JP4130974B2

JP4130974B2 - Hollow cathode

Info

Publication number: JP4130974B2
Application number: JP2002335618A
Authority: JP
Inventors: 幸男早川; 恭志大川
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: JP2004169606A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、人工衛星等の宇宙構造物に搭載されるホローカソードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
人工衛星や宇宙ステーション等の宇宙構造物に搭載される長寿命電子源としてホローカソードがあり、宇宙用の用途としては、人工衛星等の軌道制御、南北位置保持、主推進等に用いられるイオンエンジンのような電気推進機の電子源や、宇宙ステーション等の帯電防止に用いられるプラズマコンダクタ等がある。
【０００３】
このようなホローカソードのうち、オリフィス付きホローカソードの主要部は、通常、図７に示すように構成されている。図７は、この発明の基盤となる特許文献３に開示されているホローカソードを一部について断面で示す図であって、図中の符号１で示す部材は電子の最初の放出源となるカソードインサートであり、カソードインサート１はその中心部に円柱状の空洞部２が形成されている。カソードインサート１は酸化バリウム（ＢａＯ）が含浸された多孔質タングステン（Ｗ）製であり、活性化を行った後の空洞部２に面する表面の仕事関数は２ｅＶ程度まで低下している。カソードインサート１は円筒状に形成されたタンタル（Ｔａ）製のカソードチューブ３の中に挿入され、Ｔａ製のカソードインサート支持部５によってカソードチューブ３の先端に位置するトリウム・タングステン（ＴｈＯ₂ −Ｗ）製のオリフィス板４に押し付けられている。オリフィス板４の前面には、円盤状に形成されたＴａ製のキーパ電極板６が配置されている。オリフィス板４の例えば中心部には直径０．３〜１．５ｍｍ程度の孔状のオリフィス７が開いており、キーパ電極板６にはオリフィス７に対応して、中心部に直径２〜８ｍｍ程度の送出孔８が開いている。
【０００４】
カソードチューブ３の外側にはアルミナ溶射層中に埋め込まれたヒータ９が配され、その外側をＴａ製の熱シールド１０が取り囲んでいる。キーパ電極板６はキーパ電極支持部の絶縁円筒１１によって固定され、絶縁円筒１１の周りはＴａ製のスパッタ・シールド１２が覆っている。カソードチューブ３とキーパ電極支持部絶縁円筒１１はベース板１３に固定されている。ベース板１３にはそれら以外にヒータ９とキーパ電極板６に電流を流すための３つの電流導入端子１４，１５，１６と、ガス導入系１７も固定されている。ヒータ９は電流導入端子１５とカソードチューブ３につながり、キーパ電極板６は電流導入端子１６に、ベース板１３は電流導入端子１４にそれぞれつながっている。ベース板１３は通常、放電容器１９の天蓋中心に固定され、放電電源の陰極電位に保たれている。放電電源の陽極は、ホローカソードから離れた放電容器１９の側壁１８に設けられている。電流導入端子１５にはヒータ電源のプラス端子、電流導入端子１６にはキーパ電源のプラス端子、電流導入端子１４には３つの電源（ヒータ電源、キーパ電源、放電電源）のマイナス端子が、それぞれつながっている。
【０００５】
このようなホローカソードの点火手順は以下の通りである。まずヒータ９の加熱によりカソードインサート１を１０００℃程度まで温度上昇させる。次に、キーパ電極板６に＋２００Ｖ程度の電圧を印加した状態で推進剤（例えばキセノン（Ｘｅ））ガスをガス導入系１７からカソードインサート１の空洞部２に導入すると、カソードインサート１とキーパ電極板６との間に絶縁破壊が生じ、カソードインサート１から放出された１次電子が加速される。この１次電子が空洞部２内のキセノンガスに衝突して，図８に示す電離プラズマ（内部プラズマ２０）がオリフィス板４側の空洞部２に生成される。
【０００６】
この状態で放電容器１９の放電電源陽極部分に放電電圧＋２０〜＋６０Ｖを印加すると、内部プラズマ２０から新たに２次電子が引き出されて、１次電子と共に放電容器１９内のキセノンガスに衝突し、別の２つの電離プラズマ（キーパプラズマ２１、外部プラズマ２２）が生成される。キーパプラズマ２１は、内部プラズマ２０と外部プラズマ２２をつなぐ役目をしており、オリフィス板４のオリフィス７からキーパ電極板６の送出孔８を経て放電容器１９内に形成される。キーパプラズマ２１の形状には２種類（スポットモードとプルームモード）あり、長さ１ｃｍ程度の小さい冠球形状となる場合をスポットモード、長さ１０ｃｍ程度の大きい冠球形状となる場合をプルームモードと呼んでいる。放電電流が小さい領域ではプルームモード、大きい領域はスポットモードで動作している。通常、定常動作になるとヒータ９の加熱は停止され、キーパ電源は定電圧制御から定電流制御（０．５〜２Ａ程度）に変更される。
【０００７】
図７に示す従来型ホローカソードにおいては、ホローカソード動作に関して、キーパ電極板６、オリフィス板４及びカソードインサート１のキセノンイオン等による浸食という問題がある。即ち、外部プラズマ２２で生成されたキセノンイオン（Ｘｅ⁺ ，Ｘｅ²⁺等）が放電電場によって電子と逆向きに加速されて、キーパ電極板６、オリフィス板４又はカソードインサート１の一部表面に衝突し、その衝突部分がスパッタされる。同様に、キーパプラズマ２１から放出される紫外線及びキーパプラズマ２１領域に存在する高温（２０００〜３０００Ｋ程度）の中性粒子も、キーパ電極板６とオリフィス板４の浸食作用を促進させる。同じく、内部プラズマ２０から放出される紫外線も、カソードインサート１内部表面の浸食作用を促進させる。カソードインサート１の内部表面が侵食されると、仕事関数が上昇し内部プラズマ２０の放電損失の増加を招く。一方、キーパ電極板６とオリフィス板４の表面が浸食されると、オリフィス７や送出孔８が拡大・変形し、放電電圧とキーパ電圧の増加及び放電不安定性が生じる。更に、この現象は、外部プラズマ２２の影響も受けるので、ホローカソード単体の試験と電気推進機等への組込試験とで浸食率が大きく異なるという問題も引き起こす。このような浸食現象は、ホローカソードの寿命決定要因となっていた。
【０００８】
上記問題を回避するため、従来、オリフィス板及びキーパ電極板の一部又は全部に炭素系材料又は炭素系複合材料等の耐スパッタ特性の高い材料を用いたホローカソード（以下、「改良型ホローカソード」と称する）が提案されている。図９は、この改良型ホローカソードの一部断面図である。図９に示す改良型ホローカソードにおいては、図７に示す従来型ホローカソードと同一部分については同一符号が用いられているので、重複した説明を省略する。改良型ホローカソードでは、オリフィス板３０とカソードチューブ３２及びキーパ電極板３１に、炭素系材料又は炭素系複合材料等の耐スパッタ特性の高い材料が用いられている。これらの材料はスパッタリング現象が生じる粒子エネルギの閾値が高いことから、オリフィス板３０とキーパ電極板３１の浸食の抑制が可能となる。
【０００９】
しかしながら、改良型ホローカソードにも以下のような熱設計上の問題がある。オリフィス板３０とカソードチューブ３２及びキーパ電極板３１を形成している材料は、炭素系材料又は炭素系複合材料等であって輻射率が０．８５以上と極めて大きいため、従来の金属材料を用いた場合に比べて、オリフィス板３０からキーパ電極板３１への輻射による熱流出量が１０倍以上大きい。同様に、キーパ電極板３１から放電容器１９への熱流出量も増大する。このため、改良型ホローカソードにおいては、点火時のヒータ加熱に長時間を要する、ヒータ電力が増大する、放電容器１９への熱流出により放電容器１９の側壁１８に取り付けられた永久磁石が減磁する等の熱設計上の問題が生じていた。
【００１０】
なお、ホローカソードについての公知文献として、熱制御に関しては特許文献１（陰極パイプの外側に複数の筒体を同心状に配置した多重熱シールドを切り起こし片で接合して熱伝導を低下させる）等、幾つかある。また、特許文献２に開示されているホローカソードは、放電形成用ガスを導く陰極パイプの内周面に沿って設けられた放電電極と、この放電電極の一端に接合されガスと電子のための噴出孔を有する陰極円板と、この陰極円板に対向する陽極のキーパ電極とを備え、ガス流量が少ないときでも放電の安定・持続を図っている。これらの文献においては、形状・構造において僅かの類似点は有るものの、本発明とは課題及び具体的な構造で異なるものである。
【００１１】
このように改良型ホローカソードにおいては、オリフィス板、カソードチューブ及びキーパ電極板が炭素系材料又は炭素系複合材料等の高輻射率材料で作られているために、オリフィス板からキーパ電極板への熱流出、及びキーパ電極板から放電容器への熱流出が大きく、点火時のヒータ加熱の長時間化、ヒータ電力の増大、放電室磁石の減磁等の熱設計上の問題が生じていた。ヒータ加熱の長時間化は、ヒータ焼き切れやアルミナ溶射の破損を招くとともに、宇宙利用で求められる短時間でのスタートアップの妨げになり、ヒータ電力の増大は、同じくヒータ焼き切れやアルミナ溶射の破損を招くとともに、電源の大型化が必要となるためシステム重量と体積の増大となる。更に、放電室磁石の減磁は、電気推進機の推進性能を大幅に低下させることになる。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１−１６９８５７号公報（第２頁〜第３頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１−３０９２４１号公報（第３頁、第１図）
【特許文献３】
特開２０００−１６１２０１号公報（第２欄〜第３欄、図７）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、ホローカソードにおいて、カソードインサートの内部に形成される内部プラズマが放電容器内に生成される外部プラズマにつながるときの通路となるオリフィスが形成されているオリフィス板から、放電容器等の外側への熱流出を抑制する点で解決すべき課題がある。
【００１４】
この発明の目的は、上記のオリフィス板から放電容器等の外側への熱流出を抑制することにより、点火時のヒータ加熱の長時間化やヒータ電力の増大に起因したヒータ焼き切れやアルミナ溶射の破損を招くことなく、点火時における短時間でのスタートアップを実現し、電源の大型化に起因したシステム重量と体積の増大とを回避し、更に、放電室磁石の減磁に起因した電気推進機の推進性能の低下を回避する等の、熱設計上の諸問題を解消することができるホローカソードを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明によるホローカソードは、ヒータを有する中空状のカソードチューブと、前記カソードチューブの先端部に取り付けられたオリフィスを有するオリフィス板と、前記カソードチューブに挿入され空洞部を持つ電子源としてのカソードインサートと、前記カソードチューブの内部に作動ガスを導入するガス導入系と、前記ガス導入系によって導かれた作動ガスを電離させて前記カソードインサートの前記空洞部内にプラズマを生成する手段とを有するホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に低輻射率材料からなる１枚又は複数枚の熱流量調整板が設けられていることを特徴としている。
【００１６】
このホローカソードによれば、中空状のカソードチューブと、オリフィスを有するオリフィス板と、電子源としてのカソードインサートと、カソードチューブの内部に作動ガスを導入するガス導入系と、ガス導入系によって導かれた作動ガスを電離させてカソードインサートの空洞部内にプラズマを生成する手段とを有し、オリフィス板の下流側に低輻射率材料からなる熱流量調整板を備えているので、熱流量調整板の形状等を適当に選択することにより、熱流量調整板がオリフィス板から外部へ放出される熱流量を調整することが可能になる。従って、点火時におけるカソードチューブ内部の温度上昇と、その後の温度維持が確保され、最適な熱設計が可能となる。
【００１７】
このホローカソードにおいて、前記熱流量調整板に形成された１つ又は複数の小孔により定められる前記熱流量調整板の開口率によって、前記オリフィス板から外部への熱流出量を調整可能にすることができる。即ち、熱流量調整板に１つ又は複数の小孔を形成することにより、熱流量調整板の開口率がその小孔の大きさと数とにより定められ、その開口率に応じてオリフィス板から外部への熱流出量を調整することができる。従って、開口率の異なる複数種類の熱流量調整板を予め用意することで、適当な熱流量調整板を選択するか、或いは、設計された熱流出量に応じて、小孔の大きさ又は個数を定め、所定の開口率となる熱流量調整板を製作することができる。
【００１８】
このホローカソードにおいて、前記熱流量調整板に前記オリフィスに対応して形成されている接続孔の孔径は、前記オリフィス板の前記オリフィスの孔径と等しいか又は大きい孔径とすることができる。熱流量調整板はＸｅイオンの衝突を受けるため、長時間運転では接続孔の周辺が浸食されることが予想されるが、接続孔の孔径をオリフィス板のオリフィスの径と等しいか又は大きい孔径とすることで、ホローカソードの電子放出性能への影響を小さくすることができ、また熱流量調整板が浸食を受ける範囲が接続孔の周辺に限られることにより、熱流量調整板の浸食進行後も、熱流量調整板による熱遮蔽の効果が持続する。更に、長時間運転での熱流量調整板の浸食予想部分を予め接続孔として欠落させることで、長時間運転による熱流量調整板の浸食を抑制して、長時間運転中の熱流量調整板の形状変化を防止し、ホローカソードの安定した動作を得ることができる。
【００１９】
このホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側には、前記カソードインサート内に生じた前記プラズマ中の電子を前記オリフィス板の前記オリフィスから引き出して送出孔から外部へ送り出すキーパ電極板を設け、前記熱流量調整板を前記オリフィス板と前記キーパ電極板との間に配置することができる。熱流量調整板の配置位置については、オリフィス板側、即ち、オリフィス板のキーパ電極板に対面する側であっても、或いはキーパ電極板側、即ち、キーパ電極板のオリフィス板に対面する側であってもよく、また、オリフィス板とキーパ電極板の互いに面する両側に配置することもできる。
【００２０】
このホローカソードにおいて、前記オリフィス板及び前記カソードチューブの一部又は全部を耐スパッタ特性の高い材料から形成することができる。耐スパッタ特性の高い材料としては、既に取り上げた炭素系材料又は炭素系複合材料とすることができる。これらの材料はスパッタリング現象が生じる粒子エネルギの閾値が高いことから、オリフィス板とカソードチューブとの浸食を抑制することが可能である。
【００２１】
このホローカソードにおいて、前記キーパ電極板及び前記オリフィス板の一部又は全部を耐スパッタ特性の高い材料から形成することができる。耐スパッタ特性の高い材料としては、既に取り上げた炭素系材料又は炭素系複合材料とすることができる。これらの材料はスパッタリング現象が生じる粒子エネルギの閾値が高いことから、キーパ電極板とオリフィス板との浸食を抑制することが可能である。
【００２２】
このホローカソードにおいて、前記熱流量調整板を溶射等のコーティングで形成することができる。熱流量調整板については、板材から形成することができるのは勿論であるが、溶射等のコーティングによって層として形成することもでき、接続孔や小孔はマスキング等によって容易に形成することができる。
【００２３】
【実施例】
以下、図面を参照してこの発明によるホローカソードの実施例を説明する。図１は、本発明の第１実施例に係わるホローカソードを示す断面図である。なお、第１実施例においては、図９に示す従来の改良型ホローカソードと同一部分については同一符号を用いているため、重複した詳細な説明を省略する。
【００２４】
第１実施例に係わるホローカソードは、図９に示す改良型ホローカソードと対比して、プラズマの流れ方向に見て、オリフィス板３０の下流側に熱流量調整板４１が取り付けられている点で異なっている。熱流量調整板４１には、オリフィス板のオリフィス７に対応してオリフィス７と同程度又は少し大きめの接続孔４２が形成されている。熱流量調整板４１は、ニオブ又はタンタル又はタングステン又はモリブデン等の輻射率の低い金属材料又は複合材料等で作られているため、オリフィス板３０からキーパ電極板３１への熱流出、及びオリフィス７に対応してキーパ電極板３１の中央部に形成されている送出孔８を通しての熱流出が低減される。熱流量調整板４１には、図２に示されるような小孔４３が複数個形成されており、小孔４３の大きさや個数を変化させることによりオリフィス板３０からキーパ電極板３１及びその送出孔８への熱流出量が調整され、ホローカソードの熱設計の最適化が可能となる。なお、オリフィス板３０には小孔４３を必ずしも形成する必要はなく、小孔４３が無い熱流量調整板４１を用いた場合には最も大きな熱遮蔽効果が期待される。熱流量調整板４１はＸｅイオンの衝突を受けるため、長時間運転では接続孔４２の周辺が浸食されることが予想されるが、ホローカソードの電子放出性能への影響は小さい。また、熱流量調整板４１が浸食を受ける範囲は接続孔４２の周辺に限られるため、熱流量調整板４１の浸食が進行した後にも熱流量調整板４１による熱遮蔽の効果は持続する。第１実施例では、従来の熱シールド１０と熱流量調整板４１とを一体とすることも可能である。
【００２５】
図３は、本発明の第２実施例に係わるホローカソードの断面図である。図３に示すホローカソードでは、図１に示す第１実施例と同一部分には同一符号を用いているため、重複する詳細な説明を省略する。第２実施例では、第１実施例と同様にオリフィス板３０側に低輻射率材料で作られた熱流量調整板４４が配置されているが、熱流量調整板４４の接続孔４５が第１実施例の場合よりも大きく形成されている。第２実施例においては、長時間運転での熱流量調整板４４の浸食予想部分を予め接続孔４５として欠落させており、長時間運転による熱流量調整板４４の浸食は生じない。このため、長時間運転中の熱流量調整板４４の形状変化は生じず、ホローカソードの安定した動作が可能である。熱流量調整板４４は、第１実施例における熱流量調整板４１と同様の熱流量調整機能を有するが、熱流量調整板４４による熱遮蔽能力は第１実施例よりも低下する。第２実施例では、従来の熱シールド１０と熱流量調整板４４を一体とすることも可能である。また、第１実施例及び第２実施例では、キーパ電極板３１は必ずしも必要ではない。
【００２６】
図４は、本発明の第３実施例に係わるホローカソードを示す断面図である。図４に示すホローカソードでは図９に示す改良型ホローカソードと同一部分には同一符号を用いているため、重複した詳細な説明を省略する。第３実施例に係わるホローカソードは、図９に示されている改良型ホローカソードと対比して、オリフィス板３０の下流側であるが、オリフィス板３０に対向するキーパ電極板３１側に、金属等の低輻射率材料で製作された熱流量調整板４６が取り付けられている点で異なっている。熱流量調整板４６には、オリフィス板３０のオリフィス７とキーパ電極板３１の送出孔８に対応した中心部において、送出孔８と同程度又は少し大きめの接続孔４７が開いている。輻射率の低い熱流量調整板４６の介在により、オリフィス板３０からキーパ電極板３１への熱流出が低減される。熱流量調整板４６は、第１実施例における熱流量調整板４１と同様の熱流量調整機能を有する。第３実施例では、スパッタ・シールド１２と熱流量調整板４６を一体とすることも可能である。
【００２７】
図５は、本発明の第４実施例に係わるホローカソードを示す断面図である。第４実施例は、第１実施例と第３実施例の両者を選択的に組み合わせて構成されており、図１に示すホローカソード及び図４に示すホローカソードにおいて採用されていた部分については、それらに付されていた符号と同一符号を用いているので、重複する詳細な説明を省略する。第４実施例では、オリフィス板３０側の熱流量調整板４１とキーパ電極３１側の熱流量調整板４６とが存在するため、オリフィス板３０からキーパ電極板３１への熱流出を大幅に低減することが可能である。第４実施例においては、第１実施例と同様に、熱流量調整板４１がＸｅイオンの衝突を受けるが、その浸食範囲は接続孔４２の周辺に限られるため、熱流量調整板４１の浸食が進行した後にも、熱流量調整板４１による熱遮蔽の効果が持続する。
【００２８】
図６は、本発明の第５実施例に係わるホローカソードを示す断面図である。第５実施例は、第２実施例と第３実施例の両者を選択的に組み合わせて構成されており、図３に示すホローカソード及び図４に示すホローカソードにおいて採用されていた部分については、それらに付されていた符号と同一符号を用いているので、重複する詳細な説明を省略する。第５実施例では、オリフィス板３０側の熱流量調整板４４とキーパ電極３１側の熱流量調整板４６の両者が存在するため、オリフィス板３０からキーパ電極３１への熱流出を大幅に低減することが可能である。第５実施例においては、第２実施例と同様に、熱流量調整板４４の浸食予想部分は予め接続孔４５として欠落されているため、長時間運転中の熱流量調整板４４の形状変化は生じず、ホローカソードの安定した動作が可能である。熱流量調整板４１，４４，４６については、複数の板材から構成することも、溶射等のコーティングによって構成することも可能である。
【００２９】
なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものではない。即ち、上記の各実施例では推進剤としてＸｅガスを使用しているが、推進剤はＸｅガスに限定されるものではない。また、オリフィス板３０、キーパ電極板３１、オリフィス板３０側の熱流量調整板４１，４４及びキーパ電極３１側の熱流量調整板４６は、平板である必要はない。更に、熱流量調整板４１，４４はオリフィス板３０に密着している必要はなく、熱流量調整板４６はキーパ電極板３１に密着している必要もなく、それぞれオリフィス板３０又はキーパ電極板３１との間に適宜の隙間を置いて配置することも可能である。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行って実施可能である。
【００３０】
【発明の効果】
この発明によるホローカソードによれば、中空状のカソードチューブと、オリフィスを有するオリフィス板と、電子源としてのカソードインサートと、カソードチューブの内部に作動ガスを導入するガス導入系と、ガス導入系によって導かれた作動ガスを電離させてカソードインサートの空洞部内にプラズマを生成する手段とを有し、オリフィス板の下流側に低輻射率材料からなる１枚又は複数枚の熱流量調整板を設けたことを特徴としているので、熱流量調整板の形状等を適当に選択することにより、熱流量調整板がオリフィス板から外部へ放出される熱流量を調整することができる。従って、このホローカソードによれば、点火時のヒータ加熱の長時間化やヒータ電力の増大に起因したヒータ焼き切れやアルミナ溶射の破損を招くことなく、点火時において短時間でのスタートアップを実現することができる。また、ヒータ電力を増大する必要がなくなるので、電源の大型化に起因したシステム重量と体積の増大とを回避することができ、更に、放電室磁石の減磁に起因した電気推進機の推進性能の低下を回避する等の、熱設計上の諸問題を解消することができる。即ち、長期間運転が可能な電子源であるホローカソードにおいて、オリフィス板から外部へ放出される熱流量の調整が可能であり、ヒータ加熱時間の長期化、ヒータ電力の増大、放電室磁石の減磁等の熱設計上の問題を解決することができ、長期間の宇宙利用に適したホローカソードの設計や製作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例に係わるホローカソードの一部を示す断面図である。
【図２】図１に示すホローカソードに用いられるオリフィス板側の熱流量調整板を示す概要平面図である。
【図３】この発明の第２実施例に係わるホローカソードの一部を示す断面図である。
【図４】この発明の第３実施例に係わるホローカソードの一部を示す断面図である。
【図５】この発明の第４実施例に係わるホローカソードの一部を示す断面図である。
【図６】この発明の第５実施例に係わるホローカソードの一部を示す断面図である。
【図７】従来のホローカソードを一部切欠して示す断面図である。
【図８】ホローカソード近傍に形成される電離プラズマの概要図である。
【図９】従来のホローカソードを改良してオリフィス板及びカソードチューブ及びキーパ電極板に耐スパッタ特性の高い材料を使用した改良型ホローカソードの一部の断面図である。
【符号の説明】
１カソードインサート２空洞部
３カソードチューブ４オリフィス板
５カソードインサート支持部６キーパ電極板
７オリフィス８送出孔
９ヒータ１０熱シールド
１１キーパ電極支持部絶縁円筒１２スパッタ・シールド
１３ベース板
１４，１５，１６電流導入端子
１７ガス導入系１８側壁
１９放電容器
２０内部プラズマ２１キーパプラズマ
２２外部プラズマ
３０オリフィス板（改良型）３１キーパ電極板（改良型）
３２カソードチューブ（改良型）
４１，４４，４６熱流量調整板４２，４５，４７接続孔
４３小孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hollow cathode mounted on a space structure such as an artificial satellite.
[0002]
[Prior art]
There is a hollow cathode as a long-life electron source mounted on space structures such as artificial satellites and space stations. As space applications, ion engines used for orbit control of satellites, north-south position maintenance, main propulsion, etc. There are an electron source of an electric propulsion machine such as the above, a plasma conductor used for preventing charging of a space station and the like.
[0003]
Among such hollow cathodes, the main part of the hollow cathode with an orifice is usually configured as shown in FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of a part of the hollow cathode disclosed in Patent Document 3, which is the basis of the present invention, and a member denoted by reference numeral 1 in the drawing is a cathode serving as an initial emission source of electrons. The cathode insert 1 has a columnar cavity 2 formed at the center thereof. The cathode insert 1 is made of porous tungsten (W) impregnated with barium oxide (BaO), and the work function of the surface facing the cavity 2 after activation is reduced to about 2 eV. The cathode insert 1 is inserted into a cylindrical cathode tube 3 made of tantalum (Ta), and thorium tungsten (ThO) positioned at the tip of the cathode tube 3 by a cathode insert support portion 5 made of Ta. ₂ -It is pressed against the orifice plate 4 made of (W). On the front surface of the orifice plate 4, a keeper electrode plate 6 made of Ta is formed. For example, a hole-shaped orifice 7 having a diameter of about 0.3 to 1.5 mm is opened at the center of the orifice plate 4, and the keeper electrode plate 6 has a diameter of about 2 to 8 mm at the center corresponding to the orifice 7. The delivery hole 8 is open.
[0004]
A heater 9 embedded in an alumina sprayed layer is disposed outside the cathode tube 3, and a Ta heat shield 10 surrounds the outside. The keeper electrode plate 6 is fixed by an insulating cylinder 11 of a keeper electrode support portion, and a Ta-made sputter shield 12 is covered around the insulating cylinder 11. The cathode tube 3 and the keeper electrode support part insulating cylinder 11 are fixed to a base plate 13. In addition to these, three current introduction terminals 14, 15, 16 for flowing current to the heater 9 and the keeper electrode plate 6 and a gas introduction system 17 are also fixed to the base plate 13. The heater 9 is connected to the current introduction terminal 15 and the cathode tube 3, the keeper electrode plate 6 is connected to the current introduction terminal 16, and the base plate 13 is connected to the current introduction terminal 14. The base plate 13 is usually fixed to the center of the canopy of the discharge vessel 19 and is kept at the cathode potential of the discharge power source. The anode of the discharge power source is provided on the side wall 18 of the discharge vessel 19 away from the hollow cathode. The current introduction terminal 15 is connected to the positive terminal of the heater power supply, the current introduction terminal 16 is connected to the positive terminal of the keeper power supply, and the current introduction terminal 14 is connected to the negative terminals of three power supplies (heater power supply, keeper power supply, and discharge power supply). ing.
[0005]
Such a hollow cathode ignition procedure is as follows. First, the temperature of the cathode insert 1 is raised to about 1000 ° C. by heating the heater 9. Next, when a propellant (for example, xenon (Xe)) gas is introduced from the gas introduction system 17 into the cavity 2 of the cathode insert 1 with a voltage of about +200 V applied to the keeper electrode plate 6, the cathode insert 1 and the keeper electrode A dielectric breakdown occurs between the plate 6 and the primary electrons emitted from the cathode insert 1 are accelerated. The primary electrons collide with the xenon gas in the cavity 2, and ionized plasma (internal plasma 20) shown in FIG. 8 is generated in the cavity 2 on the orifice plate 4 side.
[0006]
When a discharge voltage +20 to +60 V is applied to the discharge power source anode portion of the discharge vessel 19 in this state, secondary electrons are newly extracted from the internal plasma 20 and collide with the xenon gas in the discharge vessel 19 together with the primary electrons, Two other ionized plasmas (a keeper plasma 21 and an external plasma 22) are generated. The keeper plasma 21 serves to connect the internal plasma 20 and the external plasma 22, and is formed in the discharge vessel 19 from the orifice 7 of the orifice plate 4 through the delivery hole 8 of the keeper electrode plate 6. There are two types of shapes of the keeper plasma 21 (spot mode and plume mode). The case where the crown ball shape is a small crown shape of about 1 cm in length is a spot mode, and the case of a large crown ball shape of a length of about 10 cm is a plume mode. I'm calling. The plume mode is operated in a region where the discharge current is small, and the spot mode is operated in a large region. Normally, when the operation becomes steady, the heating of the heater 9 is stopped, and the keeper power source is changed from constant voltage control to constant current control (about 0.5 to 2 A).
[0007]
In the conventional hollow cathode shown in FIG. 7, there is a problem of erosion of the keeper electrode plate 6, the orifice plate 4 and the cathode insert 1 due to xenon ions or the like with respect to the hollow cathode operation. That is, xenon ions (Xe) generated by the external plasma 22 ⁺ , Xe ²⁺ Etc.) is accelerated in the direction opposite to the electrons by the discharge electric field, and collides with a part of the surface of the keeper electrode plate 6, the orifice plate 4 or the cathode insert 1, and the colliding portion is sputtered. Similarly, ultraviolet rays emitted from the keeper plasma 21 and high-temperature (approximately 2000 to 3000 K) neutral particles existing in the keeper plasma 21 region also promote the erosion action of the keeper electrode plate 6 and the orifice plate 4. Similarly, the ultraviolet rays emitted from the internal plasma 20 promote the erosion action of the inner surface of the cathode insert 1. When the inner surface of the cathode insert 1 is eroded, the work function is increased and the discharge loss of the internal plasma 20 is increased. On the other hand, when the surfaces of the keeper electrode plate 6 and the orifice plate 4 are eroded, the orifice 7 and the delivery hole 8 are enlarged and deformed, and discharge voltage and keeper voltage increase and discharge instability occur. Furthermore, since this phenomenon is also affected by the external plasma 22, it causes a problem that the erosion rate is greatly different between the test of the hollow cathode alone and the incorporation test into an electric propulsion unit or the like. Such an erosion phenomenon has become a determinant of the lifetime of the hollow cathode.
[0008]
In order to avoid the above problem, conventionally, a hollow cathode (hereinafter referred to as “an improved hollow cathode”) using a material having high spatter resistance such as a carbon-based material or a carbon-based composite material for part or all of the orifice plate and the keeper electrode plate. Has been proposed). FIG. 9 is a partial cross-sectional view of this improved hollow cathode. In the improved hollow cathode shown in FIG. 9, the same reference numerals are used for the same parts as those of the conventional hollow cathode shown in FIG. In the improved hollow cathode, a material having high sputtering resistance such as a carbon-based material or a carbon-based composite material is used for the orifice plate 30, the cathode tube 32, and the keeper electrode plate 31. Since these materials have a high threshold of particle energy at which a sputtering phenomenon occurs, erosion of the orifice plate 30 and the keeper electrode plate 31 can be suppressed.
[0009]
However, the improved hollow cathode has the following thermal design problems. The material forming the orifice plate 30, the cathode tube 32, and the keeper electrode plate 31 is a carbon-based material or a carbon-based composite material and has a very high emissivity of 0.85 or more, so a conventional metal material is used. Compared with the case where the heat flows out, the heat outflow due to radiation from the orifice plate 30 to the keeper electrode plate 31 is 10 times or more larger. Similarly, the heat outflow amount from the keeper electrode plate 31 to the discharge vessel 19 also increases. For this reason, in the improved hollow cathode, it takes a long time to heat the heater at the time of ignition, the heater power increases, and the permanent magnet attached to the side wall 18 of the discharge vessel 19 is demagnetized due to the heat outflow to the discharge vessel 19. There was a problem in thermal design such as
[0010]
In addition, as a publicly known document about the hollow cathode, as for thermal control, Patent Document 1 (multiple heat shields in which a plurality of cylindrical bodies are concentrically arranged outside the cathode pipe is cut up and joined by pieces to reduce heat conduction). Etc., there are some. In addition, the hollow cathode disclosed in Patent Document 2 is provided with a discharge electrode provided along an inner peripheral surface of a cathode pipe that guides a discharge forming gas, and is connected to one end of the discharge electrode for gas and electrons. A cathode disk having ejection holes and an anode keeper electrode facing the cathode disk are provided to stabilize and sustain the discharge even when the gas flow rate is small. In these documents, although there are slight similarities in shape and structure, the present invention differs from the present invention in the problem and the specific structure.
[0011]
Thus, in the improved hollow cathode, the orifice plate, the cathode tube, and the keeper electrode plate are made of a high emissivity material such as a carbon-based material or a carbon-based composite material. Heat outflow and heat outflow from the keeper electrode plate to the discharge vessel are large, causing problems in thermal design such as longer heater heating during ignition, increased heater power, and demagnetization of the discharge chamber magnet. Prolonged heating of the heater leads to burnout of the heater and damage to the alumina spray, and also hinders startup in a short time required for space use. In addition, since the power source needs to be enlarged, the system weight and volume are increased. Furthermore, the demagnetization of the discharge chamber magnet significantly reduces the propulsion performance of the electric propulsion device.
[0012]
[Patent Document 1]
JP-A-1-169857 (pages 2 to 3 and FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-1-309241 (page 3, FIG. 1)
[Patent Document 3]
JP 2000-161201 A (second column to third column, FIG. 7)
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, in the hollow cathode, from the orifice plate in which an orifice is formed as a passage when the internal plasma formed in the cathode insert is connected to the external plasma generated in the discharge vessel, the outside of the discharge vessel or the like is formed. There is a problem to be solved in terms of suppressing heat outflow.
[0014]
The object of the present invention is to suppress the heat outflow from the orifice plate to the outside of the discharge vessel or the like, so that the heater burns out and the alumina sprays due to the prolonged heater heating at the time of ignition and the increase in the heater power. An electric propulsion device that realizes start-up in a short time during ignition without causing damage, avoids an increase in system weight and volume due to an increase in power supply, and further, due to demagnetization of the discharge chamber magnet It is an object of the present invention to provide a hollow cathode capable of solving various problems in thermal design, such as avoiding a decrease in propulsion performance.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a hollow cathode according to the present invention comprises a hollow cathode tube having a heater, an orifice plate having an orifice attached to the tip of the cathode tube, and a hollow portion inserted into the cathode tube. A cathode insert as an electron source, a gas introduction system for introducing a working gas into the cathode tube, and a working gas guided by the gas introduction system are ionized to generate plasma in the cavity of the cathode insert A hollow cathode having one or more heat flow rate adjusting plates made of a low emissivity material on the downstream side of the orifice plate.
[0016]
According to this hollow cathode, it is guided by a hollow cathode tube, an orifice plate having an orifice, a cathode insert as an electron source, a gas introduction system for introducing a working gas into the cathode tube, and a gas introduction system. Means for generating plasma in the cavity of the cathode insert by ionizing the working gas, and a heat flow rate adjusting plate made of a low emissivity material is provided on the downstream side of the orifice plate. By appropriately selecting the shape and the like, it is possible to adjust the heat flow rate that is released from the orifice plate to the outside by the heat flow rate adjustment plate. Accordingly, the temperature inside the cathode tube during ignition and the subsequent temperature maintenance are ensured, and an optimal thermal design is possible.
[0017]
In this hollow cathode, the amount of heat flow from the orifice plate to the outside can be adjusted by the aperture ratio of the heat flow adjusting plate defined by one or more small holes formed in the heat flow adjusting plate. Can do. That is, by forming one or a plurality of small holes in the heat flow rate adjusting plate, the aperture ratio of the heat flow rate adjusting plate is determined by the size and number of the small holes, and from the orifice plate to the outside according to the aperture ratio. The amount of heat outflow to can be adjusted. Therefore, by preparing a plurality of types of heat flow rate adjustment plates with different opening ratios in advance, an appropriate heat flow rate adjustment plate can be selected, or the size or number of small holes can be selected according to the designed heat outflow amount. And a heat flow rate adjusting plate having a predetermined aperture ratio can be manufactured.
[0018]
In this hollow cathode, the hole diameter of the connection hole formed in the heat flow adjustment plate corresponding to the orifice can be equal to or larger than the hole diameter of the orifice of the orifice plate. Since the heat flow adjusting plate receives collision of Xe ions, it is expected that the periphery of the connection hole is eroded during long-time operation. However, the diameter of the connection hole is equal to or larger than the diameter of the orifice of the orifice plate. By doing so, the influence on the electron emission performance of the hollow cathode can be reduced, and the area where the heat flow adjusting plate is subject to erosion is limited to the periphery of the connection hole, so that the erosion of the heat flow adjusting plate can be continued. The effect of heat shielding by the heat flow adjusting plate is sustained. Furthermore, by eroding the predicted corrosion portion of the heat flow adjustment plate in the long-time operation as a connection hole in advance, the erosion of the heat flow adjustment plate due to the long-time operation is suppressed, and the heat flow adjustment plate in the long-time operation is suppressed. The shape change can be prevented, and the stable operation of the hollow cathode can be obtained.
[0019]
In this hollow cathode, a keeper electrode plate is provided on the downstream side of the orifice plate to draw out electrons in the plasma generated in the cathode insert from the orifice of the orifice plate and send them out from a delivery hole. A flow rate adjusting plate can be disposed between the orifice plate and the keeper electrode plate. Regarding the position of the heat flow rate adjusting plate, even on the orifice plate side, that is, the side facing the keeper electrode plate of the orifice plate, or on the keeper electrode plate side, that is, the side facing the orifice plate of the keeper electrode plate. It may also be arranged on both sides of the orifice plate and the keeper electrode plate facing each other.
[0020]
In this hollow cathode, a part or all of the orifice plate and the cathode tube can be formed of a material having high sputtering resistance. As the material having high sputtering resistance, the carbon-based material or the carbon-based composite material already taken up can be used. Since these materials have a high threshold of particle energy at which a sputtering phenomenon occurs, erosion between the orifice plate and the cathode tube can be suppressed.
[0021]
In this hollow cathode, a part or all of the keeper electrode plate and the orifice plate can be formed of a material having high sputtering resistance. As the material having high sputtering resistance, the carbon-based material or the carbon-based composite material already taken up can be used. Since these materials have a high threshold of particle energy at which the sputtering phenomenon occurs, it is possible to suppress erosion between the keeper electrode plate and the orifice plate.
[0022]
In this hollow cathode, the heat flow rate adjusting plate can be formed by coating such as spraying. Of course, the heat flow adjusting plate can be formed from a plate material, but can also be formed as a layer by coating such as thermal spraying, and the connection holes and small holes can be easily formed by masking or the like. .
[0023]
【Example】
Embodiments of a hollow cathode according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a hollow cathode according to a first embodiment of the present invention. In the first embodiment, the same reference numerals are used for the same parts as those of the conventional improved hollow cathode shown in FIG. 9, and a detailed description thereof is omitted.
[0024]
The hollow cathode according to the first embodiment is different from the improved hollow cathode shown in FIG. 9 in that a heat flow rate adjusting plate 41 is attached to the downstream side of the orifice plate 30 when viewed in the plasma flow direction. Is different. The heat flow rate adjusting plate 41 is formed with a connection hole 42 corresponding to or slightly larger than the orifice 7 corresponding to the orifice 7 of the orifice plate. Since the heat flow rate adjusting plate 41 is made of a metal material or a composite material having a low emissivity such as niobium, tantalum, tungsten, or molybdenum, the heat flow from the orifice plate 30 to the keeper electrode plate 31 and the orifice 7 Correspondingly, heat outflow through the delivery hole 8 formed in the central portion of the keeper electrode plate 31 is reduced. A plurality of small holes 43 as shown in FIG. 2 are formed in the heat flow adjusting plate 41. By changing the size and number of the small holes 43, the orifice plate 30 to the keeper electrode plate 31 and its delivery hole are provided. The amount of heat flow to 8 is adjusted, and the thermal design of the hollow cathode can be optimized. It is not always necessary to form the small holes 43 in the orifice plate 30. When the heat flow rate adjusting plate 41 without the small holes 43 is used, the greatest heat shielding effect is expected. Since the heat flow rate adjusting plate 41 receives Xe ion collisions, it is expected that the periphery of the connection hole 42 is eroded during long-time operation, but the influence on the electron emission performance of the hollow cathode is small. Further, since the range where the heat flow rate adjusting plate 41 is eroded is limited to the periphery of the connection hole 42, the heat shielding effect by the heat flow rate adjusting plate 41 continues even after the erosion of the heat flow rate adjusting plate 41 has progressed. In the first embodiment, the conventional heat shield 10 and the heat flow adjusting plate 41 can be integrated.
[0025]
FIG. 3 is a cross-sectional view of a hollow cathode according to a second embodiment of the present invention. In the hollow cathode shown in FIG. 3, the same reference numerals are used for the same parts as those in the first embodiment shown in FIG. In the second embodiment, as in the first embodiment, the heat flow rate adjusting plate 44 made of a low emissivity material is disposed on the orifice plate 30 side, but the connection hole 45 of the heat flow rate adjusting plate 44 has the first connection hole 45. It is formed larger than the case of the embodiment. In the second embodiment, the expected erosion portion of the heat flow rate adjusting plate 44 in the long-time operation is previously omitted as the connection hole 45, and the heat flow rate adjusting plate 44 is not eroded by the long-time operation. For this reason, the shape change of the heat flow rate adjusting plate 44 during long-time operation does not occur, and the hollow cathode can be stably operated. The heat flow rate adjusting plate 44 has the same heat flow rate adjusting function as the heat flow rate adjusting plate 41 in the first embodiment, but the heat shielding ability by the heat flow rate adjusting plate 44 is lower than that in the first embodiment. In the second embodiment, the conventional heat shield 10 and the heat flow adjusting plate 44 can be integrated. In the first and second embodiments, the keeper electrode plate 31 is not always necessary.
[0026]
FIG. 4 is a sectional view showing a hollow cathode according to a third embodiment of the present invention. In the hollow cathode shown in FIG. 4, the same reference numerals are used for the same parts as in the improved hollow cathode shown in FIG. The hollow cathode according to the third embodiment is on the downstream side of the orifice plate 30 as compared with the improved hollow cathode shown in FIG. 9, but the keeper electrode plate 31 facing the orifice plate 30 has a metal A difference is that a heat flow rate adjusting plate 46 made of a low emissivity material such as is attached. The heat flow rate adjusting plate 46 has a connection hole 47 that is the same as or slightly larger than the delivery hole 8 at the center corresponding to the orifice 7 of the orifice plate 30 and the delivery hole 8 of the keeper electrode plate 31. The heat flow from the orifice plate 30 to the keeper electrode plate 31 is reduced by the intervention of the heat flow rate adjusting plate 46 having a low emissivity. The heat flow adjusting plate 46 has the same heat flow adjusting function as the heat flow adjusting plate 41 in the first embodiment. In the third embodiment, the sputter shield 12 and the heat flow adjusting plate 46 can be integrated.
[0027]
FIG. 5 is a sectional view showing a hollow cathode according to a fourth embodiment of the present invention. The fourth embodiment is configured by selectively combining both the first embodiment and the third embodiment, and the portions adopted in the hollow cathode shown in FIG. 1 and the hollow cathode shown in FIG. Since the same reference numerals as those used for them are used, overlapping detailed description is omitted. In the fourth embodiment, the heat flow adjustment plate 41 on the orifice plate 30 side and the heat flow adjustment plate 46 on the keeper electrode 31 side are present, so that the heat outflow from the orifice plate 30 to the keeper electrode plate 31 is greatly reduced. It is possible. In the fourth embodiment, as in the first embodiment, the heat flow adjusting plate 41 receives Xe ion collision, but the erosion range is limited to the periphery of the connection hole 42, so the erosion of the heat flow adjusting plate 41 is performed. The heat shielding effect by the heat flow rate adjusting plate 41 continues even after the process proceeds.
[0028]
FIG. 6 is a sectional view showing a hollow cathode according to a fifth embodiment of the present invention. The fifth embodiment is configured by selectively combining both the second embodiment and the third embodiment, and the portions adopted in the hollow cathode shown in FIG. 3 and the hollow cathode shown in FIG. Since the same reference numerals as those used for them are used, overlapping detailed description is omitted. In the fifth embodiment, both the heat flow adjusting plate 44 on the orifice plate 30 side and the heat flow adjusting plate 46 on the keeper electrode 31 side are present, so that the heat outflow from the orifice plate 30 to the keeper electrode 31 is greatly reduced. It is possible. In the fifth embodiment, as in the second embodiment, since the predicted erosion portion of the heat flow rate adjusting plate 44 is missing in advance as the connection hole 45, the shape change of the heat flow rate adjusting plate 44 during the long-time operation is It does not occur, and the stable operation of the hollow cathode is possible. The heat flow rate adjusting plates 41, 44, 46 can be constituted by a plurality of plate materials or by coating such as spraying.
[0029]
In addition, this invention is not limited to each Example mentioned above. That is, in each of the above embodiments, Xe gas is used as a propellant, but the propellant is not limited to Xe gas. Further, the orifice plate 30, the keeper electrode plate 31, the heat flow adjustment plates 41 and 44 on the orifice plate 30 side, and the heat flow adjustment plate 46 on the keeper electrode 31 side need not be flat plates. Further, the heat flow rate adjusting plates 41 and 44 do not need to be in close contact with the orifice plate 30, and the heat flow rate adjusting plate 46 does not have to be in close contact with the keeper electrode plate 31, and the orifice plate 30 or the keeper electrode plate 31 respectively. It is also possible to arrange them with an appropriate gap between them. The present invention can be implemented with various modifications without departing from the gist of the present invention.
[0030]
【The invention's effect】
According to the hollow cathode of the present invention, a hollow cathode tube, an orifice plate having an orifice, a cathode insert as an electron source, a gas introduction system for introducing a working gas into the cathode tube, and a gas introduction system Means for ionizing the introduced working gas to generate plasma in the cavity of the cathode insert, and one or more heat flow rate adjusting plates made of a low emissivity material are provided downstream of the orifice plate Therefore, by appropriately selecting the shape and the like of the heat flow rate adjusting plate, the heat flow rate released from the orifice plate to the outside by the heat flow rate adjusting plate can be adjusted. Therefore, according to this hollow cathode, start-up in a short time can be realized at the time of ignition without causing the heater to burn out or breakage of the alumina spray due to the prolonged heating of the heater at the time of ignition or an increase in the heater power. be able to. Further, since it is not necessary to increase the heater power, it is possible to avoid an increase in system weight and volume due to an increase in the size of the power source, and further, propulsion performance of the electric propulsion device due to demagnetization of the discharge chamber magnet. It is possible to solve various problems in the thermal design such as avoiding the decrease in the temperature. That is, in the hollow cathode, which is an electron source that can be operated for a long period of time, it is possible to adjust the flow rate of heat released from the orifice plate to the outside, extending the heater heating time, increasing the heater power, and reducing the discharge chamber magnet. The problem of thermal design such as magnetism can be solved, and it becomes possible to design and manufacture a hollow cathode suitable for long-term space use.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a part of a hollow cathode according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view showing a heat flow rate adjusting plate on the orifice plate side used in the hollow cathode shown in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of a hollow cathode according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing a part of a hollow cathode according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view showing a part of a hollow cathode according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing a part of a hollow cathode according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a conventional hollow cathode with a part cut away.
FIG. 8 is a schematic diagram of ionized plasma formed in the vicinity of a hollow cathode.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a part of an improved hollow cathode obtained by improving a conventional hollow cathode and using a material having high anti-sputtering properties for an orifice plate, a cathode tube, and a keeper electrode plate.
[Explanation of symbols]
1 Cathode insert 2 Cavity
3 Cathode tube 4 Orifice plate
5 Cathode insert support 6 Keeper electrode plate
7 Orifice 8 Delivery hole
9 Heater 10 Heat shield
11 Keeper electrode support part Insulating cylinder 12 Spatter shield
13 Base plate
14, 15, 16 Current introduction terminal
17 Gas introduction system 18 Side wall
19 Discharge vessel
20 Internal plasma 21 Keeper plasma
22 External plasma
30 Orifice plate (improved type) 31 Keeper electrode plate (improved type)
32 Cathode tube (improved type)
41, 44, 46 Heat flow adjustment plate 42, 45, 47 Connection hole
43 Small hole

Claims

作動ガスを電離させる１次電子を放出する空洞円柱状のカソードインサートと、該カソードインサートが内部に挿入され且つ該カソードインサートを加熱するヒータを備えたカソードチューブと、該カソードチューブの先端部に取り付けられ、離れた放電容器の側壁に設けられた陽極と前記カソードインサートが放電することにより前記空洞において生成される内部プラズマの流量を調整するオリフィスを備えたオリフィス板と、前記放電により新たに前記内部プラズマから引き出された２次電子が前記陽極の側へ引き出されるための送出孔を備え前記放電容器に面したキーパ電極板と、前記カソードチューブの内部に前記作動ガスを導入するガス導入系とを有するホローカソードにおいて、前記オリフィス板のオリフィスにオーバラップした接続孔を備え且つ低輻射率材料からなる１枚又は複数枚の、熱流量を調整する熱流量調整板が前記オリフィス板の下流側にタンデム状に設けられていることを特徴とする電子源としてのホローカソード。 A hollow cylindrical cathode insert that emits primary electrons that ionize the working gas, a cathode tube having a heater in which the cathode insert is inserted and which heats the cathode insert, and attached to the tip of the cathode tube An orifice plate provided on a side wall of a remote discharge vessel and an orifice plate for adjusting a flow rate of internal plasma generated in the cavity by discharge of the cathode insert; and A keeper electrode plate having a delivery hole for drawing secondary electrons drawn from the plasma to the anode side and facing the discharge vessel; and a gas introduction system for introducing the working gas into the cathode tube. A hollow cathode that overlaps the orifice of the orifice plate. Of one or a plurality consist and low emissivity material with a connection hole, as an electron source heat flow adjusting plate for adjusting the heat flow, characterized in that provided in tandem to a downstream side of the orifice plate The hollow cathode.

前記熱流量調整板に形成された１つ又は複数の小孔により定められる前記熱流量調整板の開口率によって、前記オリフィス板から外部への熱流出量を調整可能にしたことを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。The amount of heat outflow from the orifice plate to the outside can be adjusted by an aperture ratio of the heat flow adjustment plate defined by one or a plurality of small holes formed in the heat flow adjustment plate. Item 5. The hollow cathode according to Item 1.

前記熱流量調整板に前記オリフィスに対応して形成されている前記接続孔の孔径は、前記オリフィス板の前記オリフィスの孔径と等しいか又は大きい孔径であることを特徴とする請求項２に記載のホローカソード。The hole diameter of the connection hole formed in the heat flow adjustment plate corresponding to the orifice is equal to or larger than the hole diameter of the orifice of the orifice plate. Hollow cathode.

前記オリフィス板の下流側には、前記カソードインサート内に生じた前記プラズマ中の電子を前記オリフィス板の前記オリフィスから引き出して送出孔から外部へ送り出すキーパ電極板が設けられており、前記熱流量調整板は前記オリフィス板と前記キーパ電極板との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。On the downstream side of the orifice plate, there is provided a keeper electrode plate that draws out electrons in the plasma generated in the cathode insert from the orifice of the orifice plate and sends them out from a delivery hole. The hollow cathode according to claim 1, wherein a plate is disposed between the orifice plate and the keeper electrode plate.

前記オリフィス板及び前記カソードチューブの一部又は全部が、耐スパッタ特性の高い材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。2. The hollow cathode according to claim 1, wherein a part or all of the orifice plate and the cathode tube are formed of a material having high sputtering resistance.

前記キーパ電極板及び前記オリフィス板の一部又は全部が、耐スパッタ特性の高い材料で形成されていることを特徴とする請求項４に記載のホローカソード。5. The hollow cathode according to claim 4, wherein a part or all of the keeper electrode plate and the orifice plate are formed of a material having high sputtering resistance.

前記熱流量調整板は、溶射のコーティングで形成されていることを特徴とする請求項４に記載のホローカソード。The hollow cathode according to claim 4, wherein the heat flow adjusting plate is formed by thermal spray coating.