专利名称:多个空心阴极装置的发射电流控制系统的制作方法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。借助于根据本发明的一种发射电流控制系统，克服了上述的一些问题，还提供了另外的一些优点。这个系统实质上使连接到一个电源上的多个电子源装置其发射电流得到了均衡。在本发明的一个实施方案中，多个空心阴极装置独立地连接到一个公用的放电电压电源的负端。每个阴极装置联接一个电流探测器，探测器产生一输出信号，它正比于每一空心阴极装置从电源支取的电流值。此输出信号与第二个信号混合，此第二个信号的大小正比于由多个阴极装置支取的电流的平均值。将第一和第二信号混合得出的第三信号加到一个加热器或阀门上，以与每一装置所支取电流成比例地去控制流过多个阴极装置中每一个阴极的推进剂流量。另外，一个第四信号同时去控制流过多个装置的推进剂的总流量，此总流量被控制得与放电电压的大小成反比。因此，来自多个阴极装置中每一个的发射电流，根据每一个阴极各自的特性以及放电电压的大小，基本上得到了均衡。本发明的上述情况以及其它特点将在下面的描述中结合附图予以阐明。其中图1是一种双空心阴极系统的框图，这种系统具有本发明一个实施方案的发射电流控制系统。
图2是图1中控制系统的框图，部分地画成示意图形式。
图3是装有图1和图2所示发射电流控制系统的双空心阴极离子推进发动机的习惯画法图。
现在描述本发明的发射电流控制系统，此系统包括在一个以汽化了的汞作为推进剂的离子推进发动机中，而另一实施方案可以采用比如氩或氙那样的气体推进剂。应该理解，本发明可以应用于其它别的合适的应用场合，在这些应用场合下，有希望把二个或二个以上电子源的发射电流予以均衡。同样，虽然本发明的系统将在此处作为空心阴极装置的控制系统来描述，但也可用来控制其它电离气体或蒸汽的合适的装置。
参阅图1，图中示出了大大简化了的离子推进发动机10的一部分，它具有第一空心阴极装置12和第二空心阴极装置14，它们对称地围绕着发动机10的推力轴16而设置。装置12和14中的每一个与放电电源18的负端有着相互独立的电连接。电源18的正端连接到一个设置在阴极装置12和14前面附近的圆筒形阳极20。电源18的电压幅度通常以VD来代表，电源18的电压VD表现为装置12和14中的每一个与它们有关的阳极20之间的电位差。电压VD的大小以及阴极装置12和14中每一个与有关阳极20之间的距离是这样决定的，即在每一阴极和阳极之间可维持一个电弧，从而导致在阴极和阳极间有电流流通，此电流称为发射电流，并以I1和I2来表示。可以意识到，阴极12和14之间微小的内在差别将使每一装置以不同特性的发射电流束工作。
为了使分别来自阴极装置12和14的发射电流大体均衡，有必要确定阴极12和14各自从电源18支取的电流I1和I2的大小。在本发明中，这是靠第一探测器24和第二探测器26来完成的，这两个探测器在图1中被画成电阻的形式，它们分别串接在阴极装置12和14与这些阴极和电源18负端单独的连线之间。于是，可以确定出装置12和14各自支取的电流I1和I2。应该认识到，电流探测器24和26可以是在所属
权利要求
1.一种按照一个输入信号来控制多个阴极各个发射电流的系统，其特征在于所述系统包括一个产生供电电压的阴极电源，它由一些独立的导线分别连接到每一所述阴极，向该处提供阴极电流；多个电流探测装置，它们各自连接到所述导线中的一根线，以检测各个阴极电流，每一个所述探测装置产生一个大小正比于探测到的阴极电流大小的探测输出信号；平均装置，利用它来平均所述输出信号的幅度，所述平均装置产生一个大小正比于所述探测输出信号平均值的平均输出信号；参考电位装置，它产生一个大小正比于所述电源电压和所述输入信号之差的参考输出信号；多个流量调整器装置，它们中的每一个可操作地连接在电离材料源和相应的一个所述阴极之间，以调整通过所述阴极的所述电离材料的流量；多个调整器控制装置，它们中的每一个有一控制输出信号，以其幅度去控制相应的一个所述流量调整器，每一所述调整器控制装置响应于所述探测输出信号中相应的一些信号的幅度，并响应于所述平均输出信号和所述参考输出信号的幅度。
2.一种如权利要求
1中的系统，其中，所述发射电流是这样受到控制的，即它们基本上相互均衡。
3.一种如权利要求
2中的系统，其中，所述源材料包括汞，而所述流量调整器包括一个用于汽化所述汞的汽化器，所述汽化器具有一个用以改变它温度的加热装置。
4.一种如权利要求
3中的系统，其中，所述控制输出信号控制所述加热装置，以致所述汽化器的温度可以改变，从而汽化更多或更少的所述汞。
5.一种如权利要求
2中的系统，其中，所述源材料是一种气体，所述流量调整器是一个压电晶体流量控制器，它有一个让所述气体流过的小孔，所述小孔有一可以变化的窗口。
6.一种如权利要求
5中的系统，其中，所述控制输出信号改变小孔的窗口，从而改变了流过所述小孔的所述气体量。
7.一种如在权利要求
2中的系统，其中，所述系统装在一台离子推进发动机内。
8.一种如权利要求
7中的系统，其中，所述源材料是一种用于所述发动机的推进剂。
9.一种用来产生推力的离子推进发动机，其中，所述推进器具有多个空心阴极，每个所述阴极有发射电流，以电离流过每一所述阴极的推进剂，所述发动机还包括一种连接到所述阴极的推进剂流量控制装置，所述控制装置可操作地检测由每一所述阴极从电源支取的电流，并均衡所述发射电流。

在一种用来产生推力的离子推进发动机中，用于平衡来自空心阴极阵列的各个发射电流的发射电流控制系统，具有可用于探测由各阴极从电源支取的电流和使发射电流均衡的控制装置。当本发明的发射电流控制系统用作多重空心阴极离子推进发动机的部件时，它使围绕推力轴的发动机推力均衡，由此避免由于工作在超过最大额定发射以上而引起的空心阴极源的过早失效。