一种基于钨铼加热丝与钨顶焊接结构的六硼化镧空心阴极
阅读说明：本技术 一种基于钨铼加热丝与钨顶焊接结构的六硼化镧空心阴极 (Lanthanum hexaboride hollow cathode based on tungsten-rhenium heating wire and tungsten top welding structure ) 是由 毛威 扈延林 胡大为 吴朋安 臧娟伟 李胜军 吴耀武 山世华 吴楠 魏延明 陈君 于 2020-06-18 设计创作，主要内容包括：一种基于钨铼加热丝与钨顶焊接结构的六硼化镧空心阴极,包括点火极、隔热层、热子、六硼化镧发射体、阴极管、钽环、阴极顶,通过在钨铼加热丝和阴极顶间采用钽环过渡的熔钎焊结构,利用熔化的钽环包裹住钨铼加热丝,熔化的钽环包裹住钨铼加热丝,在钨铼加热丝不发生熔化的情况下,可以保持钨铼加热丝材料本来的塑性,有效地补偿钨铼加热丝的热胀冷缩效应,消除热应力,具有很强的环境适应性。(A lanthanum hexaboride hollow cathode based on a tungsten-rhenium heating wire and tungsten top welding structure comprises an ignition electrode, a heat insulation layer, a thermion, a lanthanum hexaboride emitter, a cathode tube, a tantalum ring and a cathode top, wherein a tantalum ring transition melting and brazing structure is adopted between the tungsten-rhenium heating wire and the cathode top, the tungsten-rhenium heating wire is wrapped by the molten tantalum ring, the original plasticity of the tungsten-rhenium heating wire material can be kept under the condition that the tungsten-rhenium heating wire is not molten, the expansion and contraction effects of the tungsten-rhenium heating wire are effectively compensated, the thermal stress is eliminated, and the lanthanum hexaboride hollow cathode has strong environmental adaptability.)
技术领域
本发明涉及一种基于钨铼加热丝与钨顶焊接结构的六硼化镧空心阴极，属于航天电推力器控制技术领域。
背景技术
航天电推力器用六硼化镧空心阴极具有电子发射电流密度大，对工作气体纯度要求低的优点，常见的六硼化镧空心阴极的结构中，热子引线通过电流产生焦耳热效应，对六硼化镧发射体进行预热，待六硼化镧达到工作温度后，阴极开始工作，热子断电，承受阴极工作产生的热载荷作用。
六硼化镧发射体必须被加热到1650℃左右才能高效地发射电子，热子一般采用难熔金属钨铼加热丝作为热子的发热元件。阴极顶为了提高耐高温和耐烧蚀性能，而热子的引线连接结构直接影响着热子的工作可靠性，加热丝的热端引线与阴极顶连接通过阴极管实现热端的引出，由于钨铼丝和钨顶的尺寸相差非常大，并且材料的焊接性能差，而且该部位的工作温度非常高，达到1800℃以上，二者连接难度很大。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统六硼化镧空心阴极结构中阴极顶与热子加热丝难以在高工作温度下稳定连接的问题，提出了一种基于钨铼加热丝与钨顶焊接结构的六硼化镧空心阴极。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于钨铼加热丝与钨顶焊接结构的六硼化镧空心阴极，包括点火极、隔热层、热子、六硼化镧发射体、阴极管、钽环、阴极顶、陶瓷管、底板、陶瓷垫，所述热子、六硼化镧发射体、阴极管、钽环、阴极顶均安装于点火极内，陶瓷垫位于点火极和底板之间，用于加热六硼化镧发射体的热子由加热丝套装于陶瓷结构上封装而成，所述热子为空心圆柱结构，于热子加热后发射电子的六硼化镧发射体套装于阴极管一端内侧，为氙气提供流道的阴极管设置有六硼化镧发射体一端套装于热子内侧，对氙气进行节流的阴极顶设置于六硼化镧发射体及阴极管一端端面，所述点火极于阴极顶同侧设置有输出孔，所述底板上设置有进气孔，所述陶瓷管设置于进气孔内，所述钽环与阴极顶匹配安装于热子、六硼化镧发射体外端面且完全覆盖于热子端面上，所述热子加电后为六硼化镧发射体加热，氙气于进气孔进入阴极管，六硼化镧发射体加热至指定温度后与氙气沿阴极管同一方向发射电子，所述钽环熔化后包裹热子端面加热丝，并将加热丝与阴极顶连接加固，通过设置于点火极内的隔热层进行隔热。
所述热子顶端及底端分别设置有热端引线及冷端引线，所述冷端引线穿过底板上的陶瓷管与外部电源连接，热端引线通过钽环固定于阴极顶上。
所述热子、六硼化镧发射体、阴极管的端面尺寸均相互匹配，所述阴极管外壁设置有限位卡槽以保证阴极管设置有六硼化镧发射体一端套装于热子内侧时不发生相对位移，所述阴极管内壁设置有限位卡槽以保证六硼化镧发射体一端套装于阴极管内侧时不发生相对位移。
所述阴极顶为圆环结构，圆心位置设置有面积小于阴极管端面的节流孔。
所述热子的内径、外径范围具体为：φ6mm～φ13mm，钨铼加热丝的直径范围为：φ0.2mm～φ0.6mm。
所述阴极管的壁厚范围为：0.3mm～0.5mm。
所述六硼化镧发射体的内径、外径范围具体为：φ2mm～φ5mm。
所述钽环紧密套接于阴极顶外圆，钽环与阴极顶间采用熔焊连接。
所述氙气可更换为氪气或氙氪混合气体。
所述热子内采用的加热丝材料为钨铼加热丝，阴极顶材料为金属钨或者钨合金。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供的一种基于钨铼加热丝与钨顶焊接结构的六硼化镧空心阴极，在钨铼加热丝和阴极顶间采用钽环过渡的熔钎焊结构，通过熔化的钽环包裹住钨铼加热丝，同时实现阴极顶与钽环之间的有效熔合，以有效保证钨铼加热丝与钨顶之间的连接强度，在钨铼加热丝不发生熔化的情况下，可以保持钨铼加热丝材料本来的塑性，并且钨铼加热丝在被钽环熔化包裹之前留有应力释放弯，可以有效地补偿钨铼加热丝的热胀冷缩效应，消除热应力，具有很强的环境适应性。
附图说明
图1为发明提供的六硼化镧空心阴极结构示意图；
图2为发明提供的热子结构示意图；
图3为发明提供的热子热端引线与阴极顶焊接结构示意图；
图4为发明提供的钽环结构示意图；
具体实施方式
一种基于钨铼加热丝与钨顶焊接结构的六硼化镧空心阴极，电子发射电流密度大，对工作气体纯度要求低，但在常见的六硼化镧空心阴极结构中，当六硼化镧发射体达到工作温度后，热子的加热丝与阴极顶难以稳定连接，基于此原因，提出了包括点火极-1、隔热层-2、热子-3、六硼化镧发射体-4、阴极管-5、钽环-6、阴极顶-7、陶瓷管-8、底板-9、陶瓷垫-10的基于钨铼加热丝与钨顶焊接结构的六硼化镧空心阴极结构，具体为：
在六硼化镧空心阴极结构中，如图1所示，底板作为其他零件的安装板，一端设置有进气孔；点火极和底板之间安装有绝缘垫，点火极和底板之间通过绝缘垫实现电绝缘，点火极的一端设置有输出孔；阴极管位于底板和点火极之间，阴极管的一端和底板相连，阴极管的另一端与阴极顶相连，阴极管的中心孔与底板的进气孔、阴极顶孔、点火极输出孔的中心在同一轴线上；在点火极内部，热子由加热丝套装于陶瓷结构上封装而成，甩出两根加热丝引线，封装体为空心圆柱结构，用于加热六硼化镧发射体，阴极管用于为氙气提供流道，六硼化镧发射体套装于阴极管一端内侧，热子套装于设置有六硼化镧发射体一端的阴极管外侧，热子、六硼化镧发射体、阴极管的端面尺寸均相互匹配；
所述阴极顶设置于六硼化镧发射体及阴极管一端端面，且覆盖于六硼化镧发射体端面上，该端面对应点火极输出孔，阴极顶为圆环结构，圆心位置设置有面积小于阴极管端面的节流孔，可以对工作气体氙气及电子混合物进行节流；
阴极管另一端对应底板进气孔，钽环与阴极顶匹配安装于热子、六硼化镧发射体外端面且完全覆盖于热子端面上，热子两侧设置有隔热层，在加热过程中通过设置于点火极内的隔热层进行隔热。
如图2所示，热子顶端及底端分别设置有热端引线及冷端引线，所述冷端引线穿过底板上的陶瓷管与外部加热电源的一极连接，陶瓷管设置于进气孔内，热端引线通过钽环固定于阴极顶上通过底板引出与外部加热电源的另一极连接；钽环紧密套接于阴极顶外圆，钽环与阴极顶间采用熔焊连接，而阴极管外壁设置有限位卡槽以保证阴极管设置有六硼化镧发射体一端套装于热子内侧时不发生相对位移。
如图3所示，从热子出来的热端引线沿螺旋形式绕在阴极顶的外圆柱上，钽环的外圆直径比阴极顶的外圆直径大出一倍～二倍的热端引线直径，热端引线先经过大约90°的螺旋渐近过渡后，热端引线落在钽环、阴极顶和热子三者形成的凹槽内并与阴极顶的外圆柱面贴合，热端引线与阴极顶圆柱贴合的圆周大约为180°，钽环的内孔套在阴极顶一侧小圆柱上，钽环的内孔和阴极顶一侧的小圆柱通过端面的圆周焊缝熔化焊接成一体，与贴合在阴极顶一侧小圆柱上的热端引线加热丝紧挨的钽环外圆熔化后包裹热端引线，热端引线大约90°的螺旋渐进过渡段不能被钽环熔化的金属液包裹，加热丝本身保持不发生熔化，熔化的钽环将加热丝包裹与阴极顶形成可靠的连接。
其中，热子内采用的加热丝为连续的钨铼加热丝，热端引线和冷端引线是钨铼加热丝的两个引出线，阴极顶材料为金属钨或者钨合金，能够适应高温工作环境，可在1800℃以上的温度下长期可靠工作；热端引线的螺旋渐进过渡段的角度范围为：60°～120°，优选90°，热端引线与阴极顶小圆柱外圆贴合段的角度范围为：120°～270°，优选180°。钨铼加热丝的直径范围为：φ0.2mm～φ0.6mm，热子的内径、外径范围具体为：φ6mm～φ13mm，阴极管的壁厚范围为：0.3mm～0.5mm，六硼化镧发射体的内径、外径范围具体为：φ2mm～φ5mm，氙气可更换为氪气或氙氪混合气。
通过阴极结构两端引线加电，利用热子为六硼化镧发射体加热，氙气于底板进气孔进入阴极管，六硼化镧发射体加热至指定温度后，在点火极和底板之间施加点火电源，点火极和阴极顶之间发生气体击穿放电，电子从点火极输出孔发射出来。
下面结合具体实施例进行进一步说明：
实施例1：
一种基于钨铼加热丝与钨顶焊接结构的六硼化镧空心阴极，钨铼加热丝和钨顶之间采用钽环过渡的熔钎焊结构，开始为热子两端引线加电后，热子持续对六硼化镧发射体加热，此时工作气体于进气孔进入阴极管，六硼化镧发射体加热至指定温度后与氙气沿阴极管同一方向发射电子，钽环熔化后包裹热子端面加热丝，此时钨铼加热丝不发生熔化，熔化的钽环包裹住钨铼加热丝1/2圈，另1/2圈钨铼加热丝采用螺旋过渡形式作为应力释放弯，不被熔化的钽环包裹，用来释放钨铼加热丝的焊接热应力和高温工作时的热应力；钽环熔化后包裹热子端面加热丝，并将加热丝与阴极顶进一步加固；
如图4所示，钽环为一个中空的环形零件，材料为金属钽，套装在钨顶的外圆柱面上，钽环内孔和钨顶外圆之间为间隙配合，如图3所示，推荐的配合间隙小于0.05mm，采用电子束焊接或激光焊接的方式将钽环和钨顶通过该端面圆周焊接结构焊接成一个整体；
在加热过程中，热子的热端引线顺着热子本身的旋向呈渐开螺旋线形式绕到钽环上，引线的弯曲半径不大于引线直径的5倍，引线与大约1/2圆周的钽环外表面不接触，与大约1/2圆周的钽环外表面接触，利用散焦电子束或激光束焊接的方式将钽环熔化，钨铼加热丝不熔化，钽环熔池包覆住大约1/2圆周的钨铼加热丝。
钨铼加热丝的直径范围为：φ0.2mm～φ0.6mm，热子的内径、外径范围具体为：φ6mm～φ13mm，阴极管的壁厚范围为：0.3mm～0.5mm，六硼化镧发射体的内径、外径范围具体为：φ2mm～φ5mm，氙气可更换为氪气或氙氪混合气。
实施例2：
钽环为一个中空的环形零件，并且有一个偏心孔，材料为金属钽，钽环套装在钨顶的外圆柱面上，钽环内孔和钨顶外圆之间为间隙配合，推荐的配合间隙小于0.05mm，采用电子束焊接或激光焊接的方式将钽环和钨顶通过该端面焊接结构焊接成一个整体；
热子的热端引线顺着热子本身的旋向呈渐开螺旋线形式绕出插到钽环的偏心孔内，钨铼加热丝与钽环的偏心孔的配合间隙小于0.05mm，利用散焦电子束或激光束焊接的方式将钽环偏心孔周围的钽熔化，钨铼加热丝不熔化，用钽环熔池完成包裹住钨铼加热丝。
钨铼加热丝的直径范围为：φ0.2mm～φ0.6mm，热子的内径、外径范围具体为：φ6mm～φ13mm，阴极管的壁厚范围为：0.3mm～0.5mm，六硼化镧发射体的内径、外径范围具体为：φ2mm～φ5mm，氙气可更换为氪气或氙氪混合气。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。