[发明专利]一种基于磁场作用的真空等离子体生成的放电电极结构

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于微小卫星应用的电推进技术领域，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。

背景技术

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。

本发明即发明人基于在先发表的理论研究提出的实践结构。

发明内容

本发明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。

本发明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。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：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，