火，待各空心阴极I的触持极1-4放电稳定后，接通阳极电源9，各空心阴极I开始并联工作；建立并联放电后，通过触持极电源5对空心阴极I的触持极1-4继续施加电流，
[0051]流量负反馈:各空心阴极I的供气管路并联:主供气管4通过多个支供气管路3为多个空心阴极I供气，并在空心阴极I的阴极管1-1内嵌有节流环2，从而达到节流的作用；
[0052]阻抗匹配:空心阴极I独立放电中，各空心阴极I串联滑动变阻R1,阻值可调，以保证各支路电流相等为准；
[0053]本实施方式中，空心阴极I与霍尔推力器装配。以两只空心阴极I并联放电结构为例，装配结构如图5所示；以霍尔推力器的内磁极中心点为原点建立(r，z，Φ)坐标系，用以表示空心阴极1，即空心阴极I的羽流口 1-5安装位置和角度。
[0054]为使霍尔推力器羽流趋于对称，首先使空心阴极I的羽流口 1-5朝向霍尔推力器羽流一侧，并围绕霍尔推力器磁极出口端面平均分布，即360。除以N，N为单元13的个数，也为空心阴极I的个数，(例如:两个阴极相距180。，三个阴极相距120。，四个阴极90
。，以此类推)。每个空心阴极I的坐标(^)，其中i为正整数，坐标(ri，Zi，表示第i个空心阴极的坐标，会影响霍尔推力器最终性能，会在霍尔推力器设计阶段给出一个设计值，这里记为(r0，z0，Φ0)。但是由于各阴极存在产品差异，应在设计值基础上进行微调，以优化最终的推力器性能。具体的微调方法牵扯到推力器的磁路，需要迭代实验。原则是保证各空心阴极I负载相同，具体方法参考本实施方式中步骤二至步骤五的均分负载的调试方法，需要阳极距离较远的就增加r，z的值，反之同理。移动位置后，应使空心阴极I轴线平行于当地磁感线，调整Φ值。此时若各阴极负载仍无法相等，可考虑改变气路节流环2尺寸或串联电阻阻值。
[0055]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】三所述的一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路的区别在于，所述的d的取值范围为6毫米到200毫米。 [0056]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】四所述的一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路的区别在于，所述的d的取值范围为10毫米到100毫米。
【权利要求】
1.一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路，其特征在于，它包括一个主供气管(4)、N个支供气管路(3)、一个单刀多掷开关(12)、一个电阻R2、一个点火电源(8)、一个阳极电源(9)和N个单元(13);所述的N为大于或等于2的整数， N个单元(13)的第一输出端同时与点火电源⑶的负极和阳极电源(9)的负极连接，所述的点火电源(8)的正极与电阻R2的一端连接，阳极电源(9)的正极与阳极(10)的一端连接， N个单元(13)的第二输出端分别与单刀多掷开关(12)的N个静端连接；所述的单刀多掷开关(12)的动端与电阻R2的另一端连接， 每个单元(13)包括空心阴极(I)、触持极电源(5)、二极管(6)、加热电源(7)和滑动变阻札；所述的空心阴极(I)的阴极管(1-1)内嵌有节流环(2)， 触持极电源(5)的正极与二极管(6)的阳极连接，该二极管(6)的阴极与空心阴极(I)的触持极(1-4)连接，并作为单元(13)的第二输出端，该空心阴极⑴的阴极管(1-1)同时与触持极电源(5)的负极、加热电源(7)的负极和滑动变阻R1的一端连接， 加热电源(7)的正极与空心阴极⑴的加热器(1-3)连接， 滑动变阻R1的另一端作为单元(13)的第一输出端， 一个主供气管(4)通过N个支供气管路(3)分别与N个空心阴极(I)的阴极管(1-1)连通。
2.根据权利要求1所述的一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路，其特征在于，所述的N的范围为2到20。
3.基于权利要求1或2所述的一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路实现多个空心阴极稳定并联的工作方法，其特征在于，该方法的具体过程为， 步骤一、使N个空心阴极(I)的羽流口(1-5)均与阳极(10)相对设置，且空心阴极(I)的羽流口(1-5)与阳极(10)的距离为d毫米，所述的d的取值为大于5的实数， 步骤二、将氙气通入主供气管(4)中； 步骤三、接通触持极电源(5)、加热电源(7)和点火电源(8)，将单刀多掷开关(12)的动端依次与其N个静端连接，空心阴极(I)的触持极(1-4)与阴极管(1-1)之间的氙气进行电离，使空心阴极(I)进入空闲模式，断开加热电源(7)和点火电源(8)， 步骤四、接通阳极电源(9)，氙气在空心阴极⑴与阳极(10)之间进行电离， 步骤五、调节滑动变阻R1或阳极(10)与空心阴极(I)之间的距离d，使每个空心阴极(I)的阴极管(1-1)产生电流的值趋于一致，即完成了多个空心阴极(I)的稳定并联工作。
4.根据权利要求3所述的一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路，其特征在于，所述的d的取值范围为6毫米到200毫米。
5.根据权利要求4所述的一种实现多个空心阴极稳定并联的工作电路，其特征在于，所述的d的取值范围为10毫米到100毫米。
【文档编号】H01J37/32GK103928286SQ201410172465
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】于达仁, 孟天航, 宁中喜, 欧阳磊, 安秉建 申请人:哈尔滨工业大学