[发明专利]一种基于冷阴极的离子中和器

说明书

本发明属于真空电子领域，具体提供一种基于冷阴极的离子中和器，用于中和离子推进器中的过剩正离子。本发明基于冷阴极的离子中和器包括：左阴极1、右阴极2、中心阳极3、介质支承层4及阳极外壳5，左阴极与右阴极关于中心阳极对称设置、且三者均设置于介质支承层上，阳极外壳包覆于介质支承层外、且顶面开设U型孔，左阴极与右阴极的斜侧棱上设置纳米冷阴极发射面。本发明采用了冷阴极作为发射源，极大程度上减小了器件的复杂性、能耗、体积和重量；同时，本发明的结构设计及电压的调节保证了电子束的完全出射而无需外加磁场的聚束；综上，本发明结构简单、能耗低，能够保证阴极产生的电子完全通过阳极外壳的开孔出射，并充分与正离子流中和。

技术领域

本发明属于真空电子领域，具体涉及一种基于冷阴极的离子中和器，主要用于中和离子推进器中的过剩正离子。

背景技术

离子推进器是新一代的航天推进动力装置，相比于传统的化学推进方式，离子推进器不仅具有很大的比冲，而且可以使得航天器的整体结构简化。离子推进器通过栅极对正离子进行加速向外喷出产生推力，由于其持续地喷出正离子束，使得大量的负离子滞留在喷射管内，电场力进而导致了正离子无法顺利地继续向外出射；因此必须在离子喷射器的推进口外置有相应的中和装置，进而使得推进器能够持续获得推力。综上所述，在离子推进器的应用中，选取适当的材料及结构，设计出相应的中和装置是不可或缺的。

热阴极在以往的研究、开发及应用中有着较高的地位，在现阶段，热阴极工艺非常成熟，被广泛应用于各类电真空器件中，但随着对冷阴极的不断深入研究，冷阴极在各个方面的优点逐渐凸显出来；其一，结构简单：热阴极在实际应用中通常需要很高的温度，因而对其热发射结构、材料耐热性等方面均有着较高的要求，从而提升了成本，使得结构复杂化；其二，效率较高：由于热阴极的加热以及热能损失，极大降低了系统的总体效率；其三，寿命较长：热阴极的工作环境必然会对各组件的寿命造成影响；其四，系统稳定：热阴极在高温环境下，较易出现短路、开路等问题，致使器件难以正常工作；其五，启动较快：对于热阴极而言，达到工作温度往往需要较长的预热时间。

综上所述，当用冷阴极代替热阴极，采用场致发射的方式作为电子辐射源时，节省了加热组件带来的结构复杂、效率损失、失稳风险、预热时间等不足；因而，在电真空器件的相关设计等领域，冷阴极具有着极为可期的发展前景，能极大提高器件的性能。

基于此，本发明提供一种基于冷阴极的基于冷阴极的离子中和器。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供一种基于冷阴极的离子中和器，利用纳米管冷阴极作为其发射源，设计一种新型结构，在省去了传统电子枪聚束磁场的前提下，保证了场致发射电子能够全部向外发射；并且，通过调节阴极、阳极及金属外壳电压的方式，能够在较大范围内提供连续可调的电子流。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于冷阴极的离子中和器，包括：左阴极1、右阴极2、中心阳极3、介质支承层4及阳极外壳5；其特征在于，所述介质支撑层呈长方体状，所述左阴极、右阴极、中心阳极均固定于介质支承层上表面，所述左阴极、右阴极及中心阳极相互平行设置、且平行于介质支撑层的长边方向；所述中心阳极位于介质支承层的中央，所述左阴极与右阴极关于中心阳极对称设置；所述中心阳极为横截面呈等腰梯形的金属棱台结构；所述左阴极与右阴极均为横截面呈直角梯形的金属棱台结构、且侧棱均为圆角结构，所述左阴极与右阴极的斜侧棱上设置有纳米冷阴极发射面、且纳米冷阴极发射面面向中心阳极；所述阳极外壳为一侧面开放的长方体外壳、其包覆于介质支承层外，并且所述介质支承层的上表面与阳极外壳的顶面之间预留间隙；所述阳极外壳的顶面中央位置开设U型孔，用于出射电子束。

进一步，所述左阴极、右阴极、中心阳极及阳极外壳均于阳极外壳开放侧接入可调电压。

进一步，所述介质支承层4为横截面呈“凹”字型的长方体，所述左阴极1、右阴极2与中心阳极3均设置于凹槽内，有利于左阴极、右阴极与中心阳极的固定。