基于辉光放电和空心阴极效应的阴极

本发明涉及一种基于直流辉光放电和空心阴极效应的阴极，属于空间电推进电子源。

背景技术：

1、空间电推进器依靠喷出离子束流产生推力，为避免带正电荷的离子羽流影响航天器的电位，通常需要中和器阴极与推力器配合工作来中和推力器产生的羽流。阴极根据工作原理不同可分为空心阴极、射频阴极、微波阴极等。

2、吸气式电推进成为空间电推进领域的研究热点，其主要为地球观测和通信卫星提供任务能力。吸气式电推进系统由进气道收集和压缩稀薄的大气，由电推进器电离和加速完成阻力补偿。该系统将使用大气层上层的剩余气体作为推进剂主要是氮气和氧气。在完全吸气式电推进系统中，中和器的流量也来源于大气，传统空心阴极中和器，发射体暴露于氧环境，造成表面功函增加，导致电子发射显著下降；其次低地球轨道的氧化环境还会增加加热器失效的风险，降低了系统可靠性；传统空心阴极还存在启动时间长、加热功率大、结构复杂等问题。

3、虽然采用射频和微波中和器可以克服空心阴极的局限性，但是射频阴极和微波阴极需要更复杂的电源系统，体积大且电源效率低。因此针对以上不足，需要一种能够在氧化环境中工作、结构简单可靠的阴极，以保证吸气式电推力器的中和。

技术实现思路

1、针对传统空心阴极存在加热器失效风险大，难以在氧环境中工作的问题，本发明提供一种基于辉光放电和空心阴极效应的阴极。

2、本发明所述基于辉光放电和空心阴极效应的阴极，包括供气管1、负极4、触持极6和引出极8；

3、负极4为顶端开口圆筒状，负极4的顶端凹腔为放电腔室；触持极6和引出极8均为底端开口圆筒状；

4、触持极6从负极4顶端套设在放电腔室外部，引出极8从顶端套设在触持极6外部，且三者具有周向及径向工作间隙，三者底部之间绝缘；

5、负极4的底板中心设置有进气孔4-1，且与供气管1连通，触持极6顶盖中心设置用于维持放电腔室的气压的节流孔6-1，引出极8顶盖中心设置有引出孔8-1；

6、负极4和触持极6之间加载放电电源vdd1，用于对进入放电腔室的气体工质进行辉光放电以生成等离子体，辉光等离子体在圆筒负极内产生空心阴极效应；

7、触持极6和引出极8之间加载引出电源vdd2，用于令电子依次通过节流孔6-1和引出孔8-1并喷出形成电子发射。

8、优选地，放电电源vdd1为400v～450v直流电源，引出电源vdd2为20v～30v直流电源。

9、优选地，还包括绝缘帽2和绝缘子一3，负极4的底部设置有凸台，绝缘子一3中心设有通孔，负极4的凸台延伸卡在绝缘子一3的通孔中，绝缘子一3的通孔用于连通供气管1和负极4的进气孔4-1；

10、绝缘子一3尾端为大小径两段式结构，大径段外壁设置有外螺纹；

11、绝缘帽2套设在绝缘子一3和供气管1交界处的外部；

12、绝缘帽2为筒状结构，内部空腔体为大径、中径、小径三段式结构；大径段内壁设置有内螺纹；中径段到小径段45°平滑过渡，小径段为通孔；

13、供气管1为大小径两段式结构，供气管1小径段穿过绝缘帽2内腔小径段通孔，供气管1大径外壁面与绝缘帽2中径内壁面相贴合；供气管1的大径段套在绝缘子一3的小径段外部，以实现供气管1顶端面与绝缘子一中径段底面顶压在一起，并通过绝缘帽2与绝缘子一3的内外螺纹配合紧固。

14、优选地，供气管1与绝缘帽2配合处涂抹硅橡胶来密封；供气管1大径段与绝缘帽2内部大径段间有空隙；绝缘帽2内壁与绝缘子一3大径段尾部外壁螺纹配合处涂抹硅橡胶来密封。

15、优选地，还包括绝缘子二5和绝缘子三7，触持极6底部通过绝缘子二5与负极4绝缘，引出极8底部通过绝缘子三7与触持极6绝缘；

16、绝缘子二5和绝缘子三7为圆环形，负极4的底板具有径向外伸沿，所述底板外伸沿的顶部边缘具有环形卡槽，触持极6底部具有外翻沿，且该外翻沿边缘具有向底部方向延伸的限位圈，绝缘子二5卡设在负极4的环形卡槽和触持极6的限位圈之间；

17、触持极6底部外翻沿的顶面靠近筒壁处设置有环形卡槽，引出极8底部具有外翻沿，且该外翻沿边缘具有向底部方向延伸的限位圈，绝缘子三7卡设在触持极6的环形卡槽和引出极8的限位圈之间。

18、优选地，绝缘子一3、负极4、绝缘子二5、触持极6、绝缘子三7、引出极8依次同轴贴紧，通过引出极螺栓11压紧固定并且密封，引出极螺栓11穿过触持极6的通孔为大孔，以使引出极螺栓11与触持极6大孔内壁存在径向工作间隙；

19、绝缘子一3和负极4通过负极螺栓9固定；

20、绝缘子一3、负极4、绝缘子二5和触持极6通过触持极螺栓10固定。

21、优选地，供气管1、负极4、触持极6和引出极8均为304不锈钢材料。

22、优选地，绝缘帽2为聚四氟乙烯材料。

23、优选地，绝缘子一3、绝缘子二5和绝缘子三7为氧化铝陶瓷材料。

24、优选地，引出孔8-1直径大于进气孔4-1直径，进气孔4-1直径大于节流孔6-1直径。

25、本发明的有益效果：本发明提供的基于辉光放电和空心阴极效应的阴极，依靠负极和触持极之间加载高电压，在负极内表面和触持极顶端形成的腔室内产生辉光放电等离子体，其等离子体维持的原理是离子轰击负极内壁，产生二次电子发射，在引出极上施加引出电压实现引出电子。这种基于辉光放电和空心阴极效应的阴极结构简单，无需热子，启动快；直流辉光放电无发射体，能够兼容各种工质放电；只需要直流源供电，操作简单，系统简化。

26、负极采用圆筒形结构，一方面增大了二次电子发射的面积，另一方面圆筒形负极在放电时阴极负辉区重叠在一起，产生空心阴极效应，电子在圆筒内电场作用下径向振荡，增加了与原子的碰撞概率，使得放电更加均匀，提高了放电等离子体密度。

技术特征：

1.基于辉光放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，包括供气管(1)、负极(4)、触持极(6)和引出极(8)；

2.根据权利要求1所述基于辉光放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，放电电源vdd1为400v～450v直流电源，引出电源vdd2为20v～30v直流电源。

3.根据权利要求1所述基于辉光放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，还包括绝缘帽(2)和绝缘子一(3)，负极(4)的底部设置有凸台，绝缘子一(3)中心设有通孔，负极(4)的凸台延伸卡在绝缘子一(3)的通孔中，绝缘子一(3)的通孔用于连通供气管(1)和负极(4)的进气孔(4-1)；

4.根据权利要求3所述基于辉光放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，供气管(1)与绝缘帽(2)配合处涂抹硅橡胶来密封；供气管(1)大径段与绝缘帽(2)内部大径段间有空隙；绝缘帽(2)内壁与绝缘子一(3)大径段尾部外壁螺纹配合处涂抹硅橡胶来密封。

5.根据权利要求3所述基于辉光放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，还包括绝缘子二(5)和绝缘子三(7)，触持极(6)底部通过绝缘子二(5)与负极(4)绝缘，引出极(8)底部通过绝缘子三(7)与触持极(6)绝缘；

6.根据权利要求5所述基于辉光放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，绝缘子一(3)、负极(4)、绝缘子二(5)、触持极(6)、绝缘子三(7)、引出极(8)依次同轴贴紧，通过引出极螺栓(11)压紧固定并且密封，引出极螺栓(11)穿过触持极(6)的通孔为大孔，以使引出极螺栓(11)与触持极(6)大孔内壁存在径向工作间隙；

7.根据权利要求5所述基于辉光放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，供气管(1)、负极(4)、触持极(6)和引出极(8)均为304不锈钢材料。

8.根据权利要求5所述基于辉光放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，绝缘帽(2)为聚四氟乙烯材料。

9.根据权利要求5所述基于辉光放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，绝缘子一(3)、绝缘子二(5)和绝缘子三(7)均为氧化铝陶瓷材料。

10.根据权利要求1所述基于辉光放电和空心阴极效应的阴极，其特征在于，引出孔(8-1)直径大于进气孔(4-1)直径，进气孔(4-1)直径大于节流孔(6-1)直径。

技术总结
基于辉光放电和空心阴极效应的阴极，属于空间电推进电子源技术领域，本发明为解决传统空心阴极存在加热器失效风险大，难以在氧环境中工作的问题。本发明包括供气管、负极、触持极和引出极；触持极从负极顶端套设在放电腔室外部，引出极从顶端套设在触持极外部；负极的底板中心设置有进气孔，且与供气管连通，触持极顶盖中心设置用于维持放电腔室的气压的节流孔，引出极顶盖中心设置有引出孔；负极和触持极之间加载放电电源，用于对进入放电腔室的气体工质进行辉光放电以生成等离子体，辉光等离子体在圆筒负极内产生空心阴极效应；触持极和引出极之间加载引出电源，用于令电子依次通过节流孔和引出孔并喷出形成电子发射。

技术研发人员：宁中喜,韩傲,孟天航,刘晨光,王福锋
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13