一种耐溅射污染的绝缘增强型栅极系统技术方案

本发明专利技术公开了一种耐溅射污染的绝缘增强型栅极系统，包括通过定位孔依次同轴安装的加速栅结构、栅间绝缘结构和屏栅结构。本发明专利技术采用紧凑的结构设计，简化了结构，减少了零件数量，降低了加工和装配的成本和难度；碗状加速栅在保证栅间距不变的情况下，提高了栅间绝缘件的厚度，增强了栅极系统的绝缘性能；栅间绝缘件的阶梯型耐溅射沟槽，有效增加了爬电距离，增强了绝缘性能，同时能够捕获溅射污染物，不易造成栅极短路，增强了绝缘性能，提高了栅极系统的使用寿命；加速栅排气孔降低了由于栅间气体积累导致的栅间击穿短路的风险。间气体积累导致的栅间击穿短路的风险。间气体积累导致的栅间击穿短路的风险。

【技术实现步骤摘要】
一种耐溅射污染的绝缘增强型栅极系统


[0001]本专利技术属于空间电推进
和离子源中的高速离子束引出
，尤其涉及一种具有排气孔和耐溅射污染的用于微小型离子推力器的绝缘增强型栅极系统。

技术介绍

[0002]离子推力器是一种电推力器，用于空间电推进(或称航天等离子体推进、电火箭)，具有比冲高、推力变化范围广、技术成熟等优点，目前已被广泛应用于航天器的姿态和轨道控制。
[0003]离子推力器在结构和原理上与离子源具有很高的相似性，是一种专用于空间电推进领域的离子源，其特点是使用由大量小孔组成栅网状结构的栅极系统加速排出离子以获得推力。离子推力器的主体结构一般由电离室、栅极系统和中和器组成。电离室用于生成等离子体，栅极系统用于引出并加速离子，中和器用于发射电子以中和被栅极系统加速的离子。
[0004]栅极系统，亦被称为离子光学系统，由至少两个栅极组成(双栅极)，也有由三栅极或四栅极组成的栅极系统，但其主要原理相同。以双栅栅极系统为例，其由屏栅、加速栅、栅间绝缘件组成，屏栅与加速栅上均开有一定数量的孔。屏栅位于上游，与电离室内的等离子体直接接触；加速栅位于下游；栅间绝缘件位于屏栅与加速栅之间，将双栅分隔并形成一定的栅间距，栅间距通常为0.5mm至2.0mm左右，典型值为1.0mm。离子推力器工作时，栅极系统被加上直流电压，栅间电场方向由屏栅指向加速栅，离子经由屏栅孔进入栅极系统，被栅间电场加速，最后经由加速栅孔被引出。大量离子被加速引出，形成高速离子束流，使离子推力器产生推力。
[0005]专利申请CN112555113A，一种离子推力器栅极组件一体化绝缘结构，公开了“上屏蔽罩和下屏蔽罩共同形成绝缘支撑环的防护罩，防止栅极组件离子光学引出过程中离子溅射污染绝缘支撑环”，这种设计适用于中大型离子推力器，对于微小型离子推力器，该栅极绝缘结构过于复杂，零件多，结构尺寸较大，不利于微小型离子推力器的小型化。
[0006]专利申请CN112696329A，一种离子推力器栅极绝缘连接结构及装配方法，公开了“栅极栅网之间通过一套绝缘装置实现三栅的绝缘连接，减少了多套绝缘安装造成的累积误差，同时可有效减少栅极热变形造成栅极孔对中精度差的问题，且结构简单，装配工艺好”，这种设计适用于中大型离子推力器，对于小型离子推力器，该结构零件多、结构复杂，结构尺寸较大，不利于微小型离子推力器的小型化。并且该设计没有考虑封闭栅间边缘的区域，会使中性气体和溅射污染物从边缘空间向外扩散，降低栅极绝缘性能，影响推力器正常工作。
[0007]专利申请CN109712861A一种防短路功能的离子光学系统及微型离子源，公开了“离子光学系统包括平行相对设置的屏栅和加速栅，并通过绝缘体使所述屏栅和加速栅的外端部支撑连接。为防止屏栅与加速栅之间短路，在所述绝缘体的内端面上设置金属颗粒阻拦凸起部、或者采用三层不等内径的环形绝缘体或者采用导流挡板。采用上述设置的离
子光学系统的微型离子源具有较高的绝缘性能”，这种设计适用于微小型离子推力器，但该设计采用平板状加速栅，考虑到栅间距较小，绝缘体的厚度很小，实际制造中很难加工和使用如此薄的绝缘结构，存在结构的机械强度问题和绝缘强度问题。长时间使用后，由于溅射污染，较薄的金属颗粒阻拦凸起部很容易被溅射污染覆盖，导致栅极系统较早地发生绝缘失效。
[0008]对于离子推力器的栅极系统绝缘设计，尤其是对于要考虑结构尺寸限制的微小型离子推力器，现有技术的缺点和问题如下：首先，现有栅极系统对于双栅的固定的结构，需要较为复杂的绝缘连接设计，零件较多。对于微小型离子推力器，整体尺寸较小，如果继续沿用中大型离子推力器的栅极系统结构设计，会导致小尺寸的零件的加工和装配的成本和难度较高，可靠性降低。目前缺少紧凑型栅极系统的结构设计，以降低栅极系统的加工和装配的成本和难度。其次，由于离子推力器双栅间距较小，在毫米或亚毫米量级，采用平板状加速栅的结构设计时，栅间绝缘件的厚度较小，加工难度较大，双栅间沿栅间绝缘件表面的路径距离较短，造成栅极系统的防爬电打火的能力较差。同时，由于栅间绝缘件的厚度较小，表面积较小，能够容纳的溅射污染物较少，导致栅间绝缘件的耐溅射污染能力较差，溅射产物易附着在其表面，容易造成栅极短路。上述问题都会造成栅极系统的绝缘失效。第三，现有设计无法将栅间的中性气体定向排出，中性气体容易在栅间积累，造成栅间气压较高，容易造成栅极在双栅与栅间绝缘件接触的地方发生打火短路，特别是被溅射污染物附着的表面附近，这会对离子推力器的工作稳定性造成影响。栅间气压较高同时会限制对栅极施加的电压，限制了被电压加速的离子束的速度，从而限制了离子推力器实现更高的比冲性能。

技术实现思路

[0009]为了解决上述已有技术存在的不足，本专利技术提出一种耐溅射污染的绝缘增强型栅极系统，本专利技术的具体技术方案如下：
[0010]一种耐溅射污染的绝缘增强型栅极系统，包括通过定位孔依次同轴安装的加速栅结构、栅间绝缘结构和屏栅结构，其中，所述加速栅结构上设置接线孔与电源相连，所述屏栅结构上设置接线孔与高压电源相连，所述栅间绝缘结构用于将所述加速栅结构和所述屏栅结构绝缘隔开。
[0011]进一步地，所述加速栅结构包括环状加速栅电极和加速栅，其中，所述加速栅电极的环状表面设置加速栅电极定位孔，在环状边缘的凸耳上设置加速栅电极接线孔；
[0012]所述加速栅为凹式碗状结构，包括与所述加速栅电机外径相同的环状部分，以及从所述环状部分向下凹陷的加速栅下凹结构，在环状部分的上表面设置与所述加速栅电极定位孔同轴的加速栅定位孔，在环状部分的内缘呈圆周阵列设置加速栅极排气孔，在所述加速栅的底部设置加速栅孔。
[0013]进一步地，所述栅间绝缘结构即栅间绝缘件，所述栅间绝缘件为环状，在环状表面设置与加速栅电极定位孔同轴的栅间绝缘件定位孔，在环状内壁上设置栅间绝缘件沟槽，使所述栅间绝缘件内部形成阶梯型结构。
[0014]进一步地，所述屏栅为圆形，在表面设置与所述加速栅电极定位孔同轴的屏栅定位孔，在所述屏栅上设置屏栅孔，所述屏栅孔与所述加速栅孔一一同轴对准。
[0015]所述屏栅电极与所述加速栅电极的结构相同，包括在环状表面设置的与所述加速栅电极定位孔同轴的屏栅电极定位孔及在环状边缘的凸耳上设置的屏栅电极接线孔。
[0016]进一步地，还包括绝缘定位销，所述绝缘定位销能穿过所述加速栅电极定位孔、所述加速栅定位孔和所述栅间绝缘件定位孔，所述屏栅定位孔和所述屏栅电极定位孔，能够实现所述栅极系统机械结构的相对固定。
[0017]进一步地，所述栅间绝缘件沟槽的截面形状为矩形、三角形、菱形或圆弧形，所述栅间绝缘件沟槽的数量不少于两个。
[0018]进一步地，所述屏栅孔与所述加速栅孔为圆形或正六边形，所述屏栅孔与所述加速栅孔按照相同的栅孔间距排列。
[0019]进一步地，所述加速栅电极、所述屏栅电极由高导电金属制成，所述加速栅、所述屏栅由耐溅射金属制成，所述定位销、所述栅间绝缘件由耐温绝缘材料制成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐溅射污染的绝缘增强型栅极系统，其特征在于，包括通过定位孔依次同轴安装的加速栅结构、栅间绝缘结构和屏栅结构，其中，所述加速栅结构上设置接线孔与电源相连，所述屏栅结构上设置接线孔与高压电源相连，所述栅间绝缘结构用于将所述加速栅结构和所述屏栅结构绝缘隔开。2.根据权利要求1所述的栅极系统，其特征在于，所述加速栅结构包括环状加速栅电极(1)和加速栅(2)，其中，所述加速栅电极(1)的环状表面设置加速栅电极定位孔(101)，在环状边缘的凸耳上设置加速栅电极接线孔(102)；所述加速栅(2)为凹式碗状结构，包括与所述加速栅电机(1)外径相同的环状部分，以及从所述环状部分向下凹陷的加速栅下凹结构(203)，在环状部分的上表面设置与所述加速栅电极定位孔(101)同轴的加速栅定位孔(201)，在环状部分的内缘呈圆周阵列设置加速栅极排气孔(202)，在所述加速栅(2)的底部设置加速栅孔(204)。3.根据权利要求2所述的栅极系统，其特征在于，所述栅间绝缘结构即栅间绝缘件(4)，所述栅间绝缘件(4)为环状，在环状表面设置与加速栅电极定位孔(101)同轴的栅间绝缘件定位孔(401)，在环状内壁上设置栅间绝缘件沟槽(402)，使所述栅间绝缘件(4)内部形成阶梯型结构。4.根据权利要求3所述的栅极系统，其特征在于，所述屏栅(5)为圆形，在表面设置与所述加速栅电极定位孔(101)同轴的屏栅定位孔(501)，在所述屏栅(5)上设置屏栅孔(502)，所述屏栅孔(502)与所述加速栅孔(204)一一同轴对准。所述屏栅电极(6)与所述加速栅电极(1)的结构相同，包括在环状表面设置的与所述加速栅电极定位孔(101)同轴的屏栅电极定位孔(601)及在环状边缘的凸耳上设置的屏栅电极接线孔(602)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟宗，付宸聪，李亦非，刘伟，王海波，董宜承，程玉峰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：