JP2021182537A

JP2021182537A - 宇宙空間用の電界放出カソード型電子源

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Publication number: JP2021182537A
Application number: JP2020088246A
Authority: JP
Inventors: 真土居; Makoto Doi
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2021-11-25

Abstract

【課題】宇宙空間における原子状酸素やプラズマイオンによるカソードの劣化や減肉を防止して電界放出カソード型電子源を長寿命化する。【解決手段】電子２０を放出するためのカソード１２と、該カソード１２から電子２０を引出すための、電子２０が通過する開口窓１６Ａを有する引出し電極１６と、前記カソード１２と前記引出し電極１６の間に、電子２０を前記カソード１２から引出すための引出し電圧を印加するための引出し電源１８と、を有する宇宙空間用の電界放出カソード型電子源において、電子２０を透過させ、電子２０より大きな物質を透過させない透過薄膜３０を、前記引出し電極１６の開口窓１６Ａに、これを塞ぐように配設する。【選択図】図２

Description

本発明は、宇宙空間用の電界放出カソード型電子源に係り、特に、原子状酸素やプラズマイオンによるカソードの劣化や減肉を防止して長寿命化することが可能な、宇宙空間用の電界放出カソード型電子源、これを用いた宇宙空間用の導電性テザー推進装置及び宇宙空間用電気推進機の中和器に関する。

人工衛星の帯電防止や、テザー推進装置、イオンエンジンを含む電気推進機の中和のために、電子を宇宙空間に放出する電子源が、宇宙開発の様々な用途に使われている。

衛星軌道上に存在するスペースデブリの除去に用いられる導電性テザー推進装置は、導電性の紐であるテザーが地球磁場を横切ることにより発生する誘導起電力によって電流が生じ、地球磁場と作用させることによりローレンツ力を得て推進する推進装置である。この導電性テザー推進装置において、テザーの一端から電子を宇宙のプラズマ中に放出させる電子放出源としては、作動ガスが不要である点や、低電力動作が可能である点から電界放出カソード型電子源が有望である（特許文献１、非特許文献１）。

又、人工衛星などの宇宙構造物の軌道制御、東西南北位置保持、主推進等に用いられている電気推進機、例えばイオンエンジンにおいては、放出された陽イオンビームと電気的に同じ量の電子を宇宙空間に放出して中和し、人工衛星等の宇宙構造物が帯電するのを防止し推力を維持するために中和器が用いられている（特許文献２）。この中和器の電子源としても電界放出カソード型電子源が注目されている（非特許文献２）。

電子源は様々な形態を取り得るが、前記のように電子の放出源としてのカソードを電界放出型カソードとする形態は、ホローカソードなど熱陰極型カソードのようにカソードを加熱するための電源が不要となる。このため、消費電力が厳しく制約される宇宙空間での使用を前提とするイオンエンジンやテザー推進装置の電子源として有力視されている。特に、カーボンナノチューブを電界放出型カソードの表面に用いる形態は、カーボンナノチューブが有する高い電子放出能力、残留ガスに対する耐性、長寿命性といった優れた特性から、イオンエンジンや導電性テザー推進装置への適用技術として注目されている。

一般に、電界放出カソード型の電子源は、図１に例示する如く、基盤１０の上に配設された、電子２０を放出するカソード１２と、電子２０が通過する開口窓１６Ａを有する引出し電極（グリッドまたはゲートとも称する）１６と、カソード１２と引出し電極１６の間に、電子２０をカソード１２から引出すための高電圧を引出し電圧として印加するための引出し電源１８を主要な構成として具備している。図において１４は、電界を整形して電子を集束させる効果を得るためのマスクであり、幅Ｗは電子が放出される領域を示している。

引出し電源１８によってカソード１２と引出し電極１６間に強い電界を発生させ、この強電界によってカソード面から電子２０を放出させる。放出された電子２０は引出し電極１６に向かって流れ、引出し電極１６が有する開口窓１６Ａを抜けて、引出し電極１６外部へ放出される。

特開２００７−１０９５１４号公報特開平１１−２８０６４０号公報

島田他「カーボンナノチューブ電界放出カソードにおける原子状酸素対策の有効性評価」第５８回宇宙科学技術連合講演会講演集２０１４年１１月１２日〜１４日長野ブリックホール山本他「電界放出型カソードを用いたイオンエンジンの中和特性」平成３０年度宇宙科学に関する室内実験シンポジウム講演集 Proceedings of 2019 Symposium on Laboratory Experiment for Space Science. (2019).

しかしながら、宇宙空間は原子状酸素２２やプラズマイオン２４の環境下であり、これらがそのまま高速でカソード１２へ衝突するため、反応や衝撃によりカソード１２が消耗し寿命が短い。又、開口窓１６Ａでは電場が弱くなるため、カソード１２から放出された電子２０は加速しながら発散し、その一部は開口窓１６Ａを通過せずに周辺部の引出し電極１６へ衝突損失する。その結果、引出し電極１６へ電子２０が２０％以上流入して損失し、電力の利用効率が悪い。この電力損失を低減するために、引出し電圧を上げることが出来ず、低電圧が必要である。更に、周囲のプラズマイオン２４により電子源ポテンシャルが変動し、放出電流が大きく変動するなどの問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、宇宙空間における原子状酸素やプラズマイオンによるカソードの劣化や減肉を防止して、電界放出カソード型電子源を長寿命化することを課題とする。

本発明は、電子を放出するためのカソードと、該カソードから電子を引出すための、電子が通過する開口窓を有する引出し電極と、前記カソードと前記引出し電極の間に、電子を前記カソードから引出すための引出し電圧を印加するための引出し電源と、を有する宇宙空間用の電界放出カソード型電子源において、電子を透過させ、電子より大きな物質を透過させない透過薄膜を、前記引出し電極の開口窓に、これを塞ぐように配設することにより前記課題を解決するものである。

ここで、前記透過薄膜が導電性を有することができる。

又、前記透過薄膜を炭素を材料とする炭素系シートとすることができる。

又、前記透過薄膜をセラミックを材料とするセラミック系シートとすることができる。

又、前記透過薄膜が前記セラミック系シートの少なくとも一方の面に導電層を形成したもの、又は、それを積層したものとすることができる。

又、前記引出し電圧を、電子のエネルギー損失が２０％以内で前記透過薄膜を透過する１０ｋＶ以下の加速電圧とすることができる。

本発明は、又、前記電界放出カソード型電子源を備えたことを特徴とする宇宙空間用の導電性テザー推進装置を提供するものである。

本発明は、又、前記電界放出カソード型電子源を備えたことを特徴とする宇宙空間用電気推進機の中和器を提供するものである。

本発明によれば、電子を透過させ、電子より大きな物質を透過させない透過薄膜を、引出し電極の開口部に、これを塞ぐように配設したので、電子より大きな原子、イオンを遮断することができ、宇宙空間における原子状酸素やプラズマイオンがカソードに衝突しないようにして、カソードの劣化や減肉を防止し、電界放出カソード型電子源を長寿命化することができる。

従来の電界放出カソード型電子源の基本的な構成を示す断面図本発明の第１実施形態の基本的な構成を示す断面図同じく加速エネルギーと透過薄膜でのエネルギー損失の関係の例を示す図本発明の第２実施形態の基本的な構成を示す断面図同じく加速エネルギーと透過薄膜でのエネルギー損失の関係の例を示す図本発明の第３実施形態の基本的な構成を示す断面図同じく加速エネルギーと透過薄膜でのエネルギー損失の関係の例を示す図第３実施形態の変形例で用いるセラミック系シートの構成を示す断面図本発明の第４実施形態の基本的な構成を示す断面図同じく加速エネルギーと透過薄膜でのエネルギー損失の関係の例を示す図本発明に係る電界放出カソード型電子源を用いた導電性テザー推進装置の実施例を示す構成図本発明に係る電界放出カソード型電子源を中和器に用いたイオンエンジンの実施例を示す構成図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。また、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

本発明の第１実施形態は、図１に示した従来例と同様の構成を有する電界放出カソード型電子源において、図２に示す如く、透過薄膜３０を、引出し電極１６の開口窓１６Ａに、これを塞ぐように配設したものである。

カソード１２には、例えば高アスペクト比を持つカーボンナノチューブＣＮＴを用いることができる。

本実施形態においては、透過薄膜３０により、原子状酸素２２やプラズマイオン２４が遮断されるので、カソード１２が、これらの衝突により劣化や減肉することがない。

更に、透過薄膜３０により従来例に比べて広い幅Ｗにわたって均一な平行電界となり、引出し電極１６へ衝突・流入して損失となる電子はほとんど０となる。従って、透過薄膜３０をほぼすべての電子が透過し、引出し電極１６への流入損失がない引出し電圧にすることで電源電力損失のないものにすることができる。引出し電圧を上げても電力損失がないため、プラズマによる宇宙空間のポテンシャル変動に対し十分に高い引出し電圧として、引出し電流が変動しない安定したものすることができる。

なお、実際には透過薄膜３０を電子が透過する際、電子が透過薄膜３０内に捕捉されたり、後方散乱することによる放出電子量の減少はないが、非弾性散乱による電子のエネルギー損失を生じる。膜厚０．３２μｍのベリリウム（材料密度１．８５ｇ／ｃｍ³）を用いた場合の加速エネルギー（引出し電圧）と透過薄膜でのエネルギー損失量の算出結果を図３に○印でプロットして示す。加速エネルギー１０ｋｅＶ（引出し電圧１０ｋＶ）以上で電子エネルギー損失が２０％以下となる。

この損失において、宇宙空間であり宇宙への輻射冷却のみと仮定し、電子放出の電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ²とした場合の薄膜の温度を算出した結果を同じ図３に△印でプロットして示す。加速エネルギー９ｋｅＶ以上で４００℃以下となる。この温度と加速エネルギーの関係は、透過窓指数（透過窓係数とも称する）αを、薄膜膜厚（ｎｍ）×材料密度（ｇ／ｃｍ³）×電流密度（ｍＡ／ｃｍ²）と定義すると、αが同じであれば同じ値となる。図３の例では透過窓指数α＝２９６である。

なお、△印のプロットは非弾性散乱がほぼすべてがプラズモン振動つまり熱エネルギーとなったとした場合の最大の温度上昇であるが、実際には２次電子放出としてエネルギー放出され透過薄膜の温度上昇には寄与しないエネルギーがある。

２次電子放出量やそのエネルギー分布は物質や表面状態、膜厚や入射電子エネルギーなどの条件で大きく異なるため、放出エネルギー量を正確に算出することは難しいが、２次電子放出係数や２次電子エネルギー分布を仮定して算出した透過薄膜の温度を、図３中に破線Ａで示す。

この２次電子放出を考慮した透過薄膜の温度は、加速エネルギー５ｋｅＶで４００℃、８ｋｅＶで約３３０℃でほぼ一定となる温度分布、１０ｋＶより低い電圧で最適な電圧値が存在する可能性があることを示している。

また、衛星などの宇宙空間で使用する電源としては大きさ、重量などから１０ｋＶ以下が好ましく、また透過薄膜は、軽金属からセラミックなどの各種材料の使用が可能であり耐熱温度として５００〜１０００℃以上のものではあるが、耐久性や耐熱性を考慮し４００℃以下が好ましいと考えらえるため、透過窓指数αが３００以下となる薄膜膜厚、材料密度、電流密度条件が良く、加速電圧としては１０ｋＶ以下で電子の透過エネルギーが８０％以上となる薄膜膜厚と材料密度条件が好ましい。

本実施形態においては、透過薄膜３０として、ベリリウム、アルミ、シリコン、チタンなどの材料密度の小さい金属や、窒化炭素、窒化ケイ素、酸化ケイ素、アルミナ、ジルコニアなどの高強度、高耐熱のセラミックスを用いることができる。透過窓指数αに示したように、薄膜化可能な材料のほうが電流密度を上げたり、あるいは加速電圧を下げて電源の小型化、高出力化、低コスト化をすることができる。

具体的な条件範囲としては、透過薄膜３０の膜厚は０．３ｎｍ〜５００ｎｍ、薄膜材料の密度は１．８ｇ／ｃｍ³〜６ｇ／ｃｍ³において透過電子の電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ²〜５００ｍＡ／ｃｍ²が実現可能である。

本発明の第２実施形態は、図２に示した第１実施形態と同様の構成を有する電界放出カソード型電子源において、図４に示す如く、炭素系シートであるグラフェンシート３１を、引出し電極１６の開口窓１６Ａに、これを塞ぐように配設したものである。

本実施形態においては、グラフェンシート３１により、原子状酸素２２やプラズマイオン２４が遮断されるので、カソード１２が、これらの衝突により劣化したり減肉することがない。

更に、グラフェンシート３１は導電性を有するので、従来例に比べて広い幅Ｗにわたって均一な平行電界となり、引出し電極１６へ衝突・流入して損失となる電子はほとんど０となる。実際には、グラフェンシート３１を透過する際、電子エネルギー損失を生じる。厚さ０．３４ｎｍのグラフェンシートを用いた場合の加速エネルギーと透過薄膜でのエネルギー損失の算出結果を図５に○印でプロットして示す。電子の取出エネルギー率（＝１００％−エネルギー損失％）は、５００ｅＶで９６．４％、３．５ｋｅＶ以上で９９．９％となる。透過窓係数α＝３７の電流密度５０ｍＡ／ｃｍ²の高い電流密度での透過薄膜の温度算出値を同じ図５に△印でプロットして示すが、５００ｅＶで４００℃を下回り、３．５ｋｅＶでは２００℃を下回っている。

更に、第１実施形態の図３で示したと同様に２次電子放出エネルギーを考慮した透過薄膜の温度は図５の破線Ｂとなり、加速エネルギー２〜４ｋｅＶにほとんど温度上昇しない領域がある可能性を示している。

以上より、グラフェンシート３１を透過薄膜３０に適用した場合には、高い電流密度で低加速電圧が可能なため高出力でコンパクトな電子源システムが可能であり、かつグラフェンの温度上昇も低くすることができるため反応や、劣化を抑制し寿命、耐久性に優れたものが可能である。なお、耐久性向上のためにグラフェンシート３１を２〜５層、積層しても、厚さが薄いのでほとんど問題ない。

本実施形態においては、透過薄膜として、導電性を有し、強度が高く、薄膜化が可能なグラフェンシート３１を用いているので、特に好ましい。

炭素を材料とする炭素系の透過薄膜はグラフェンシートに限定されず、例えばグラファイトやＣＮＴのシートを用いることも可能である。

なお、第２実施形態のグラフェンシート３１では、原子状酸素２２の濃度が高い場合、反応劣化が懸念される。

そこで、本発明の第３実施形態では、図６に示す如く、第２実施形態のグラフェンシート３１の代わりに酸素反応性のないセラミック材料（例えば窒化ケイ素）製のセラミック系シート３２を開口窓に配設している。

他の点については第２実施形態と同様であるので説明は省略する。なお、第２実施形態と異なり導電性がないが誘電体としての作用により従来例に比べて広い幅Ｗにわたって均一な平行電界となる。

本実施形態においては、透過薄膜がセラミック系シート３２であるので、原子状酸素２２と反応せず、劣化、減肉しない。

なお、セラミック系シート３２は、第２実施形態のグラフェンシート３１に比べて膜厚が厚くなるため損失は大きくなる。

本実施形態ではセラミック材料として、窒化物の窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４など、ＳｉＮと略称）を用いていたが、セラミック材料はこれに限定されない。例えば、窒化物の代わりに酸化物、例えば酸化ケイ素ＳｉＯ_２を用いたり、他のセラミック材料を用いることも可能である。

本実施形態で、セラミック系シート３２として、厚さ１０ｎｍの窒化ケイ素（ＳｉＮ）を用いた場合の加速エネルギーと透過薄膜でのエネルギー損失の算出結果を図７に○印のプロットで示す。電子の取出エネルギー率は２ｋｅＶで８４．４％〜１０ｋｅＶで９８．９％となる。なお強度及び耐久性向上のため、厚さを２０〜３０ｎｍに増やしても、５ｋＶ以上の加速電圧では損失１０％以下となる。透過窓係数α＝１６５の電流密度５ｍＡ／ｃｍ²での透過薄膜の温度を算出した結果（△印のプロット）は２ｋｅＶで５００℃を下回り、４ｋｅＶで４００℃を下回る結果となり、窒化ケイ素の熱衝撃温度８００℃を大きき下回る温度である。さらに第１、及び第２実施形態の図３、５で示したと同様に２次電子放出エネルギーを考慮した透過薄膜の温度は図７の破線Ｃとなり、加速エネルギー５ｋｅＶで３００℃を下回り、７ｋｅＶ辺りに最小温度領域がある可能性を示している。

第３実施形態ではセラミック系シート３２に導電性が無いので、高電流では透過薄膜３０のチャージアップによる損失が懸念される。そのような問題を解消した本発明の変形例として、図８に示す如く、ドーピングを制御して導電性のあるＳｉベースを残したセラミック系シート３４を透過薄膜３０として用いることもできる。

このセラミック系シート３４は、例えばベースとなるＳｉ層３４ａに、透過薄膜３０の外側となる面から、例えばイオンビーム又はプラズマによりＮドーピングしてＳｉＮ層３４ｂを形成した後、例えばエッチング処理により、透過薄膜３０の内側となる面からＳｉ層３４ａを薄膜化して作製することができる。

本実施形態によれば、原子状酸素濃度での劣化抑制とチャージアップによる損失低減を両立させることが可能である。

次に、本発明の第４実施形態を図９に示す。この第４実施形態は、第３実施形態と同様のセラミック系シート３２の内側に、更に厚さ数ｎｍの薄い導電性材料、例えばグラフェンシートを接着して、導電層３６としたものである。

厚さ１０ｎｍのＳｉＮと厚さ０．３４ｎｍのグラフェンシートを積層した場合の加速エネルギーと透過薄膜でのエネルギー損失の計算結果を図１０に〇印のプロットで示す。電子の取出エネルギー率は２ｋｅＶで７９．３％〜１０ｋｅＶで９８．９％となる。なお強度、耐久性向上のため、厚さを２０〜３０ｎｍに増やしても、５ｋＶ以上の加速電圧では損失１０％以下となる。透過窓係数α＝２０２の電流密度５ｍＡ／ｃｍ²での透過薄膜の温度を算出した結果（△印のプロット）は、４ｋｅＶで４００℃を下回る結果である。さらに第３実施形態の図７で示したと同様に２次電子放出エネルギーを考慮した透過薄膜の温度は図１０の破線Ｄとなり、加速エネルギー５ｋｅＶで３００℃を下回り、７ｋｅＶ辺りに最小温度領域がある可能性を示している。

なおグラフェンシートの代わりにＣＮＴシートやグラファイトシートを接着したり、ベリリウムＢｅ、アルミニウムＡｌ、シリコンＳｉ、チタンＴｉ等の金属を蒸着して導電層３６とすることも可能である。また、よりチャージアップ抑制のために膜の両側に設置したり、セラミック膜の間に挟みこんだり、積層化することも可能である。

前記実施形態を宇宙空間用の導電性テザー推進装置に適用した実施例の模式図を図１１に示す。

図において、１００は導電性ワイヤ（テザー）、１１０は本発明に係る電界放出カソード型電子源（ＦＥＣ）、１２０は加速用ゲート、１２２は加速用電源、１３０は減速用ゲートである。

前記実施形態を宇宙推進用イオンエンジンの中和器に用いた実施例の模式図を図１２に示す。

図において、１４０はマイクロ波を用いたイオン源、１４２はイオン源用加速電源、１５０は加速用ゲート、１５２は加速用電源、１６０は減速用ゲート、１７０は本発明に係るＦＥＣを用いた中和器、１７２は中和器用加速電源である。

なお、前記実施形態においては、引出し電圧が、電子のエネルギー損失が２０％以内で透過薄膜を透過する１０ｋＶ以下の加速電圧とされていたが、引出し電圧は、これに限定されない。

カソード１２もＣＮＴを用いたものに限定されない。

１２…カソード
１６…引出し電極
１６Ａ…開口窓
１８…引出し電源
２０…電子
２２…原子状酸素
２４…プラズマイオン
３０…透過薄膜
３１…グラフェンシート
３２、３４…セラミック系シート
３４ａ…Ｓｉ層
３４ｂ…ＳｉＮ層
３６…導電層
１００…導電性ワイヤ（テザー）
１１０…電界放出カソード型電子源（ＦＥＣ）
１４０…イオン源
１７０…中和器（ＦＥＣ）

Claims

電子を放出するためのカソードと、
該カソードから電子を引出すための、電子が通過する開口窓を有する引出し電極と、
前記カソードと前記引出し電極の間に、電子を前記カソードから引出すための引出し電圧を印加するための引出し電源と、
を有する宇宙空間用の電界放出カソード型電子源において、
電子を透過させ、電子より大きな物質を透過させない透過薄膜を、前記引出し電極の開口窓に、これを塞ぐように配設したことを特徴とする宇宙空間用の電界放出カソード型電子源。
前記透過薄膜が導電性を有することを特徴とする請求項１に記載の宇宙空間用の電界放出カソード型電子源。
前記透過薄膜が炭素を材料とする炭素系シートであることを特徴とする請求項２に記載の宇宙空間用の電界放出カソード型電子源。
前記透過薄膜がセラミックを材料とするセラミック系シートであることを特徴とする請求項１に記載の宇宙空間用の電界放出カソード型電子源。
前記透過薄膜が前記セラミック系シートの少なくとも一方の面に導電層を形成したもの、又は、それを積層したものであることを特徴とする請求項４に記載の宇宙空間用の電界放出カソード型電子源。
前記引出し電圧は、電子のエネルギー損失が２０％以内で前記透過薄膜を透過する１０ｋＶ以下の加速電圧としたことを特徴とする請求項１又乃至５のいずれかに記載の宇宙空間用の電界放出カソード型電子源。
請求項１乃至６のいずれかに記載の電界放出カソード型電子源を備えたことを特徴とする宇宙空間用の導電性テザー推進装置。
請求項１乃至６のいずれかに記載の電界放出カソード型電子源を備えたことを特徴とする宇宙空間用電気推進機の中和器。