JP6603920B2 - ホローカソード - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

特許第5376449号

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (6)

1. 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、少なくとも前記円筒状部の周囲の部分の全体が発熱するヒータと、
   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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。

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