JP2000130316A - ホローカソードおよびその応用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 カソードからの熱電子放出の比率を増やすこ
とで、高電子電流を引き出しながら、引き出しビームエ
ネルギーが高く、低温で動作し、低電圧動作の可能な長
寿命のホローカソードを提供する。 【解決手段】 陰極パイプと、陰極パイプの先端に気密
に接合され、その中心に開口を有する陰極円板と、前記
陰極パイプと前記陰極円板とで形成されたカップ状陰極
部材の内面を被覆し、前記陰極円板の中心開口より径の
大きな開口を有する低仕事関数材料からなる電子放出体
を備えた構成にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ホローカソード、
更に詳しくは例えば人工衛星等に搭載されるイオンエン
ジン等に組み込まれるホローカソードの構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は例えば特開昭６０ー２６４０１６
号公報に開示された従来のイオンエンジンに組み込まれ
るホローカソードの断面を示す図である。図において、
１は放電維持用陽極であるキーパ電極、２は陰極部、３
はホローカソードを外部から絶縁する絶縁器部である。
４はガス状の推進剤であり、絶縁器部３を通って、陰極
部２に流し込まれる。陰極部２は陰極パイプ２０とパイ
プ状電子放出体２１および陰極円板２２から構成され
る。一般にパイプ状電子放出体２１は低い仕事関数を実
現するために、アルカリまたはアルカリ土類金属、例え
ばバリウムの酸化物を組成に持つことが多い。陰極パイ
プ２０には、電気絶縁のためのヒータ絶縁層２３を介し
て加熱用のヒータ２４が巻かれている。陰極円板２２に
は、電子引き出しのため、ならびに、パイプ状電子放出
体２１内部に十分な推進剤圧力を保つため、中心に微細
孔があけられている。

【０００３】次に動作について説明する。ホローカソー
ドの起動にあたっては、始めに陰極パイプ２０内にガス
状の推進剤４を供給する。陰極パイプ２０内に供給され
た推進剤４は、陰極円板２２の微細孔を通ってキーパ電
極１へと流れる。次にヒータ２４に通電を行い、陰極部
２を加熱する。同時にキーパ電極１には陰極部２に対し
て数百Ｖの正の電圧を印加する。陰極部２の温度が上昇
することで挿入されているパイプ状電子放出体２１より
熱電子放出がみられるようになる。放出された電子は、
キーパ電極１の電位により作られた電界により加速され
エネルギーを得て、推進剤原子と衝突・電離が行われ放
電プラズマが形成され、そこで電子は増倍される。ガス
状推進剤４中を流れる電流により陰極部２はオーム加熱
され、キーパ電極１へと流れる電流を一定電流以上に保
てば、パイプ状電子放出体２１は放電による自己加熱の
みで熱電子放出に十分な温度を確保できる。この状態で
はヒータ２４による外部加熱は不必要であり、ヒータ２
４の通電を終了することができる。外部に正の電界を印
加すれば、以上の過程で生成された熱電子および放電に
より増倍された電子を引き出すことができ、ホローカソ
ードは電子源として動作する。より高い電子電流を引き
出そうとした場合、動作温度を上昇させ熱電子を増加さ
せるか、印加電界下での放電による増倍電子を増やすこ
とで実現される。

【０００４】以上の構成に加え、長寿命かつ低消費電力
を実現するものとして、例えば陰極部の断面図を図８に
示す特開昭５９−２２８３３８号公報での例が挙げられ
る。ここでは、パイプ状電子放出体２１を単純な中空円
筒構造ではなく、陰極円板２２に対向する側の端部を、
パイプの内径が陰極円板２２に向かって連続的または段
階的に大きくなる様に成形したものである。一定の推進
剤圧力の基では放電が陰極円板２２に対向する側の端部
にのみ集中するため（参考：Ｄ．Ｅ．Ｓｉｅｇｆｒｉｅ
ｄ ａｎｄ Ｐ．Ｊ．Ｗｉｌｂｕｒ，ＳＴＵＤＩＥＳ
ＯＮ ＡＮ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬ ＱＵＡＲＴＳ
ＴＵＢＥ ＨＯＬＬＯＷ ＣＡＴＨＯＤＥ，ＡＩＡＡ
７９−２９５６(１９７９)２６２．）、放電の集中する
領域に接するパイプ状電子放出体２１の面積を増加させ
ることで、パイプ状電子放出体２１上での熱電子放出電
流密度を軽減でき、低温、低電圧動作が可能になる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のホローカソード
は、以上のような原理で動作を行うため、より高い電子
電流を引き出そうとした場合、パイプ状電子放出体２１
の温度を上げることによる熱電子の増大を行うか、キー
パ電圧を上昇させ放電の電子増倍を増加させるしかなか
った。

【０００６】パイプ状電子放出体２１の温度を上げるこ
とによる熱電子の増大を行う場合、パイプ状電子放出体
２１の組成であるアルカリまたはアルカリ土類金属の酸
化物の高温下での蒸発が促進される。蒸発によりパイプ
状電子放出体２１の酸化物成分は失われていくため、高
温動作による蒸発の促進はパイプ状電子放出体２１の寿
命を著しく縮めることとなる。

【０００７】一方、放電の電子増倍を増加するためにキ
ーパ印加電圧を上昇させる場合、ホローカソードへの投
入エネルギーが上昇し、電子引き出しのエネルギー効率
が低下する。

【０００８】また、放電の電子増倍を増加させること
は、キーパ電極の作る電界により加速された初期熱電子
のエネルギーが推進剤原子の電離に消費されるところと
なり、ホローカソードから引き出される電子ビームのエ
ネルギーが低下することになる。例えば、イオンエンジ
ンの様なホローカソードを電子源として放電を惹起させ
るホローカソード応用装置では、放電電圧が上昇し、装
置全体のエネルギー効率が低下するばかりでなく、相対
的に高い放電電圧で作られた高エネルギー荷電粒子がも
たらすスパッタリングが応用装置寿命をも縮めることと
なる。

【０００９】本発明はかかる問題点を解決するためにな
されたものであり、カソードからの熱電子放出の比率を
増やすことで、高電子電流を引き出しながら、引き出し
ビームエネルギーが高く、低温で動作し、低電圧動作の
可能な長寿命のホローカソードを提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成に係
るホローカソードは、陰極パイプと、陰極パイプの先端
に気密に接合され、その中心に開口を有する陰極円板
と、前記陰極パイプと前記陰極円板とで形成されたカッ
プ状陰極部材の内面を被覆し、前記陰極円板の中心開口
より径の大きな開口を有する低仕事関数材料からなる電
子放出体を備えたものである。

【００１１】また、本発明の第２の構成に係るホローカ
ソードは、前記電子放出体が、前記パイプの内面を被覆
する円筒状部材と、前記陰極円板の内面を被覆する円板
状部材とからなるものである。

【００１２】また、本発明の第３の構成に係るホローカ
ソードは、前記電子放出体が、前記カップ状陰極部材の
内面を被覆する一体のカップ状部材からなるものであ
る。

【００１３】また、本発明の第４の構成に係るホローカ
ソードは、前記電子放出体の円板状部材を前記陰極円板
の内面に接合したものである。

【００１４】また、本発明の第５の構成に係るホローカ
ソードは、前記電子放出体の円筒状部材が前記陰極円板
に向って開口するロート状形状を有するものである。

【００１５】また、本発明の第６の構成に係るホローカ
ソードは、前記電子放出体の前記開口内面に、物理的衝
撃およびイオン衝撃に強く、前記電子放出体より高い仕
事関数を有する材料からなる円筒状部材を配置したもの
である。

【００１６】また、本発明の第７の構成に係るホローカ
ソードの応用装置は、第１〜６構成のいずれかのホロー
カソードを使用したものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】実施の形態１.以下、本発明の実
施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態１によ
るホローカソードの陰極部２の断面を示す図であり、従
来例に含まれるヒータ装置は省略してある。図では、パ
イプ状電子放出体２１の陰極円板２２側端部に接触する
ように、中心に陰極円板２２の微細孔より径の大きな貫
通孔のあいた円板状電子放出体３０を挿入している。そ
の他の記号は図７の従来例と同様である。

【００１８】従来の技術でも述べたように、ホローカソ
ードの放電はパイプ状電子放出体２１の陰極円板２２に
対向する側の端部にのみ集中する。従来例では、陰極円
板２２の放電に対向する面はパイプ状電子放出体２１に
比べ高仕事関数であり、パイプ状電子放出体２１が十分
な熱電子を放出する温度に達しても、電子放出はわずか
である。一方、本実施の形態では、陰極円板２２の放電
に対向する面にパイプ状電子放出体２１と同じ材質、ま
たは、同程度の仕事関数を持つ材質で作られた円板状電
子放出体３０をおくことにより、円板状電子放出体３０
の放電に対向する面からの熱電子放出が得られる。この
ため、熱電子放出面積が広がり、同一の電流値を引き出
すにあたって、ホローカソードの動作温度を低く抑える
ことができる。陰極円板２２は放電による加熱が大きい
位置なので、この内面に配置した電子放出体は面積の増
加以上の電子放出量の増加をもたらす。ホローカソード
の寿命は電子放出体に使われる物質の蒸発量で規定さ
れ、蒸発量は温度に指数関数的に依存するため、低温動
作により長寿命化が図れる。

【００１９】一方、同一温度の動作では、陰極部２とキ
ーパ電極１の間での放電による電子増倍量が、熱電子放
出量が増えることにより軽減され、キーパ電極に印加さ
れる電圧を低く抑えることができ、低消費電力での動作
が可能になる。

【００２０】さらに、ホローカソードから引き出される
電子ビームにおいて、陰極部２とキーパ電極１の間での
放電の電子増倍により生成される電子の比率が減少する
ことは、電子放出体から直接キーパ電位に加速された高
エネルギー電子の比率が増えることとなる。このような
高エネルギー電子ビームを例えばイオンエンジンの様な
放電応用装置に用いた場合、放電応用装置のアノード電
位を低減することが可能であり、従来のホローカソード
を装着した場合と比べて、放電応用装置において低消費
電力での動作が可能となる。

【００２１】上に述べた放電応用装置では、アノード電
位低圧下に伴い、装置内放電で生成されるイオンのエネ
ルギーを低く抑えられるため、装置内壁のイオンスパッ
タリングによる損傷を軽減でき、装置寿命の延命化を図
れる。

【００２２】実施の形態２.図２は本発明の実施の形態
２によるホローカソードの陰極部２の断面を示す図であ
り、従来例に含まれるヒータ装置は省略してある。図で
は、一体のカップ状電子放出体３１を陰極円板２２側を
底になるように挿入している。その他の記号は図７の従
来例と同様である。カップ状電子放出体３１の底にあた
る部分には陰極円板に開けられた微細孔よりも大きい貫
通孔があけられている。実施の形態１よりも少ない部品
点数で同じ効果が得られる。

【００２３】実施の形態３.図３は本発明の実施の形態
３によるホローカソードの陰極部２の断面を示す図であ
り、従来例に含まれるヒータ装置は省略してある。図で
は、陰極円板２２のパイプ状電子放出体に対向する面に
パイプ状電子放出体２１と同じ材質、または、同程度の
仕事関数を持つ材質で作られた円板状電子放出体２２ａ
を接合している。

【００２４】実施の形態４.図４は本発明の実施の形態
４によるホローカソードの陰極部２の断面を示す図であ
り、従来例に含まれるヒータ装置は省略してある。図で
は、特開昭５９ー２２８３３８号公報に示された、長寿
命かつ低消費電力を指向したパイプ状電子放出体２１と
して、陰極円板２２に対向する側の端部をパイプの内径
が陰極円板２２に向かって連続的または段階的に大きく
なり、陰極円板２２に向って開口したロート状形状とな
る様に成形したものを用いた例を示している。円板状電
子放出体３０は実施の形態１と同様である。ここで示し
た複雑な形状のパイプ状電子放出体２１においても、円
板状電子放出体３０との組み合わせによって、容易に熱
電子放出面を増大させることができる。また、円板状電
子放出体３０の中央にあけられた貫通孔内面に、高温陰
極材料のような力学的衝撃およびイオン衝撃に強い材質
で作られた中空円筒構造をもつ熱電子放出阻止壁３２を
挿入してある。熱電子放出阻止壁の材料は基本的には仕
事関数の低い陰極材料であるが、電子放出体よりは仕事
関数が高く、電子放出能が小さいものである。

【００２５】ここで、熱電子放出阻止壁３２について説
明する。円板状電子放出体３０の中央におけられた貫通
孔内面はキーパ電極に近いことから最も電界強度の高い
領域であり、放電が過度に集中する恐れがある。熱電子
放出阻止壁３２は、高い仕事関数であることにより、円
板状電子放出体３０の貫通孔内面での熱電子放出を抑え
ることで過度の放電集中を抑制し、ホローカソードの陰
極部２内部への電界の浸透を容易にする。このため、陰
極部２からの電子の引き出しが効率的に行なわれる。過
度の放電集中が抑えられることで、放電による局所加熱
の緩和が実現されると同時に、放電により生成されたイ
オン衝撃を貫通孔付近電子放出体のみが受けることを避
け得る。また、ホローカソード点火時には、瞬間的にホ
ローカソード陰極部２の内部にエネルギーの注入が行わ
れるため推進剤の熱膨張が起こり、円板状電子放出体３
０の貫通孔付近に大きな衝撃力が生じ、熱電子放出阻止
壁３２がない場合、円板状電子放出体３０に物理的損傷
を及ぼす恐れがある。以上より、熱電子放出阻止壁３２
はこれらの物理化学的損傷から円板状電子放出体３０を
保護し、ホローカソード陰極部２内の放電を均一にする
働きを持つ。

【００２６】実施の形態５.図５は本発明の実施の形態
５によるホローカソードの陰極部２の断面を示す図であ
り、従来例に含まれるヒータ装置は省略してある。図で
は、陰極円板２２の中央にあけられた微細孔周辺を除い
て、パイプ状電子放出体に対向する面にパイプ状電子放
出体２１と同じ材質、または、同程度の仕事関数を持つ
材質で作られた円板状電子放出体２２ａを接合してい
る。陰極円板２２の微細孔周辺部のホローカソード陰極
部２内の放電に接する領域は陰極円板の材質が被覆して
いるため、実施の形態４で述べた熱電子放出阻止壁３２
と同様の働きをする。

【００２７】実施の形態６.図６は本発明の実施の形態
６によるホローカソードの陰極部２の断面を示す図であ
り、従来例に含まれるヒータ装置は省略してある。図で
は、カップ状電子放出体３１を陰極円板２２側を底にな
るように挿入し、その他の記号は図７の従来例と同様で
ある。カップ状電子放出体３１の底にあたる部分には、
実施の形態２と同様に陰極円板に開けられた微細孔より
も大きい貫通孔があけられている。また、カップ状電子
放出体３１の底面中央にあけられた貫通孔内面に、高温
陰極材料のような力学的衝撃およびイオン衝撃に強い材
質で作られた中空円筒構造をもつ、実施の形態４で述べ
たものと同様の、熱電子放出阻止壁３２を挿入してあ
り、カップ状電子放出体３１と組み合わせることで、物
理化学的損傷から電子放出体を保護し、均一なホローカ
ソード陰極部２内の放電を少ない部品点数で実現でき
る。

【００２８】

【発明の効果】本発明の第１〜第４の構成に係るホロー
カソードにおいては、カップ状陰極部材の内面の陰極パ
イプ部と陰極円板部の両方を電子放出体で被覆したた
め、熱電子放出面積が増加するので、同一電子電流値を
得るために必要な陰極温度やキーパー電圧を低くするこ
とができ、長寿命で低消費電力のホローカソードを提供
できる。

【００２９】また、本発明の第５の構成に係るホローカ
ソードにおいては、電子放出体の円筒状部材の形状を陰
極円板に向って開口するロート状としたので、第１〜第
４の構成に比べて更に熱電子放出面積が増加し、その効
果が増強される。

【００３０】また、本発明の第６の構成に係るホローカ
ソードにおいては、電子放出体の開口の内面に、力学的
衝撃およびイオン衝撃に強く、電子放出体より高い仕事
関数を有する材料からなる円筒状部材を配置したので、
電子放出体開口内面での熱電子放出が抑制され、放電の
過度の集中が避けられて熱電子放出体の損傷が避けられ
る。また、過度の放電の集中が避けられることにより、
ホローカソード陰極内部への電界の浸透を容易にし、電
子流の引出し効率が改善される。

【００３１】また、本発明の第７の構成に係るホローカ
ソードにおいては、第１〜第６の構成に係るホローカソ
ードを用いたので、長寿命で低消費電力のホローカソー
ド応用装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１によるホローカソード
の陰極部２の断面を示す図である。

【図２】 本発明の実施の形態２によるホローカソード
の陰極部２の断面を示す図である。

【図３】 本発明の実施の形態３によるホローカソード
の陰極部２の断面を示す図である。

【図４】 本発明の実施の形態４によるホローカソード
の陰極部２の断面を示す図である。

【図５】 本発明の実施の形態５によるホローカソード
の陰極部２の断面を示す図である。

【図６】 本発明の実施の形態６によるホローカソード
の陰極部２の断面を示す図である。

【図７】 従来のホローカソードの断面を示す図であ
る。

【図８】 長寿命、低消費電力を指向した従来のホロー
カソードの断面を示す図である。

【符号の説明】

１ キーパ電極、２ 陰極部、３ 絶縁器部、４ 推進
剤、２０ 陰極パイプ、２１ パイプ状電子放出体、２
２ 陰極円板、２３ ヒータ絶縁層、２４ ヒータ、３
０ 円板状電子放出体、３１ カップ状電子放出体、３
２ 熱電子放出阻止壁、２２ａ 接合された円板状電子
放出体。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 陰極パイプと、陰極パイプの先端に気密
   に接合され、その中心に開口を有する陰極円板と、前記
   陰極パイプと前記陰極円板とで形成されたカップ状陰極
   部材の内面を被覆し、前記陰極円板の中心開口より径の
   大きな開口を有する低仕事関数材料からなる電子放出体
   を備えたホローカソード。
2. 【請求項２】 前記電子放出体が、前記パイプの内面を
   被覆する円筒状部材と、前記陰極円板の内面を被覆する
   円板状部材とからなる請求項１記載のホローカソード。
3. 【請求項３】 前記電子放出体が、前記カップ状陰極部
   材の内面を被覆する一体のカップ状部材からなる請求項
   １記載のホローカソード。
4. 【請求項４】 前記電子放出体の円板状部材を前記陰極
   円板の内面に接合した請求項２記載のホローカソード。
5. 【請求項５】 前記電子放出体の円筒状部材が前記陰極
   円板に向って開口するロート状形状を有する請求項２記
   載のホローカソード。
6. 【請求項６】 前記電子放出体の前記開口内面に、物理
   的衝撃およびイオン衝撃に強く、前記電子放出体より高
   い仕事関数を有する材料からなる円筒状部材を配置した
   請求項１〜５記載のホローカソード。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載のホロー
   カソードを使用したホローカソードの応用装置。