JP2011074887A - Hollow cathode - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hollow cathode for a spacecraft, facilitating starting (ignition) of discharge. <P>SOLUTION: Members have distal ends opposed to a keeper electrode plate 6. The distal ends have a nanocarbon fine projection group structure, a fine projection (group) structure by a microfabrication technology or a composite structure with an electric conductor and an electric insulator located adjacently to each other, or are composed of carbon material with a nanocarbon structure spontaneously formed and maintained by action such as discharge or carbon material having excellent thermionic emission characteristics. The members are mounted downstream of an orifice plate 4 as discharge initiation promoting plates A31, B32, C33, D34, E35. Or, the orifice plate 4 itself is so formed that the distal end opposed to the keeper electrode plate 6 is made to have the fine projection (group) structure or the composite structure with the electric conductor and the electric insulator located adjacently to each other or which is composed of carbon material with the nanocarbon structure spontaneously formed by action such as discharge or carbon material having excellent thermionic emission characteristics. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、人工衛星等の宇宙機に搭載されるホローカソード、特に放電の開始(点火)を容易にする宇宙機用ホローカソードに関する。   The present invention relates to a hollow cathode mounted on a spacecraft such as an artificial satellite, and more particularly to a spacecraft hollow cathode that facilitates the start (ignition) of discharge.

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、人工衛星等の軌道制御や南北位置保持に用いられるイオンエンジンやホールスラスタ等の電気推進機の電子源、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タクタ等がある。   There is a hollow cathode as a long-life electron source mounted on space structures such as satellites and space stations. For space applications, such as ion engines and hall thrusters used for orbit control and maintenance of the north-south position of satellites, etc. There are plasma contactors and the like used for preventing electrification of electron sources of electric propulsion devices, space stations and the like.

このようなホローカソードの主要部は、通常、図9に示すように構成されている。図9は、この発明の基盤(従来技術)となる特許文献1および特許文献2に開示されているホローカソードについて一部を切り欠いた部分断面を示す図であって、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に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は酸化バリウムが含浸された多孔質タングステン製であり、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は円筒状のカソードチューブ3の中に挿入され、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の先端に位置するオリフィス板4に押しつけられている。オリフィス板4の前面には円盤状に成形されたキーパ電極板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に対面して直径2〜8mm程度のキーパ孔8が開いている。   The main part of such a hollow cathode is usually configured as shown in FIG. FIG. 9 is a diagram showing a partial cross-sectional view of the hollow cathode disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 serving as the foundation (prior art) of the present invention, and is denoted by reference numeral 1 in the drawing. The member shown is a cathode insert that is the first electron emission source, and the cathode insert 1 has a cylindrical cavity 2 formed at the center thereof. The cathode insert 1 is made of porous tungsten impregnated with barium oxide, and the work function of the surface facing the cavity 2 after activation is lowered to about 2 eV. The cathode insert 1 is inserted into a cylindrical cathode tube 3 and pressed against an orifice plate 4 positioned at the tip of the cathode tube 3 by a cathode insert support portion 5. A keeper electrode plate 6 formed in a disk shape is disposed on the front surface of the orifice plate 4. 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. A keeper hole 8 having a diameter of about 2 to 8 mm faces the orifice 7 on the keeper electrode plate 6. Is open.

カソードチューブ3の外側にはセラミック溶射層中に埋め込まれたヒータ9が配され、その外側を熱シールド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絶縁円筒11によって固定され、キーパ電極支持部絶縁円筒11の周りはスパッタ・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、べ一ス板13とヒータ9およびキーパ電極板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につながっている。ベース板13は通常、放電容器18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。また、放電容器18が、放電電源の陽極の役割をする。   A heater 9 embedded in the ceramic sprayed layer is disposed outside the cathode tube 3, and a heat shield 10 surrounds the heater 9. The keeper electrode plate 6 is fixed by a keeper electrode support portion insulating cylinder 11, and the keeper electrode support portion insulating cylinder 11 is covered with a sputter shield 12. The cathode tube 3 and the keeper electrode support part insulating cylinder 11 are fixed to a base plate 13. In addition to these, the base plate 13 is also fixed with three current introduction terminals 14, 15, 16 for supplying current to the base plate 13, the heater 9 and the keeper electrode plate 6, and a gas introduction system 17. 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 18 and is kept at the cathode potential of the discharge power source. The discharge vessel 18 serves as an anode for the discharge power source.

従来、このようなホローカソードを動作させるためには一例として以下のような点火手順が必要であった。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+100V以上の電圧を印加状態で推進剤(例えばキセノン)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10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。ここで、電圧表記について補足する。本明細書では、カソードインサート1およびカソードチューブ3およびオリフィス板4およびカソードインサート支持部5およびベース板13の電位である陰極電位を基準電位とし、特に表記無き場合の電圧は、この陰極電位に対する電位差を表すものとする。   Conventionally, in order to operate such a hollow cathode, the following ignition procedure is required as an example. 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) gas is introduced from the gas introduction system 17 into the cavity 2 of the cathode insert 1 with a voltage of +100 V or more applied to the keeper electrode plate 6, a gap between the cathode insert 1 and the keeper electrode plate 6 is obtained. Insulation breakdown occurs, and 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. 10 is generated in the cavity 2 on the orifice plate 4 side. Here, the voltage notation will be supplemented. In this specification, the cathode potential which is the potential of the cathode insert 1, the cathode tube 3, the orifice plate 4, the cathode insert support 5 and the base plate 13 is used as a reference potential, and the voltage unless otherwise indicated is a potential difference with respect to the cathode potential. .

上記の状態で放電容器18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18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のキーパ孔8を経て放電容器18内に形成される。このように、内部プラズマ20とキーパプラズマ21および外部プラズマ22が形成された状態がホローカソードの定常動作状態である。この定常動作に移行した後は、通常、ヒータ加熱は停止され、キーパ電源は定電圧制御から定電流制御(0.5〜2A程度)に変更されると共に、キーパ電極板6に印加される電圧は+8〜+25V程度に低下する。   When a discharge voltage +20 to +60 V is applied to the discharge power supply anode portion of the discharge vessel 18 in the above state, secondary electrons are newly extracted from the internal plasma 20 and collide with the xenon gas in the discharge vessel 18 together with the primary electrons. Two other ionized plasmas (keeper plasma 21 and 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 18 from the orifice 7 of the orifice plate 4 through the keeper hole 8 of the keeper electrode plate 6. Thus, the state in which the internal plasma 20, the keeper plasma 21, and the external plasma 22 are formed is a steady operation state of the hollow cathode. After shifting to the steady operation, the heater heating is normally stopped, the keeper power source is changed from constant voltage control to constant current control (about 0.5 to 2 A), and the voltage applied to the keeper electrode plate 6 is +8. It drops to about + 25V.

このようなホローカソードでは点火手順において、キーパ電極板6に+100V以上の電圧を印加する必要があるという問題がある。即ち、ホローカソードの定常動作状態ではキーパ電極板6の電圧は高々+25V程度で十分であるのに対し、定常動作に至る前の点火の段階では、カソードインサート1とキーパ電極板6との間に絶縁破壊を起こすために、定常動作時と比較して大幅に高い電圧をキーパ電極板6に印加しなければならない。   Such a hollow cathode has a problem that it is necessary to apply a voltage of +100 V or more to the keeper electrode plate 6 in the ignition procedure. In other words, in the normal operation state of the hollow cathode, the voltage of the keeper electrode plate 6 is about +25 V at most, whereas in the ignition stage before the steady operation, the gap between the cathode insert 1 and the keeper electrode plate 6 is sufficient. In order to cause dielectric breakdown, a significantly higher voltage must be applied to the keeper electrode plate 6 as compared with the steady operation.

点火手順においてキーパ電極板6に定常動作時と比較して大幅に高い電圧を印加しなければならないことによる問題のひとつは、キーパ電極用電源の重量および体積が増加することである。即ち、キーパ電極用電源が+100V以上の電圧を出力するためには、高電圧印加用の付加的な回路が必要であり、そのためにキーパ電極用電源の重量および体積が増加する。宇宙利用においては使用できる重量および体積が厳しく制限されるため、電源の大型化は望ましくない。さらに、キーパ電極板6の高電圧化により、キーパ電極用電源内部の構造が複雑化するとともに、キーパ電極用電源からキーパ電極板6を接続する配線に沿った各部にも+100V以上の電圧が印加されるため、異常絶縁破壊等の問題発生の原因となり得る。   One of the problems due to having to apply a significantly higher voltage to the keeper electrode plate 6 in the ignition procedure than during steady operation is an increase in the weight and volume of the keeper electrode power supply. That is, in order for the keeper electrode power supply to output a voltage of +100 V or more, an additional circuit for applying a high voltage is required, which increases the weight and volume of the keeper electrode power supply. In space use, the weight and volume that can be used are severely limited, so an increase in the size of the power supply is not desirable. Furthermore, the internal structure of the keeper electrode power supply is complicated by the increase in the voltage of the keeper electrode plate 6, and a voltage of +100 V or more is applied to each part along the wiring connecting the keeper electrode plate 6 from the keeper electrode power supply. Therefore, it may cause problems such as abnormal dielectric breakdown.

点火手順においてキーパ電極板6に定常動作時と比較して大幅に高い電圧を印加しなければならないことによるもうひとつの問題は、+100V以上の高電圧によってカソードインサート1とキーパ電極板6との間で絶縁破壊が生じることによって、カソードインサート1またはオリフィス板4またはキーパ電極板6に損傷が生じる場合があることである。例えば、非特許文献1の第5頁には、点火手順においてキーパ電極板6に+100V以上の高電圧が印加された際の絶縁破壊発生時に、オリフィス7の付近から微小な固形物が放出される様子が報告されており、カソードインサート1またはオリフィス板4またはキーパ電極板6に損傷が生じた可能性がある。このような損傷は、ホローカソードの寿命を短くし、その動作性能を劣化させる可能性がある。さらに、点火手順においてキーパ電極板6に+100V以上の高電圧印加を継続した場合には、特にオリフィス板4がカーボン系の材料で構成されている場合において、点火に要する時間およびヒータ9への負荷が増大する傾向も確認されている。   Another problem due to the fact that a significantly higher voltage must be applied to the keeper electrode plate 6 in the ignition procedure as compared with that during steady operation is that a high voltage of +100 V or higher causes a gap between the cathode insert 1 and the keeper electrode plate 6. If the dielectric breakdown occurs, the cathode insert 1 or the orifice plate 4 or the keeper electrode plate 6 may be damaged. For example, on page 5 of Non-Patent Document 1, a minute solid is released from the vicinity of the orifice 7 when a dielectric breakdown occurs when a high voltage of +100 V or higher is applied to the keeper electrode plate 6 in the ignition procedure. It has been reported that damage may have occurred to the cathode insert 1 or the orifice plate 4 or the keeper electrode plate 6. Such damage can shorten the life of the hollow cathode and degrade its operating performance. Further, when a high voltage of +100 V or higher is continuously applied to the keeper electrode plate 6 in the ignition procedure, particularly when the orifice plate 4 is made of a carbon-based material, the time required for ignition and the load on the heater 9 The tendency to increase is also confirmed.

なお、ホローカソードについての公知文献としては、本発明の基盤となる特許文献1および2に加えて、低電圧化に関しては、特許文献3にカソードインサートの形状を改良して大電流動作においても動作電圧を下げることが可能なホローカソードが示されており、異常放電発生抑制に関しては、特許文献4にカソードインサートの表面の被覆により放電状態を安定させることが可能なホローカソードが示されるなど、幾つかある。しかし、これらの文献においては、ホローカソードの定常動作時の低電圧化または異常放電発生抑制が示されており、点火時の問題を扱う本発明とは、課題、手段、および具体的な構造において異なるものである。   In addition to Patent Documents 1 and 2, which are the basis of the present invention, as well-known documents regarding hollow cathodes, in terms of lowering the voltage, Patent Document 3 improves the shape of the cathode insert to operate even in a large current operation. A hollow cathode capable of reducing the voltage is shown, and regarding the suppression of abnormal discharge occurrence, Patent Document 4 discloses a hollow cathode that can stabilize the discharge state by covering the surface of the cathode insert. There is. However, in these documents, low voltage or suppression of abnormal discharge occurrence during steady operation of the hollow cathode is shown, and the present invention dealing with the problem at the time of ignition is based on problems, means, and a specific structure. Is different.

特開2000−161201号公報(第7頁、図7)JP 2000-161201 A (Page 7, FIG. 7) 特開2004−169606号公報(第10頁、図7)JP 2004-169606 A (page 10, FIG. 7) 特開2000−130316号公報JP 2000-130316 A 特開2004−115887号公報JP 2004-115887 A Hayakawa,Y.et al,"Graphite Orificed Hollow Cathodes for Xenon Ion Thrusters,"43rd AIAA Joint Propulsion Conference,AIAA paper 2007-5173,July 2007.(第5頁)Hayakawa, Y. et al, "Graphite Orificed Hollow Cathodes for Xenon Ion Thrusters," 43rd AIAA Joint Propulsion Conference, AIAA paper 2007-5173, July 2007. (page 5)

従来のホローカソードには、定常動作に移行する前の点火手順において、キーパ電極板に+100V以上の高電圧を印加する必要がある点で解決すべき課題がある。   The conventional hollow cathode has a problem to be solved in that it is necessary to apply a high voltage of +100 V or more to the keeper electrode plate in the ignition procedure before shifting to the steady operation.

従って、この発明の目的は、点火手順においてキーパ電極板に印加する電圧を低減することにより、キーパ電極用電源の重量および体積を軽減するとともに、電源構造の複雑化を防ぎ、電源内部および配線部での異常絶縁破壊を防止し、さらに、点火時のカソードインサートまたはオリフィス板またはキーパ電極板の損傷を防ぐことにより寿命低下や放電性能劣化を回避する等の、点火時の高電圧印加に起因する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。   Accordingly, an object of the present invention is to reduce the voltage applied to the keeper electrode plate in the ignition procedure, thereby reducing the weight and volume of the power supply for the keeper electrode and preventing the power supply structure from becoming complicated. Due to the application of high voltage during ignition, such as preventing the life of the cathode insert or orifice plate or keeper electrode plate from damaging and preventing deterioration of discharge performance. An object of the present invention is to provide a hollow cathode capable of solving various problems.

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、前記オリフィス板に対面するキーパ孔を有するキーパ電極板と、前記カソードチューブに挿入され空洞部を持つ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放電の開始(点火)を容易にする放電開始促進板が設けられていることを特徴としている。   To achieve the above object, a hollow cathode according to the present invention has a hollow cathode tube having a heater, an orifice plate having an orifice attached to the tip of the cathode tube, and a keeper hole facing the orifice plate. In a hollow cathode having a keeper electrode plate, a cathode insert inserted into the cathode tube and having a hollow portion, and a gas introduction system for introducing a working gas into the cathode tube, discharge starts downstream of the orifice plate. A discharge start promoting plate that facilitates (ignition) is provided.

このホローカソードによれば、オリフィス板の下流側に放電の開始(点火)を容易にする前記放電開始促進板が設けられているため、ホローカソードの点火手順において、キーパ電極板に印加する電圧を、ホローカソードの定常動作時と同等の+30V以下に低減することが可能となる。即ち、従来のホローカソードの点火手順において必要とされる+100V以上のキーパ電極板電圧を大幅に低減することができる。   According to this hollow cathode, since the discharge start acceleration plate that facilitates the start (ignition) of discharge is provided downstream of the orifice plate, the voltage applied to the keeper electrode plate in the hollow cathode ignition procedure is set. Thus, it is possible to reduce to +30 V or less, which is equivalent to that during the steady operation of the hollow cathode. That is, the keeper electrode plate voltage of +100 V or more required in the conventional hollow cathode ignition procedure can be greatly reduced.

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取り付けられる前記放電開始促進板としては、カーボンナノチューブ等のナノカーボンを含有するカーボン構造材がある。ナノカーボンは、ナノメートル級の微細突起を有するため、ヒータからの熱の伝播によりカーボン構造材が1000℃程度の高温に達して熱電子を放出するのに加え、微細突起の先端での電界集中効果および熱集中効果により電子放出が促進され、キーパ電極板に印加する電圧が+30V以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。従来のホローカソードにおいては、ヒータからの熱の伝播によりオリフィス板が高温となり熱電子を放出する機構のみが利用されていたが、本発明においてはそれに加え電界集中効果および熱集中効果を誘発する機構が利用されている点が従来のホローカソードとの相違点である。   In the hollow cathode, as the discharge initiation promoting plate attached to the downstream side of the orifice plate, there is a carbon structural material containing nanocarbon such as carbon nanotubes. Since nanocarbon has nanometer-scale fine protrusions, the carbon structure material reaches a high temperature of about 1000 ° C due to the propagation of heat from the heater and emits thermoelectrons, and the electric field concentration at the tip of the fine protrusions. Electron emission is promoted by the effect and the heat concentration effect, and discharge can be started even when the voltage applied to the keeper electrode plate is a low value of about +30 V or less. In the conventional hollow cathode, only the mechanism in which the orifice plate becomes hot due to the propagation of heat from the heater and emits thermoelectrons is used, but in the present invention, a mechanism for inducing the electric field concentration effect and the heat concentration effect in addition thereto. This is the difference from the conventional hollow cathode.

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取り付けられる前記放電開始促進板としては、微細加工技術によるナノメートル級の微小突起を1つ又は複数有する構造材もある。このナノメートル級の微小突起により、上記と同様の効果により、キーパ電極板に印加する電圧が+30V以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。   In the hollow cathode, as the discharge start promoting plate attached to the downstream side of the orifice plate, there is also a structural material having one or a plurality of nanometer-class micro protrusions by a microfabrication technique. Due to the nanometer-scale minute projections, discharge can be started even if the voltage applied to the keeper electrode plate is as low as about +30 V or less due to the same effect as described above.

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取り付けられる前記放電開始促進板としては、電気伝導体と電気絶縁体とが隣接した構造を有する構造材もある。電子の二次電子放出やその他の理由により電気絶縁体がチャージアップすることで、電気伝導体と電気絶縁体の境界部分で電界集中が生じて強電界が形成され、この境界部分から電界放出電子が放出される。ヒータからの熱の伝播により同構造材が高温に達することによる熱電子放出に加え、この電界放出電子により、キーパ電極板に印加する電圧が+30V以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。   In the hollow cathode, as the discharge initiation promoting plate attached to the downstream side of the orifice plate, there is a structural material having a structure in which an electrical conductor and an electrical insulator are adjacent to each other. When the electrical insulator is charged up due to secondary electron emission and other reasons, an electric field concentration occurs at the boundary between the electrical conductor and the electrical insulator, and a strong electric field is formed. Is released. In addition to thermionic emission due to the high temperature of the structural material due to the propagation of heat from the heater, this field emission electron initiates discharge even when the voltage applied to the keeper electrode plate is as low as +30 V or less. It becomes possible to do.

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取り付けられる前記放電開始促進板としては、カーボン系の材料からなる構造材を使用することもできる。ホローカソード動作時の放電等の持続作用により、カーボン系の材料からなる放電開始促進板の上には、カーボンナノチューブ等のナノカーボン構造が自発的に生成・維持されるため、ヒータからの熱の伝播により前記放電開始促進板が1000℃程度の高温に達して熱電子を放出するのに加え、ナノカーボン構造の先端での電界集中効果および熱集中効果により電子放出が促進され、キーパ電極板に印加する電圧が+30V以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。   In this hollow cathode, a structural material made of a carbon-based material can be used as the discharge start promoting plate attached to the downstream side of the orifice plate. Due to the sustained action such as discharge during hollow cathode operation, nanocarbon structures such as carbon nanotubes are spontaneously generated and maintained on the discharge start promotion plate made of carbon-based material. In addition to the discharge initiation promoting plate reaching a high temperature of about 1000 ° C. due to propagation and emitting thermoelectrons, the electron emission is promoted by the electric field concentration effect and the heat concentration effect at the tip of the nanocarbon structure, and the keeper electrode plate Even if the applied voltage is a low value of about +30 V or less, the discharge can be started.

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取り付けられる前記放電開始促進板としては、熱電子放出特性の優れた材料からなる構造材を適用することもできる。一例として、このホローカソードにおいて、高密度カーボンからなる放電開始促進板を適用した場合には、キーパ電極板に印加する電圧が+30V以下の場合でも、オリフィス板からの電子放出により放電が開始され、ホローカソードが定常動作に移行することが実験により確認されている。図8は、この高密度カーボンからなる放電開始促進板の電子放出特性を測定した実験結果の一例であり、放電開始促進板がある場合には、放電開始促進板が無い場合(金属製オリフィス板のみ)に比較して、低い温度領域においても高い電子放出性能が得られることが分かる。   In this hollow cathode, as the discharge start promoting plate attached to the downstream side of the orifice plate, a structural material made of a material having excellent thermionic emission characteristics can be applied. As an example, in this hollow cathode, when a discharge initiation promoting plate made of high-density carbon is applied, even when the voltage applied to the keeper electrode plate is +30 V or less, discharge is started by electron emission from the orifice plate, Experiments have confirmed that the hollow cathode shifts to steady operation. FIG. 8 shows an example of an experimental result obtained by measuring the electron emission characteristics of the discharge initiation promoting plate made of high-density carbon. When there is a discharge initiation promoting plate, there is no discharge initiation promoting plate (metal orifice plate). It can be seen that high electron emission performance can be obtained even in a low temperature region.

このホローカソードにおいては、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板の形状は板状でなくても良い。即ち、メッシュ状または格子状の形態であっても良い。さらに、オリフィス板に放電開始促進物質を含浸させても良く、オリフィス板の表面に放電開始促進物質をコーティングしても良く、オリフィス板の表面に一つ又は複数の突起状物質を形成しても良い。   In this hollow cathode, the shape of the discharge start promoting plate attached to the downstream side of the orifice plate may not be a plate shape. That is, it may be in the form of a mesh or a lattice. Furthermore, the orifice plate may be impregnated with a discharge initiation promoting material, the surface of the orifice plate may be coated with a discharge initiation promoting material, or one or more protruding materials may be formed on the surface of the orifice plate. good.

このホローカソードにおいては、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板の構成として、上記に示した各機能が重複して働いても良い。即ち、前記放電開始促進板がナノカーボン構造を有するか、微細加工技術による微小突起を有するか、電気伝導体と電気絶縁体とが隣接した構造を有するか、カーボン系材料で構成されるかの各機能のうち複数が重複しても良い。   In this hollow cathode, the functions described above may work in duplicate as the configuration of the discharge start promoting plate attached to the downstream side of the orifice plate. That is, whether the discharge initiation promoting plate has a nano-carbon structure, a micro-projection by a microfabrication technique, an electrical conductor and an electrical insulator are adjacent to each other, or is made of a carbon-based material. A plurality of functions may overlap.

このホローカソードにおいては、前記オリフィス板の下流側に敗り付けられる前記放電開始促進板の大きさに制限は特に無い。即ち、前記放電開始促進板の大きさは、前記オリフィス板と同等でも良く、前記オリフィス板より大きくても良く、前記オリフィス板より小さくても良い。また、前記オリフィスに対応して前記放電促進板に空けられる放電開始促進開口部の大きさは前記オリフィスと同等でも良く、前記オリフィスより大きくても良く、前記オリフィスより小さくても良い。   In this hollow cathode, there is no particular limitation on the size of the discharge start promoting plate that is beaten to the downstream side of the orifice plate. That is, the size of the discharge start promoting plate may be the same as the orifice plate, may be larger than the orifice plate, or may be smaller than the orifice plate. Further, the size of the discharge start promoting opening vacated in the discharge promoting plate corresponding to the orifice may be the same as the orifice, may be larger than the orifice, or smaller than the orifice.

このホローカソードにおいては、オリフィス板そのものが前記放電開始促進板の役割を果たすように、オリフィス板に適当な材料を選んでも良い。即ち、オリフィス板そのものが、ナノカーボン構造を有するか、微細加工技術による微小突起(群)構造を有するか、電気伝導体と電気絶縁体とが隣接した構造を有するか、カーボン系材料で構成されるか、いずれか又は複数の構造を有しても良い。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。   In this hollow cathode, an appropriate material may be selected for the orifice plate so that the orifice plate itself serves as the discharge start promoting plate. That is, the orifice plate itself has a nanocarbon structure, a microprojection (group) structure by microfabrication technology, an electrical conductor and an electrical insulator adjacent to each other, or is made of a carbon-based material. Or may have one or a plurality of structures. The present invention can be implemented with various modifications without departing from the gist of the present invention.

この発明によるホローカソードによれば、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、前記オリフィス板に対面するキーパ孔を有するキーパ電極板と、前記カソードチューブに挿入され空洞部を持つ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を有するホロカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に放電の開始(点火)を容易にする放電開始促進板が設けられていることにより、キーパ電極板に印加する電圧が+30V以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。従って、このホローカソードによれば、点火時にキーパ電極板に印加する電圧を下げることにより、キーパ電極用電源の重量および体積を軽減するとともに、電源構造を簡素化し、電源内部および配線部での異常絶縁破壊を防止することができ、さらに、放電開始時のカソードインサートまたはオリフィス板またはキーパ電極板の損傷を防ぐことにより寿命低下や放電性能劣化を回避する等の、放電開始時の高電圧印加に起因する諸問題を解消することができる。これらの効果により、機器の小型化、軽量化、簡素化、高信頼性化、長寿命化、高性能化が求められる宇宙利用に適したホローカソードの設計・製作が可能となる。   According to the hollow cathode of the present invention, a hollow cathode tube having a heater, an orifice plate having an orifice attached to the tip of the cathode tube, a keeper electrode plate having a keeper hole facing the orifice plate, In a holo cathode having a cathode insert inserted into the cathode tube and having a hollow portion and a gas introduction system for introducing a working gas into the cathode tube, discharge start (ignition) can be easily performed on the downstream side of the orifice plate. By providing the discharge start promoting plate, discharge can be started even when the voltage applied to the keeper electrode plate is a low value of about +30 V or less. Therefore, according to this hollow cathode, by reducing the voltage applied to the keeper electrode plate at the time of ignition, the weight and volume of the power supply for the keeper electrode are reduced, the power supply structure is simplified, and abnormalities in the power supply and in the wiring section are reduced. Insulation breakdown can be prevented, and in addition, high voltage application at the start of discharge, such as a reduction in life and deterioration of discharge performance, can be prevented by preventing damage to the cathode insert or orifice plate or keeper electrode plate at the start of discharge. Various problems caused by it can be solved. With these effects, it becomes possible to design and manufacture a hollow cathode suitable for space use that requires miniaturization, weight reduction, simplification, high reliability, long life, and high performance of equipment.

この発明の第1実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the hollow cathode in connection with 1st Example of this invention. この発明の第2実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the hollow cathode concerning 2nd Example of this invention. この発明の第3実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the hollow cathode concerning 3rd Example of this invention. この発明の第4実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。It is principal part sectional explanatory drawing which shows the hollow cathode in connection with 4th Example of this invention. 図4の第4実施例におけるナノカーボンの成長作用を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the growth effect | action of the nanocarbon in 4th Example of FIG. この発明の第5実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。It is principal part cross-section explanatory drawing which shows the hollow cathode concerning 5th Example of this invention. この発明の第6実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。It is principal part explanatory drawing which shows the hollow cathode in connection with 6th Example of this invention. 放電開始促進板からの熱電子放出特性を測定した実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result which measured the thermoelectron emission characteristic from a discharge start promotion board. 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。It is sectional drawing which cuts off and shows the conventional hollow cathode partially. ホローカソードの近傍に形成される電離プラズマの概要図である。It is a schematic diagram of the ionized plasma formed in the vicinity of a hollow cathode. 従来のホローカソードを示す要部断面説明図である。It is principal part cross-sectional explanatory drawing which shows the conventional hollow cathode.

この発明は、従来のホローカソードのオリフィス板の下流側取り付けられる放電開始促進板の構造、形状、材料等を適切に選択することで実施することができる。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。   The present invention can be implemented by appropriately selecting the structure, shape, material, and the like of the discharge start promoting plate attached downstream of the orifice plate of the conventional hollow cathode. Embodiments of a hollow cathode according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、この発明の第1実施例に関わるホローカソード100を示す説明図である。なお、図1(a)は要部断面図であり、同(b)はA部拡大図である。また、本発明の特徴を明確にするために、図9に示した従来型ホローカソードの一部分を示した要部断面説明図を参考として図11に示す。図1および図11においては、図9に示した従来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、重複する説明を省略する。   FIG. 1 is an explanatory view showing a hollow cathode 100 according to the first embodiment of the present invention. 1A is a cross-sectional view of the main part, and FIG. 1B is an enlarged view of the A part. Further, in order to clarify the features of the present invention, FIG. 11 is shown with reference to a cross-sectional explanatory diagram showing a part of the conventional hollow cathode shown in FIG. In FIG. 1 and FIG. 11, the same reference numerals are used for the same parts as those of the conventional hollow cathode shown in FIG.

図1に示す第1実施例に関わるホローカソードは、図11に示す従来型ホローカソードと比較して、プラズマの流れ方向に見て、オリフィス板4の下流側に放電開始促進板A31が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板A31は、カーボンナノチューブ等のナノカーボンを含有する微小突起群構造体であり、直径がナノメートル級の微細突起を有するため、ヒータ9から放電開始促進板A31に熱が伝播して高温となり微細突起の先端等から電子が放出されるのに加え、微細突起の先端で電界集中および熱集中が生じ、電子の放出量が増幅される。これによりキーパ電極板6に印加する電圧が低い場合にもホローカソードの点火が可能となる。図1では、放電開始促進板A31のナノカーボン構造は模式的に櫛状の直立形態としたが、ナノカーボン構造は無秩序にカーボンナノチューブが絡み合った形態でも良い。また図1では、放電開始促進板開口部41の大きさは、オリフィス7よりも大きいが、本実施例および後述の各実施例において、放電開始促進板開口部41とオリフィス7との大小関係に制限は特に無い。また、図1に示した放電開始促進板A31の大きさは、オリフィス板4と同等としたが、本実施例および後述の各実施例において、放電開始促進板とオリフィス板4との大小関係にも制限は特に無い。   The hollow cathode according to the first embodiment shown in FIG. 1 is provided with a discharge start promoting plate A31 on the downstream side of the orifice plate 4 as seen in the plasma flow direction as compared with the conventional hollow cathode shown in FIG. Is different in that. The discharge start promoting plate A31 is a microprojection group structure containing nanocarbons such as carbon nanotubes, and has fine projections with a diameter of nanometer class. Therefore, heat is propagated from the heater 9 to the discharge start promoting plate A31. In addition to the electrons being emitted from the tips of the fine projections at high temperatures, electric field concentration and heat concentration occur at the tips of the fine projections, and the amount of emitted electrons is amplified. As a result, even when the voltage applied to the keeper electrode plate 6 is low, the hollow cathode can be ignited. In FIG. 1, the nanocarbon structure of the discharge initiation promoting plate A31 is typically a comb-like upright form, but the nanocarbon structure may be a form in which carbon nanotubes are randomly entangled. In FIG. 1, the size of the discharge start promoting plate opening 41 is larger than that of the orifice 7. However, in this embodiment and each of the embodiments described later, the size relationship between the discharge start promoting plate opening 41 and the orifice 7 is shown. There are no restrictions. The size of the discharge start promoting plate A31 shown in FIG. 1 is the same as that of the orifice plate 4. However, in this embodiment and each of the embodiments described later, the size relationship between the discharge start promoting plate and the orifice plate 4 is large. There is no particular restriction.

また、図1(b)に示すように、カーボンナノチューブ31aのオリフィス板4への固定方法としては、例えば接着剤が塗布されたサポート板31bにカーボンナノチューブ31aを櫛状の直立形態、或いはカーボンナノチューブ31aを無秩序に絡ませた形態で取り付けることが考えられる。またカーボンナノチューブ31aは、化学気相成長法等の方法によりオリフィス板4上に成長させても良い。   As shown in FIG. 1B, as a method for fixing the carbon nanotubes 31a to the orifice plate 4, for example, the carbon nanotubes 31a are arranged in a comb-like upright form on a support plate 31b coated with an adhesive, or carbon nanotubes. It can be considered that 31a is attached in a disorderly entangled form. The carbon nanotubes 31a may be grown on the orifice plate 4 by a method such as chemical vapor deposition.

図2は、この発明の第2実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。なお、図2(a)はその要部断面図であり、同(b)はそのB部拡大図である。図2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、重複する説明を省略する。   FIG. 2 is an explanatory view showing a hollow cathode according to the second embodiment of the present invention. 2A is a cross-sectional view of the main part, and FIG. 2B is an enlarged view of the B part. In the hollow cathode shown in FIG. 2, the same reference numerals are used for the same parts as those in the first embodiment shown in FIG.

図2に示す第2実施例では、図11に示す従来型ホローカソードと比較して、オリフィス板4の下流側に放電開始促進板B32が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板B32は、微細加工技術により成形された微小突起(群)構造を有しており、第1実施例と同様に、放電開始促進板B32からの電子放出量が増幅される。図2には、放電開始促進板B32として、ピラミッド状の微小突起が同心円状に配列されたものを示したが、これらの微小突起の形状に制限は特に無い。   The second embodiment shown in FIG. 2 differs from the conventional hollow cathode shown in FIG. 11 in that a discharge start promoting plate B32 is attached on the downstream side of the orifice plate 4. The discharge start promoting plate B32 has a microprojection (group) structure formed by a microfabrication technique, and the amount of electron emission from the discharge start promoting plate B32 is amplified as in the first embodiment. FIG. 2 shows the discharge start promoting plate B32 in which pyramidal microprojections are concentrically arranged, but the shape of these microprojections is not particularly limited.

図3は、この発明の第3実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。なお、図3(a)はその要部断面図であり、同(b)はそのC部拡大図である。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、重複する説明を省略する。   FIG. 3 is an explanatory view showing a hollow cathode according to a third embodiment of the present invention. 3A is a cross-sectional view of the main part, and FIG. 3B is an enlarged view of the C part. 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.

図3に示す第3実施例では、図11に示す従来型ホローカソードと比較して、オリフィス板4の下流側に放電開始促進板C33が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板C33は、電気伝導体部位33a(例えば、タングステンやタンタルのような高融点金属やカーボン系材料)と電気絶縁体部位33b(例えば、アルミナやジルコニアのようなセラミック系材料)とが隣接する構造を有しており、この両者の境界での電界集中により、放電開始促進板C33からの電子放出量が増幅される。図3には、放電開始促進板C33の一例を示したが、電気伝導体部位33aと電気絶縁体部位33bとの配置関係および形状に制限は特に無い。   The third embodiment shown in FIG. 3 is different from the conventional hollow cathode shown in FIG. 11 in that a discharge start promoting plate C33 is attached to the downstream side of the orifice plate 4. The discharge start promoting plate C33 has an electric conductor portion 33a (for example, a refractory metal or carbon-based material such as tungsten or tantalum) and an electric insulator portion 33b (for example, a ceramic-based material such as alumina or zirconia). It has an adjacent structure, and the amount of electron emission from the discharge start promoting plate C33 is amplified by the electric field concentration at the boundary between the two. FIG. 3 shows an example of the discharge start promoting plate C33, but there is no particular limitation on the arrangement relationship and shape between the electric conductor portion 33a and the electric insulator portion 33b.

図4は、この発明の第4実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。図4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、重複する説明を省略する。   FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view of an essential part showing a hollow cathode according to a fourth embodiment of the present invention. In the hollow cathode shown in FIG. 4, the same reference numerals are used for the same parts as those in the first embodiment shown in FIG.

図4に示す第4実施例では、図11に示す従来型ホローカソードと比較して、オリフィス板4の下流側に放電開始促進板D34が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板D34は、カーボン系の材料、例えば黒鉛やカーボンカーボン複合材で構成されており、ホローカソードの放電等の作用により、放電開始促進板D34上に自発的にナノカーボン構造が形成されることで、第1実施例と同様に、放電開始促進板D34からの電子放出量が増幅される。   The fourth embodiment shown in FIG. 4 differs from the conventional hollow cathode shown in FIG. 11 in that a discharge start promoting plate D34 is attached on the downstream side of the orifice plate 4. The discharge start promoting plate D34 is made of a carbon-based material, such as graphite or a carbon-carbon composite material, and a nanocarbon structure is spontaneously formed on the discharge start promoting plate D34 by an action such as discharge of a hollow cathode. Thus, the amount of electron emission from the discharge start promoting plate D34 is amplified as in the first embodiment.

図5は、この自発的なナノカーボン構造の形成を示す図であり、ある一定の時間ホローカソード放電等が持続することで、アーク放電法によるナノカーボン生成と類似の作用により、放電開始促進板D34上に自発的にナノカーボン構造が形成・維持される様子を表している。   FIG. 5 is a diagram showing the formation of this spontaneous nanocarbon structure. By continuing the hollow cathode discharge or the like for a certain period of time, a discharge initiation promoting plate is obtained by an action similar to nanocarbon generation by the arc discharge method. This shows how the nanocarbon structure is spontaneously formed and maintained on D34.

図6は、この発明の第5実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。図6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、重複する説明を省略する。   FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view of an essential part showing a hollow cathode according to a fifth embodiment of the present invention. In the hollow cathode shown in FIG. 6, the same reference numerals are used for the same parts as those in the first embodiment shown in FIG.

図6に示す第5実施例では、図11に示す従来型ホローカソードと比較して、オリフィス板4の下流側に放電開始促進板E35が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板E35は、熱電子放出特性に優れたカーボン系の材料、例えば黒鉛やカーボンカーボン複合材で構成されており、材料の有する高い電子放出特性により、放電開始促進板E35からの電子放出量が増幅される。   The fifth embodiment shown in FIG. 6 is different from the conventional hollow cathode shown in FIG. 11 in that a discharge start promoting plate E35 is attached on the downstream side of the orifice plate 4. The discharge initiation promoting plate E35 is made of a carbon-based material having excellent thermionic emission characteristics, such as graphite or a carbon-carbon composite material, and the electron emission from the discharge initiation promoting plate E35 due to the high electron emission characteristics of the material. The amount is amplified.

図7は、この発明の第6実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。図7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、重複する説明を省略する。   FIG. 7 is a cross-sectional explanatory view of an essential part showing a hollow cathode according to a sixth embodiment of the present invention. In the hollow cathode shown in FIG. 7, the same parts as those in the first embodiment shown in FIG.

図7に示す第6実施例では、実施例1から5に関わるホローカソードと比較して、改良型オリフィス板42が、放電開始促進機能を有する点で異なっている。即ち、改良型オリフィス板42は、その下流側表面(キーパ電極板6に対向する面)にナノカーボンの微小突起群構造を有するか、微細加工技術による微小突起(群)構造を有するか、電気伝導体と電気絶縁体とが隣接した複合構造を有するか、ナノカーボン構造が自発的に生成・維持されるカーボン系材料、あるいは熱電子放出特性に優れたカーボン系材料で構成されるか、のいずれか又はこれらが複数組み合わされた構造を有しており、改良型オリフィス板42自体が放電開始促進機能を持つ。   The sixth embodiment shown in FIG. 7 is different from the hollow cathode according to the first to fifth embodiments in that the improved orifice plate 42 has a discharge start promoting function. That is, the improved orifice plate 42 has a nanocarbon microprojection group structure on its downstream surface (a surface facing the keeper electrode plate 6), or a microprojection (group) structure by microfabrication technology. Whether the conductor and the electrical insulator have a composite structure adjacent to each other, or are composed of a carbon-based material in which a nanocarbon structure is spontaneously generated and maintained, or a carbon-based material having excellent thermal electron emission characteristics. One or a combination of these has a structure, and the improved orifice plate 42 itself has a discharge start promoting function.

この発明によるホローカソードは、ホローカソード動作に必要な電源の構造を簡略化・軽量化・小型化し、異常絶縁破壊の発生を防止し、長寿命化を可能とする特徴を有するため、搭載機器の小型化・軽量化・簡素化が求められ、かつ高い信頼性が求められる宇宙産業分野への適用が期待される。宇宙産業分野での利用内容としては、イオンエンジン用のプラズマ生成装置およびイオンビーム中和装置、ホールスラスタ用の電子放出装置、ホローカソードスラスタ、導電性テザーシステムの電子放出装置、人工衛星や宇宙ステーション等の帯電制御器等が考えられる。   The hollow cathode according to the present invention has the characteristics that the structure of the power source necessary for the hollow cathode operation is simplified, reduced in weight, reduced in size, prevented from abnormal dielectric breakdown, and has a longer life. It is expected to be applied to the space industry where miniaturization, weight reduction and simplification are required and high reliability is required. Applications in the space industry field include plasma generators and ion beam neutralizers for ion engines, electron emitters for hall thrusters, hollow cathode thrusters, electron emitters for conductive tether systems, satellites and space stations. A charge controller such as the above can be considered.

また、地上産業用のプラズマ発生源としても利用可能であり、スパッタリング用イオシ源のプラズマ生成装置およびイオンビーム中和装置、イオンエッチング機器用のプラズマ生成装置、ホローカソードランプ等、多くの適用先が考えられる。   It can also be used as a plasma generation source for the terrestrial industry, and has many applications such as a plasma generation device and ion beam neutralization device for sputtering ion sources, a plasma generation device for ion etching equipment, and a hollow cathode lamp. Conceivable.

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 キーパ孔
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 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
31 放電開始促進板A
32 放電開始促進板B
33 放電開始促進板C
33a 放電開始促進板Cの電気伝導体部位
33b 放電開始促進板Cの電気絶縁体部位
34 放電開始促進板D
35 放電開始促進板E
41 放電開始促進板A〜Dの開口部
42 改良型オリフィス板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cathode insert 2 Cavity part 3 Cathode tube 4 Orifice plate 5 Cathode insert support part 6 Keeper electrode plate 7 Orifice 8 Keeper hole 9 Heater 10 Heat shield 11 Keeper electrode support part insulation cylinder 12 Sputter shield 13 Base plates 14, 15, 16 Current introduction terminal 17 Gas introduction system 18 Discharge vessel 20 Internal plasma 21 Keeper plasma 22 External plasma 31 Discharge start acceleration plate A
32 Discharge start acceleration plate B
33 Discharge start acceleration plate C
33a Electrical conductor portion 33b of the discharge start promoting plate C Electrical insulator portion 34 of the discharge start promoting plate C Discharge start promoting plate D
35 Discharge start promotion plate E
41 Opening 42 of Discharge Start Promotion Plates A to D Improved Orifice Plate

Claims (9)

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、前記オリフィス板に対面するキーパ孔を有するキーパ電極板と、前記カソードチューブに挿入され空洞部を持つ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部位に放電の開始(点火)を容易にする放電開始促進板が設けられていることを特徴とするホローカソード。
A hollow cathode tube having a heater, an orifice plate having an orifice attached to the tip of the cathode tube, a keeper electrode plate having a keeper hole facing the orifice plate, and a hollow portion inserted into the cathode tube. In a hollow cathode having a cathode insert having a gas introduction system for introducing a working gas into the cathode tube,
A hollow cathode, wherein a discharge start promoting plate for facilitating discharge start (ignition) is provided at a downstream portion of the orifice plate.
前記放電開始促進板が、カーボンナノチューブ等のナノカーボンにより構成される微小突起群構造から成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 the discharge start promoting plate has a microprojection group structure made of nanocarbon such as carbon nanotubes. 前記放電開始促進板が、微細加工技術による複数の微小突起群構造から成ることを特徴とする請求項1に記載のホローカソード。   The hollow cathode according to claim 1, wherein the discharge start promoting plate is composed of a plurality of microprojection group structures formed by a micromachining technique. 前記放電開始促進板が、複数の電気伝導体と複数の電気絶縁体とが隣接した構造から成る複合板であ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 the discharge initiation promoting plate is a composite plate having a structure in which a plurality of electrical conductors and a plurality of electrical insulators are adjacent to each other. 前記放電開始促進板が、ナノカーボン構造が自発的に生成・維持されるカーボン系の材料から成る板であることを特徴とする請求項1に記載のホローカソード。   The hollow cathode according to claim 1, wherein the discharge initiation promoting plate is a plate made of a carbon-based material in which a nanocarbon structure is spontaneously generated and maintained. 前記放電開始促進板が、熱電子放出特性に優れたカーボン系材料で形成された板であることを特徴とする請求項1に記載のホローカソード。   The hollow cathode according to claim 1, wherein the discharge initiation promoting plate is a plate formed of a carbon-based material having excellent thermionic emission characteristics. 前記放電開始促進板が、メッシュ状の構造または格子状の構造を有する板であることを特徴とする請求項1に記載のホローカソード。   The hollow cathode according to claim 1, wherein the discharge start promoting plate is a plate having a mesh structure or a lattice structure. 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、前記オリフィス板に対面するキーパ孔を有するキーパ電極板と、前記カソードチューブに挿入され空洞部を持つ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を有するホローカソードおいて、
前記オリフィス板自体が、請求項2から7に記載された前記放電開始促進板の機能のうち1又は複数を有することを特徴とするホローカソード。
A hollow cathode tube having a heater, an orifice plate having an orifice attached to the tip of the cathode tube, a keeper electrode plate having a keeper hole facing the orifice plate, and a hollow portion inserted into the cathode tube. In a hollow cathode having a cathode insert having a gas introduction system for introducing a working gas into the cathode tube,
8. The hollow cathode according to claim 2, wherein the orifice plate itself has one or more of the functions of the discharge start promoting plate according to claim 2.
点火の際に+100V以上の高電圧を前記キーパ電極板に印加する必要がないことを特徴とする請求項1から8の何れかに記載のホローカソード。   9. The hollow cathode according to claim 1, wherein it is not necessary to apply a high voltage of +100 V or more to the keeper electrode plate at the time of ignition.
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