JP2017016795A - Hollow cathode - Google Patents

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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hollow cathode which is excellent in durability and can reduce the risk of failure of the heater.SOLUTION: In a vicinity 1 of an electron emitting portion of the hollow cathode, a cylindrical cathode tube 10, a thermionic emitter 2 provided inside the thermionic emitter 2, a radiant heater 3 provided outside the cathode tube 10, a heat shield 5 provided outside the radiant heater 3 for reducing heat dissipation, and a hollow-cylindrical keeper electrode 6 as a whole enveloping the hollow cathode are included. A space is provided between the radiant heater 3 and the cathode tube 10. A space is also provided between the radiant heater 3 and the heat shield 5. Furthermore, in order to maintain a state of separation between the cathode tube 10 and the radiant heater 3 and between the radiant heater 3 and the heat shield 5, support members 11a, 11b, 11c and 11d having a T-shaped cross section are provided.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、宇宙機の電気推進装置や汎用イオン源に使用されるホローカソードに関する。   The present invention relates to a hollow cathode used in an electric propulsion device for a spacecraft or a general-purpose ion source.

宇宙機の宇宙空間における推進手段の一つして電気推進という技術が知られている。電気推進では、プラズマと呼ばれる高温のガスを生成し、これに電圧を印加してイオンを加速し外部へ噴射することによって推力を得る。このイオンビームの電気的中和あるいは放電室への電子供給のために、電子源が必要となる。この電子源の一つとしてホローカソードが知られている。   A technique called electric propulsion is known as one of propulsion means in space of a spacecraft. In electric propulsion, a high-temperature gas called plasma is generated, a voltage is applied to the gas, and ions are accelerated and ejected to the outside to obtain thrust. An electron source is required for electrical neutralization of the ion beam or supply of electrons to the discharge chamber. A hollow cathode is known as one of the electron sources.

図４は、従来のホローカソードの電子放出部近傍（全体を符号１０１で示す）の構造を示した断面図である。図４に示すように、ホローカソードの電子放出部近傍１０１には、円筒状のカソードチューブ１１０と、その内側に設けられた電子放出材であるサーミオニック・エミッタ（「インサート」とも言う）１０２が設けられる。カソードチューブ１１０の外側にはヒータ１０３が巻かれる。ヒータ１０３は、カソードチューブ１１０とは電気的に絶縁する必要があるため、ヒータ１０３とカソードチューブ１１０とを絶縁するとともにヒータ１０３を固定する、アルミナなどからなる絶縁体１０４が設けられる。絶縁体１０４の外側には、熱の散逸を低減する金属からなるヒートシールド１０５が設けられる。さらにその外側には、ホローカソードの全体を包む、全体として円筒状のキーパー電極１０６が設けられる。なお、図４では、カソードチューブ１１０の下流端部分のみを示している。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure in the vicinity of the electron emission portion of the conventional hollow cathode (the whole is denoted by reference numeral 101). As shown in FIG. 4, a cylindrical cathode tube 110 and a thermionic emitter (also referred to as “insert”) 102 which is an electron emission material provided inside are provided in the vicinity 101 of the electron emission portion of the hollow cathode. It is done. A heater 103 is wound around the cathode tube 110. Since the heater 103 needs to be electrically insulated from the cathode tube 110, an insulator 104 made of alumina or the like is provided that insulates the heater 103 from the cathode tube 110 and fixes the heater 103. A heat shield 105 made of a metal that reduces heat dissipation is provided outside the insulator 104. Furthermore, a generally cylindrical keeper electrode 106 that covers the entire hollow cathode is provided on the outside thereof. In FIG. 4, only the downstream end portion of the cathode tube 110 is shown.

ヒータ１０３の電源をオンにすると、ヒータ１０３は加熱し、それに伴いカソードチューブ１１０を介してサーミオニック・エミッタ１０２が熱伝導により加熱される。そしてサーミオニック・エミッタ１０２が所定の温度以上に加熱した上でキーパー電極１０６あるいは図４の左側に電圧を印加すると、サーミオニック・エミッタ１０２から電子が放出され放電が開始する。図４の右側からは、例えばキセノンなどの不活性ガスが供給され放電によりプラズマ化する。サーミオニック・エミッタ１０２から放出された電子は、キーパー電極１０６や外部から印加された電圧によって加速され、カソードチューブ１１０の左側に設けられた開口部１１０ａ及びキーパー電極１０６に設けられた開口部１０６ａを経て外部に放出される。   When the heater 103 is turned on, the heater 103 is heated, and accordingly, the thermionic emitter 102 is heated by heat conduction through the cathode tube 110. When the thermionic emitter 102 is heated to a predetermined temperature or higher and a voltage is applied to the keeper electrode 106 or the left side of FIG. 4, electrons are emitted from the thermionic emitter 102 and discharge starts. From the right side of FIG. 4, for example, an inert gas such as xenon is supplied and plasma is generated by discharge. Electrons emitted from the thermionic emitter 102 are accelerated by the keeper electrode 106 or an externally applied voltage, and pass through an opening 110 a provided on the left side of the cathode tube 110 and an opening 106 a provided in the keeper electrode 106. Released to the outside.

電子放出材であるサーミオニック・エミッタ１０２としては、従来ＢａＯ等の酸化物が含浸されたタングステンが使用されていたが、取り扱いが困難であるため、近年ではより取り扱いが容易なＬａＢ6が注目されている。しかし、ＬａＢ6から電子を放出させるためには、より高温（例えば１５００℃あるいはそれ以上）まで加熱する必要がある。したがって、ホローカソードにはこの高温に耐えうる高い耐熱性が要求される。 The Samionikku emitter 102 is an electron emitting material, but tungsten oxide impregnated prior BaO or the like has been used, because the handling is difficult, which in recent years attention is LaB 6 more are easy handling Yes. However, in order to emit electrons from LaB 6 , it is necessary to heat to a higher temperature (for example, 1500 ° C. or higher). Therefore, the hollow cathode is required to have high heat resistance that can withstand this high temperature.

特許第5376449号Patent 5376449

Goebel, D. M. and Watkins, R. M., "Compact Lanthanum Hexaboride Hollow Cathode," Review of Scientific Instruments 81, 8, 083504 (2010).Goebel, D. M. and Watkins, R. M., "Compact Lanthanum Hexaboride Hollow Cathode," Review of Scientific Instruments 81, 8, 083504 (2010).

図４に示したホローカソード１０１では、カソードチューブ１１０の周囲にヒータ１０３が巻かれ、ヒータ１０３が発する熱が、絶縁体１０４及びカソードチューブ１１０を介した熱伝導でサーミオニック・エミッタ１０２に伝達され加熱される。しかし、高温の状況下では、ヒータ１０３の線材と絶縁体１０４との化学反応によって変質することがあり、また各部の熱膨張によって空隙が発生するなどして絶縁体１０４が破損し、ヒータ１０３が故障するリスクが高いことが問題となっている。本発明はかかる問題を解決することを目的としてなされたものである。   In the hollow cathode 101 shown in FIG. 4, a heater 103 is wound around the cathode tube 110, and heat generated by the heater 103 is transmitted to the thermionic emitter 102 by heat conduction through the insulator 104 and the cathode tube 110 and heated. Is done. However, under a high temperature condition, the insulator 104 may be altered due to a chemical reaction between the wire material of the heater 103 and the insulator 104, and a gap is generated due to thermal expansion of each part. The problem is high risk of failure. The present invention has been made for the purpose of solving such problems.

本発明に係る、電気推進装置又は汎用イオン源において使用されるホローカソードは、
端部に円筒状部を有するカソードチューブと、
前記カソードチューブの前記円筒状部の内側に設けられ、加熱することによって電子を放出する電子放出材と、
前記円筒状部の周囲に、前記カソードチューブから離間して設けられたヒータと、
を備え、前記ヒータを加熱したときに生じる放射により前記カソードチューブ及び電子放出材を加熱して前記電子放出材から前記電子を放出することを特徴とする。 The hollow cathode used in the electric propulsion device or the general-purpose ion source according to the present invention is:
A cathode tube having a cylindrical portion at the end;
An electron emitting material provided inside the cylindrical portion of the cathode tube and emitting electrons by heating;
A heater provided around the cylindrical portion and spaced from the cathode tube;
The cathode tube and the electron emission material are heated by radiation generated when the heater is heated, and the electrons are emitted from the electron emission material.

さらに、前記ヒータを覆うように設けられたヒートシールドをさらに備え、当該ヒートシールドと前記ヒータとが離間した状態を維持する支持手段を備える。   Furthermore, the heat shield provided so that the said heater might be covered is further provided, and the support means which maintains the state which the said heat shield and the said heater separated is provided.

前記ヒータには、軸方向に切れ目を複数設け、前記支持手段を、これらの切れ目に挿入可能な形状とすることができる。   The heater may be provided with a plurality of cuts in the axial direction, and the support means may have a shape that can be inserted into these cuts.

前記ヒータの素材としては、炭素繊維、タングステン、タンタルを含むものとすることができる。   The material for the heater may include carbon fiber, tungsten, and tantalum.

本発明の一実施形態のホローカソードの電子放出部近傍の構造を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the structure of the electron emission part vicinity of the hollow cathode of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態のホローカソードの電子放出部近傍のやや簡略化した断面図である。FIG. 3 is a slightly simplified cross-sectional view in the vicinity of an electron emission portion of a hollow cathode according to an embodiment of the present invention. ２種類の電気推進装置におけるホローカソードが配置される位置を示した図である。It is the figure which showed the position where the hollow cathode in two types of electric propulsion apparatuses is arrange | positioned. 従来のホローカソードの電子放出部近傍の構造を示した断面図である。It is sectional drawing which showed the structure of the electron emission part vicinity of the conventional hollow cathode.

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るホローカソードの電子放出部近傍（全体を符号１で示す）を示しており、（ａ）は軸に垂直な断面図（左側）、（ｂ）は軸方向に沿った断面図（右側）である。図２は、図１の主要部を分かりやすく簡略化して示した軸方向に沿った断面図である。図１及び図２おいて、同一構成部分には同じ符号を付してある。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows the vicinity of an electron emission part of a hollow cathode according to an embodiment of the present invention (the whole is denoted by reference numeral 1), (a) is a cross-sectional view perpendicular to the axis (left side), and (b) is It is sectional drawing (right side) along an axial direction. FIG. 2 is a cross-sectional view along the axial direction showing the main part of FIG. 1 and 2, the same components are denoted by the same reference numerals.

図３は、２種類の電気推進装置のどこにホローカソードが配置されるかを示した図であり、（ａ）はイオンエンジンの場合、（ｂ）はホールスラスタの場合である。図３の破線の四角で囲んだ部分がホローカソードである。   FIGS. 3A and 3B are diagrams showing where the hollow cathode is arranged in two types of electric propulsion devices. FIG. 3A shows an ion engine and FIG. 3B shows a hall thruster. A portion surrounded by a broken-line square in FIG. 3 is a hollow cathode.

図１及び図２に示すように、本実施形態のホローカソードの電子放出部近傍１には、円筒状のカソードチューブ１０と、その内側に設けられたサーミオニック・エミッタ２と、カソードチューブ１０の外側に設けられる放射加熱ヒータ３と、放射加熱ヒータ３の外側に設けられ、熱の散逸を低減するヒートシールド５と、ホローカソードの全体を包む、全体として円筒状のキーパー電極６（図２では、カソードチューブの左側の部分のみ示している）とが含まれている。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the vicinity of the electron emission portion 1 of the hollow cathode of the present embodiment, a cylindrical cathode tube 10, a thermionic emitter 2 provided inside the cathode tube 10, and an outer side of the cathode tube 10. The radiant heater 3 provided on the outside, the heat shield 5 provided outside the radiant heater 3 to reduce heat dissipation, and the overall cylindrical keeper electrode 6 (in FIG. 2, Only the left part of the cathode tube is shown).

図２によく示されているように、放射加熱ヒータ３とカソードチューブ１０との間には空間が設けられ、放射加熱ヒータ３とヒートシールド５との間にも空間が設けられている。さらに、図１に示すように、放射加熱ヒータ３とヒートシールド５との間の離間した状態を維持するために、断面（軸に垂直に切った断面）がＴ字状の支持部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが設けられている（図２では省略した）。支持部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、例えばセラミック製とすることができる。ヒートシールド５は金属膜からなるため、Ｔ字状の支持部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを設けることによって、放射加熱ヒータ３とヒートシールド５との短絡を防止することができる。このように放射熱で加熱する本実施形態のホローカソードの構造では、図４に示した、ヒータ１０３の熱をカソードチューブ１１０に直接伝達するための絶縁体１０４は不要となる。   As well shown in FIG. 2, a space is provided between the radiant heater 3 and the cathode tube 10, and a space is also provided between the radiant heater 3 and the heat shield 5. Furthermore, as shown in FIG. 1, in order to maintain the separated state between the radiant heater 3 and the heat shield 5, the support members 11a and 11b whose sections (sections cut perpendicular to the axis) are T-shaped. , 11c, 11d (not shown in FIG. 2). The support members 11a, 11b, 11c, and 11d can be made of, for example, ceramic. Since the heat shield 5 is made of a metal film, a short circuit between the radiation heater 3 and the heat shield 5 can be prevented by providing the T-shaped support members 11a, 11b, 11c, and 11d. Thus, in the structure of the hollow cathode of the present embodiment that is heated by radiant heat, the insulator 104 for directly transferring the heat of the heater 103 to the cathode tube 110 shown in FIG. 4 is not necessary.

放射加熱ヒータ３は、例えば炭素からなる素材、具体的にはＣＣコンポジットなどの炭素複合材などから作成することができる。他にも例えばタングステン、タンタルなどの素材から形成することも可能である。放射加熱ヒータ３は、全体としてはカソードチューブ１０を包む円筒状であるが、複数の適切な切れ目を逆方向から交互に設けることによって軸と平行に電流が行き来する電流経路が形成されるような形状とする。この切れ目に、前述のＴ字状の支持部材１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを挿入することによって、容易に支持部材を装着することができる。こうして形成される電流経路の両端から電流を供給することによって、放射加熱ヒータ３の全体を発熱させることができる。   The radiant heater 3 can be made of, for example, a material made of carbon, specifically, a carbon composite material such as a CC composite. In addition, it can be formed from a material such as tungsten or tantalum. The radiant heater 3 has a cylindrical shape that encloses the cathode tube 10 as a whole. However, by providing a plurality of appropriate cuts alternately from the opposite direction, a current path in which current flows back and forth in parallel with the axis is formed. Shape. By inserting the aforementioned T-shaped support members 11a, 11b, 11c, and 11d into the cuts, the support members can be easily mounted. By supplying current from both ends of the current path thus formed, the entire radiant heater 3 can be heated.

放射加熱ヒータ３を高温まで加熱すると、放射を発生する。この放射が放射加熱ヒータ３とカソードチューブ１０との間の空間を伝搬してカソードチューブ１０に達すると、カソードチューブ１０を加熱し始める。すなわち、放射加熱ヒータ３とカソードチューブ１０は物理的には接触していないが、放射加熱ヒータ３を加熱することによって、空間を伝搬する放射によりカソードチューブ１０を加熱することができる。カソードチューブ１０が加熱されると、その内側に設けられたサーミオニック・エミッタ２にもその熱が伝わり加熱される。そして、サーミオニック・エミッタ２の温度が一定程度の高温に達した際にキーパー電極などに電圧を印加すると、電子を放出する。放出された電子が図の右側から左側へ向かって放出される点は、従来のホローカソードと同様である。   When the radiant heater 3 is heated to a high temperature, radiation is generated. When this radiation propagates through the space between the radiant heater 3 and the cathode tube 10 and reaches the cathode tube 10, the cathode tube 10 starts to be heated. That is, although the radiant heater 3 and the cathode tube 10 are not in physical contact, by heating the radiant heater 3, the cathode tube 10 can be heated by radiation propagating in the space. When the cathode tube 10 is heated, the heat is also transferred to the thermionic emitter 2 provided inside the cathode tube 10 and heated. When a voltage is applied to the keeper electrode or the like when the temperature of the thermionic emitter 2 reaches a certain high temperature, electrons are emitted. The point that emitted electrons are emitted from the right side to the left side of the figure is the same as that of the conventional hollow cathode.

放射加熱ヒータ３からの放射は、カソードチューブ１０に向かうだけでなく外側にも向かうが、放射加熱ヒータ３の周囲に金属膜からなるヒートシールド５を設けることによって、外部へ散逸する熱を軽減することができる。   Radiation from the radiant heater 3 is directed not only to the cathode tube 10 but also to the outside. By providing the heat shield 5 made of a metal film around the radiant heater 3, the heat dissipated to the outside is reduced. be able to.

放射加熱ヒータ３とカソードチューブ１０との間に空間を設けることによって、カソードチューブ１０に熱膨張が生じても、従来のように、ヒータの周囲に設けられていた絶縁体が破損するという問題は生じない。そして、カソードチューブ１０自身が破損することもなく、また、カソードチューブ１０の熱膨張が放射加熱ヒータ３に影響を与えることもない。このため、従来のホローカソードよりも優れた耐久性を備え、信頼性は高まる。   By providing a space between the radiant heater 3 and the cathode tube 10, even if thermal expansion occurs in the cathode tube 10, there is a problem that the insulator provided around the heater is damaged as in the prior art. Does not occur. The cathode tube 10 itself is not damaged, and thermal expansion of the cathode tube 10 does not affect the radiant heater 3. For this reason, it has the durability superior to the conventional hollow cathode, and the reliability increases.

ところで、空間を伝搬する放射による加熱は、最初に加熱することだけを考えた場合、熱伝導によって直接加熱する場合に比べ、消費電力の観点からは有利とは言えないかもしれない。しかしながら、一旦高温のプラズマガスが発生すると、その熱は内側からサーミオニック・エミッタ２及びカソードチューブ１０に伝わって高温が維持される。このため、高温のプラズマガスが発生した後は、断熱性が高い場合は放射加熱ヒータ３の動作を停止させることができる。図４に示した従来のホローカソードでは、カソードチューブとヒータが直接接しているため熱が外部に散逸しやすく、高温のプラズマガスが発生した後でも、断熱性が悪い場合は放電を維持するために、ヒータのオン、キーパー電極への投入電力増、ガス流量増などをする必要があった。   By the way, the heating by radiation propagating through the space may not be advantageous from the viewpoint of power consumption as compared with the case of heating directly by heat conduction when only heating is first considered. However, once the high temperature plasma gas is generated, the heat is transferred from the inside to the thermionic emitter 2 and the cathode tube 10 to maintain the high temperature. Therefore, after the high temperature plasma gas is generated, the operation of the radiant heater 3 can be stopped if the heat insulation is high. In the conventional hollow cathode shown in FIG. 4, since the cathode tube and the heater are in direct contact with each other, heat is easily dissipated to the outside, and even after high-temperature plasma gas is generated, if the heat insulation is poor, the discharge is maintained. In addition, it was necessary to turn on the heater, increase the input power to the keeper electrode, increase the gas flow rate, and the like.

これに対し、本発明に係るホローカソードでは、カソードチューブ１０の外側は直接ヒータに接していないため、熱伝導による熱の散逸を低減できるため高温の維持性能が高く、ヒータオン、キーパー電極への投入電力増、ガス流量増などを伴わずに放電を維持できる動作領域が広くなる可能性が高い。すなわち、電気推進装置の様々な動作条件に柔軟に対応できる。したがって、従来のホローカソードと比較して種々の電気推進装置への適用性が高い。   On the other hand, in the hollow cathode according to the present invention, since the outside of the cathode tube 10 is not in direct contact with the heater, the heat dissipation due to heat conduction can be reduced, so the high temperature maintenance performance is high, and the heater is turned on and put into the keeper electrode There is a high possibility that the operating area in which the discharge can be maintained without increasing the power or the gas flow rate is widened. That is, it is possible to flexibly cope with various operating conditions of the electric propulsion device. Therefore, the applicability to various electric propulsion devices is high as compared with the conventional hollow cathode.

以上では、電気推進装置の電子源を加熱するためのホローカソードについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。電気推進装置以外の、例えば汎用イオン源にも本願発明のホローカソードを使用することができる。   Although the hollow cathode for heating the electron source of the electric propulsion device has been described above, the present invention is not limited to this. The hollow cathode of the present invention can be used for, for example, a general-purpose ion source other than the electric propulsion device.

１，１０１ ホローカソードの電子放出部近傍
２，１０２ サーミオニック・エミッタ
３ 放射加熱ヒータ
５，１０５ ヒートシールド
６，１０６ キーパー電極
７ａ，７ｂ，１０７ａ，１０７ｂ 電源
１０，１１０ カソードチューブ
１０３ ヒータ
１０４ 絶縁体 1,101 Near electron emission part of hollow cathode 2,102 Thermionic emitter 3 Radiation heater 5,105 Heat shield 6,106 Keeper electrodes 7a, 7b, 107a, 107b Power source 10,110 Cathode tube 103 Heater 104 Insulator

Claims (6)

電気推進装置又は汎用イオン源において使用されるホローカソードであって、
端部に円筒状部を有するカソードチューブと、
前記カソードチューブの前記円筒状部の内側に設けられ、加熱することによって電子を放出する電子放出材と、
前記円筒状部の周囲に、前記カソードチューブから離間して設けられたヒータと、
を備え、前記ヒータを加熱したときに生じる放射により前記カソードチューブ及び電子放出材を加熱して前記電子放出材から前記電子を放出することを特徴とするホローカソード。 A hollow cathode used in an electric propulsion device or a general-purpose ion source,
A cathode tube having a cylindrical portion at the end;
An electron emitting material provided inside the cylindrical portion of the cathode tube and emitting electrons by heating;
A heater provided around the cylindrical portion and spaced from the cathode tube;
A hollow cathode, wherein the cathode tube and the electron emission material are heated by radiation generated when the heater is heated to emit the electrons from the electron emission material. 前記ヒータを覆うように設けられたヒートシールドをさらに備え、当該ヒートシールドと前記ヒータとが離間した状態を維持する支持手段を備え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, further comprising a heat shield provided so as to cover the heater, and further comprising support means for maintaining a state in which the heat shield and the heater are separated from each other. 前記ヒータには、軸方向の切れ目が複数設けられ、前記支持手段は、これらの切れ目に挿入可能な形状とされてい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 hollow cathode according to claim 2, wherein the heater is provided with a plurality of axial cuts, and the support means has a shape that can be inserted into the cuts. 前記ヒータの素材は炭素を含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のホローカソード。   The hollow cathode according to any one of claims 1 to 3, wherein a material of the heater includes carbon. 前記ヒータの素材はタングステンを含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のホローカソード。   The hollow cathode according to any one of claims 1 to 3, wherein a material of the heater includes tungsten. 前記ヒータの素材はタンタルを含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のホローカソード。   The hollow cathode according to claim 1, wherein a material of the heater includes tantalum.
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