JP4816170B2

JP4816170B2 - Hollow cathode

Info

Publication number: JP4816170B2
Application number: JP2006071009A
Authority: JP
Inventors: 敏之尾崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: JP2007250316A

Description

この発明は、人工衛星や宇宙探査機等の宇宙航行体の軌道制御や姿勢制御に使用されるプラズマを利用した電気推進機や、地上のプロセス装置として使用されるイオン源の電子源として、プラズマを利用して電子を供給するホローカソードに関するものである。 The present invention relates to an electric propulsion device using plasma used for orbit control and attitude control of spacecraft such as artificial satellites and space probes, and as an electron source of an ion source used as a ground process device. The present invention relates to a hollow cathode that supplies electrons by using the.

現在、電気推進機に使用されているホローカソードについては、既に多くの学会発表等がなされており、その装置構成に関して様々な提案がなされていることは周知のところである。 It is well known that hollow cathodes currently used in electric propulsion devices have already been published in many academic conferences and various proposals have been made regarding the device configuration.

このようなホローカソードの一例として、陰極加熱のための外部ヒータとして、シース線を使用する従来技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。 As an example of such a hollow cathode, a conventional technique using a sheath wire as an external heater for heating the cathode is known (see, for example, Patent Document 1).

また、ホローカソードの一例として、陰極加熱のための外部ヒータに、内部セラミックスリーブと外部セラミックスリーブ間に巻いたフィラメントを有し、フィラメント巻線の収容空間に、セラミック粉末を充填封入した従来技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。 As an example of a hollow cathode, there is a conventional technique in which an external heater for heating a cathode has a filament wound between an inner ceramic sleeve and an outer ceramic sleeve, and a ceramic powder is filled and enclosed in a housing space of the filament winding. It is known (see, for example, Patent Document 2).

米国特許第６，８２９，９２０号公報（第３図）US Pat. No. 6,829,920 (FIG. 3) 特許第３４４５５７８号公報（第３図）Japanese Patent No. 3445578 (FIG. 3)

近年、宇宙飛行体が大型化、大電力化する傾向にあり、推進剤搭載量の大幅な削減が可能なイオンエンジン、ホールスラスタといった高比推力の電気推進機の需要要求が高まってきた。こうした電気推進機はプラズマを生成し、静電力や電磁力でイオンを加速し推力を得る。プラズマの生成は、推進剤となる例えばキセノンガスに電子を衝突させて行う。このような電気推進機の需要の高まりに伴い、電子の供給源としてのホローカソードの需要も高まってきている。 In recent years, spacecrafts have tended to increase in size and power, and demands for high-thrust electric propulsion devices such as ion engines and hall thrusters that can significantly reduce the amount of propellant loaded have increased. Such an electric propulsion device generates plasma and accelerates ions by electrostatic force or electromagnetic force to obtain thrust. The plasma is generated by causing electrons to collide with, for example, xenon gas serving as a propellant. With the increase in demand for such electric propulsion devices, the demand for hollow cathodes as an electron supply source has also increased.

従来のホローカソードは、高融点金属、例えばタンタル製のカソードパイプに絶縁層、例えばアルミナ、を溶射で形成し、ヒータ線、例えばレニウム線、を巻き付け、更に絶縁層を形成する構造をとっていた。このため、製造工程が複雑であるだけでなく、地上試験で外部ヒータが断線破損した場合、修理ができないという問題があった。 Conventional hollow cathodes have a structure in which an insulating layer, such as alumina, is formed on a cathode pipe made of a refractory metal such as tantalum by thermal spraying, a heater wire, such as rhenium wire, is wound, and an insulating layer is further formed. . For this reason, there is a problem that not only the manufacturing process is complicated, but also when the external heater is broken in the ground test, it cannot be repaired.

また、当該構造では、ホローカソード点火時や動作時の高温で、高融点金属製のカソードパイプと絶縁層の熱膨張差から熱応力が生じ、数千回に及ぶ長時間のサイクル動作で絶縁層が破損するという問題があった。 Also, in this structure, thermal stress occurs due to the difference in thermal expansion between the refractory metal cathode pipe and the insulating layer at the high temperature during ignition and operation of the hollow cathode, and the insulating layer can be cycled several thousand times for a long time. There was a problem of being damaged.

特許文献１のホローカソードは、このような問題には対処することができる。しかし、シース線内部におけるヒータ線の電流リターンがカソードパイプに接合されている。この部分は１５００℃程度の高温となるため、スポット溶接等で溶接する。従って、地上試験や製造工程でヒータ線が断線破損した場合、修理はできず、特許文献１では歩留が低くなるという問題が発生する。 The hollow cathode of Patent Document 1 can cope with such a problem. However, the current return of the heater wire inside the sheath wire is joined to the cathode pipe. Since this part has a high temperature of about 1500 ° C., it is welded by spot welding or the like. Therefore, when the heater wire is broken and damaged in the ground test or the manufacturing process, it cannot be repaired, and in Patent Document 1, a problem that the yield is lowered occurs.

さらに、シース線は高融点金属管、例えばタンタル管にヒータ線としてタングステン線を挿入し、電気絶縁を取るので、絶縁粉末として例えばマグネシア粒を封入した構造となっている。このため、単位長当りの質量が重い。シース線をカソードパイプ先端に巻き付けた場合、先端に荷重が集中し、カソードパイプ長を長くすると、打上時の機械環境で座屈の可能性が発生する。それを防止するため、特許文献１ではヒータ線のごく近傍でカソードパイプを絶縁ブロックで支持する構造としている。しかしその反面、ヒータ近傍に熱容量の大きな部品を配置する構造となるため、加熱効率が低くなってしまうという問題が生じる。 Furthermore, since the sheath wire inserts a tungsten wire as a heater wire into a refractory metal tube, such as a tantalum tube, and takes electrical insulation, it has a structure in which, for example, magnesia particles are enclosed as an insulating powder. For this reason, the mass per unit length is heavy. When the sheath wire is wound around the cathode pipe tip, if the load concentrates on the tip and the cathode pipe length is increased, the possibility of buckling occurs in the mechanical environment at the time of launch. In order to prevent this, Patent Document 1 has a structure in which the cathode pipe is supported by an insulating block in the very vicinity of the heater wire. However, on the other hand, there is a problem that the heating efficiency is lowered because a part having a large heat capacity is arranged in the vicinity of the heater.

また、特許文献２のように、内外のセラミックスリーブ間にフィラメントを配置し、セラミック粉末を封入する構造では、ホローカソードの点火時や動作時、内部セラミックスリーブとカソードパイプ間の接合部に熱応力が発生し、オンオフの繰り返し動作による応力サイクルで、接合部が剥離するという問題がある。 Further, as in Patent Document 2, in the structure in which the filament is disposed between the inner and outer ceramic sleeves and the ceramic powder is enclosed, the thermal stress is applied to the joint between the inner ceramic sleeve and the cathode pipe when the hollow cathode is ignited or operated. Occurs, and the joint part peels off in a stress cycle due to repeated on / off operation.

更に、セラミック粉末は電気絶縁のため封入されるが、均一に封入することが難しく、均一に分布しない場合、分布が疎となる領域で絶縁が劣化するという問題がある。 Furthermore, ceramic powder is encapsulated for electrical insulation, but it is difficult to encapsulate uniformly, and when it is not uniformly distributed, there is a problem that the insulation deteriorates in a region where the distribution is sparse.

この発明は、係る課題を解決するために成されたものであり、オンオフ動作による繰り返しの熱応力でも破壊を生じず、安定に電子供給が可能となり、かつ、歩留まりが向上するホローカソードを得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a hollow cathode that can be stably supplied with electrons and can improve yield without being damaged even by repeated thermal stress due to on / off operation. With the goal.

この発明によるホローカソードは、一端に流出孔を有し、他端に突縁部を有したカソードパイプと、上記カソードパイプの一端に当接した中空陰極と、上記カソードパイプの流出孔に対向配置された孔を有したキーパ電極と、上記カソードパイプの周囲を取り囲む絶縁体に導体パターンが形成された円筒形状ヒータと、上記円筒形状ヒータの周囲を取り囲む断熱シールドと、を備え、上記円筒形状ヒータと断熱シールドが、上記カソードパイプの突縁部に絶縁体を介して結合されたものである。 The hollow cathode according to the present invention has an outflow hole at one end and a cathode pipe having a protruding edge at the other end, a hollow cathode in contact with one end of the cathode pipe, and an outflow hole of the cathode pipe. A keeper electrode having a hole formed therein, a cylindrical heater in which a conductor pattern is formed on an insulator surrounding the cathode pipe, and a heat insulating shield surrounding the circumference of the cylindrical heater. And a heat shield are coupled to the protruding portion of the cathode pipe via an insulator.

また、一端にオリフィスを有し、他端にフランジを有する高融点金属からなるカソードパイプと、上記カソードパイプ内に配置されたワイヤが接合され、スプリングでオリフィスに付勢された中空陰極と、上記オリフィスに対向配置され、中心に孔の設けられたキーパ電極と、上記カソードパイプの周囲に配置され、円筒形状のセラミックに抵抗値が負の温度特性を有する材料からなる導体パターンの発熱部が形成された円筒形状ヒータと、上記円筒形状ヒータの周囲に配置され、高融点金属製の円筒形状の断熱シールドと、を備え、上記円筒形状ヒータと断熱シールドが、上記カソードパイプのフランジに絶縁碍子を介して設置されたものである。 A cathode pipe made of a refractory metal having an orifice at one end and a flange at the other end; a wire disposed in the cathode pipe is joined, and a hollow cathode urged to the orifice by a spring; A keeper electrode with a hole formed in the center and opposed to the orifice, and a heat generating part of a conductor pattern made of a material with a negative resistance and temperature characteristic on a cylindrical ceramic, arranged around the cathode pipe And a cylindrical heat insulating shield made of a high melting point metal, and the cylindrical heater and the heat insulating shield include an insulator on the flange of the cathode pipe. It was installed via.

この発明によれば、ホローカソードの円筒形状ヒータの発熱部とカソードパイプとが非接合で固定できるため、熱膨張率差を有した異なる部品間を接合した場合に発生する、繰り返し熱応力による破壊が生じないという効果がある。 According to the present invention, the heat generating part of the hollow cathode cylindrical heater and the cathode pipe can be fixed in a non-bonded state, and therefore, the destruction due to repeated thermal stress that occurs when different parts having different thermal expansion coefficients are bonded. There is an effect that does not occur.

また、円筒形状ヒータや断熱シールドは、カソードパイプに設けられたフランジに結合されるため、部品の交換が容易であるという効果がある。例えば、万一、衛星の地上試験で加熱機能、断熱機能を持った機能部品が破損した場合でも、交換、修理が容易であり、歩留まりが向上する。 In addition, since the cylindrical heater and the heat shield are coupled to a flange provided on the cathode pipe, there is an effect that parts can be easily replaced. For example, even if a functional part having a heating function and a heat insulation function is damaged in a satellite ground test, replacement and repair are easy and the yield is improved.

実施の形態１．
以下、図を用いて、この発明に係る実施の形態１について説明する。
図１〜図８は、実施の形態１によるホローカソードの構成を示している。図に記載するホローカソード１は、各種の部品からなるが、ここではこの発明の要旨とする部分のみを説明する。
図１は、ホローカソード１の外観を示す斜視図を示し、（ａ）はキーパ電極側の上方から見た斜視図、（ｂ）は配管接続フランジ側の下方から見た斜視図、図２はホローカソード１の断面図である。 Embodiment 1 FIG.
The first embodiment according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIGS. 1-8 has shown the structure of the hollow cathode by Embodiment 1. FIG. The hollow cathode 1 shown in the figure is composed of various parts, but only the part which is the gist of the present invention will be described here.
1A and 1B are perspective views showing the appearance of the hollow cathode 1, wherein FIG. 1A is a perspective view seen from above the keeper electrode side, FIG. 1B is a perspective view seen from below the pipe connection flange side, and FIG. 1 is a cross-sectional view of a hollow cathode 1. FIG.

図１において、ホローカソード１は、円筒帽子形状のキーパホルダ５０と、ブラケット８０を有したホローカソード本体６０と、ホローカソード本体６０に接続された配管接続フランジ７０とを備えて構成される。キーパホルダ５０は、先端部にキーパ電極７が設けられている。キーパ電極７は中央に孔５３が開いており、孔５３を通じて図の矢視Ａの方向へ電子が流出する。キーパホルダ５０はホローカソード本体６０に保持される。ホローカソード本体６０は、キーパホルダ５０の底部側に、ヒータ電線１９とキーパ電線３０が接続されている。ヒータ電線１９及びキーパ電線３０には、端部に圧着端子が設けられている。ホローカソード本体６０は、ブラケット８０によって外部機器である電気推進機（例えば、ホールスラスタ）に接続される。配管接続フランジ７０は、図示しない推進材供給系の配管に接続されて、図の矢視Ｂの方向から流量調整されたガスが供給される。 In FIG. 1, the hollow cathode 1 includes a cylindrical hat-shaped keeper holder 50, a hollow cathode body 60 having a bracket 80, and a pipe connection flange 70 connected to the hollow cathode body 60. The keeper holder 50 is provided with a keeper electrode 7 at the tip. The keeper electrode 7 has a hole 53 in the center, and electrons flow out through the hole 53 in the direction of arrow A in the figure. The keeper holder 50 is held by the hollow cathode body 60. In the hollow cathode body 60, the heater wire 19 and the keeper wire 30 are connected to the bottom side of the keeper holder 50. The heater wire 19 and the keeper wire 30 are provided with crimp terminals at the ends. The hollow cathode body 60 is connected to an electric propulsion device (for example, a hall thruster) as an external device by a bracket 80. The pipe connection flange 70 is connected to a propellant supply system pipe (not shown), and a gas whose flow rate is adjusted is supplied from the direction of arrow B in the figure.

図２において、キーパホルダ５０は円筒部５１を有している。円筒部５１の先端には取付用ボスが設けられ、この取付用ボスにキーパ電極７がネジ２０１で結合されている。また、円筒部５１の根元部にはフランジ５２が設けられている。キーパホルダ５０の内部には、ホローカソード本体６０に設けられたカソードパイプ４が配置される。カソードパイプ４は、出口側の一端にオリフィス２を有し、他端にフランジ（突縁部）３を有する。キーパ電極７は、オリフィス（流出孔）２に対向するように配置され、オリフィス２の中央に設けられた孔２００とキーパ電極７の孔５３とが同軸上に配置されている。カソードパイプ４は、他端がホローカソード本体６０のベース部６１に接合される。ベース部６１はネジ６２によってブラケット８０に結合される。ベース部６１の内部には、流通孔を有したスプリングホルダ６３が設けられている。スプリングホルダ６３は外周にネジが設けられており、ベース部６１に設けられた雌めじに係合する。スプリングホルダ６３は内部にスプリング２３が収容され、スプリング２３の一端が固定されている。ホローカソード本体６０には両端にシール構造を持つフランジ７０、７０ｂを有した連結部品７１が取付ネジ３０１で接続されている。連結部品７１は内部に流通孔を有し、ガスケット３００を挟み込んでフランジ７０ｂでホローカソード本体６０に接続され、フランジ７０でガスを供給する配管に接続される。これによって、カソードパイプ４の管内が、スプリングホルダ６３、連結部７１、配管接続フランジ７０の各流通孔と連通し、配管接続フランジ７０に流入するガスを、カソードパイプ４に移送するためのガス流路が形成される。 In FIG. 2, the keeper holder 50 has a cylindrical portion 51. A mounting boss is provided at the tip of the cylindrical portion 51, and the keeper electrode 7 is coupled to the mounting boss with a screw 201. A flange 52 is provided at the base of the cylindrical portion 51. Inside the keeper holder 50, the cathode pipe 4 provided in the hollow cathode body 60 is disposed. The cathode pipe 4 has an orifice 2 at one end on the outlet side and a flange (protruding edge) 3 at the other end. The keeper electrode 7 is disposed so as to face the orifice (outflow hole) 2, and the hole 200 provided in the center of the orifice 2 and the hole 53 of the keeper electrode 7 are disposed coaxially. The other end of the cathode pipe 4 is joined to the base portion 61 of the hollow cathode body 60. Base portion 61 is coupled to bracket 80 by screws 62. A spring holder 63 having a flow hole is provided inside the base portion 61. The spring holder 63 is provided with a screw on the outer periphery, and engages with a female screw provided on the base portion 61. The spring holder 63 accommodates the spring 23 therein, and one end of the spring 23 is fixed. A connecting part 71 having flanges 70 and 70 b having a sealing structure at both ends is connected to the hollow cathode body 60 by mounting screws 301. The connecting part 71 has a flow hole inside, is connected to the hollow cathode main body 60 by a flange 70b with the gasket 300 interposed therebetween, and is connected to a pipe for supplying gas by the flange 70. As a result, the inside of the cathode pipe 4 communicates with the flow holes of the spring holder 63, the connecting portion 71, and the pipe connection flange 70, and the gas flow for transferring the gas flowing into the pipe connection flange 70 to the cathode pipe 4. A path is formed.

また、キーパホルダ５０のフランジ５２は、ネジの挿入孔（図示せず）を有した絶縁碍子３１を介して、ネジ３２によりカソードパイプ４のフランジ３に結合される。また、キーパホルダ５０のフランジ５２は、このネジ３２により、ネジの挿入孔（図示せず）を有した絶縁碍子３１を介して、キーパ電線３０の圧着端子が共締めされる。カソードパイプ４内には、一端側に中空陰極５が配置される。カソードパイプ４の周囲には、フランジを有する円筒形状ヒータ６が配置され、周囲を取り囲まれている。円筒形状ヒータ６の周囲には、高融点金属製の薄いシート状の円筒形状の断熱シールド８が配置され、周囲を取り囲まれている。カソードパイプ４のフランジ３には取付用孔４１が設けられ、ネジの挿入孔を有した絶縁碍子１８を間に挟み、取付用孔４１に挿入されるネジ２０を用いて、円筒形状ヒータ６がフランジ３と共締めされている。また、このネジ２０によって、絶縁碍子１８を介してヒータ電線１９の圧着端子がフランジ３に共締めされている。なお、絶縁碍子１８は、フランジ３の取付用孔４１の穴の内周を覆って絶縁している。 The flange 52 of the keeper holder 50 is coupled to the flange 3 of the cathode pipe 4 by a screw 32 through an insulator 31 having a screw insertion hole (not shown). Further, the flange 52 of the keeper holder 50 is fastened together with the crimp terminal of the keeper electric wire 30 by the screw 32 through the insulator 31 having a screw insertion hole (not shown). In the cathode pipe 4, a hollow cathode 5 is disposed on one end side. A cylindrical heater 6 having a flange is disposed around the cathode pipe 4 and surrounds the periphery. A thin sheet-shaped cylindrical heat shield 8 made of a refractory metal is disposed around the cylindrical heater 6 and surrounds the periphery. The flange 3 of the cathode pipe 4 is provided with a mounting hole 41, the insulator 18 having a screw insertion hole is sandwiched between them, and the screw 20 inserted into the mounting hole 41 is used to connect the cylindrical heater 6. It is fastened together with the flange 3. Further, the crimp terminal of the heater wire 19 is fastened to the flange 3 via the insulator 18 by the screw 20. The insulator 18 covers and insulates the inner circumference of the hole of the mounting hole 41 of the flange 3.

次に、カソードパイプ４、円筒形状ヒータ６、及び断熱シールド８の構成について説明する。
図３はカソードパイプの断面図、図４は円筒形状ヒータの斜視図、図５は円筒形状ヒータの部分断面図、図６はヒータパターンの展開図、図７は断熱シールドの斜視図、図８は断熱シールドの分解図である。 Next, the configuration of the cathode pipe 4, the cylindrical heater 6, and the heat shield 8 will be described.
3 is a sectional view of the cathode pipe, FIG. 4 is a perspective view of the cylindrical heater, FIG. 5 is a partial sectional view of the cylindrical heater, FIG. 6 is a development view of the heater pattern, FIG. FIG. 3 is an exploded view of a heat shield.

図３において、カソードパイプ４は高融点金属、例えばタンタル（融点、約３０００℃）製のパイプ４ｂの一端に高融点金属、例えばトリエテッドタングステン（融点、約３４００℃）製のオリフィス２が溶接され、他端に高融点金属、例えばタンタル製のフランジ３が溶接されているものである。タンタル製パイプ４ｂは、オリフィス２側の中空陰極が位置する領域の厚さｄ２を１〜２ｍｍ程度と太くした厚肉部と、フランジ３側の部分の厚さｄ１を０．５ｍｍ程度以下と細くした薄肉部を有している。フランジ３には円筒形状ヒータ６や断熱シールド８取付用の孔が複数箇所設けられている。以上の構成ではパイプ４ｂとフランジ３を溶接で一体化してカソードパイプ４を作成したが、一体品として切削で製作してもよい。フランジ３には、複数個の取付用孔４１が設けられている。 In FIG. 3, the cathode pipe 4 is welded to one end of a pipe 4b made of a high melting point metal, for example, tantalum (melting point, about 3000 ° C.), with an orifice 2 made of a high melting point metal, for example, tritungsten tungsten (melting point, about 3400 ° C.). The other end is welded with a flange 3 made of a refractory metal such as tantalum. The tantalum pipe 4b has a thick portion in which the thickness d2 of the region where the hollow cathode on the orifice 2 side is located is increased to about 1 to 2 mm, and the thickness d1 of the portion on the flange 3 side is reduced to about 0.5 mm or less. It has a thin part. The flange 3 is provided with a plurality of holes for attaching the cylindrical heater 6 and the heat shield 8. In the above configuration, the pipe 4b and the flange 3 are integrated by welding to create the cathode pipe 4, but may be manufactured by cutting as an integrated product. The flange 3 is provided with a plurality of mounting holes 41.

図４、５において、円筒形状ヒータ６は、絶縁体、例えば窒化硼素製の一端にフランジの付いた絶縁円筒９上に、抵抗が負の温度特性を有する導体、例えばグラファイトでヒータパターン１０を形成し、その上に更に絶縁層１１、例えば窒化硼素を積層して絶縁被覆されたものである。フランジ１２の２箇所に設けられた電力導入端子部１３では、グラファイトを露出させている。電力導入端子部１３は、中央に取付用孔が配置されている。また、フランジ１２には、外周に沿って所定の間隔で、取付用孔１４が複数個開いている。 4 and 5, a cylindrical heater 6 has a heater pattern 10 made of a conductor having a negative temperature characteristic, such as graphite, on an insulating cylinder 9 having a flange at one end made of an insulator such as boron nitride. Further, an insulating layer 11, for example, boron nitride, is further laminated thereon for insulation coating. The graphite is exposed at the power introduction terminal portions 13 provided at two locations of the flange 12. The power introduction terminal portion 13 has a mounting hole at the center. The flange 12 has a plurality of mounting holes 14 at predetermined intervals along the outer periphery.

フランジ付絶縁円筒９は、内径をカソードパイプ４の厚肉部の外径より熱膨張差を見込んでわずかに大きくしておく。例えばタンタル製カソードパイプ４の厚肉部外径を１０ｍｍとすると、タンタルの熱膨張係数が６.６×１０^−６／Ｋ、窒化硼素の熱膨張係数が２.６×１０^−６／Ｋであるため、動作時温度を１５００℃として、円筒形状ヒータ６の内径は１０．０６ｍｍ以上とする。絶縁円筒９の厚さは０.５〜２ｍｍとし、グラファイト層厚さは５０〜１００μｍとする。グラファイトによるヒータパターン（導体パターン）１０は、発熱部３１の線幅は２ｍｍ以下と細くし、全体線長をできるだけ長くして抵抗値を高くする。一方、非発熱部３２の線幅を発熱部線幅の５倍程度以上とする。非発熱部３２は抵抗値が低いほど加熱効率が向上するため、電流インラインとアウトラインの絶縁が保てることを条件にできるだけ線幅を広くすることが良い。また非発熱部３２の抵抗値を下げるため導体厚さを厚くすることも有効である。 The flanged insulating cylinder 9 has an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the thick portion of the cathode pipe 4 in consideration of the thermal expansion difference. For example, if the outer diameter of the thick portion of the tantalum cathode pipe 4 is 10 mm, the thermal expansion coefficient of tantalum is 6.6 × 10 ⁻⁶ / K, and the thermal expansion coefficient of boron nitride is 2.6 × 10 ⁻⁶ / K. Therefore, the operating temperature is set to 1500 ° C., and the inner diameter of the cylindrical heater 6 is set to 10.06 mm or more. The thickness of the insulating cylinder 9 is 0.5 to 2 mm, and the graphite layer thickness is 50 to 100 μm. In the heater pattern (conductor pattern) 10 made of graphite, the line width of the heat generating portion 31 is reduced to 2 mm or less, and the entire line length is made as long as possible to increase the resistance value. On the other hand, the line width of the non-heat generating portion 32 is set to about 5 times or more the heat generating portion line width. Since the heating efficiency improves as the resistance value of the non-heat generating portion 32 is lower, it is preferable to make the line width as wide as possible on condition that the insulation between the current inline and the outline can be maintained. It is also effective to increase the conductor thickness in order to reduce the resistance value of the non-heat generating portion 32.

図６には、ヒータパターンの例を、展開図として２種類示している。図６（ａ）に示すヒータパターン１０の発熱部３１は、横方向にパターンを走行させた例となっている。図６（ｂ）に示すヒータパターン１０の発熱部３１は、縦方向にパターンを走行させた例となっている。いずれにせよ、発熱部３１の抵抗値を高く、非発熱部３２の抵抗値を低くできるパターンであれば良く、これを満足すれば図６（ａ）（ｂ）に示した例にも限られない。 FIG. 6 shows two types of heater patterns as development views. The heat generating portion 31 of the heater pattern 10 shown in FIG. 6A is an example of running the pattern in the horizontal direction. The heating part 31 of the heater pattern 10 shown in FIG. 6B is an example in which the pattern is run in the vertical direction. In any case, any pattern can be used as long as the resistance value of the heat generating portion 31 can be increased and the resistance value of the non-heat generating portion 32 can be decreased. If the pattern is satisfied, the pattern is limited to the example shown in FIGS. Absent.

なお、グラファイトの比抵抗は２５℃で約０．８ｍΩ-ｃｍ、５００℃で、約０．４９ｍΩ-ｃｍ、１０００℃で約０．３８ｍΩ-ｃｍ、１５００℃で約０．３６ｍΩ-ｃｍである。ヒータパターンの線幅を２ｍｍ、厚みを５０μｍ、パターンの平均径を１０ｍｍ、ヒータ電流値を３Ａとすると、１５００℃で８０Ｗ発熱させるためには、パターン長を２３．４ｃｍとすれば良く、巻数は８巻とすると良い。 The specific resistance of graphite is about 0.8 mΩ-cm at 25 ° C., about 0.49 mΩ-cm at 500 ° C., about 0.38 mΩ-cm at 1000 ° C., and about 0.36 mΩ-cm at 1500 ° C. If the line width of the heater pattern is 2 mm, the thickness is 50 μm, the average diameter of the pattern is 10 mm, and the heater current value is 3 A, in order to generate 80 W at 1500 ° C., the pattern length may be 23.4 cm, Eight volumes are recommended.

また、非発熱部３２の端部２箇所には、ヒータパターン１０と電気的に繋がったグラファイトが露出した電力導入端子１３を設ける。図４で上述したように、電力導入端子１３はフランジ１２に位置する。この場合、非発熱部３２は、フランジ１２においてグラファイトが絶縁被覆された状態で電力導入端子１３に至るようにパターニングされ、電力導入端子１３においてグラファイトが露出する。また、フランジ１２の取付用孔１４付近では、ネジ止めする際、短絡させないことが肝要である。例えば、取付用孔１４の内周において、グラファイトが露出すると、取付用孔１４に挿入されるネジと短絡してしまう。このため、取付用孔１４の周辺では、ヒータパターン１０と電気的に繋がったグラファイトが内在しないように、パターン配置するのが良い。 In addition, the power introduction terminal 13 where the graphite electrically connected to the heater pattern 10 is exposed is provided at two positions of the end portion of the non-heating portion 32. As described above with reference to FIG. 4, the power introduction terminal 13 is located on the flange 12. In this case, the non-heat generating portion 32 is patterned so as to reach the power introduction terminal 13 in a state where graphite is insulated on the flange 12, and the graphite is exposed at the power introduction terminal 13. Further, it is important not to short-circuit in the vicinity of the mounting hole 14 of the flange 12 when screwing. For example, if graphite is exposed on the inner periphery of the mounting hole 14, a short circuit occurs with a screw inserted into the mounting hole 14. For this reason, it is preferable to arrange the pattern around the mounting hole 14 so that graphite electrically connected to the heater pattern 10 does not exist.

図７、８において、断熱シールド８は円筒形状のシート２８の一端にリング板２６が設けられ、他端にフランジ２７が設けられている。フランジ２７には、カソードパイプ４に接合するための取取付用孔８１と切欠き８２が設けられる。シート２８は止め板２９によって接合されている。断熱シールド８は輻射率の高い高融点金属、例えばタンタル製の薄肉円筒シールドの多層構造からなるものである。内層には、径の異なる薄肉円筒シールド１５、及び１５ｂが同心円状に積層されて配置される。内層の薄肉円筒シールド１５、及び１５ｂは、円筒形状をなすシート２８の一端にフランジ２４を有する。フランジ２４は、リング板２６と共にスポット溶接等で溶接される。最外層に位置するやや厚肉の厚肉円筒シールド１６は、円筒形状をなすシート２８の一端にフランジ２５を有し、他端にフランジ２７を有する。一端のフランジ２５は内部の薄肉円筒シールド１５、１５ｂのフランジ２４が溶接される。他端のフランジ２７はシート２８に溶接される。また、各円筒シールド１５、１５ｂは、他端に他の薄肉円筒との密接を避けるための折り返し１７を、均等に３〜６箇所設けておく。なお、ネジ２０は切欠き８２に接しないように配置される。 7 and 8, the heat shield 8 is provided with a ring plate 26 at one end of a cylindrical sheet 28 and a flange 27 at the other end. The flange 27 is provided with a mounting hole 81 and a notch 82 for joining to the cathode pipe 4. The sheet 28 is joined by a stop plate 29. The heat shield 8 has a multilayer structure of a thin cylindrical shield made of a high melting point metal having a high emissivity, for example, tantalum. In the inner layer, thin cylindrical shields 15 and 15b having different diameters are disposed concentrically. The inner thin cylindrical shields 15 and 15 b have a flange 24 at one end of a cylindrical sheet 28. The flange 24 is welded together with the ring plate 26 by spot welding or the like. The slightly thicker thick cylindrical shield 16 located in the outermost layer has a flange 25 at one end of a cylindrical sheet 28 and a flange 27 at the other end. The flange 24 of one end is welded to the flange 24 of the thin cylindrical shields 15 and 15b inside. The other end flange 27 is welded to the seat 28. In addition, each cylindrical shield 15 and 15b is provided with 3 to 6 equal portions at the other end, which are folded back 17 for avoiding close contact with other thin-walled cylinders. The screw 20 is arranged so as not to contact the notch 82.

内層の薄肉円筒シールド１５の厚さは０.０５ｍｍ以下が良く、図８に示したように２層以上が良い。また、最外層の厚肉円筒１６の厚さは０.１〜０．２ｍｍが良い。図８の分解図では、シート２８を丸め、止め板２９、フランジ２４に接合して各円筒シールドを作成しているが、シートの端部を重ね合わせて接合しても、切削加工で製作しても良い。 The thickness of the inner thin cylindrical shield 15 is preferably 0.05 mm or less, and preferably two or more layers as shown in FIG. The thickness of the outermost thick cylinder 16 is preferably 0.1 to 0.2 mm. In the exploded view of FIG. 8, the sheet 28 is rolled and joined to the stop plate 29 and the flange 24 to create each cylindrical shield. However, even if the end portions of the sheet are overlapped and joined, they are manufactured by cutting. May be.

円筒形状ヒータ６はカソードパイプ４のフランジ３に絶縁碍子１８を介して接合する。絶縁碍子１８は円筒形状ヒータの絶縁体部分は高温での断熱性能の優れた絶縁材、例えばジルコニア（温度範囲３７３〜１７７３Ｋで、２.０〜２.６Ｗ／ｍ−Ｋ）製の碍子を用い、電力導入端子部は高温時の電気絶縁性能の優れた絶縁材、例えばアルミナ（温度１２７３Ｋで、７００００Ω−ｍ）を用いる。２箇所の電力導入端子１３にはヒータに電流を流すためのヒータ電線１９が接続されている。この際、電力導入端子１３の取付用孔を通じて、ヒータ電線１９の圧着端子が電力導入端子部１３に接した状態でネジ２０により締結されている。円筒形状ヒータ６の接合やヒータ電線１９を接合するネジ２０には、高融点金属、例えばモリブデン製ネジを用いる。 The cylindrical heater 6 is joined to the flange 3 of the cathode pipe 4 via an insulator 18. As the insulator 18, the insulator portion of the cylindrical heater uses an insulator having excellent heat insulation performance at a high temperature, for example, an insulator made of zirconia (temperature range: 373 to 1773K, 2.0 to 2.6 W / m-K). The power introduction terminal portion uses an insulating material having excellent electrical insulation performance at a high temperature, for example, alumina (temperature 1273K, 70000 Ω-m). Heater wires 19 for flowing current to the heater are connected to the two power introduction terminals 13. At this time, the crimping terminal of the heater electric wire 19 is fastened by the screw 20 in a state where the crimping terminal of the heater wire 19 is in contact with the power introduction terminal portion 13 through the mounting hole of the power introduction terminal 13. A refractory metal such as a molybdenum screw is used as the screw 20 for joining the cylindrical heater 6 and the heater electric wire 19.

カソードパイプ４に収容される中空陰極５はポーラスタングステンの基体金属に酸化バリウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムを含浸させた中空の含浸陰極を用いる。中空陰極５の一端には高融点金属、例えばレニウムやレニウム−モリブデン合金製のワイヤ２１の一端をロウ付け等で接合してある。中空陰極５は、その外周がカソードパイプ４の内周に摺動可能なように嵌合している。ワイヤ２１の他端を支持する中空の押え部品２２はスプリング２３の他端が取付されている。このスプリング２３により、中空陰極５をオリフィス２に接触させる押し付け力を発生する。なお、スプリング２３としてコイルばねを例示したが、板ばねやその他のばねを用いても良い。 The hollow cathode 5 accommodated in the cathode pipe 4 uses a hollow impregnated cathode obtained by impregnating porous tungsten base metal with barium oxide, aluminum oxide, and calcium oxide. One end of a wire 21 made of a high melting point metal such as rhenium or rhenium-molybdenum alloy is joined to one end of the hollow cathode 5 by brazing or the like. The hollow cathode 5 is fitted so that the outer periphery thereof can slide on the inner periphery of the cathode pipe 4. The hollow holding member 22 that supports the other end of the wire 21 is attached to the other end of the spring 23. The spring 23 generates a pressing force that brings the hollow cathode 5 into contact with the orifice 2. In addition, although the coil spring was illustrated as the spring 23, you may use a leaf | plate spring and another spring.

キーパ電極７に電力を供給する電源は定電圧制御から定電流制御に切り替わる機能を有する。また、円筒形状ヒータ６に電力を供給する電源は定電流制御で行われる。 The power source that supplies power to the keeper electrode 7 has a function of switching from constant voltage control to constant current control. The power source for supplying power to the cylindrical heater 6 is controlled by constant current control.

次に、ホローカソード１の動作について、以下に説明する。
配管接続フランジ７０を通じて、それと連通したカソードパイプ４にイオン化されたガス、例えばキセノンが供給される。この供給ガスは中空陰極５を通過し、更にオリフィス４から流出される。この際、中空陰極５でのガス圧力はオリフィス４で差圧が付き、約２００〜８００Ｐａとなる。 Next, the operation of the hollow cathode 1 will be described below.
Through the pipe connection flange 70, ionized gas, for example, xenon, is supplied to the cathode pipe 4 communicated therewith. This feed gas passes through the hollow cathode 5 and then flows out of the orifice 4. At this time, the gas pressure at the hollow cathode 5 has a differential pressure at the orifice 4 and is about 200 to 800 Pa.

キーパ電源は定電圧制御で動作し、キーパ電線３０及びキーパホルダ５０を介して、キーパ電極７に１００Ｖ程度の高電圧を印加する。また、ヒータ電線１９を介して、円筒形状ヒータ６にヒータ電源で電流を通電する。この際、ヒータ電源は定電流制御で動作する。ヒータ６の発熱部３１が発熱し、カソードパイプ４内部に配置された中空陰極５を加熱する。温度の上昇と共に中空陰極５は熱電子を放出し始め、中空陰極５とキーパ電極７間で絶縁破壊を起こす。その時発生する放電で、電子とイオン化されるガスとの衝突電離でプラズマが生成する。プラズマが生成した後は、いわゆるホローカソード効果で中空陰極は内部に生成したプラズマで自立的に加熱されるため、円筒形状ヒータ６の通電を停止する。すなわち、円筒形状ヒータ６は、中空陰極５で少なくともプラズマが生成されるまでの間、定電流制御される。また、プラズマが生成した後、キーパ電源は定電流制御に移行する。 The keeper power supply operates under constant voltage control, and applies a high voltage of about 100 V to the keeper electrode 7 via the keeper wire 30 and the keeper holder 50. Further, a current is applied to the cylindrical heater 6 by a heater power source via the heater wire 19. At this time, the heater power supply operates under constant current control. The heat generating part 31 of the heater 6 generates heat and heats the hollow cathode 5 disposed inside the cathode pipe 4. As the temperature rises, the hollow cathode 5 begins to emit thermoelectrons, causing dielectric breakdown between the hollow cathode 5 and the keeper electrode 7. Plasma is generated by impact ionization between the electrons and the ionized gas by the electric discharge generated at that time. After the plasma is generated, the hollow cathode is heated by the plasma generated inside by the so-called hollow cathode effect so that the energization of the cylindrical heater 6 is stopped. That is, the cylindrical heater 6 is subjected to constant current control until at least plasma is generated at the hollow cathode 5. Further, after the plasma is generated, the keeper power supply shifts to constant current control.

ホローカソード１からの電子の安定供給には陰極温度の維持が重要である。中空陰極５への入熱はプラズマを形成する放電電力で、放熱はオリフィス２やカソードパイプ４側面の輻射放熱や、カソードパイプ４からの伝導放熱による。カソードパイプ４側面からの放熱は断熱シールド８で抑制される。またカソードパイプ４からの伝導放熱はパイプの薄肉部で熱抵抗を高め、放熱を抑制する。 Maintaining the cathode temperature is important for the stable supply of electrons from the hollow cathode 1. The heat input to the hollow cathode 5 is a discharge power that forms plasma, and the heat is radiated by radiating heat from the side surfaces of the orifice 2 and the cathode pipe 4 and by conducting heat from the cathode pipe 4. Heat dissipation from the side surface of the cathode pipe 4 is suppressed by the heat shield 8. Conductive heat radiation from the cathode pipe 4 increases the thermal resistance at the thin part of the pipe and suppresses heat radiation.

次に、円筒形状ヒータ６の加熱に関して説明する。
ヒータパターンを形成するグラファイトは温度上昇とともに抵抗値が下がる負の温度特性を有するため、温度の平衡特性が良い。すなわち一定電流Ｉを通電した場合、ある温度、例えば１５００℃に到達した時、温度が１５００℃を越えると抵抗Ｒが下がるため、Ｒ×Ｉ^２で表されるジュール発熱が低下するため温度が下がる。一方、温度が１５００℃より下がると抵抗Ｒが上昇するため、発熱量が増加し、温度が上昇する。その結果、温度の収束性及び安定性が良い。 Next, heating of the cylindrical heater 6 will be described.
The graphite forming the heater pattern has a negative temperature characteristic in which the resistance value decreases as the temperature rises, so the temperature equilibrium characteristic is good. That is, when a constant current I is applied, when the temperature reaches a certain temperature, for example, 1500 ° C., the resistance R decreases when the temperature exceeds 1500 ° C., so the Joule heat generation represented by R × I ² decreases and the temperature decreases. . On the other hand, when the temperature falls below 1500 ° C., the resistance R increases, so the amount of heat generation increases and the temperature rises. As a result, the temperature convergence and stability are good.

なお、ヒータ電源において定電圧制御を行う場合は、ジュール発熱はＶ^２／Ｒであり、温度が高くなると抵抗Ｒが低下するため、発熱量が増加し、温度が更に高くなる。一方、温度が低くなると抵抗Ｒが上昇するため、発熱量が減少し、温度が更に低くなる。その結果、温度の収束性や安定性が悪くなる。このため、ヒータ電源の制御は、定電圧制御で行わずに、定電流制御で行っている。 When constant voltage control is performed in the heater power supply, Joule heat generation is V ² / R, and the resistance R decreases as the temperature increases, so the amount of heat generation increases and the temperature further increases. On the other hand, when the temperature is lowered, the resistance R is increased, so that the amount of generated heat is reduced and the temperature is further lowered. As a result, temperature convergence and stability deteriorate. For this reason, the heater power supply is controlled not by constant voltage control but by constant current control.

次に、ホローカソード１を構成する部品に生じる熱応力に関して説明する。
ホローカソード１内の最高温度は、点火時に円筒形状ヒータ４の発熱部が約１５００℃となり、電子供給時に中空陰極５が約１２００℃となる。このような高温では熱膨張係数が異なる異種材料部品の接合部で、熱膨張差から接合界面に熱応力が生じ、破損の原因となる。特に宇宙空間で使用されるホローカソードは温度幅が１５００℃を越える温度サイクルが繰り返し印加される。ホローカソード１はカソードパイプ４と円筒形状ヒータ６はヒータ発熱部で接合されておらず、熱応力を生じない。円筒形状ヒータ６はグラファイト（熱膨張係数０.８×１０^−６／Ｋ）、窒化硼素（熱膨張係数２.６×１０^−６／Ｋ）と異種材料を使用しているが熱膨張係数が近く問題となる熱応力を発生しない。またカソードパイプ４（タンタル、熱膨張係数６．６×１０^−６／Ｋ）とその内部にある中空陰極５（タングステン、熱膨張係数４.６×１０^−６／Ｋ）及びワイヤ２１（レニウム、熱膨張係数４.７×１０^−６／Ｋ）は異種材料であるが、熱膨張係数が近い上、熱膨張差をスプリング２３で補償する構造である。これから熱応力は問題とならず、更にスプリング２３に付勢されて中空陰極５とグランド電位であるオリフィス２や２２間の接触が切れないため、中空陰極５がフローティングとなることは無く、電子の供給に支障を来すことはない。
このことから、ホローカソード１は温度サイクルで生じる異種材料間の熱応力による破損が生じず、信頼度が高くなる。 Next, the thermal stress generated in the parts constituting the hollow cathode 1 will be described.
The maximum temperature in the hollow cathode 1 is about 1500 ° C. in the heat generating portion of the cylindrical heater 4 at the time of ignition, and about 1200 ° C. in the hollow cathode 5 at the time of supplying electrons. At such a high temperature, thermal stress is generated at the joint interface due to the difference in thermal expansion at the joint portion of dissimilar material parts having different thermal expansion coefficients, causing damage. In particular, a hollow cathode used in outer space is repeatedly applied with a temperature cycle in which the temperature range exceeds 1500 ° C. In the hollow cathode 1, the cathode pipe 4 and the cylindrical heater 6 are not joined at the heater heat generating portion, and no thermal stress is generated. The cylindrical heater 6 uses different materials such as graphite (thermal expansion coefficient 0.8 × 10 ⁻⁶ / K) and boron nitride (thermal expansion coefficient 2.6 × 10 ⁻⁶ / K), but has a thermal expansion coefficient. It does not generate a thermal stress that is a problem in the near future. Further, the cathode pipe 4 (tantalum, thermal expansion coefficient 6.6 × 10 ⁻⁶ / K), the hollow cathode 5 (tungsten, thermal expansion coefficient 4.6 × 10 ⁻⁶ / K) and the wire 21 (rhenium, The thermal expansion coefficient is 4.7 × 10 ⁻⁶ / K), which is a dissimilar material. However, the thermal expansion coefficient is close, and the spring 23 compensates for the thermal expansion difference. The thermal stress does not become a problem from now on, and further, since the contact between the hollow cathode 5 and the orifices 2 and 22 which are the ground potential is not interrupted by being urged by the spring 23, the hollow cathode 5 does not float and the electron There will be no hindrance to supply.
For this reason, the hollow cathode 1 does not break due to the thermal stress between different kinds of materials generated in the temperature cycle, and the reliability becomes high.

以上述べた構成で、Ｓ４１１の中空の含浸陰極を有し、カソードパイプ全長５６ｍｍ、オリフィス径１．６ｍｍ、オリフィス長０．８ｍｍ、カソードパイプの内径８ｍｍ、厚肉部長さ１７ｍｍ、厚肉部外径１０ｍｍ、薄肉部外径８.８ｍｍ、円筒形状ヒータ内径１０.３ｍｍ、外径１２ｍｍ、断熱シールドヒータ室温抵抗２６Ω、断熱シールドの内側断熱円筒シールド（２層）の厚さ０．０５ｍｍ、最外層円筒シールドの厚さ０．２ｍｍの設計値でホローカソードを試作し、試験を実施した。
試験の結果では、キセノン流量１０ｓｃｃｍ、ヒータ電流２．８Ａ、キーパ電圧１００Ｖの条件で、２分〜２分３０秒でプラズマが点火し、１５〜２０Ａの良好な電子の供給性能を示した。 With the structure described above, it has a hollow impregnated cathode of S411, total length of the cathode pipe 56mm, orifice diameter 1.6mm, orifice length 0.8mm, cathode pipe inner diameter 8mm, thick part length 17mm, thick part outer diameter 10mm, outer diameter of thin wall part 8.8mm, cylindrical heater inner diameter 10.3mm, outer diameter 12mm, heat insulation shield heater room temperature resistance 26Ω, heat insulation shield inner heat insulation cylindrical shield (2 layers) thickness 0.05mm, outermost cylinder A hollow cathode was prototyped with a design value of a shield thickness of 0.2 mm and tested.
As a result of the test, the plasma was ignited in 2 minutes to 2 minutes and 30 seconds under the conditions of a xenon flow rate of 10 sccm, a heater current of 2.8 A, and a keeper voltage of 100 V, and good electron supply performance of 15 to 20 A was shown.

この実施の形態は、一端にオリフィス２を有し、他端にフランジ３を有する高融点金属からなるカソードパイプ４と、カソードパイプ４内に配置されたワイヤ２１が接合され、スプリング２３でオリフィス２に付勢された中空陰極５と、オリフィス２に対向配置され、中心に孔の設けられたキーパ電極７と、カソードパイプ４の周囲に配置され、円筒形状のセラミックに抵抗値が負の温度特性を有する材料からなるヒータパターン１０の発熱部３１が形成された円筒形状ヒータ６と、円筒形状ヒータ６の周囲に配置され、高融点金属製の円筒形状の断熱シールド８とを備え、円筒形状ヒータ６と断熱シールド８が、カソードパイプ４のフランジ３に絶縁碍子１８を介して結合して、ホローカソード１を構成している。 In this embodiment, a cathode pipe 4 made of a refractory metal having an orifice 2 at one end and a flange 3 at the other end and a wire 21 disposed in the cathode pipe 4 are joined, and an orifice 2 is connected by a spring 23. The hollow cathode 5 urged by the gas, the keeper electrode 7 disposed opposite to the orifice 2 and provided with a hole at the center, and the cathode pipe 4 are disposed around the cathode pipe 4. A cylindrical heater 6 formed with a heat generating portion 31 of a heater pattern 10 made of a material having a cylindrical shape, and a cylindrical heat shield 8 disposed around the cylindrical heater 6 and made of a refractory metal. 6 and the heat shield 8 are coupled to the flange 3 of the cathode pipe 4 via an insulator 18 to form the hollow cathode 1.

この実施の形態によれば、ホローカソードの円筒形状ヒータの発熱部とカソードパイプに接合部を持たないため、熱膨張率の大きく異なる部品間を接合した場合に発生する繰り返し熱応力で生じる破壊が生じないという効果がある。 According to this embodiment, since the heating part of the cylindrical heater of the hollow cathode and the cathode pipe do not have a joint part, destruction caused by repeated thermal stress generated when joining parts having greatly different coefficients of thermal expansion are joined. There is an effect that it does not occur.

また、この実施の形態によれば、円筒形状ヒータや断熱シールドはカソードパイプに設けられたフランジにネジ締結されるため、部品の交換が容易であり、万一、地上試験で加熱機能、断熱機能を持った機能部品が破損した場合でも交換、修理が容易であり、歩留まりが向上するという効果がある。 In addition, according to this embodiment, since the cylindrical heater and the heat shield are screwed to the flange provided on the cathode pipe, it is easy to replace the parts. Even if a functional part having a damage is damaged, replacement and repair are easy, and the yield is improved.

また、この実施の形態によれば、スプリングで中空陰極がカソードパイプのオリフィスに押し付けられるため、中空陰極とグランドの電気的接続が保証される。 Further, according to this embodiment, since the hollow cathode is pressed against the orifice of the cathode pipe by the spring, the electrical connection between the hollow cathode and the ground is ensured.

この発明の実施の形態によるホローカソードを説明する外観図である。It is an external view explaining the hollow cathode by embodiment of this invention. この発明の実施の形態によるホローカソードを説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the hollow cathode by embodiment of this invention. カソードパイプを説明する断面図である。It is sectional drawing explaining a cathode pipe. 円筒形状ヒータを説明する外観図である。It is an external view explaining a cylindrical heater. 円筒形状ヒータを説明する断面図である。It is sectional drawing explaining a cylindrical heater. ヒータパターンを説明する展開図である。It is an expanded view explaining a heater pattern. 断熱シールドを説明する断面図である。It is sectional drawing explaining a heat insulation shield. 断熱シールドの分解図である。It is an exploded view of a heat insulation shield.

Explanation of symbols

１ホローカソード、２オリフィス、３カソードパイプフランジ、４カソードパイプ、４ｂパイプ、５中空陰極、６円筒形状ヒータ、７キーパ電極、８断熱シールド、９フランジ付き絶縁円筒、１０ヒータパターン、１１絶縁層、１２円筒形状ヒータフランジ、１３電力導入端子、１４ヒータパターン、１５内側円筒シールド、１６厚肉円筒シールド、１７薄肉円筒シールド折り返し、１８絶縁碍子、１９ヒータ電線、２０ネジ、２１ワイヤ、２２ワイヤ押え部品、２３スプリング、２４薄肉円筒シールドフランジ、２５厚肉円筒シールドフランジ、２６リング板、２７厚肉円筒シールド取付フランジ、２８高融点金属シート、２９止め板、３０キーパ電線、３１ヒータパターンの発熱部、３２ヒータパターンの非発熱部。 1 hollow cathode, 2 orifice, 3 cathode pipe flange, 4 cathode pipe, 4b pipe, 5 hollow cathode, 6 cylindrical heater, 7 keeper electrode, 8 heat shield, 9 insulating cylinder with flange, 10 heater pattern, 11 insulating layer, 12 cylindrical heater flange, 13 power introduction terminal, 14 heater pattern, 15 inner cylindrical shield, 16 thick cylindrical shield, 17 thin cylindrical shield folded, 18 insulator, 19 heater wire, 20 screw, 21 wire, 22 wire holding part , 23 Spring, 24 Thin cylindrical shield flange, 25 Thick cylindrical shield flange, 26 Ring plate, 27 Thick cylindrical shield mounting flange, 28 High melting point metal sheet, 29 Stop plate, 30 Keeper wire, 31 Heater part of heater pattern, 32 Non-heat generating portion of Tapatan.

Claims

A cathode pipe having an outflow hole at one end and a protruding edge at the other end;
A hollow cathode in contact with the inner surface of one end of the cathode pipe;
A keeper electrode having a hole disposed opposite the outflow hole of the cathode pipe;
A cylindrical heater having an insulator surrounding the periphery of the cathode pipe and a heat generating part formed with a conductor film pattern on the insulator;
A heat insulating shield surrounding the periphery of the cylindrical heater;
With
A hollow cathode in which the cylindrical heater and the heat insulating shield are installed on an edge of the cathode pipe via an insulator.

A cathode pipe made of a refractory metal having an orifice at one end and a flange at the other end;
A hollow cathode disposed in contact with the inner surface of one end of the cathode pipe, a wire disposed in the cathode pipe is joined, and is biased to an orifice by a spring;
A keeper electrode disposed opposite the orifice and provided with a hole in the center;
A cylindrical ceramic disposed around the cathode pipe; and a heat generating portion formed by forming a conductive film pattern made of a material having a negative temperature characteristic on the outer peripheral surface of the cylindrical ceramic . A cylindrical heater;
Arranged around the cylindrical heater, a cylindrical heat shield made of high melting point metal,
With
The heating part of the cylindrical heater is disposed opposite to the hollow electrode,
A hollow cathode in which the cylindrical heater and the heat shield are coupled to a flange of the cathode pipe via an insulator.

The hollow cathode according to claim 1 or 2, wherein the cylindrical heater is controlled at a constant current until plasma is generated at least by the hollow cathode.

The hollow cathode according to claim 2, wherein the cylindrical heater has a conductor pattern made of graphite and a cylindrical ceramic made of boron nitride.

The hollow cathode according to claim 2, wherein the hollow cathode is an impregnated cathode.

A heater power introduction terminal provided at the protruding edge of the cylindrical heater and supplying power to the cylindrical heater;
An insulator sandwiched between the projecting edge of the cylindrical heater and the projecting edge of the cathode pipe;
A terminal insulator sandwiched between the heater power introduction terminal and the projecting edge of the cathode pipe ;
Further comprising
Said insulator has a heat insulating property at a high temperature, the hollow cathode for the terminal insulator is claim 2 having electrical insulating properties at elevated temperatures.

A heater power introduction terminal provided at the protruding edge of the cylindrical heater and supplying power to the cylindrical heater;
An insulator sandwiched between the projecting edge of the cylindrical heater and the projecting edge of the cathode pipe;
A terminal insulator sandwiched between the heater power introduction terminal and the projecting edge of the cathode pipe ;
Further comprising
3. The hollow cathode according to claim 2, wherein the insulator is made of zirconia, and the terminal insulator is made of alumina.