JPH11210614A - Hollow cathode device - Google Patents
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- JPH11210614A JPH11210614A JP10010712A JP1071298A JPH11210614A JP H11210614 A JPH11210614 A JP H11210614A JP 10010712 A JP10010712 A JP 10010712A JP 1071298 A JP1071298 A JP 1071298A JP H11210614 A JPH11210614 A JP H11210614A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば人工衛星に
搭載するイオンエンジンのイオン中和用電子源として用
いられるホローカソード装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hollow cathode apparatus used as an ion source for neutralizing ions of an ion engine mounted on an artificial satellite, for example.
【0002】[0002]
【従来の技術】ホローカソード装置は、イオン源やプラ
ズマ発生装置における電子放出源として利用されてい
る。図3は、従来のホローカソード装置を示す概略断面
図である。以下、この図面に基づき説明する。2. Description of the Related Art A hollow cathode device is used as an electron emission source in an ion source or a plasma generator. FIG. 3 is a schematic sectional view showing a conventional hollow cathode device. Hereinafter, description will be made based on this drawing.
【0003】従来のホローカソード装置は、動作ガスG
を導入する開口部521を一端に有する筒状体52と、
筒状体52の外周面に接触して設けられたヒータ54
と、筒状体52の他端に設けられオリフィス561を有
する隔壁56と、筒状体52の内周面に接触して設けら
れ熱電子を放出する中空状の熱電子源58と、ヒータ5
4に通電するヒータ電源60と、筒状体52内の動作ガ
スGを放電によりプラズマ化するとともに当該プラズマ
Pをオリフィス561から放出させる放電部(図示せ
ず)とを備えている。ヒータ54は、筒状体52の外周
に巻かれる発熱線541と、発熱線541相互の短絡を
防止する絶縁管542と、発熱線541及び絶縁管54
2を収納するヒータケース543とから構成されてい
る。ヒータ54で熱電子源58を加熱すると、熱電子源
58から熱電子が発生するので、筒状体52内の動作ガ
スGの放電が容易になる。[0003] A conventional hollow cathode device has a working gas G
A cylindrical body 52 having an opening 521 at one end for introducing
A heater 54 provided in contact with the outer peripheral surface of the cylindrical body 52
A partition wall 56 having an orifice 561 provided at the other end of the tubular body 52; a hollow thermoelectron source 58 provided in contact with the inner peripheral surface of the tubular body 52 to emit thermoelectrons;
The power supply 4 includes a heater power supply 60 that supplies electricity to the heater 4 and a discharge unit (not shown) that converts the operating gas G in the tubular body 52 into plasma by discharging and discharges the plasma P from the orifice 561. The heater 54 includes a heating wire 541 wound around the outer periphery of the tubular body 52, an insulating tube 542 for preventing a short circuit between the heating wires 541, a heating wire 541 and the insulating tube 54.
And a heater case 543 accommodating the two. When the thermoelectron source 58 is heated by the heater 54, thermoelectrons are generated from the thermoelectron source 58, so that the working gas G in the tubular body 52 can be easily discharged.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ホローカソード装置では、ヒータ54を用いるために次
のような問題があった。However, the conventional hollow cathode device has the following problems because the heater 54 is used.
【0005】.ヒータ54では、発熱線541から発
生した熱が、絶縁管542、ヒータケース543及び筒
状体52を経た後、ようやく熱電子源58へ伝わる。し
たがって、ヒータ54への供給電力が熱電子源58の加
熱に使われる割合すなわち電力効率が悪く、しかも熱電
子源58の昇温が遅い。[0005] In the heater 54, the heat generated from the heating wire 541 is transmitted to the thermoelectron source 58 after passing through the insulating tube 542, the heater case 543, and the tubular body 52. Therefore, the rate at which the power supplied to the heater 54 is used to heat the thermoelectron source 58, that is, the power efficiency is low, and the temperature of the thermoelectron source 58 rises slowly.
【0006】.ヒータ54は、発熱線541、絶縁管
542及びヒータケース543から構成されるので、複
雑であり、重量及び専有体積もともに大きい。[0006] Since the heater 54 is composed of the heating wire 541, the insulating tube 542, and the heater case 543, the heater 54 is complicated, and both the weight and the occupied volume are large.
【0007】[0007]
【発明の目的】そこで、本発明の目的は、電力効率が良
く、しかも構成が簡単で軽量化及び小型化が可能な、ホ
ローカソード装置を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a hollow cathode device which has good power efficiency, is simple in construction, and can be reduced in weight and size.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明に係るホローカソ
ード装置は、動作ガスを導入する開口部を一端に有する
筒状発熱体と、前記筒状発熱体の他端に設けられオリフ
ィスを有する隔壁と、前記筒状発熱体の内周面に接触し
て設けられ熱電子を放出する中空状の熱電子源と、前記
筒状発熱体に通電することにより当該筒状発熱体を発熱
させるヒータ電源と、前記筒状発熱体内の前記動作ガス
を放電によりプラズマ化するとともに当該プラズマを前
記オリフィスから放出させる放電部と、を備えたもので
ある。この筒状発熱体の材料は、後述する理由により黒
鉛が最も好ましいが、ジュール熱により所望温度まで発
熱するものであれば金属やセラミック等、どのような材
料でもよい。According to the present invention, there is provided a hollow cathode device comprising: a tubular heating element having an opening for introducing a working gas at one end; and a partition having an orifice provided at the other end of the tubular heating element. A hollow thermoelectron source provided in contact with the inner peripheral surface of the tubular heating element and emitting thermoelectrons; and a heater power supply for generating heat by energizing the tubular heating element by energizing the tubular heating element. And a discharge unit that converts the working gas in the cylindrical heating element into plasma by discharge and discharges the plasma from the orifice. The material of the tubular heating element is most preferably graphite for the reason described below, but any material such as metal or ceramic may be used as long as it generates heat to a desired temperature by Joule heat.
【0009】筒状発熱体で発生したジュール熱は、他に
何も介することなく、熱電子源へ直接伝わる。したがっ
て、筒状発熱体への供給電力が熱電子源の加熱に使われ
る割合すなわち電力効率が良く、しかも熱電子源の昇温
が速い。また、従来必要であったヒータを不要にできる
ので、構成を簡略化でき、軽量化及び小型化も図れる。[0009] Joule heat generated by the cylindrical heating element is directly transmitted to the thermionic source without any intervention. Therefore, the ratio of the power supplied to the cylindrical heating element used for heating the thermoelectron source, that is, the power efficiency is good, and the temperature of the thermoelectron source rises quickly. Further, since the heater which is conventionally required can be eliminated, the configuration can be simplified, and the weight and size can be reduced.
【0010】[0010]
【発明の実施の形態】図1は、本発明に係るホローカソ
ード装置の第一実施形態を示す概略断面図である。以
下、この図面に基づき説明する。ただし、図3と同一部
分は同一符号を付すことにより重複説明を省略する。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a first embodiment of a hollow cathode device according to the present invention. Hereinafter, description will be made based on this drawing. However, the same parts as those in FIG.
【0011】本実施形態のホローカソード装置は、動作
ガスGを導入する開口部101を一端に有する筒状発熱
体10と、筒状発熱体10の他端に設けられオリフィス
561を有する隔壁56と、前記筒状発熱体の内周面に
接触して設けられ熱電子を放出する中空状の熱電子源5
8と、筒状発熱体10に通電することにより筒状発熱体
10を発熱させるヒータ電源60と、筒状発熱体10内
の動作ガスGを放電によりプラズマ化するとともに当該
プラズマPをオリフィス561から放出させる放電部1
2とを備えたものである。The hollow cathode device of the present embodiment has a cylindrical heating element 10 having an opening 101 for introducing an operating gas G at one end, a partition wall 56 provided at the other end of the cylindrical heating element 10 and having an orifice 561. A hollow thermoelectron source 5 provided in contact with the inner peripheral surface of the cylindrical heating element and emitting thermoelectrons;
8, a heater power supply 60 for causing the tubular heating element 10 to generate heat by energizing the tubular heating element 10, an operating gas G in the tubular heating element 10 is turned into plasma by discharge, and the plasma P is discharged from the orifice 561. Discharge unit 1 to discharge
2 is provided.
【0012】筒状発熱体10は、一般的な黒鉛材料から
なる。熱電子源58は、熱電子放出の仕事関数が低いバ
リウム系化合物からなり、外周面が筒状発熱体10の内
周面に接触する、全体として筒状を呈している。隔壁5
6及びオリフィス561は、モリブデン合金又はタング
ステン合金等の、熱電子源58の加熱時の高温に耐え得
る材料からなる。また、隔壁56及びオリフィス561
は、筒状発熱体10と同様に黒鉛材料を使用してもよ
い。ヒータ電源60は一般的な直流電源である。放電部
12は、オリフィス561に離間して対向する筒状の陽
極121と、陽極121と筒状発熱体10とに電圧を印
加する放電用電源122と、放電用電源122に直列に
接続されるとともに過放電を制限する放電制限用抵抗器
123とを備えている。The cylindrical heating element 10 is made of a general graphite material. The thermoelectron source 58 is made of a barium-based compound having a low thermoelectron emission work function, and has an overall cylindrical shape in which the outer peripheral surface is in contact with the inner peripheral surface of the cylindrical heating element 10. Partition wall 5
The orifice 6 and the orifice 561 are made of a material that can withstand high temperatures when the thermoelectron source 58 is heated, such as a molybdenum alloy or a tungsten alloy. In addition, the partition 56 and the orifice 561
May be made of a graphite material as in the case of the tubular heating element 10. The heater power supply 60 is a general DC power supply. The discharge unit 12 is connected in series to the cylindrical anode 121 facing the orifice 561 at a distance, a discharge power supply 122 for applying a voltage to the anode 121 and the cylindrical heating element 10, and a discharge power supply 122. And a discharge limiting resistor 123 for limiting overdischarge.
【0013】次に、本実施形態のホローカソード装置の
動作について説明する。Next, the operation of the hollow cathode device of this embodiment will be described.
【0014】まず、ヒータ電源60により筒状発熱体1
0に電流を流すことで、筒状発熱体10から発生するジ
ュール熱により熱電子源58を電子放出可能となる温度
まで加熱する。加熱温度は、筒状発熱体10が黒鉛材料
からなるので、2500℃程度以上にすることが可能で
ある。熱電子源58が充分に加熱された後に、適当な流
量の動作ガスGを筒状発熱体10の内部へ供給する。筒
状発熱体10とオリフィス561とによって動作ガスG
を筒状発熱体10内部に閉じこめることで、アーク放電
に適したガス圧力を保持する。続いて、筒状発熱体10
と陽極121との間に放電用電源122から電圧を印加
することにより、両者の間にアーク放電を発生させて動
作ガスGをプラズマ化する。このとき、アーク放電を発
生させる前に熱電子放出を開始することによって、プラ
ズマ生成に必要な初期電子が豊富に供給されるので、プ
ラズマ生成が容易になる。放電制限用抵抗器123は、
放電電流量を制限して陽極121及び筒状発熱体10の
放電による損耗を低減させている。動作ガスGは、電離
電圧が低くプラズマ生成が容易な水素、窒素、アルゴ
ン、キセノン等を、使用する用途に応じて使い分ける。First, the cylindrical heating element 1 is heated by the heater power supply 60.
By passing a current to zero, the thermionic source 58 is heated to a temperature at which electrons can be emitted by Joule heat generated from the cylindrical heating element 10. Since the cylindrical heating element 10 is made of a graphite material, the heating temperature can be about 2500 ° C. or higher. After the thermoelectron source 58 is sufficiently heated, an appropriate flow rate of the working gas G is supplied into the cylindrical heating element 10. The operating gas G is generated by the cylindrical heating element 10 and the orifice 561.
The gas pressure suitable for arc discharge is maintained by closing the inside of the cylindrical heating element 10. Subsequently, the cylindrical heating element 10
By applying a voltage from a power supply 122 for discharge between the anode and the anode 121, an arc discharge is generated between the two and the working gas G is turned into plasma. At this time, by starting thermionic emission before generating the arc discharge, the initial electrons necessary for plasma generation are supplied abundantly, thereby facilitating plasma generation. The discharge limiting resistor 123 is
The amount of discharge current is limited to reduce the wear of the anode 121 and the cylindrical heating element 10 due to discharge. As the working gas G, hydrogen, nitrogen, argon, xenon, or the like, which has a low ionization voltage and easily generates plasma, is properly used depending on the intended use.
【0015】図2は、本発明に係るホローカソード装置
の第二実施形態を示す概略断面図である。以下、この図
面に基づき説明する。ただし、図1と同一部分は同一符
号を付すことにより重複説明を省略する。FIG. 2 is a schematic sectional view showing a second embodiment of the hollow cathode device according to the present invention. Hereinafter, description will be made based on this drawing. However, the same parts as those in FIG.
【0016】本実施形態のホローカソード装置は、第一
実施形態における直流放電型の放電部12(図1)の代
わりに、高周波放電型の放電部14を用いたものであ
る。放電部14は、高周波電力を発生させる高周波供給
源141と、高周波供給源141で発生した高周波電力
を伝達する高周波線路142と、高周波線路142から
伝達された高周波電力を電磁波として筒状発熱体10内
へ導入する高周波導入アンテナ143とを備えている。
筒状発熱体10内に導入された高周波電磁界(例えば数
百MHz〜数GHz)は、熱電子を振動させる。振動し
た熱電子が動作ガスGの原子に衝突することにより、プ
ラズマが生成される。高周波導入アンテナ143の代わ
りに誘導コイルを用いてもよい。The hollow cathode device of the present embodiment uses a high-frequency discharge type discharge unit 14 instead of the DC discharge type discharge unit 12 (FIG. 1) in the first embodiment. The discharge unit 14 includes a high-frequency power source 141 that generates high-frequency power, a high-frequency line 142 that transmits the high-frequency power generated by the high-frequency power source 141, and the high-frequency power transmitted from the high-frequency line 142 as an electromagnetic wave. And a high-frequency introducing antenna 143 to be introduced into the inside.
The high-frequency electromagnetic field (for example, several hundred MHz to several GHz) introduced into the cylindrical heating element 10 causes thermoelectrons to vibrate. Plasma is generated when the vibrated thermoelectrons collide with atoms of the working gas G. An induction coil may be used instead of the high frequency introducing antenna 143.
【0017】なお、本発明は、いうまでもなく、上記実
施形態に限定されるものではない。例えば、直流放電型
および高周波放電型のどちらの場合においても、放電に
よるプラズマ生成効率の上昇又は生成したプラズマの壁
面損失の低減を目的として、プラズマ生成空間に磁場を
配置してもよい。It is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in both the DC discharge type and the high-frequency discharge type, a magnetic field may be arranged in the plasma generation space for the purpose of increasing the plasma generation efficiency due to the discharge or reducing the wall loss of the generated plasma.
【0018】[0018]
【発明の効果】本発明に係るホローカソード装置によれ
ば、筒状発熱体で発生したジュール熱で熱電子源を直接
加熱することにより、熱損失を低減できるので電力効率
を向上できるとともに、熱抵抗も低減できるので熱電子
源の昇温速度も向上できる。これに加え、従来必要であ
ったヒータを不要にできるので構成を簡略化でき、これ
により軽量化、小型化及び低コスト化を達成できる。特
に、高い電力効率と軽量・小型が強く要求される人工衛
星搭載用として、好適なホローカソード装置を提供でき
る。According to the hollow cathode device of the present invention, the heat loss can be reduced by directly heating the thermionic source with the Joule heat generated by the cylindrical heating element, so that the power efficiency can be improved and the heat efficiency can be improved. Since the resistance can be reduced, the rate of temperature rise of the thermionic electron source can also be improved. In addition to this, the heater required in the related art can be dispensed with, so that the configuration can be simplified, thereby achieving a reduction in weight, size, and cost. In particular, it is possible to provide a hollow cathode device suitable for mounting on an artificial satellite that requires high power efficiency and a light weight and small size.
【0019】請求項2記載のホローカソード装置によれ
ば、筒状発熱体が黒鉛からなるので次の効果を奏する。
(1).黒鉛は耐熱性に優れるので、より高温での加熱によ
る多量の熱電子発生が可能となり、これにより熱電子源
の電子発生効率及びプラズマ生成効率を向上できる。従
来はヒータ自身の耐熱性の問題から加熱温度は1500
〜2000℃程度に制約されていたが、黒鉛材料を用い
ることで2500℃程度以上の加熱が可能である。(2).
黒鉛材料は従来の筒状体のモリブデン合金材料の1/5
以下の比重であることから、より軽量化を達成できる。According to the hollow cathode device of the second aspect, since the tubular heating element is made of graphite, the following effects are obtained.
(1) Since graphite has excellent heat resistance, a large amount of thermoelectrons can be generated by heating at a higher temperature, thereby improving the electron generation efficiency and plasma generation efficiency of the thermoelectron source. Conventionally, the heating temperature is 1500 due to the problem of heat resistance of the heater itself.
Although limited to about 2000 ° C., heating to about 2500 ° C. or more is possible by using a graphite material. (2).
Graphite material is 1/5 of the conventional cylindrical molybdenum alloy material
Because of the following specific gravity, further weight reduction can be achieved.
【0020】請求項3記載のホローカソード装置によれ
ば、隔壁も筒状発熱体と同じ黒鉛からなることにより、
隔壁と筒状発熱体とを一体化できるので、より構成を簡
略化できる。According to the hollow cathode device of the third aspect, the partition walls are also made of the same graphite as the tubular heating element,
Since the partition and the tubular heating element can be integrated, the configuration can be further simplified.
【0021】請求項4記載のホローカソード装置によれ
ば、熱電子源は外周面が筒状発熱体の内周面に接触する
筒状であることから、筒状発熱体で発生したジュール熱
をより効率良く熱電子源へ伝達できる。According to the hollow cathode device of the fourth aspect, the thermoelectron source has a cylindrical shape in which the outer peripheral surface is in contact with the inner peripheral surface of the cylindrical heating element. More efficient transmission to the thermionic source.
【図1】本発明に係るホローカソード装置の第一実施形
態を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a first embodiment of a hollow cathode device according to the present invention.
【図2】本発明に係るホローカソード装置の第二実施形
態を示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view showing a second embodiment of the hollow cathode device according to the present invention.
【図3】従来のホローカソード装置を示す概略断面図で
ある。FIG. 3 is a schematic sectional view showing a conventional hollow cathode device.
10 筒状発熱体12,14 放電部56 隔壁58
熱電子源60 ヒータ電源101 開口部561 オリ
フィスG 動作ガスP プラズマReference Signs List 10 cylindrical heating elements 12, 14 discharge section 56 partition wall 58
Thermionic source 60 Heater power supply 101 Opening 561 Orifice G Operating gas P Plasma
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成11年2月4日[Submission date] February 4, 1999
【手続補正1】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】全文[Correction target item name] Full text
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【書類名】 明細書[Document Name] Statement
【発明の名称】 ホローカソード装置[Title of the Invention] Hollow cathode device
【特許請求の範囲】[Claims]
【請求項2】 前記隔壁も前記筒状発熱体と同じ黒鉛か
らなる、請求項1記載のホローカソード装置。Also wherein said partition wall made of the same graphite as the tubular heating element, hollow cathode apparatus according to claim 1.
【請求項3】 動作ガスを導入する開口部を一端に有す
る筒状発熱体と、前記筒状発熱体の他端に設けられオリ
フィスを有する隔壁と、前記筒状発熱体の内周面に接触
して設けられ熱電子を放出する中空状の熱電子源と、前
記筒状発熱体に通電することにより当該筒状発熱体を発
熱させるヒータ電源と、前記筒状発熱体内の前記動作ガ
スを放電によりプラズマ化するとともに当該プラズマを
前記オリフィスから放出させる放電部とを備え、 前記放電部は、高周波電力を発生させる高周波供給源
と、この高周波供給源で発生した高周波電力を伝達する
高周波線路と、この高周波線路から伝達された高周波電
力を電磁波として前記筒状発熱体内へ導入する高周波導
入アンテナとを備えたホローカソード装置。Claims3]Has an opening for introducing working gas at one end
A cylindrical heating element, and an orifice provided at the other end of the cylindrical heating element.
Contact the partition wall having the fiss and the inner peripheral surface of the cylindrical heating element
A hollow thermoelectron source for emitting thermoelectrons,
When the tubular heating element is energized, the tubular heating element is activated.
A heater power supply for heating, and the operating gas in the tubular heating element.
Of the plasma by discharge and the plasma
A discharge unit for discharging from the orifice, The discharge unit is a high-frequency power source that generates high-frequency power
And transmit the high frequency power generated by this high frequency source
The high-frequency line and the high-frequency power transmitted from this high-frequency line
A high-frequency conductor for introducing a force into the cylindrical heating element as electromagnetic waves;
With input antennaTahoLow cathode device.
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば人工衛星に
搭載するイオンエンジンのイオン中和用電子源として用
いられるホローカソード装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hollow cathode apparatus used as an ion source for neutralizing ions of an ion engine mounted on an artificial satellite, for example.
【0002】[0002]
【従来の技術】ホローカソード装置は、イオン源やプラ
ズマ発生装置における電子放出源として利用されてい
る。図3は、従来のホローカソード装置を示す概略断面
図である。以下、この図面に基づき説明する。2. Description of the Related Art A hollow cathode device is used as an electron emission source in an ion source or a plasma generator. FIG. 3 is a schematic sectional view showing a conventional hollow cathode device. Hereinafter, description will be made based on this drawing.
【0003】従来のホローカソード装置は、動作ガスG
を導入する開口部521を一端に有する筒状体52と、
筒状体52の外周面に接触して設けられたヒータ54
と、筒状体52の他端に設けられオリフィス561を有
する隔壁56と、筒状体52の内周面に接触して設けら
れ熱電子を放出する中空状の熱電子源58と、ヒータ5
4に通電するヒータ電源60と、筒状体52内の動作ガ
スGを放電によりプラズマ化するとともに当該プラズマ
Pをオリフィス561から放出させる放電部(図示せ
ず)とを備えている。ヒータ54は、筒状体52の外周
に巻かれる発熱線541と、発熱線541相互の短絡を
防止する絶縁管542と、発熱線541及び絶縁管54
2を収納するヒータケース543とから構成されてい
る。ヒータ54で熱電子源58を加熱すると、熱電子源
58から熱電子が発生するので、筒状体52内の動作ガ
スGの放電が容易になる。[0003] A conventional hollow cathode device has a working gas G
A cylindrical body 52 having an opening 521 at one end for introducing
A heater 54 provided in contact with the outer peripheral surface of the cylindrical body 52
A partition 56 having an orifice 561 provided at the other end of the tubular body 52; a hollow thermoelectron source 58 provided in contact with the inner peripheral surface of the tubular body 52 to emit thermoelectrons;
The power supply 4 includes a heater power supply 60 that supplies electricity to the heater 4 and a discharge unit (not shown) that converts the operating gas G in the tubular body 52 into plasma by discharging and discharges the plasma P from the orifice 561. The heater 54 includes a heating wire 541 wound around the outer periphery of the tubular body 52, an insulating tube 542 for preventing a short circuit between the heating wires 541, a heating wire 541 and the insulating tube 54.
And a heater case 543 accommodating the two. When the thermoelectron source 58 is heated by the heater 54, thermoelectrons are generated from the thermoelectron source 58, so that the working gas G in the tubular body 52 can be easily discharged.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ホローカソード装置では、ヒータ54を用いるために次
のような問題があった。However, the conventional hollow cathode device has the following problems because the heater 54 is used.
【0005】.ヒータ54では、発熱線541から発
生した熱が、絶縁管542、ヒータケース543及び筒
状体52を経た後、ようやく熱電子源58へ伝わる。し
たがって、ヒータ54への供給電力が熱電子源58の加
熱に使われる割合すなわち電力効率が悪く、しかも熱電
子源58の昇温が遅い。[0005] In the heater 54, the heat generated from the heating wire 541 is transmitted to the thermoelectron source 58 after passing through the insulating tube 542, the heater case 543, and the tubular body 52. Therefore, the rate at which the power supplied to the heater 54 is used to heat the thermoelectron source 58, that is, the power efficiency is low, and the temperature of the thermoelectron source 58 rises slowly.
【0006】.ヒータ54は、発熱線541、絶縁管
542及びヒータケース543から構成されるので、複
雑であり、重量及び専有体積もともに大きい。[0006] Since the heater 54 is composed of the heating wire 541, the insulating tube 542, and the heater case 543, the heater 54 is complicated, and both the weight and the occupied volume are large.
【0007】[0007]
【発明の目的】そこで、本発明の目的は、電力効率が良
く、しかも構成が簡単で軽量化及び小型化が可能な、ホ
ローカソード装置を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a hollow cathode device which has good power efficiency, is simple in construction, and can be reduced in weight and size.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明に係るホローカソ
ード装置は、動作ガスを導入する開口部を一端に有する
筒状発熱体と、前記筒状発熱体の他端に設けられオリフ
ィスを有する隔壁と、前記筒状発熱体の内周面に接触し
て設けられ熱電子を放出する中空状の熱電子源と、前記
筒状発熱体に通電することにより当該筒状発熱体を発熱
させるヒータ電源と、前記筒状発熱体内の前記動作ガス
を放電によりプラズマ化するとともに当該プラズマを前
記オリフィスから放出させる放電部と、を備えたもので
ある。この筒状発熱体の材料は、後述する理由により黒
鉛が最も好ましいが、ジュール熱により所望温度まで発
熱するものであれば金属やセラミック等、どのような材
料でもよい。According to the present invention, there is provided a hollow cathode device comprising: a tubular heating element having an opening for introducing a working gas at one end; and a partition having an orifice provided at the other end of the tubular heating element. A hollow thermoelectron source provided in contact with the inner peripheral surface of the tubular heating element and emitting thermoelectrons; and a heater power supply for generating heat by energizing the tubular heating element by energizing the tubular heating element. And a discharge unit that converts the working gas in the cylindrical heating element into plasma by discharge and discharges the plasma from the orifice. The material of the tubular heating element is most preferably graphite for the reason described below, but any material such as metal or ceramic may be used as long as it generates heat to a desired temperature by Joule heat.
【0009】筒状発熱体で発生したジュール熱は、他に
何も介することなく、熱電子源へ直接伝わる。したがっ
て、筒状発熱体への供給電力が熱電子源の加熱に使われ
る割合すなわち電力効率が良く、しかも熱電子源の昇温
が速い。また、従来必要であったヒータを不要にできる
ので、構成を簡略化でき、軽量化及び小型化も図れる。[0009] Joule heat generated by the cylindrical heating element is directly transmitted to the thermionic source without any intervention. Therefore, the ratio of the power supplied to the cylindrical heating element used for heating the thermoelectron source, that is, the power efficiency is good, and the temperature of the thermoelectron source rises quickly. Further, since the heater which is conventionally required can be eliminated, the configuration can be simplified, and the weight and size can be reduced.
【0010】[0010]
【発明の実施の形態】図1は、本発明に係るホローカソ
ード装置の第一実施形態を示す概略断面図である。以
下、この図面に基づき説明する。ただし、図3と同一部
分は同一符号を付すことにより重複説明を省略する。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a first embodiment of a hollow cathode device according to the present invention. Hereinafter, description will be made based on this drawing. However, the same parts as those in FIG.
【0011】本実施形態のホローカソード装置は、動作
ガスGを導入する開口部101を一端に有する筒状発熱
体10と、筒状発熱体10の他端に設けられオリフィス
561を有する隔壁56と、前記筒状発熱体の内周面に
接触して設けられ熱電子を放出する中空状の熱電子源5
8と、筒状発熱体10に通電することにより筒状発熱体
10を発熱させるヒータ電源60と、筒状発熱体10内
の動作ガスGを放電によりプラズマ化するとともに当該
プラズマPをオリフィス561から放出させる放電部1
2とを備えたものである。The hollow cathode device of the present embodiment has a cylindrical heating element 10 having an opening 101 for introducing an operating gas G at one end, a partition wall 56 provided at the other end of the cylindrical heating element 10 and having an orifice 561. A hollow thermoelectron source 5 provided in contact with the inner peripheral surface of the cylindrical heating element and emitting thermoelectrons;
8, a heater power supply 60 for causing the tubular heating element 10 to generate heat by energizing the tubular heating element 10, an operating gas G in the tubular heating element 10 is turned into plasma by discharge, and the plasma P is discharged from the orifice 561. Discharge unit 1 to discharge
2 is provided.
【0012】筒状発熱体10は、一般的な黒鉛材料から
なる。熱電子源58は、熱電子放出の仕事関数が低いバ
リウム系化合物からなり、外周面が筒状発熱体10の内
周面に接触する、全体として筒状を呈している。隔壁5
6及びオリフィス561は、モリブデン合金又はタング
ステン合金等の、熱電子源58の加熱時の高温に耐え得
る材料からなる。また、隔壁56及びオリフィス561
は、筒状発熱体10と同様に黒鉛材料を使用してもよ
い。ヒータ電源60は一般的な直流電源である。放電部
12は、オリフィス561に離間して対向する筒状の陽
極121と、陽極121と筒状発熱体10とに電圧を印
加する放電用電源122と、放電用電源122に直列に
接続されるとともに過放電を制限する放電制限用抵抗器
123とを備えている。The cylindrical heating element 10 is made of a general graphite material. The thermoelectron source 58 is made of a barium-based compound having a low thermoelectron emission work function, and has an overall cylindrical shape in which the outer peripheral surface is in contact with the inner peripheral surface of the cylindrical heating element 10. Partition wall 5
The orifice 6 and the orifice 561 are made of a material that can withstand high temperatures when the thermoelectron source 58 is heated, such as a molybdenum alloy or a tungsten alloy. In addition, the partition 56 and the orifice 561
May be made of a graphite material as in the case of the tubular heating element 10. The heater power supply 60 is a general DC power supply. The discharge unit 12 is connected in series to the cylindrical anode 121 facing the orifice 561 at a distance, a discharge power supply 122 for applying a voltage to the anode 121 and the cylindrical heating element 10, and a discharge power supply 122. And a discharge limiting resistor 123 for limiting overdischarge.
【0013】次に、本実施形態のホローカソード装置の
動作について説明する。Next, the operation of the hollow cathode device of this embodiment will be described.
【0014】まず、ヒータ電源60により筒状発熱体1
0に電流を流すことで、筒状発熱体10から発生するジ
ュール熱により熱電子源58を電子放出可能となる温度
まで加熱する。加熱温度は、筒状発熱体10が黒鉛材料
からなるので、2500℃程度以上にすることが可能で
ある。熱電子源58が充分に加熱された後に、適当な流
量の動作ガスGを筒状発熱体10の内部へ供給する。筒
状発熱体10とオリフィス561とによって動作ガスG
を筒状発熱体10内部に閉じこめることで、アーク放電
に適したガス圧力を保持する。続いて、筒状発熱体10
と陽極121との間に放電用電源122から電圧を印加
することにより、両者の間にアーク放電を発生させて動
作ガスGをプラズマ化する。このとき、アーク放電を発
生させる前に熱電子放出を開始することによって、プラ
ズマ生成に必要な初期電子が豊富に供給されるので、プ
ラズマ生成が容易になる。放電制限用抵抗器123は、
放電電流量を制限して陽極121及び筒状発熱体10の
放電による損耗を低減させている。動作ガスGは、電離
電圧が低くプラズマ生成が容易な水素、窒素、アルゴ
ン、キセノン等を、使用する用途に応じて使い分ける。First, the cylindrical heating element 1 is heated by the heater power supply 60.
By passing a current to zero, the thermionic source 58 is heated to a temperature at which electrons can be emitted by Joule heat generated from the cylindrical heating element 10. Since the cylindrical heating element 10 is made of a graphite material, the heating temperature can be about 2500 ° C. or higher. After the thermoelectron source 58 is sufficiently heated, an appropriate flow rate of the working gas G is supplied into the cylindrical heating element 10. The operating gas G is generated by the cylindrical heating element 10 and the orifice 561.
The gas pressure suitable for arc discharge is maintained by closing the inside of the cylindrical heating element 10. Subsequently, the cylindrical heating element 10
By applying a voltage from a power supply 122 for discharge between the anode and the anode 121, an arc discharge is generated between the two and the working gas G is turned into plasma. At this time, by starting thermionic emission before generating the arc discharge, the initial electrons necessary for plasma generation are supplied abundantly, thereby facilitating plasma generation. The discharge limiting resistor 123 is
The amount of discharge current is limited to reduce the wear of the anode 121 and the cylindrical heating element 10 due to discharge. As the working gas G, hydrogen, nitrogen, argon, xenon, or the like, which has a low ionization voltage and easily generates plasma, is properly used depending on the intended use.
【0015】図2は、本発明に係るホローカソード装置
の第二実施形態を示す概略断面図である。以下、この図
面に基づき説明する。ただし、図1と同一部分は同一符
号を付すことにより重複説明を省略する。FIG. 2 is a schematic sectional view showing a second embodiment of the hollow cathode device according to the present invention. Hereinafter, description will be made based on this drawing. However, the same parts as those in FIG.
【0016】本実施形態のホローカソード装置は、第一
実施形態における直流放電型の放電部12(図1)の代
わりに、高周波放電型の放電部14を用いたものであ
る。放電部14は、高周波電力を発生させる高周波供給
源141と、高周波供給源141で発生した高周波電力
を伝達する高周波線路142と、高周波線路142から
伝達された高周波電力を電磁波として筒状発熱体10内
へ導入する高周波導入アンテナ143とを備えている。
筒状発熱体10内に導入された高周波電磁界(例えば数
百MHz〜数GHz)は、熱電子を振動させる。振動し
た熱電子が動作ガスGの原子に衝突することにより、プ
ラズマが生成される。高周波導入アンテナ143の代わ
りに誘導コイルを用いてもよい。The hollow cathode device of the present embodiment uses a high-frequency discharge type discharge unit 14 instead of the DC discharge type discharge unit 12 (FIG. 1) in the first embodiment. The discharge unit 14 includes a high-frequency power source 141 that generates high-frequency power, a high-frequency line 142 that transmits the high-frequency power generated by the high-frequency power source 141, and the high-frequency power transmitted from the high-frequency line 142 as an electromagnetic wave. And a high-frequency introducing antenna 143 to be introduced into the inside.
The high-frequency electromagnetic field (for example, several hundred MHz to several GHz) introduced into the cylindrical heating element 10 causes thermoelectrons to vibrate. Plasma is generated when the vibrated thermoelectrons collide with atoms of the working gas G. An induction coil may be used instead of the high frequency introducing antenna 143.
【0017】なお、本発明は、いうまでもなく、上記実
施形態に限定されるものではない。例えば、直流放電型
および高周波放電型のどちらの場合においても、放電に
よるプラズマ生成効率の上昇又は生成したプラズマの壁
面損失の低減を目的として、プラズマ生成空間に磁場を
配置してもよい。It is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in both the DC discharge type and the high-frequency discharge type, a magnetic field may be arranged in the plasma generation space for the purpose of increasing the plasma generation efficiency due to the discharge or reducing the wall loss of the generated plasma.
【0018】[0018]
【発明の効果】本発明に係るホローカソード装置によれ
ば、筒状発熱体で発生したジュール熱で熱電子源を直接
加熱することにより、熱損失を低減できるので電力効率
を向上できるとともに、熱抵抗も低減できるので熱電子
源の昇温速度も向上できる。これに加え、従来必要であ
ったヒータを不要にできるので構成を簡略化でき、これ
により軽量化、小型化及び低コスト化を達成できる。特
に、高い電力効率と軽量・小型が強く要求される人工衛
星搭載用として、好適なホローカソード装置を提供でき
る。According to the hollow cathode device of the present invention, the heat loss can be reduced by directly heating the thermionic source with the Joule heat generated by the cylindrical heating element, so that the power efficiency can be improved and the heat efficiency can be improved. Since the resistance can be reduced, the rate of temperature rise of the thermionic electron source can also be improved. In addition to this, the heater required in the related art can be dispensed with, so that the configuration can be simplified, thereby achieving a reduction in weight, size, and cost. In particular, it is possible to provide a hollow cathode device suitable for mounting on an artificial satellite that requires high power efficiency and a light weight and small size.
【0019】請求項1記載のホローカソード装置によれ
ば、筒状発熱体が黒鉛からなるので次の効果を奏する。
(1).黒鉛は耐熱性に優れるので、より高温での加熱によ
る多量の熱電子発生が可能となり、これにより熱電子源
の電子発生効率及びプラズマ生成効率を向上できる。従
来はヒータ自身の耐熱性の問題から加熱温度は1500
〜2000℃程度に制約されていたが、黒鉛材料を用い
ることで2500℃程度以上の加熱が可能である。(2).
黒鉛材料は従来の筒状体のモリブデン合金材料の1/5
以下の比重であることから、より軽量化を達成できる。According to the hollow cathode device of the first aspect , since the tubular heating element is made of graphite, the following effects can be obtained.
(1) Since graphite has excellent heat resistance, a large amount of thermoelectrons can be generated by heating at a higher temperature, thereby improving the electron generation efficiency and plasma generation efficiency of the thermoelectron source. Conventionally, the heating temperature is 1500 due to the problem of heat resistance of the heater itself.
Although limited to about 2000 ° C., heating to about 2500 ° C. or more is possible by using a graphite material. (2).
Graphite material is 1/5 of the conventional cylindrical molybdenum alloy material
Because of the following specific gravity, further weight reduction can be achieved.
【0020】請求項2記載のホローカソード装置によれ
ば、隔壁も筒状発熱体と同じ黒鉛からなることにより、
隔壁と筒状発熱体とを一体化できるので、より構成を簡
略化できる。According to the hollow cathode device of the second aspect , the partition wall is also made of the same graphite as the tubular heating element,
Since the partition and the tubular heating element can be integrated, the configuration can be further simplified.
【0021】請求項3記載のホローカソード装置によれ
ば、高周波電力を発生させる高周波供給源と、この高周
波供給源で発生した高周波電力を伝達する高周波線路
と、この高周波線路から伝達された高周波電力を電磁波
として筒状発熱体内へ導入する高周波導入アンテナとに
より放電部を構成したので、高周波電磁界によって熱電
子を振動させて、プラズマを生成することができる。 According to the hollow cathode device of the third aspect , a high-frequency supply source for generating high-frequency power,
High-frequency line that transmits high-frequency power generated by a wave source
And the high-frequency power transmitted from this high-frequency line
As a high-frequency antenna to be introduced into a cylindrical heating element
Since the discharge section is composed more,
The vibrator can be oscillated to generate a plasma.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】本発明に係るホローカソード装置の第一実施形
態を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a first embodiment of a hollow cathode device according to the present invention.
【図2】本発明に係るホローカソード装置の第二実施形
態を示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view showing a second embodiment of the hollow cathode device according to the present invention.
【図3】従来のホローカソード装置を示す概略断面図で
ある。FIG. 3 is a schematic sectional view showing a conventional hollow cathode device.
【符号の説明】 10 筒状発熱体 12,14 放電部 56 隔壁 58 熱電子源 60 ヒータ電源 101 開口部 561 オリフィス G 動作ガス P プラズマ[Description of Signs] 10 Cylindrical heating element 12, 14 Discharge unit 56 Partition wall 58 Thermoelectron source 60 Heater power supply 101 Opening 561 Orifice G Working gas P Plasma
Claims (6)
る筒状発熱体と、前記筒状発熱体の他端に設けられオリ
フィスを有する隔壁と、前記筒状発熱体の内周面に接触
して設けられ熱電子を放出する中空状の熱電子源と、前
記筒状発熱体に通電することにより当該筒状発熱体を発
熱させるヒータ電源と、前記筒状発熱体内の前記動作ガ
スを放電によりプラズマ化するとともに当該プラズマを
前記オリフィスから放出させる放電部と、を備えたホロ
ーカソード装置。1. A cylindrical heating element having an opening for introducing an operating gas at one end, a partition provided at the other end of the cylindrical heating element and having an orifice, and contacting an inner peripheral surface of the cylindrical heating element. A hollow thermoelectron source configured to emit thermoelectrons, a heater power supply for heating the cylindrical heating element by energizing the cylindrical heating element, and discharging the operating gas in the cylindrical heating element. And a discharge unit for generating plasma from the orifice and discharging the plasma from the orifice.
1記載のホローカソード装置。2. The hollow cathode device according to claim 1, wherein said tubular heating element is made of graphite.
らなる、請求項2記載のホローカソード装置。3. The hollow cathode device according to claim 2, wherein said partition wall is also made of the same graphite as said tubular heating element.
の内周面に接触する筒状である、請求項1記載のホロー
カソード装置。4. The hollow cathode device according to claim 1, wherein the thermoelectron source has a cylindrical shape whose outer peripheral surface is in contact with the inner peripheral surface of the cylindrical heating element.
て対向する筒状の陽極と、この陽極と前記筒状発熱体と
に電圧を印加する放電用電源と、前記放電用電源に直列
に接続されるとともに過放電を制限する放電制限用抵抗
器とを備えた、請求項1記載のホローカソード装置。5. The discharge unit includes a cylindrical anode opposed to the orifice at a distance, a discharge power supply for applying a voltage to the anode and the cylindrical heating element, and a discharge power supply connected in series with the discharge power supply. 2. The hollow cathode device according to claim 1, further comprising: a discharge limiting resistor that is connected and limits overdischarge.
高周波供給源と、この高周波供給源で発生した高周波電
力を伝達する高周波線路と、この高周波線路から伝達さ
れた高周波電力を電磁波として前記筒状発熱体内へ導入
する高周波導入アンテナとを備えた、請求項1記載のホ
ローカソード装置。6. The high-frequency power source for generating high-frequency power, a high-frequency line for transmitting high-frequency power generated by the high-frequency power source, and the high-frequency power transmitted from the high-frequency line as electromagnetic waves. The hollow cathode device according to claim 1, further comprising: a high-frequency introducing antenna for introducing into the heating element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP10010712A JP2933073B2 (en) | 1998-01-22 | 1998-01-22 | Hollow cathode device |
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JP10010712A JP2933073B2 (en) | 1998-01-22 | 1998-01-22 | Hollow cathode device |
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JPH11210614A true JPH11210614A (en) | 1999-08-03 |
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JP10010712A Expired - Lifetime JP2933073B2 (en) | 1998-01-22 | 1998-01-22 | Hollow cathode device |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2933073B2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102945778A (en) * | 2012-11-30 | 2013-02-27 | 电子科技大学 | Hollow cathode assembly |
CN107182165A (en) * | 2017-06-20 | 2017-09-19 | 华中科技大学 | A kind of plasma emission device based on hot cathode |
RU2662795C1 (en) * | 2017-04-18 | 2018-07-31 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" ФГУП "ОКБ "Факел" | Hollow cathode |
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---|---|---|---|---|
CN103311066B (en) * | 2013-06-03 | 2015-08-19 | 哈尔滨工业大学 | There is the emitter of the hollow cathode of controlling oneself for spacecraft of inner core |
-
1998
- 1998-01-22 JP JP10010712A patent/JP2933073B2/en not_active Expired - Lifetime
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RU2662795C1 (en) * | 2017-04-18 | 2018-07-31 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" ФГУП "ОКБ "Факел" | Hollow cathode |
CN107182165A (en) * | 2017-06-20 | 2017-09-19 | 华中科技大学 | A kind of plasma emission device based on hot cathode |
CN107182165B (en) * | 2017-06-20 | 2024-05-14 | 华中科技大学 | Plasma emission device based on thermionic emission cathode |
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JP2933073B2 (en) | 1999-08-09 |
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