[其他]多个空心阴极装置的发射电流控制系统

说明书

当需要电离离子源材料时，通常使用空心阴极装置那样的离子源装置。源材料可以是气体，例如，氩或氙，也可以是从加热如铯或汞之类的物质而得到的蒸汽。空心阴极装置一般由一根连接到电源负端的空心金属管制成。以电弧形式出现的电子电流在此空心阴极和连接到电源正端的一个电极（或称阳极）之间流过。气体或蒸汽源材料穿过此空心阴极并从它的一端出射，在那里，源材料在电弧内被电离，在汞蒸汽的情况下，产生出带正电的汞离子和自由电子。在空心阴极和阳极之间流动的电子流称为阴极的发射电流，发射电流的大小是好几个因素的函数，其中的两个是：电源电压的大小和欲电离的源材料的用量。

空心阴极装置的一个重要应用是把它用作离子推进发动机或离子推进器的一个部件。离子推进器的一个用途就是卫星和其它宇宙飞船的姿态控制。可从离子推进器得到的推力通常大大小于从传统的化学推进发动机得到的推力，因此，离子推进器的应用只限于用在外层空间遇到的真空状态下。然而，离子推进器的比冲（一般定义为每单位重量消耗气流所产生的推力）大大高于传统的化学推进发动机的比冲，一般高出一个量级。换言之，对于给定推力等级，离子推进器所需燃料比化学推进发动机所需燃料要少十倍。如此显著地减少燃料的需求，使得离子推进发动机特别适用于在长时期内允许采用低推力等级的场合。在离子推进发动机中，馈给空心阴极的气体或蒸汽一般称为推进剂。

在某一推力等级以下，单个空心阴极装置可能足以给发动机提供所需的发射电流。然而，当把离子推进器按比例尺寸放大去实现较大的推力时问题就来了，即，单个空心阴极装置的发射电流容量可能不够。已提出的一种解决这一问题的方法是：在离子推进发动机中包括入一个或多个附加的空心阴极装置，从而每一装置都对总发射电流以及由此对发动机的推力作出贡献。

然而，使用多于一个的空心阴极装置，在较大推力离子推进发动机的设计和工作中会产生另外的一些问题。

产生的一个问题是由于在各空心阴极装置间存在着细微的内在差别。这样的一些差别会导致各装置对发动机总输出推力的贡献不等。于是，这些装置中的某一个可能比其它的几个工作在较高的发射电流水平下，此电流值可能会超过这一装置的最大额定值。这种不平衡的工作方式会引起装置中的某一个遭到过早失效。在基本上是不可接近的运载器中，例如在宇宙飞船中，这样的失效会对宇宙飞船的整个工作带来巨大和永久的有害影响。

除了过早失效以外，在使用多个空心阴极装置的离子推进发动机中还会引起其它一些严重的后果。一个后果是由发动机产生的推力不对称。在单阴极的发动机中阴极位于与发动机推力释放轴一致的轴上。然而，在多阴极发动机中，各个阴极围绕着推力释放轴排列成对称形式。因而，可以看出，如果来自每一阴极的发射电流不平衡，围绕着推力轴产生出的推力也将是不平衡的，这就给发动机的可操纵性带来了潜在的严重有害的影响。

可以意识到，采用空心阴极装置的离子推进发动机的一个重要部件是阴极发射电流控制系统。一般地说，这种控制系统针对加在阴极和阳极之间的电位（此电位通常称为放电电压），去调整通过每一空心阴极的推进剂的流量。穿过阴极的推进剂量通常反比于放电电压的大小。调整推进剂流量的实际方法随所用推进剂的类型而变。举例来说，在用汞作为推进剂的空心阴极装置中，通常使汞通过一加热的多孔芯杆来使之汽化。依靠改变芯杆加热器的电流，并从而改变了温度，就改变了汞的汽化量，从而增加或减小了穿过空心阴极装置的推进剂的流量。

虽然此发射电流控制系统可适用于使用单个阴极装置的离子推进发动机，但是却不适用于使用二个或多个阴极装置的发动机，在这种发动机中每一阴极的各自特性没有得到补偿。根据上述例子，每一阴极的芯杆加热器电流，对于一给定的放电电压，维持在同一强度上，因而导致穿过每一阴极的推进剂量基本上是相等的。结果可以是：在多阴极发动机中，一个或多个阴极可能会比其它阴极产生出较大的发射电流，这取决于每个阴极各自的特性。发射电流输出不相等导致前述的过早失效问题以及围绕发动机推力轴的推力不平衡的问题。