ホローカソード
【課題】放電の開始（点火）を容易にする宇宙機用ホローカソードを提供すること。
【解決手段】キーパ電極板６に対面する先端部が、ナノカーボンの微小突起群構造、微細加工技術による微細突起（群）構造、電気伝導体と電気絶縁体が交互に隣接した複合部材、あるいは放電等の作用により自発的にナノカーボン構造が形成・維持されるカーボン系材料または熱電子放出特性に優れたカーボン系材料で構成された部材を放電開始促進板Ａ〜Ｅ３１,３２,３３,３４,３５としてオリフィス板４の下流側に取り付ける。
または、オリフィス板４自体を、キーパ電極板６に対面する先端部が上記微細突起（群）構造、電気伝導体と電気絶縁体が交互に隣接した上記複合部材、あるいは放電等の作用により自発的にナノカーボン構造が形成されるカーボン系材料または熱電子放出特性に優れたカーボン系材料によって成形する。
【解決手段】キーパ電極板６に対面する先端部が、ナノカーボンの微小突起群構造、微細加工技術による微細突起（群）構造、電気伝導体と電気絶縁体が交互に隣接した複合部材、あるいは放電等の作用により自発的にナノカーボン構造が形成・維持されるカーボン系材料または熱電子放出特性に優れたカーボン系材料で構成された部材を放電開始促進板Ａ〜Ｅ３１,３２,３３,３４,３５としてオリフィス板４の下流側に取り付ける。
または、オリフィス板４自体を、キーパ電極板６に対面する先端部が上記微細突起（群）構造、電気伝導体と電気絶縁体が交互に隣接した上記複合部材、あるいは放電等の作用により自発的にナノカーボン構造が形成されるカーボン系材料または熱電子放出特性に優れたカーボン系材料によって成形する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工衛星等の宇宙機に搭載されるホローカソード、特に放電の開始（点火）を容易にする宇宙機用ホローカソードに関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星や宇宙ステーション等の宇宙構造物に搭載される長寿命電子源としてホローカソードがあり、宇宙用の用途として、人工衛星等の軌道制御や南北位置保持に用いられるイオンエンジンやホールスラスタ等の電気推進機の電子源、宇宙ステーション等の帯電防止に用いられるプラズマコンタクタ等がある。
【０００３】
このようなホローカソードの主要部は、通常、図９に示すように構成されている。図９は、この発明の基盤（従来技術）となる特許文献１および特許文献２に開示されているホローカソードについて一部を切り欠いた部分断面を示す図であって、図中の符号１で示す部材は電子の最初の放出源となるカソードインサートであり、カソードインサート１にはその中心部に円柱状の空洞部２が形成されている。カソードインサート１は酸化バリウムが含浸された多孔質タングステン製であり、活性化を行った後の空洞部２に面する表面の仕事関数は２ｅＶ程度まで低下している。カソードインサート１は円筒状のカソードチューブ３の中に挿入され、カソードインサート支持部５によってカソードチューブ３の先端に位置するオリフィス板４に押しつけられている。オリフィス板４の前面には円盤状に成形されたキーパ電極板６が配置されている。オリフィス板４の例えば中心部には直径０.３〜１.５mm程度の孔状のオリフィス７が開いており、キーパ電極板６にはオリフィス７に対面して直径２〜８mm程度のキーパ孔８が開いている。
【０００４】
カソードチューブ３の外側にはセラミック溶射層中に埋め込まれたヒータ９が配され、その外側を熱シールド１０が取り囲んでいる。キーパ電極板６はキーパ電極支持部絶縁円筒１１によって固定され、キーパ電極支持部絶縁円筒１１の周りはスパッタ・シールド１２が覆っている。カソードチューブ３とキーパ電極支持部絶縁円筒１１はベース板１３に固定されている。ベース板１３にはそれら以外に、べ一ス板１３とヒータ９およびキーパ電極板６に電流を流すための３つの電流導入端子１４,１５,１６と、ガス導入系１７も固定されている。ヒータ９は電流導入端子１５とカソードチューブ３につながり、キーパ電極板６は電流導入端子１６に、ベース板１３は電流導入端子１４につながっている。ベース板１３は通常、放電容器１８の天蓋中心に固定され、放電電源の陰極電位に保たれている。また、放電容器１８が、放電電源の陽極の役割をする。
【０００５】
従来、このようなホローカソードを動作させるためには一例として以下のような点火手順が必要であった。まずヒータ９の加熱によりカソードインサート１を１０００℃程度まで温度上昇させる。次にキーパ電極板６に＋１００Ｖ以上の電圧を印加状態で推進剤(例えばキセノン)ガスをガス導入系１７からカソードインサート１の空洞部２に導入すると、カソードインサート１とキーパ電極板６との間に絶縁破壊が生じ、カソードインサート１から放出された１次電子が加速される。この１次電子が空洞部２内のキセノンガスに衝突して、図１０に示す電離プラズマ(内部プラズマ２０)がオリフィス板４側の空洞部２に生成される。ここで、電圧表記について補足する。本明細書では、カソードインサート１およびカソードチューブ３およびオリフィス板４およびカソードインサート支持部５およびベース板１３の電位である陰極電位を基準電位とし、特に表記無き場合の電圧は、この陰極電位に対する電位差を表すものとする。
【０００６】
上記の状態で放電容器１８の放電電源陽極部分に放電電圧＋２０〜＋６０Ｖを印加すると、内部プラズマ２０から新たに２次電子が引き出されて、１次電子と共に放電容器１８内のキセノンガスに衝突し、別の２つの電離プラズマ（キーパプラズマ２１、外部プラズマ２２）が生成される。キーパプラズマ２１は内部プラズマ２０と外部プラズマ２２をつなぐ役目をしており、オリフィス板４のオリフィス７からキーパ電極板６のキーパ孔８を経て放電容器１８内に形成される。このように、内部プラズマ２０とキーパプラズマ２１および外部プラズマ２２が形成された状態がホローカソードの定常動作状態である。この定常動作に移行した後は、通常、ヒータ加熱は停止され、キーパ電源は定電圧制御から定電流制御(0.5〜2A程度)に変更されると共に、キーパ電極板６に印加される電圧は＋８〜＋２５Ｖ程度に低下する。
【０００７】
このようなホローカソードでは点火手順において、キーパ電極板６に＋１００Ｖ以上の電圧を印加する必要があるという問題がある。即ち、ホローカソードの定常動作状態ではキーパ電極板６の電圧は高々＋２５Ｖ程度で十分であるのに対し、定常動作に至る前の点火の段階では、カソードインサート１とキーパ電極板６との間に絶縁破壊を起こすために、定常動作時と比較して大幅に高い電圧をキーパ電極板６に印加しなければならない。
【０００８】
点火手順においてキーパ電極板６に定常動作時と比較して大幅に高い電圧を印加しなければならないことによる問題のひとつは、キーパ電極用電源の重量および体積が増加することである。即ち、キーパ電極用電源が＋１００Ｖ以上の電圧を出力するためには、高電圧印加用の付加的な回路が必要であり、そのためにキーパ電極用電源の重量および体積が増加する。宇宙利用においては使用できる重量および体積が厳しく制限されるため、電源の大型化は望ましくない。さらに、キーパ電極板６の高電圧化により、キーパ電極用電源内部の構造が複雑化するとともに、キーパ電極用電源からキーパ電極板６を接続する配線に沿った各部にも＋１００Ｖ以上の電圧が印加されるため、異常絶縁破壊等の問題発生の原因となり得る。
【０００９】
点火手順においてキーパ電極板６に定常動作時と比較して大幅に高い電圧を印加しなければならないことによるもうひとつの問題は、＋１００Ｖ以上の高電圧によってカソードインサート１とキーパ電極板６との間で絶縁破壊が生じることによって、カソードインサート１またはオリフィス板４またはキーパ電極板６に損傷が生じる場合があることである。例えば、非特許文献１の第５頁には、点火手順においてキーパ電極板６に＋１００Ｖ以上の高電圧が印加された際の絶縁破壊発生時に、オリフィス７の付近から微小な固形物が放出される様子が報告されており、カソードインサート１またはオリフィス板４またはキーパ電極板６に損傷が生じた可能性がある。このような損傷は、ホローカソードの寿命を短くし、その動作性能を劣化させる可能性がある。さらに、点火手順においてキーパ電極板６に＋１００Ｖ以上の高電圧印加を継続した場合には、特にオリフィス板４がカーボン系の材料で構成されている場合において、点火に要する時間およびヒータ９への負荷が増大する傾向も確認されている。
【００１０】
なお、ホローカソードについての公知文献としては、本発明の基盤となる特許文献１および２に加えて、低電圧化に関しては、特許文献３にカソードインサートの形状を改良して大電流動作においても動作電圧を下げることが可能なホローカソードが示されており、異常放電発生抑制に関しては、特許文献４にカソードインサートの表面の被覆により放電状態を安定させることが可能なホローカソードが示されるなど、幾つかある。しかし、これらの文献においては、ホローカソードの定常動作時の低電圧化または異常放電発生抑制が示されており、点火時の問題を扱う本発明とは、課題、手段、および具体的な構造において異なるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−１６１２０１号公報（第７頁、図７）
【特許文献２】特開２００４−１６９６０６号公報（第１０頁、図７）
【特許文献３】特開２０００−１３０３１６号公報
【特許文献４】特開２００４−１１５８８７号公報
【非特許文献１】Hayakawa,Y.et al,"Graphite Orificed Hollow Cathodes for Xenon Ion Thrusters,"43rd AIAA Joint Propulsion Conference,AIAA paper 2007-5173,July 2007.(第5頁)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来のホローカソードには、定常動作に移行する前の点火手順において、キーパ電極板に＋１００Ｖ以上の高電圧を印加する必要がある点で解決すべき課題がある。
【００１３】
従って、この発明の目的は、点火手順においてキーパ電極板に印加する電圧を低減することにより、キーパ電極用電源の重量および体積を軽減するとともに、電源構造の複雑化を防ぎ、電源内部および配線部での異常絶縁破壊を防止し、さらに、点火時のカソードインサートまたはオリフィス板またはキーパ電極板の損傷を防ぐことにより寿命低下や放電性能劣化を回避する等の、点火時の高電圧印加に起因する諸問題を解消することができるホローカソードを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、この発明によるホローカソードは、ヒータを有する中空状のカソードチューブと、前記カソードチューブの先端に取り付けられたオリフィスを有するオリフィス板と、前記オリフィス板に対面するキーパ孔を有するキーパ電極板と、前記カソードチューブに挿入され空洞部を持つカソードインサートと、前記カソードチューブの内部に作動ガスを導入するガス導入系とを有するホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に放電の開始（点火）を容易にする放電開始促進板が設けられていることを特徴としている。
【００１５】
このホローカソードによれば、オリフィス板の下流側に放電の開始(点火)を容易にする前記放電開始促進板が設けられているため、ホローカソードの点火手順において、キーパ電極板に印加する電圧を、ホローカソードの定常動作時と同等の＋３０Ｖ以下に低減することが可能となる。即ち、従来のホローカソードの点火手順において必要とされる＋１００Ｖ以上のキーパ電極板電圧を大幅に低減することができる。
【００１６】
このホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板としては、カーボンナノチューブ等のナノカーボンを含有するカーボン構造材がある。ナノカーボンは、ナノメートル級の微細突起を有するため、ヒータからの熱の伝播によりカーボン構造材が1000℃程度の高温に達して熱電子を放出するのに加え、微細突起の先端での電界集中効果および熱集中効果により電子放出が促進され、キーパ電極板に印加する電圧が＋３０Ｖ以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。従来のホローカソードにおいては、ヒータからの熱の伝播によりオリフィス板が高温となり熱電子を放出する機構のみが利用されていたが、本発明においてはそれに加え電界集中効果および熱集中効果を誘発する機構が利用されている点が従来のホローカソードとの相違点である。
【００１７】
このホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板としては、微細加工技術によるナノメートル級の微小突起を１つ又は複数有する構造材もある。このナノメートル級の微小突起により、上記と同様の効果により、キーパ電極板に印加する電圧が＋３０Ｖ以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。
【００１８】
このホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板としては、電気伝導体と電気絶縁体とが隣接した構造を有する構造材もある。電子の二次電子放出やその他の理由により電気絶縁体がチャージアップすることで、電気伝導体と電気絶縁体の境界部分で電界集中が生じて強電界が形成され、この境界部分から電界放出電子が放出される。ヒータからの熱の伝播により同構造材が高温に達することによる熱電子放出に加え、この電界放出電子により、キーパ電極板に印加する電圧が＋３０Ｖ以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。
【００１９】
このホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板としては、カーボン系の材料からなる構造材を使用することもできる。ホローカソード動作時の放電等の持続作用により、カーボン系の材料からなる放電開始促進板の上には、カーボンナノチューブ等のナノカーボン構造が自発的に生成・維持されるため、ヒータからの熱の伝播により前記放電開始促進板が１０００℃程度の高温に達して熱電子を放出するのに加え、ナノカーボン構造の先端での電界集中効果および熱集中効果により電子放出が促進され、キーパ電極板に印加する電圧が＋３０Ｖ以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。
【００２０】
このホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板としては、熱電子放出特性の優れた材料からなる構造材を適用することもできる。一例として、このホローカソードにおいて、高密度カーボンからなる放電開始促進板を適用した場合には、キーパ電極板に印加する電圧が＋３０Ｖ以下の場合でも、オリフィス板からの電子放出により放電が開始され、ホローカソードが定常動作に移行することが実験により確認されている。図８は、この高密度カーボンからなる放電開始促進板の電子放出特性を測定した実験結果の一例であり、放電開始促進板がある場合には、放電開始促進板が無い場合（金属製オリフィス板のみ）に比較して、低い温度領域においても高い電子放出性能が得られることが分かる。
【００２１】
このホローカソードにおいては、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板の形状は板状でなくても良い。即ち、メッシュ状または格子状の形態であっても良い。さらに、オリフィス板に放電開始促進物質を含浸させても良く、オリフィス板の表面に放電開始促進物質をコーティングしても良く、オリフィス板の表面に一つ又は複数の突起状物質を形成しても良い。
【００２２】
このホローカソードにおいては、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板の構成として、上記に示した各機能が重複して働いても良い。即ち、前記放電開始促進板がナノカーボン構造を有するか、微細加工技術による微小突起を有するか、電気伝導体と電気絶縁体とが隣接した構造を有するか、カーボン系材料で構成されるかの各機能のうち複数が重複しても良い。
【００２３】
このホローカソードにおいては、前記オリフィス板の下流側に敗り付けられる前記放電開始促進板の大きさに制限は特に無い。即ち、前記放電開始促進板の大きさは、前記オリフィス板と同等でも良く、前記オリフィス板より大きくても良く、前記オリフィス板より小さくても良い。また、前記オリフィスに対応して前記放電促進板に空けられる放電開始促進開口部の大きさは前記オリフィスと同等でも良く、前記オリフィスより大きくても良く、前記オリフィスより小さくても良い。
【００２４】
このホローカソードにおいては、オリフィス板そのものが前記放電開始促進板の役割を果たすように、オリフィス板に適当な材料を選んでも良い。即ち、オリフィス板そのものが、ナノカーボン構造を有するか、微細加工技術による微小突起（群）構造を有するか、電気伝導体と電気絶縁体とが隣接した構造を有するか、カーボン系材料で構成されるか、いずれか又は複数の構造を有しても良い。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行って実施可能である。
【発明の効果】
【００２５】
この発明によるホローカソードによれば、ヒータを有する中空状のカソードチューブと、前記カソードチューブの先端に取り付けられたオリフィスを有するオリフィス板と、前記オリフィス板に対面するキーパ孔を有するキーパ電極板と、前記カソードチューブに挿入され空洞部を持つカソードインサートと、前記カソードチューブの内部に作動ガスを導入するガス導入系とを有するホロカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に放電の開始（点火）を容易にする放電開始促進板が設けられていることにより、キーパ電極板に印加する電圧が＋３０Ｖ以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。従って、このホローカソードによれば、点火時にキーパ電極板に印加する電圧を下げることにより、キーパ電極用電源の重量および体積を軽減するとともに、電源構造を簡素化し、電源内部および配線部での異常絶縁破壊を防止することができ、さらに、放電開始時のカソードインサートまたはオリフィス板またはキーパ電極板の損傷を防ぐことにより寿命低下や放電性能劣化を回避する等の、放電開始時の高電圧印加に起因する諸問題を解消することができる。これらの効果により、機器の小型化、軽量化、簡素化、高信頼性化、長寿命化、高性能化が求められる宇宙利用に適したホローカソードの設計・製作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の第１実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。
【図２】この発明の第２実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。
【図３】この発明の第３実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。
【図４】この発明の第４実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。
【図５】図４の第４実施例におけるナノカーボンの成長作用を示す説明図である。
【図６】この発明の第５実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。
【図７】この発明の第６実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。
【図８】放電開始促進板からの熱電子放出特性を測定した実験結果を示す図である。
【図９】従来のホローカソードを一部切欠して示す断面図である。
【図１０】ホローカソードの近傍に形成される電離プラズマの概要図である。
【図１１】従来のホローカソードを示す要部断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この発明は、従来のホローカソードのオリフィス板の下流側取り付けられる放電開始促進板の構造、形状、材料等を適切に選択することで実施することができる。以下、図面を参照してこの発明によるホローカソードの実施例を説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１は、この発明の第１実施例に関わるホローカソード１００を示す説明図である。なお、図１(a)は要部断面図であり、同（b)はA部拡大図である。また、本発明の特徴を明確にするために、図９に示した従来型ホローカソードの一部分を示した要部断面説明図を参考として図１１に示す。図１および図１１においては、図９に示した従来型ホローカソードと同一部分については同一符号を用いているため、重複する説明を省略する。
【００２９】
図１に示す第１実施例に関わるホローカソードは、図１１に示す従来型ホローカソードと比較して、プラズマの流れ方向に見て、オリフィス板４の下流側に放電開始促進板Ａ３１が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板Ａ３１は、カーボンナノチューブ等のナノカーボンを含有する微小突起群構造体であり、直径がナノメートル級の微細突起を有するため、ヒータ９から放電開始促進板Ａ３１に熱が伝播して高温となり微細突起の先端等から電子が放出されるのに加え、微細突起の先端で電界集中および熱集中が生じ、電子の放出量が増幅される。これによりキーパ電極板６に印加する電圧が低い場合にもホローカソードの点火が可能となる。図１では、放電開始促進板Ａ３１のナノカーボン構造は模式的に櫛状の直立形態としたが、ナノカーボン構造は無秩序にカーボンナノチューブが絡み合った形態でも良い。また図１では、放電開始促進板開口部４１の大きさは、オリフィス７よりも大きいが、本実施例および後述の各実施例において、放電開始促進板開口部４１とオリフィス７との大小関係に制限は特に無い。また、図１に示した放電開始促進板Ａ３１の大きさは、オリフィス板４と同等としたが、本実施例および後述の各実施例において、放電開始促進板とオリフィス板４との大小関係にも制限は特に無い。
【００３０】
また、図１(b)に示すように、カーボンナノチューブ３１aのオリフィス板４への固定方法としては、例えば接着剤が塗布されたサポート板３１bにカーボンナノチューブ３１aを櫛状の直立形態、或いはカーボンナノチューブ３１aを無秩序に絡ませた形態で取り付けることが考えられる。またカーボンナノチューブ３１aは、化学気相成長法等の方法によりオリフィス板４上に成長させても良い。
【実施例２】
【００３１】
図２は、この発明の第２実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。なお、図２(a)はその要部断面図であり、同（b)はそのB部拡大図である。図２に示すホローカソードでは、図１に示す第１実施例と同一部分には同一符号を用いているため、重複する説明を省略する。
【００３２】
図２に示す第２実施例では、図１１に示す従来型ホローカソードと比較して、オリフィス板４の下流側に放電開始促進板Ｂ３２が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板Ｂ３２は、微細加工技術により成形された微小突起（群）構造を有しており、第１実施例と同様に、放電開始促進板Ｂ３２からの電子放出量が増幅される。図２には、放電開始促進板Ｂ３２として、ピラミッド状の微小突起が同心円状に配列されたものを示したが、これらの微小突起の形状に制限は特に無い。
【実施例３】
【００３３】
図３は、この発明の第３実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。なお、図３(a)はその要部断面図であり、同（b)はそのC部拡大図である。図３に示すホローカソードでは、図１に示す第１実施例と同一部分には同一符号を用いているため、重複する説明を省略する。
【００３４】
図３に示す第３実施例では、図１１に示す従来型ホローカソードと比較して、オリフィス板４の下流側に放電開始促進板Ｃ３３が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板Ｃ３３は、電気伝導体部位３３a（例えば、タングステンやタンタルのような高融点金属やカーボン系材料）と電気絶縁体部位３３b（例えば、アルミナやジルコニアのようなセラミック系材料）とが隣接する構造を有しており、この両者の境界での電界集中により、放電開始促進板Ｃ３３からの電子放出量が増幅される。図３には、放電開始促進板Ｃ３３の一例を示したが、電気伝導体部位３３aと電気絶縁体部位３３bとの配置関係および形状に制限は特に無い。
【実施例４】
【００３５】
図４は、この発明の第４実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。図４に示すホローカソードでは、図１に示す第１実施例と同一部分には同一符号を用いているため、重複する説明を省略する。
【００３６】
図４に示す第４実施例では、図１１に示す従来型ホローカソードと比較して、オリフィス板４の下流側に放電開始促進板Ｄ３４が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板Ｄ３４は、カーボン系の材料、例えば黒鉛やカーボンカーボン複合材で構成されており、ホローカソードの放電等の作用により、放電開始促進板Ｄ３４上に自発的にナノカーボン構造が形成されることで、第１実施例と同様に、放電開始促進板Ｄ３４からの電子放出量が増幅される。
【００３７】
図５は、この自発的なナノカーボン構造の形成を示す図であり、ある一定の時間ホローカソード放電等が持続することで、アーク放電法によるナノカーボン生成と類似の作用により、放電開始促進板Ｄ３４上に自発的にナノカーボン構造が形成・維持される様子を表している。
【実施例５】
【００３８】
図６は、この発明の第５実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。図６に示すホローカソードでは、図１に示す第１実施例と同一部分には同一符号を用いているため、重複する説明を省略する。
【００３９】
図６に示す第５実施例では、図１１に示す従来型ホローカソードと比較して、オリフィス板４の下流側に放電開始促進板Ｅ３５が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板Ｅ３５は、熱電子放出特性に優れたカーボン系の材料、例えば黒鉛やカーボンカーボン複合材で構成されており、材料の有する高い電子放出特性により、放電開始促進板Ｅ３５からの電子放出量が増幅される。
【実施例６】
【００４０】
図７は、この発明の第６実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。図７に示すホローカソードでは、図１に示す第１実施例と同一部分には同一符号を用いているため、重複する説明を省略する。
【００４１】
図７に示す第６実施例では、実施例１から５に関わるホローカソードと比較して、改良型オリフィス板４２が、放電開始促進機能を有する点で異なっている。即ち、改良型オリフィス板４２は、その下流側表面（キーパ電極板６に対向する面）にナノカーボンの微小突起群構造を有するか、微細加工技術による微小突起（群）構造を有するか、電気伝導体と電気絶縁体とが隣接した複合構造を有するか、ナノカーボン構造が自発的に生成・維持されるカーボン系材料、あるいは熱電子放出特性に優れたカーボン系材料で構成されるか、のいずれか又はこれらが複数組み合わされた構造を有しており、改良型オリフィス板４２自体が放電開始促進機能を持つ。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
この発明によるホローカソードは、ホローカソード動作に必要な電源の構造を簡略化・軽量化・小型化し、異常絶縁破壊の発生を防止し、長寿命化を可能とする特徴を有するため、搭載機器の小型化・軽量化・簡素化が求められ、かつ高い信頼性が求められる宇宙産業分野への適用が期待される。宇宙産業分野での利用内容としては、イオンエンジン用のプラズマ生成装置およびイオンビーム中和装置、ホールスラスタ用の電子放出装置、ホローカソードスラスタ、導電性テザーシステムの電子放出装置、人工衛星や宇宙ステーション等の帯電制御器等が考えられる。
【００４３】
また、地上産業用のプラズマ発生源としても利用可能であり、スパッタリング用イオシ源のプラズマ生成装置およびイオンビーム中和装置、イオンエッチング機器用のプラズマ生成装置、ホローカソードランプ等、多くの適用先が考えられる。
【符号の説明】
【００４４】
１ カソードインサート
２ 空洞部
３ カソードチューブ
４ オリフィス板
５ カソードインサート支持部
６ キーパ電極板
７ オリフィス
８ キーパ孔
９ ヒータ
１０ 熱シールド
１１ キーパ電極支持部絶縁円筒
１２ スパッタ・シールド
１３ ベース板
１４,１５,１６ 電流導入端子
１７ ガス導入系
１８ 放電容器
２０ 内部プラズマ
２１ キーパ・プラズマ
２２ 外部プラズマ
３１ 放電開始促進板Ａ
３２ 放電開始促進板Ｂ
３３ 放電開始促進板Ｃ
３３a 放電開始促進板Ｃの電気伝導体部位
３３b 放電開始促進板Ｃの電気絶縁体部位
３４ 放電開始促進板Ｄ
３５ 放電開始促進板Ｅ
４１ 放電開始促進板Ａ〜Ｄの開口部
４２ 改良型オリフィス板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工衛星等の宇宙機に搭載されるホローカソード、特に放電の開始（点火）を容易にする宇宙機用ホローカソードに関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星や宇宙ステーション等の宇宙構造物に搭載される長寿命電子源としてホローカソードがあり、宇宙用の用途として、人工衛星等の軌道制御や南北位置保持に用いられるイオンエンジンやホールスラスタ等の電気推進機の電子源、宇宙ステーション等の帯電防止に用いられるプラズマコンタクタ等がある。
【０００３】
このようなホローカソードの主要部は、通常、図９に示すように構成されている。図９は、この発明の基盤（従来技術）となる特許文献１および特許文献２に開示されているホローカソードについて一部を切り欠いた部分断面を示す図であって、図中の符号１で示す部材は電子の最初の放出源となるカソードインサートであり、カソードインサート１にはその中心部に円柱状の空洞部２が形成されている。カソードインサート１は酸化バリウムが含浸された多孔質タングステン製であり、活性化を行った後の空洞部２に面する表面の仕事関数は２ｅＶ程度まで低下している。カソードインサート１は円筒状のカソードチューブ３の中に挿入され、カソードインサート支持部５によってカソードチューブ３の先端に位置するオリフィス板４に押しつけられている。オリフィス板４の前面には円盤状に成形されたキーパ電極板６が配置されている。オリフィス板４の例えば中心部には直径０.３〜１.５mm程度の孔状のオリフィス７が開いており、キーパ電極板６にはオリフィス７に対面して直径２〜８mm程度のキーパ孔８が開いている。
【０００４】
カソードチューブ３の外側にはセラミック溶射層中に埋め込まれたヒータ９が配され、その外側を熱シールド１０が取り囲んでいる。キーパ電極板６はキーパ電極支持部絶縁円筒１１によって固定され、キーパ電極支持部絶縁円筒１１の周りはスパッタ・シールド１２が覆っている。カソードチューブ３とキーパ電極支持部絶縁円筒１１はベース板１３に固定されている。ベース板１３にはそれら以外に、べ一ス板１３とヒータ９およびキーパ電極板６に電流を流すための３つの電流導入端子１４,１５,１６と、ガス導入系１７も固定されている。ヒータ９は電流導入端子１５とカソードチューブ３につながり、キーパ電極板６は電流導入端子１６に、ベース板１３は電流導入端子１４につながっている。ベース板１３は通常、放電容器１８の天蓋中心に固定され、放電電源の陰極電位に保たれている。また、放電容器１８が、放電電源の陽極の役割をする。
【０００５】
従来、このようなホローカソードを動作させるためには一例として以下のような点火手順が必要であった。まずヒータ９の加熱によりカソードインサート１を１０００℃程度まで温度上昇させる。次にキーパ電極板６に＋１００Ｖ以上の電圧を印加状態で推進剤(例えばキセノン)ガスをガス導入系１７からカソードインサート１の空洞部２に導入すると、カソードインサート１とキーパ電極板６との間に絶縁破壊が生じ、カソードインサート１から放出された１次電子が加速される。この１次電子が空洞部２内のキセノンガスに衝突して、図１０に示す電離プラズマ(内部プラズマ２０)がオリフィス板４側の空洞部２に生成される。ここで、電圧表記について補足する。本明細書では、カソードインサート１およびカソードチューブ３およびオリフィス板４およびカソードインサート支持部５およびベース板１３の電位である陰極電位を基準電位とし、特に表記無き場合の電圧は、この陰極電位に対する電位差を表すものとする。
【０００６】
上記の状態で放電容器１８の放電電源陽極部分に放電電圧＋２０〜＋６０Ｖを印加すると、内部プラズマ２０から新たに２次電子が引き出されて、１次電子と共に放電容器１８内のキセノンガスに衝突し、別の２つの電離プラズマ（キーパプラズマ２１、外部プラズマ２２）が生成される。キーパプラズマ２１は内部プラズマ２０と外部プラズマ２２をつなぐ役目をしており、オリフィス板４のオリフィス７からキーパ電極板６のキーパ孔８を経て放電容器１８内に形成される。このように、内部プラズマ２０とキーパプラズマ２１および外部プラズマ２２が形成された状態がホローカソードの定常動作状態である。この定常動作に移行した後は、通常、ヒータ加熱は停止され、キーパ電源は定電圧制御から定電流制御(0.5〜2A程度)に変更されると共に、キーパ電極板６に印加される電圧は＋８〜＋２５Ｖ程度に低下する。
【０００７】
このようなホローカソードでは点火手順において、キーパ電極板６に＋１００Ｖ以上の電圧を印加する必要があるという問題がある。即ち、ホローカソードの定常動作状態ではキーパ電極板６の電圧は高々＋２５Ｖ程度で十分であるのに対し、定常動作に至る前の点火の段階では、カソードインサート１とキーパ電極板６との間に絶縁破壊を起こすために、定常動作時と比較して大幅に高い電圧をキーパ電極板６に印加しなければならない。
【０００８】
点火手順においてキーパ電極板６に定常動作時と比較して大幅に高い電圧を印加しなければならないことによる問題のひとつは、キーパ電極用電源の重量および体積が増加することである。即ち、キーパ電極用電源が＋１００Ｖ以上の電圧を出力するためには、高電圧印加用の付加的な回路が必要であり、そのためにキーパ電極用電源の重量および体積が増加する。宇宙利用においては使用できる重量および体積が厳しく制限されるため、電源の大型化は望ましくない。さらに、キーパ電極板６の高電圧化により、キーパ電極用電源内部の構造が複雑化するとともに、キーパ電極用電源からキーパ電極板６を接続する配線に沿った各部にも＋１００Ｖ以上の電圧が印加されるため、異常絶縁破壊等の問題発生の原因となり得る。
【０００９】
点火手順においてキーパ電極板６に定常動作時と比較して大幅に高い電圧を印加しなければならないことによるもうひとつの問題は、＋１００Ｖ以上の高電圧によってカソードインサート１とキーパ電極板６との間で絶縁破壊が生じることによって、カソードインサート１またはオリフィス板４またはキーパ電極板６に損傷が生じる場合があることである。例えば、非特許文献１の第５頁には、点火手順においてキーパ電極板６に＋１００Ｖ以上の高電圧が印加された際の絶縁破壊発生時に、オリフィス７の付近から微小な固形物が放出される様子が報告されており、カソードインサート１またはオリフィス板４またはキーパ電極板６に損傷が生じた可能性がある。このような損傷は、ホローカソードの寿命を短くし、その動作性能を劣化させる可能性がある。さらに、点火手順においてキーパ電極板６に＋１００Ｖ以上の高電圧印加を継続した場合には、特にオリフィス板４がカーボン系の材料で構成されている場合において、点火に要する時間およびヒータ９への負荷が増大する傾向も確認されている。
【００１０】
なお、ホローカソードについての公知文献としては、本発明の基盤となる特許文献１および２に加えて、低電圧化に関しては、特許文献３にカソードインサートの形状を改良して大電流動作においても動作電圧を下げることが可能なホローカソードが示されており、異常放電発生抑制に関しては、特許文献４にカソードインサートの表面の被覆により放電状態を安定させることが可能なホローカソードが示されるなど、幾つかある。しかし、これらの文献においては、ホローカソードの定常動作時の低電圧化または異常放電発生抑制が示されており、点火時の問題を扱う本発明とは、課題、手段、および具体的な構造において異なるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−１６１２０１号公報（第７頁、図７）
【特許文献２】特開２００４−１６９６０６号公報（第１０頁、図７）
【特許文献３】特開２０００−１３０３１６号公報
【特許文献４】特開２００４−１１５８８７号公報
【非特許文献１】Hayakawa,Y.et al,"Graphite Orificed Hollow Cathodes for Xenon Ion Thrusters,"43rd AIAA Joint Propulsion Conference,AIAA paper 2007-5173,July 2007.(第5頁)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来のホローカソードには、定常動作に移行する前の点火手順において、キーパ電極板に＋１００Ｖ以上の高電圧を印加する必要がある点で解決すべき課題がある。
【００１３】
従って、この発明の目的は、点火手順においてキーパ電極板に印加する電圧を低減することにより、キーパ電極用電源の重量および体積を軽減するとともに、電源構造の複雑化を防ぎ、電源内部および配線部での異常絶縁破壊を防止し、さらに、点火時のカソードインサートまたはオリフィス板またはキーパ電極板の損傷を防ぐことにより寿命低下や放電性能劣化を回避する等の、点火時の高電圧印加に起因する諸問題を解消することができるホローカソードを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、この発明によるホローカソードは、ヒータを有する中空状のカソードチューブと、前記カソードチューブの先端に取り付けられたオリフィスを有するオリフィス板と、前記オリフィス板に対面するキーパ孔を有するキーパ電極板と、前記カソードチューブに挿入され空洞部を持つカソードインサートと、前記カソードチューブの内部に作動ガスを導入するガス導入系とを有するホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に放電の開始（点火）を容易にする放電開始促進板が設けられていることを特徴としている。
【００１５】
このホローカソードによれば、オリフィス板の下流側に放電の開始(点火)を容易にする前記放電開始促進板が設けられているため、ホローカソードの点火手順において、キーパ電極板に印加する電圧を、ホローカソードの定常動作時と同等の＋３０Ｖ以下に低減することが可能となる。即ち、従来のホローカソードの点火手順において必要とされる＋１００Ｖ以上のキーパ電極板電圧を大幅に低減することができる。
【００１６】
このホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板としては、カーボンナノチューブ等のナノカーボンを含有するカーボン構造材がある。ナノカーボンは、ナノメートル級の微細突起を有するため、ヒータからの熱の伝播によりカーボン構造材が1000℃程度の高温に達して熱電子を放出するのに加え、微細突起の先端での電界集中効果および熱集中効果により電子放出が促進され、キーパ電極板に印加する電圧が＋３０Ｖ以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。従来のホローカソードにおいては、ヒータからの熱の伝播によりオリフィス板が高温となり熱電子を放出する機構のみが利用されていたが、本発明においてはそれに加え電界集中効果および熱集中効果を誘発する機構が利用されている点が従来のホローカソードとの相違点である。
【００１７】
このホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板としては、微細加工技術によるナノメートル級の微小突起を１つ又は複数有する構造材もある。このナノメートル級の微小突起により、上記と同様の効果により、キーパ電極板に印加する電圧が＋３０Ｖ以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。
【００１８】
このホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板としては、電気伝導体と電気絶縁体とが隣接した構造を有する構造材もある。電子の二次電子放出やその他の理由により電気絶縁体がチャージアップすることで、電気伝導体と電気絶縁体の境界部分で電界集中が生じて強電界が形成され、この境界部分から電界放出電子が放出される。ヒータからの熱の伝播により同構造材が高温に達することによる熱電子放出に加え、この電界放出電子により、キーパ電極板に印加する電圧が＋３０Ｖ以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。
【００１９】
このホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板としては、カーボン系の材料からなる構造材を使用することもできる。ホローカソード動作時の放電等の持続作用により、カーボン系の材料からなる放電開始促進板の上には、カーボンナノチューブ等のナノカーボン構造が自発的に生成・維持されるため、ヒータからの熱の伝播により前記放電開始促進板が１０００℃程度の高温に達して熱電子を放出するのに加え、ナノカーボン構造の先端での電界集中効果および熱集中効果により電子放出が促進され、キーパ電極板に印加する電圧が＋３０Ｖ以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。
【００２０】
このホローカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板としては、熱電子放出特性の優れた材料からなる構造材を適用することもできる。一例として、このホローカソードにおいて、高密度カーボンからなる放電開始促進板を適用した場合には、キーパ電極板に印加する電圧が＋３０Ｖ以下の場合でも、オリフィス板からの電子放出により放電が開始され、ホローカソードが定常動作に移行することが実験により確認されている。図８は、この高密度カーボンからなる放電開始促進板の電子放出特性を測定した実験結果の一例であり、放電開始促進板がある場合には、放電開始促進板が無い場合（金属製オリフィス板のみ）に比較して、低い温度領域においても高い電子放出性能が得られることが分かる。
【００２１】
このホローカソードにおいては、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板の形状は板状でなくても良い。即ち、メッシュ状または格子状の形態であっても良い。さらに、オリフィス板に放電開始促進物質を含浸させても良く、オリフィス板の表面に放電開始促進物質をコーティングしても良く、オリフィス板の表面に一つ又は複数の突起状物質を形成しても良い。
【００２２】
このホローカソードにおいては、前記オリフィス板の下流側に取り付けられる前記放電開始促進板の構成として、上記に示した各機能が重複して働いても良い。即ち、前記放電開始促進板がナノカーボン構造を有するか、微細加工技術による微小突起を有するか、電気伝導体と電気絶縁体とが隣接した構造を有するか、カーボン系材料で構成されるかの各機能のうち複数が重複しても良い。
【００２３】
このホローカソードにおいては、前記オリフィス板の下流側に敗り付けられる前記放電開始促進板の大きさに制限は特に無い。即ち、前記放電開始促進板の大きさは、前記オリフィス板と同等でも良く、前記オリフィス板より大きくても良く、前記オリフィス板より小さくても良い。また、前記オリフィスに対応して前記放電促進板に空けられる放電開始促進開口部の大きさは前記オリフィスと同等でも良く、前記オリフィスより大きくても良く、前記オリフィスより小さくても良い。
【００２４】
このホローカソードにおいては、オリフィス板そのものが前記放電開始促進板の役割を果たすように、オリフィス板に適当な材料を選んでも良い。即ち、オリフィス板そのものが、ナノカーボン構造を有するか、微細加工技術による微小突起（群）構造を有するか、電気伝導体と電気絶縁体とが隣接した構造を有するか、カーボン系材料で構成されるか、いずれか又は複数の構造を有しても良い。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行って実施可能である。
【発明の効果】
【００２５】
この発明によるホローカソードによれば、ヒータを有する中空状のカソードチューブと、前記カソードチューブの先端に取り付けられたオリフィスを有するオリフィス板と、前記オリフィス板に対面するキーパ孔を有するキーパ電極板と、前記カソードチューブに挿入され空洞部を持つカソードインサートと、前記カソードチューブの内部に作動ガスを導入するガス導入系とを有するホロカソードにおいて、前記オリフィス板の下流側に放電の開始（点火）を容易にする放電開始促進板が設けられていることにより、キーパ電極板に印加する電圧が＋３０Ｖ以下程度と低い値であっても、放電を開始することが可能となる。従って、このホローカソードによれば、点火時にキーパ電極板に印加する電圧を下げることにより、キーパ電極用電源の重量および体積を軽減するとともに、電源構造を簡素化し、電源内部および配線部での異常絶縁破壊を防止することができ、さらに、放電開始時のカソードインサートまたはオリフィス板またはキーパ電極板の損傷を防ぐことにより寿命低下や放電性能劣化を回避する等の、放電開始時の高電圧印加に起因する諸問題を解消することができる。これらの効果により、機器の小型化、軽量化、簡素化、高信頼性化、長寿命化、高性能化が求められる宇宙利用に適したホローカソードの設計・製作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の第１実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。
【図２】この発明の第２実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。
【図３】この発明の第３実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。
【図４】この発明の第４実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。
【図５】図４の第４実施例におけるナノカーボンの成長作用を示す説明図である。
【図６】この発明の第５実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。
【図７】この発明の第６実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。
【図８】放電開始促進板からの熱電子放出特性を測定した実験結果を示す図である。
【図９】従来のホローカソードを一部切欠して示す断面図である。
【図１０】ホローカソードの近傍に形成される電離プラズマの概要図である。
【図１１】従来のホローカソードを示す要部断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この発明は、従来のホローカソードのオリフィス板の下流側取り付けられる放電開始促進板の構造、形状、材料等を適切に選択することで実施することができる。以下、図面を参照してこの発明によるホローカソードの実施例を説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１は、この発明の第１実施例に関わるホローカソード１００を示す説明図である。なお、図１(a)は要部断面図であり、同（b)はA部拡大図である。また、本発明の特徴を明確にするために、図９に示した従来型ホローカソードの一部分を示した要部断面説明図を参考として図１１に示す。図１および図１１においては、図９に示した従来型ホローカソードと同一部分については同一符号を用いているため、重複する説明を省略する。
【００２９】
図１に示す第１実施例に関わるホローカソードは、図１１に示す従来型ホローカソードと比較して、プラズマの流れ方向に見て、オリフィス板４の下流側に放電開始促進板Ａ３１が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板Ａ３１は、カーボンナノチューブ等のナノカーボンを含有する微小突起群構造体であり、直径がナノメートル級の微細突起を有するため、ヒータ９から放電開始促進板Ａ３１に熱が伝播して高温となり微細突起の先端等から電子が放出されるのに加え、微細突起の先端で電界集中および熱集中が生じ、電子の放出量が増幅される。これによりキーパ電極板６に印加する電圧が低い場合にもホローカソードの点火が可能となる。図１では、放電開始促進板Ａ３１のナノカーボン構造は模式的に櫛状の直立形態としたが、ナノカーボン構造は無秩序にカーボンナノチューブが絡み合った形態でも良い。また図１では、放電開始促進板開口部４１の大きさは、オリフィス７よりも大きいが、本実施例および後述の各実施例において、放電開始促進板開口部４１とオリフィス７との大小関係に制限は特に無い。また、図１に示した放電開始促進板Ａ３１の大きさは、オリフィス板４と同等としたが、本実施例および後述の各実施例において、放電開始促進板とオリフィス板４との大小関係にも制限は特に無い。
【００３０】
また、図１(b)に示すように、カーボンナノチューブ３１aのオリフィス板４への固定方法としては、例えば接着剤が塗布されたサポート板３１bにカーボンナノチューブ３１aを櫛状の直立形態、或いはカーボンナノチューブ３１aを無秩序に絡ませた形態で取り付けることが考えられる。またカーボンナノチューブ３１aは、化学気相成長法等の方法によりオリフィス板４上に成長させても良い。
【実施例２】
【００３１】
図２は、この発明の第２実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。なお、図２(a)はその要部断面図であり、同（b)はそのB部拡大図である。図２に示すホローカソードでは、図１に示す第１実施例と同一部分には同一符号を用いているため、重複する説明を省略する。
【００３２】
図２に示す第２実施例では、図１１に示す従来型ホローカソードと比較して、オリフィス板４の下流側に放電開始促進板Ｂ３２が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板Ｂ３２は、微細加工技術により成形された微小突起（群）構造を有しており、第１実施例と同様に、放電開始促進板Ｂ３２からの電子放出量が増幅される。図２には、放電開始促進板Ｂ３２として、ピラミッド状の微小突起が同心円状に配列されたものを示したが、これらの微小突起の形状に制限は特に無い。
【実施例３】
【００３３】
図３は、この発明の第３実施例に関わるホローカソードを示す説明図である。なお、図３(a)はその要部断面図であり、同（b)はそのC部拡大図である。図３に示すホローカソードでは、図１に示す第１実施例と同一部分には同一符号を用いているため、重複する説明を省略する。
【００３４】
図３に示す第３実施例では、図１１に示す従来型ホローカソードと比較して、オリフィス板４の下流側に放電開始促進板Ｃ３３が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板Ｃ３３は、電気伝導体部位３３a（例えば、タングステンやタンタルのような高融点金属やカーボン系材料）と電気絶縁体部位３３b（例えば、アルミナやジルコニアのようなセラミック系材料）とが隣接する構造を有しており、この両者の境界での電界集中により、放電開始促進板Ｃ３３からの電子放出量が増幅される。図３には、放電開始促進板Ｃ３３の一例を示したが、電気伝導体部位３３aと電気絶縁体部位３３bとの配置関係および形状に制限は特に無い。
【実施例４】
【００３５】
図４は、この発明の第４実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。図４に示すホローカソードでは、図１に示す第１実施例と同一部分には同一符号を用いているため、重複する説明を省略する。
【００３６】
図４に示す第４実施例では、図１１に示す従来型ホローカソードと比較して、オリフィス板４の下流側に放電開始促進板Ｄ３４が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板Ｄ３４は、カーボン系の材料、例えば黒鉛やカーボンカーボン複合材で構成されており、ホローカソードの放電等の作用により、放電開始促進板Ｄ３４上に自発的にナノカーボン構造が形成されることで、第１実施例と同様に、放電開始促進板Ｄ３４からの電子放出量が増幅される。
【００３７】
図５は、この自発的なナノカーボン構造の形成を示す図であり、ある一定の時間ホローカソード放電等が持続することで、アーク放電法によるナノカーボン生成と類似の作用により、放電開始促進板Ｄ３４上に自発的にナノカーボン構造が形成・維持される様子を表している。
【実施例５】
【００３８】
図６は、この発明の第５実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。図６に示すホローカソードでは、図１に示す第１実施例と同一部分には同一符号を用いているため、重複する説明を省略する。
【００３９】
図６に示す第５実施例では、図１１に示す従来型ホローカソードと比較して、オリフィス板４の下流側に放電開始促進板Ｅ３５が取り付けられている点で異なっている。放電開始促進板Ｅ３５は、熱電子放出特性に優れたカーボン系の材料、例えば黒鉛やカーボンカーボン複合材で構成されており、材料の有する高い電子放出特性により、放電開始促進板Ｅ３５からの電子放出量が増幅される。
【実施例６】
【００４０】
図７は、この発明の第６実施例に関わるホローカソードを示す要部断面説明図である。図７に示すホローカソードでは、図１に示す第１実施例と同一部分には同一符号を用いているため、重複する説明を省略する。
【００４１】
図７に示す第６実施例では、実施例１から５に関わるホローカソードと比較して、改良型オリフィス板４２が、放電開始促進機能を有する点で異なっている。即ち、改良型オリフィス板４２は、その下流側表面（キーパ電極板６に対向する面）にナノカーボンの微小突起群構造を有するか、微細加工技術による微小突起（群）構造を有するか、電気伝導体と電気絶縁体とが隣接した複合構造を有するか、ナノカーボン構造が自発的に生成・維持されるカーボン系材料、あるいは熱電子放出特性に優れたカーボン系材料で構成されるか、のいずれか又はこれらが複数組み合わされた構造を有しており、改良型オリフィス板４２自体が放電開始促進機能を持つ。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
この発明によるホローカソードは、ホローカソード動作に必要な電源の構造を簡略化・軽量化・小型化し、異常絶縁破壊の発生を防止し、長寿命化を可能とする特徴を有するため、搭載機器の小型化・軽量化・簡素化が求められ、かつ高い信頼性が求められる宇宙産業分野への適用が期待される。宇宙産業分野での利用内容としては、イオンエンジン用のプラズマ生成装置およびイオンビーム中和装置、ホールスラスタ用の電子放出装置、ホローカソードスラスタ、導電性テザーシステムの電子放出装置、人工衛星や宇宙ステーション等の帯電制御器等が考えられる。
【００４３】
また、地上産業用のプラズマ発生源としても利用可能であり、スパッタリング用イオシ源のプラズマ生成装置およびイオンビーム中和装置、イオンエッチング機器用のプラズマ生成装置、ホローカソードランプ等、多くの適用先が考えられる。
【符号の説明】
【００４４】
１ カソードインサート
２ 空洞部
３ カソードチューブ
４ オリフィス板
５ カソードインサート支持部
６ キーパ電極板
７ オリフィス
８ キーパ孔
９ ヒータ
１０ 熱シールド
１１ キーパ電極支持部絶縁円筒
１２ スパッタ・シールド
１３ ベース板
１４,１５,１６ 電流導入端子
１７ ガス導入系
１８ 放電容器
２０ 内部プラズマ
２１ キーパ・プラズマ
２２ 外部プラズマ
３１ 放電開始促進板Ａ
３２ 放電開始促進板Ｂ
３３ 放電開始促進板Ｃ
３３a 放電開始促進板Ｃの電気伝導体部位
３３b 放電開始促進板Ｃの電気絶縁体部位
３４ 放電開始促進板Ｄ
３５ 放電開始促進板Ｅ
４１ 放電開始促進板Ａ〜Ｄの開口部
４２ 改良型オリフィス板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータを有する中空状のカソードチューブと、前記カソードチューブの先端に取り付けられたオリフィスを有するオリフィス板と、前記オリフィス板に対面するキーパ孔を有するキーパ電極板と、前記カソードチューブに挿入され空洞部を持つカソードインサートと、前記カソードチューブの内部に作動ガスを導入するガス導入系とを有するホローカソードにおいて、
前記オリフィス板の下流側部位に放電の開始(点火)を容易にする放電開始促進板が設けられていることを特徴とするホローカソード。
【請求項２】
前記放電開始促進板が、カーボンナノチューブ等のナノカーボンにより構成される微小突起群構造から成ることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。
【請求項３】
前記放電開始促進板が、微細加工技術による複数の微小突起群構造から成ることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。
【請求項４】
前記放電開始促進板が、複数の電気伝導体と複数の電気絶縁体とが隣接した構造から成る複合板であることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。
【請求項５】
前記放電開始促進板が、ナノカーボン構造が自発的に生成・維持されるカーボン系の材料から成る板であることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。
【請求項６】
前記放電開始促進板が、熱電子放出特性に優れたカーボン系材料で形成された板であることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。
【請求項７】
前記放電開始促進板が、メッシュ状の構造または格子状の構造を有する板であることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。
【請求項８】
ヒータを有する中空状のカソードチューブと、前記カソードチューブの先端に取り付けられたオリフィスを有するオリフィス板と、前記オリフィス板に対面するキーパ孔を有するキーパ電極板と、前記カソードチューブに挿入され空洞部を持つカソードインサートと、前記カソードチューブの内部に作動ガスを導入するガス導入系とを有するホローカソードおいて、
前記オリフィス板自体が、請求項２から７に記載された前記放電開始促進板の機能のうち１又は複数を有することを特徴とするホローカソード。
【請求項９】
点火の際に＋１００Ｖ以上の高電圧を前記キーパ電極板に印加する必要がないことを特徴とする請求項１から８の何れかに記載のホローカソード。
【請求項１】
ヒータを有する中空状のカソードチューブと、前記カソードチューブの先端に取り付けられたオリフィスを有するオリフィス板と、前記オリフィス板に対面するキーパ孔を有するキーパ電極板と、前記カソードチューブに挿入され空洞部を持つカソードインサートと、前記カソードチューブの内部に作動ガスを導入するガス導入系とを有するホローカソードにおいて、
前記オリフィス板の下流側部位に放電の開始(点火)を容易にする放電開始促進板が設けられていることを特徴とするホローカソード。
【請求項２】
前記放電開始促進板が、カーボンナノチューブ等のナノカーボンにより構成される微小突起群構造から成ることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。
【請求項３】
前記放電開始促進板が、微細加工技術による複数の微小突起群構造から成ることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。
【請求項４】
前記放電開始促進板が、複数の電気伝導体と複数の電気絶縁体とが隣接した構造から成る複合板であることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。
【請求項５】
前記放電開始促進板が、ナノカーボン構造が自発的に生成・維持されるカーボン系の材料から成る板であることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。
【請求項６】
前記放電開始促進板が、熱電子放出特性に優れたカーボン系材料で形成された板であることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。
【請求項７】
前記放電開始促進板が、メッシュ状の構造または格子状の構造を有する板であることを特徴とする請求項１に記載のホローカソード。
【請求項８】
ヒータを有する中空状のカソードチューブと、前記カソードチューブの先端に取り付けられたオリフィスを有するオリフィス板と、前記オリフィス板に対面するキーパ孔を有するキーパ電極板と、前記カソードチューブに挿入され空洞部を持つカソードインサートと、前記カソードチューブの内部に作動ガスを導入するガス導入系とを有するホローカソードおいて、
前記オリフィス板自体が、請求項２から７に記載された前記放電開始促進板の機能のうち１又は複数を有することを特徴とするホローカソード。
【請求項９】
点火の際に＋１００Ｖ以上の高電圧を前記キーパ電極板に印加する必要がないことを特徴とする請求項１から８の何れかに記載のホローカソード。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−７４８８７（Ｐ２０１１−７４８８７Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２９５８８（Ｐ２００９−２２９５８８）
【出願日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【Ｆターム（参考）】
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