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艾因斯新蟲 (小有名氣)
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鉭加熱器設(shè)計與分析
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一、介紹 電推進(jìn)系統(tǒng)中使用的空心陰極通常具有細(xì)長的空心圓柱形導(dǎo)管，在該導(dǎo)管中放置具有低功函數(shù)的插入材料�？招年帢O的工作原理是一種叫做熱離子發(fā)射的物理效應(yīng)，熱離子發(fā)射基本上是從發(fā)射體材料中釋放電子。嵌入材料的加熱導(dǎo)致從表面到陰極管中空內(nèi)部的電子發(fā)射增加，在中空內(nèi)部供應(yīng)推進(jìn)劑流。在穩(wěn)態(tài)運行期間，陰極管內(nèi)部產(chǎn)生的等離子體提供了一種自加熱機(jī)制，以保持表面的熱離子發(fā)射處于穩(wěn)定速率。然而，為了開始陰極放電，必須使用外部加熱機(jī)制，該加熱器將插件的溫度提高到插件表面的期望電流發(fā)射密度所需的水平。為了啟動熱離子發(fā)射，LaB6 插入物應(yīng)加熱到 1600℃以上，而對于相同的熱離子發(fā)射電流密度，BaO-W 插入物必須被加熱到～1100℃，因此初始加熱需要外部加熱器，一旦發(fā)射器達(dá)到期望的熱離子發(fā)射電流密度所需的溫度水平時，加熱器關(guān)閉。 BaO-W 和 LaB6 陰極由于其低功函數(shù)而被用作最常見的空心陰極插入材料。BaO-W 的功函數(shù)在大約 1000℃的溫度下為 2.06 eV，而 LaB6 的功函數(shù)在大約 1650℃的溫度下為 2.67 eV。從陰極壽命的角度來看，LaB6 陰極具有優(yōu)勢，因為 LaB6 具有較低的蒸發(fā)速率。此外，BaO-W 陰極對高溫下的雜質(zhì)中毒（水蒸氣、氧氣或氙氣中的其他雜質(zhì)）非常敏感，這種中毒會縮短壽命，甚至阻止陰極發(fā)射。對于 LaB6 陰極，無需遵循特殊的調(diào)節(jié)和儲存程序，因此 LaB6 陰極可被視為比 BaO-W 陰極更可靠。Bogazici 大學(xué)建造的空心陰極初步設(shè)計包含低功函數(shù)插件、陰極管、加熱器、保持器、彈簧和基座等核心部件。 二、理論預(yù)測 空心陰極的基本操作機(jī)制如下：插入物（LaB6）被外部加熱線圈加熱到高溫，在此實現(xiàn)每單位面積足夠的電子發(fā)射。從插入物發(fā)射的電子撞擊氙氣，并導(dǎo)致氙中性氣體被電離，然后通過向放置在陰極電極外部的保持電極施加電勢，電離的氙原子將移出。陰極插入物可以通過從等離子體到插入物表面的熱通量來保持其發(fā)射溫度，這就是所謂的自持運行模式，加熱器僅需要提供插件的初始加熱。 不同低功函數(shù)材料的電子發(fā)射電流密度具有溫度依賴性，在相同溫度下，LaB6 的發(fā)射電流密度明顯小于 BaO-W 的發(fā)射電流密度，為了達(dá)到 8 A/cm² 的電子發(fā)射電流密度水平，應(yīng)當(dāng)將 LaB6 插件加熱到高于 1600℃的溫度。通常空心陰極可以提供自加熱來維持發(fā)射溫度，但為了開始熱離子發(fā)射，LaB6 插入物需加熱到 1600℃以上，因此初始加熱需要外部加熱器，加熱所需的高溫通常由難熔金屬提供，如鎢和鉭，它們可以承受非常高的溫度。 一般來說，加熱器是通過在陰極管上纏繞一根導(dǎo)線，然后用箔片將其覆蓋而制成的。然而，這種方法有一些缺點，雖然工藝最簡單，但可能無法有效加熱小型陰極管中的插入物，在嵌件的均勻、有效加熱方面存在不足。作為替代方案，由導(dǎo)線包裹的螺紋陶瓷管被用作加熱器，可在加熱器組件和陰極管之間提供比絕緣導(dǎo)線更好的表面接觸，密歇根大學(xué)也開展了不同的加熱器設(shè)計研究。 在戈貝爾的實驗中，鉭加熱絲穿過氧化鋁魚刺珠，纏繞在空心陰極管周圍的無感線圈中，該加熱器可以提供 250W 的功率來加熱陰極。美國空軍技術(shù)研究所的華納同樣使用鉭作為加熱器材料，加熱器燈絲是鉭護(hù)套氧化鋁絕緣線，根據(jù)供應(yīng)商數(shù)據(jù)，這些燈絲的工作溫度高達(dá) 1800℃，具體設(shè)計為將 0.127 毫米厚的鉭絲繞加熱器纏繞 12 圈，同時搭配一片 0.254 mm 厚的鉭箔片，用于保護(hù)較薄的屏蔽層防止其展開。 部分設(shè)計中采用氮化硼代替氧化鋁作為陶瓷材料，因為在高溫下，氧化鋁和鉭之間會發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致組件嚴(yán)重退化，并在保持器和陰極外殼上留下殘留物�？继啬岬目招年帢O加熱器設(shè)計中，加熱絲為 1 mm 厚的鉭絲，繞管 15 圈，雖然鎢是常用材料，但鉭因具有高電阻率和高溫下不易碎的特性被選為加熱元件。鉭片用作耐火材料，以防止輻射熱損失并有助于保持空心陰極的自熱，加熱器大約 15 毫米長，比插入物長 5 毫米，足以覆蓋插入?yún)^(qū)域并實現(xiàn)有效加熱。 三、陰極加熱器的設(shè)計和熱模擬 在本研究中，考慮了三種不同的加熱器設(shè)計，分別稱為設(shè)計 A、設(shè)計 B 和設(shè)計 C。設(shè)計 A 中，加熱器線被假定為 1 mm 厚的絕緣鉭線，繞管 15 圈；設(shè)計 B 中，帶有螺旋形凹槽的氮化硼陶瓷管放置在陰極管的插入?yún)^(qū)域；設(shè)計 C 與設(shè)計 B 類似，氮化硼陶瓷管被放置在陰極管周圍，但陶瓷上加工的是垂直凹槽而非螺旋形狀。 本研究采用 COMSOL 有限元模型（FEM）軟件分析這三種不同設(shè)計的加熱時間和加熱均勻性，首先在 CATIA 軟件中創(chuàng)建設(shè)計的 3D 圖紙，然后導(dǎo)入 COMSOL，輸入適當(dāng)?shù)牟牧蠈傩院�，生成用于熱分析的四面體網(wǎng)格。即使能夠為具有螺旋形布線結(jié)構(gòu)的設(shè)計 A 和 B 產(chǎn)生四面體網(wǎng)格，但在獲得熱分析結(jié)果方面仍存在困難，因此在熱分析部分，將設(shè)計 A 和 B 的螺旋形線圈結(jié)構(gòu)修改為等數(shù)量和等長度的環(huán)形線圈進(jìn)行分析。 由于陰極測試（和實際操作）將在真空環(huán)境中進(jìn)行，陰極外部的對流熱損失可以忽略不計。盡管在插入?yún)^(qū)域的初始加熱過程中，陰極管內(nèi)部會有推進(jìn)氣體（氙）的吹掃，但據(jù)計算，與傳導(dǎo)和輻射熱損失相比，由于內(nèi)部流動而產(chǎn)生的對流熱傳遞較小，因此僅考慮到底部的傳導(dǎo)熱損失和外部的輻射熱損失。 在三維建模之前，空心陰極加熱器用軸對稱 2D 域表示，模擬結(jié)果表明，中空陰極加熱器在大約 1500 秒后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，指定角節(jié)點（溫度評估監(jiān)控點）的溫度隨時間呈現(xiàn)規(guī)律性變化，整個模型的溫度分布表現(xiàn)出相似的趨勢和收斂行為，穩(wěn)態(tài)溫度最小值為 1473.1 K，最高溫度為 2024.8 K。 3D 建模部分模擬了陰極溫度的時間變化，直到獲得穩(wěn)態(tài)溫度分布。對比所有三種加熱器設(shè)計的插件表面溫度時間變化可知，不同設(shè)計的升溫速率存在差異；三種情況的穩(wěn)態(tài)溫度分布中心軸切片輪廓顯示，溫度分布結(jié)構(gòu)類似，但在加熱均勻性和升溫效率上有所區(qū)別。 四、結(jié)論 用于宇宙飛船和衛(wèi)星的某些推進(jìn)應(yīng)用的離子發(fā)動機(jī)和霍爾效應(yīng)推進(jìn)器需要空心陰極來輸送其運行所需的電子�？臻g應(yīng)用中使用的大多數(shù)空心陰極采用氧化鋇浸漬的鎢（BaO-W）插入物作為熱電子發(fā)射材料，因其功函數(shù)低。然而，最近的研究顯示了使用六硼化鑭（LaB6）插入材料作為熱離子發(fā)射源的優(yōu)點，由于其較高的功函數(shù)，LaB6 插件必須加熱到比 BaO-W 插件高得多的溫度。本研究提出了三種不同的加熱器設(shè)計及相關(guān)熱分析工作，針對搭載六硼化鑭插入物的空心陰極展開研究，結(jié)果表明，對于期望的熱電子發(fā)射電流密度水平，加熱器設(shè)計會影響低功函數(shù)插入物材料被加熱到期望溫度所需的時間。 |
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