一种基于磁场作用的真空等离子体生成的放电电极结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于磁场作用的真空等离子体生成的放电电极结构，置于真空环境中，包括阴极、阳极和绝缘部件，阴极包括一金属圆柱体，金属圆柱体的一端设置有圆锥体，圆锥体的锥端作为阴极的放电端；绝缘部件包括一套装包裹阴极的筒状绝缘部，筒状绝缘部的一端设有喇叭状放射绝缘部；阳极包括一环状阳极以及一螺旋管状阳极；筒状绝缘部的一端通过环状阳极连接喇叭状放射绝缘部；螺旋管状阳极为单层或多层带绝缘的金属线螺旋缠绕在绝缘部件的外部；环状阳极以及螺旋管状阳极的轴线与阴极圆锥体的锥端中心线保持重合；阴极通过接线柱与外电路的负高压端子相连接，螺旋管状阳极的一个端子与环状阳极直接连接，螺旋管状阳极的另一端通过导线接地。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微小卫星应用的电推进
，涉及一种等离子体生成的放电电极结构，更具体的涉及一种生成高密度、高能量、定向喷射等离子体的放电电极。
技术介绍
真空环境内放电产生金属等离子体，这些金属等离子体具有很高的能量，其特性与电极结构密切相关。当电弧电流较小时，真空电弧的形态呈扩散态，产生具有一定运动能量的等离子体。金属等离子体可应用于离子束表面分析技术及离子注入技术；针对于宇宙空间的真空环境，可利用电极提供金属等离子体来产生推力，无需携带额外的推进剂，而且利用放电电流流过阳极螺线管部分产生磁场无需外加电磁线圈，减小了推进器尺寸，可应用于小型卫星姿态微调的推进系统。在现有的技术中,真空放电大多采用锥-板电极以及锥-筒电极。锥-板电极产生的等离子体在轴向传播时会被板状阳极阻挡，能利用的仅为少部分径向传播的等离子体；锥-筒电极生成的等离子体在轴向的传播未被阻挡，但是由于电场线的作用在传播过程中会在径向扩散，因而轴向等离子体的密度、能量会显著降低。中国专利CN102869181A提了“用于等离子体推进器的电极结构及电极固定结构”，通过设计圆柱状阴极和开喇叭口状的阳极，利用放电时等离子体对绝缘壁的烧蚀，产生高能量、高密度的等离子体，一定程度上提升了此类推进器的推进性能。但是该专利的电极结构产生的等离子体在轴向传播过程中并未有效抑制径向扩散的等离子体，会损失一定的加速能量，影响推进器的性能。文献“窦志军,刘文正,陈修阳.真空放电中磁场对等离子体生成特性的影响[J].真空,2015,03:59-62.”中提到的电极为锥螺旋状电极，提出了使用螺旋状阳极产生轴向磁场对等离子体产生约束、定向作用的理论，同时定量地对比了锥筒状电极和锥螺旋状电极产生的等离子体密度，证明了锥螺旋电极能够利用磁场提高等离子体产生密度和定向性。但是，该文献只是提出和验证了螺旋状阳极结构能够有效束缚等离子体理论，并没有综合电、磁场角度全面对电极结构设计优化。本专利技术即专利技术人基于在先发表的理论研究提出的实践结构。
技术实现思路
本专利技术提出了一种用于真空等离子体生成的放电电极结构。通过合理的电极结构设计，利用阴、阳极相互配合，在阴极尖端近旁产生较强电场区，降低了电极的起始放电电压；利用阳极螺线管部分，在电极内部腔体中产生较强轴向磁场，能够有效地约束等离子体，减少等离子体的径向扩散，增加电极喷射出的等离子体密度和能量。本专利技术的目的在于提供一种真空等离子体放电电极结构，既能解决现有锥-板电极在放电过程中只能利用沿电极径向扩散的等离子体密度较小的问题，又能解决锥-筒类电极真空放电时等离子体由于径向扩散致使轴向能量下降快的问题。为实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案是：一种基于磁场作用的真空等离子体生成的放电电极结构，置于真空环境中，包括阴极、阳极和绝缘部件，所述阴极包括一金属圆柱体，金属圆柱体的一端设置有圆锥体，圆锥体的锥端作为阴极的放电端；绝缘部件包括一套装包裹阴极的筒状绝缘部，筒状绝缘部的一端设有喇叭状放射绝缘部；阳极包括一环状阳极以及一螺旋管状阳极；其中，筒状绝缘部的一端通过环状阳极连接喇叭状放射绝缘部；螺旋管状阳极为单层或多层带绝缘的金属线螺旋缠绕在绝缘部件的外部；环状阳极以及螺旋管状阳极的轴线与阴极圆锥体的锥端中心线保持重合；阴极通过接线柱与外电路的负高压端子相连接，螺旋管状阳极的一个端子与环状阳极直接连接，螺旋管状阳极的另一端通过导线接地。所述的圆锥体的锥端为弧形或球形。所述圆锥体锥的锥度为1:2至2:1。所述环状阳极的两端带有凹槽结构，筒状绝缘部与喇叭状绝缘部分别嵌入环状阳极的凹槽。或者，所述环状阳极的两端带有螺纹结构，筒状绝缘部与喇叭状绝缘部通过螺纹与环状阳极连接。所述阴极的金属圆柱体采用良导磁金属材料制成。阴极的圆锥体端部可选择其他导体材料，并保持为一良好导电体。所述的阴极的圆锥体端部在螺旋管状阳极三分之一范围内位置可调。所述绝缘体部的材质可用介电常数较大的材料，如聚四氟材料。本专利技术的有益效果是：本专利技术与现有技术相比，本专利技术将放电电极的阳极设置成螺线管状，锥状阴极插入该螺线管阳极中保持两者的中心线重合，放电在所述阴极尖端产生。放电时电流流过螺线管会在螺线管内部产生较强的轴向磁场。等离子体在扩散的过程中，带电粒子轴向运动分量不会受到影响，径向运动分量在洛仑兹力的作用下会向中心轴偏转，因此达到了束缚等离子体的效果，从而在轴向得到高密度、高能量的等离子体。此外，由于所述阴极柱体部分使用的是导磁特性良好的金属导体，阴极会汇聚磁力线通过阴极柱体，在锥状尖端处存在一个强磁场区，保证了磁场的有效利用。该放电电极结构简单，放电稳定性和重复性好。附图说明结合附图考虑，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本专利技术并容易得知其中许多伴随的优点，此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定，其中：图1是本专利技术的放电电极结构的实施例的二维结构示意图；图2是包含图1所示的放电电极的具体放电电路图；图3表示出了利用朗缪尔探针法测得的电极周围等离子体的密度分布情况。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。图1为本专利技术的放电电极实施例的结构二维示意图。参看图1，本实施例中，放电电极包括带圆锥体端部的阴极1、环状阳极3a、螺线管状阳极3b以及筒状绝缘部件2a、喇叭状绝缘部件2b。其中，所述阴极1为一端具有圆锥体锥端的结构，该锥端作为阴极1的放电端。通过设置锥端作为放电端，可增强放电效果，并使等离子体出现在电极中心区域，便于磁场约束控制，但是圆锥体的锥的尖端不易太尖，否则会引起放电点偏移，影响放电稳定性。本实施例中，阴极1包括金属圆柱体以及设置于该金属圆柱体一端的圆锥体结构，圆锥体结构的锥度为1:2至2:1，本实施例中具体为1:1。阴极与外电路的负高压端子相连接。所述阴极1的金属圆柱体的柱体部分的材质可以采用铁质良导磁特性金属。此外，为进一步提高放电的稳定性，阴极1的锥端的尖端要保持一定的圆度，例如，可以将锥端尖部设置为弧状或球状。所述螺旋管状阳极3b为一螺线管结构，其为漆包导线制作，螺线管的漆包导线直径和螺线管直径以及螺线管的螺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁场作用的真空等离子体生成的放电电极结构，置于真空环境中，包括阴极、阳极和绝缘部件，其特征在于，所述阴极包括一金属圆柱体，金属圆柱体的一端设置有圆锥体，圆锥体的锥端作为阴极的放电端；绝缘部件包括一套装包裹阴极的筒状绝缘部，和一套设有喇叭状放射的绝缘部；阳极包括一环状阳极以及一螺旋管状阳极；其中，筒状绝缘部的一端通过环状阳极连接喇叭状放射绝缘部；螺旋管状阳极为单层或多层带绝缘的金属线螺旋缠绕在绝缘部件的外部；环状阳极以及螺旋管状阳极的轴线与阴极圆锥体的锥端中心线保持重合；阴极通过接线柱与外电路的负高压端子相连接，螺旋管状阳极的一个端子与环状阳极直接连接，螺旋管状阳极的另一端通过导线接地。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁场作用的真空等离子体生成的放电电极结构，置于真空环境
中，包括阴极、阳极和绝缘部件，其特征在于，所述阴极包括一金属圆
柱体，金属圆柱体的一端设置有圆锥体，圆锥体的锥端作为阴极的放电
端；
绝缘部件包括一套装包裹阴极的筒状绝缘部，和一套设有喇叭状放射的
绝缘部；
阳极包括一环状阳极以及一螺旋管状阳极；其中，
筒状绝缘部的一端通过环状阳极连接喇叭状放射绝缘部；
螺旋管状阳极为单层或多层带绝缘的金属线螺旋缠绕在绝缘部件的外
部；
环状阳极以及螺旋管状阳极的轴线与阴极圆锥体的锥端中心线保持重
合；
阴极通过接线柱与外电路的负高压端子相连接，螺旋管状阳极的一个端
子与环状阳极直接连接，螺旋管状阳极的另一端通过导线接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁场作用的真空等离子体生成的放电电
极结构，其特征在于，所述的圆锥体的锥端为弧形或球形...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文正，窦志军，陈修阳，崔伟胜，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11