(57)【要約】  ヒーターレスホローカソードは、電気的な宇宙推進システムでの電子放出電流を提供する。カソード装置の機械的、熱的・電磁気的デザインが提示され、カソードの迅速な点火および安定化のための操作の方法が提供される。カソード装置のキーパーは、カソードのエミッタアセンブリからの熱の流れを減少させる厚さ変化を有する。エミッタアセンブリを熱する方法は、エミッタアセンブリからキーパーまで流れる電流があらかじめ定められた固定値で維持されるように印加電圧を制御する工程を含む。この方法によって、ドーパント材料の枯渇による、および／または電気的なアーク放電によるエミッタアセンブリの電子放出面への損傷は回避される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒーターレスホローカソード装置であって：
（ａ）  電子エミッター、およびエミッター・ホルダーを具備するエミッタアセンブリであって、エミッター・オリフィスを貫くガスフロー経路を定義する、エミッタアセンブリ；
（ｂ）  前記エミッタアセンブリを囲んでいるキーパーであって、キーパー・オリフィスを有するキーパー；
（ｃ）  前記ガス流路を通じてガスの調節された流れを供給するためのガスフロー調整器；
（ｄ）  電力供給部；
（ｅ）  前記電力供給部、前記ガスフロー調整器、前記キーパーと前記エミッタアセンブリに電気的に関連した制御装置であって、前記制御装置は：
（ｉ）  前記エミッタアセンブリと前記キーパーとの間に放電を開始させるために前記エミッタアセンブリと前記キーパーとの間の空間にガスが供給されている間に、前記エミッタアセンブリと前記キーパーとの間にエミッター・キーパー電圧をかける；
（ｉｉ）  前記エミッタアセンブリと前記キーパーとの間で流れるエミッター・キーパー電流の値をモニタリングし、あらかじめ定められた電流値で前記エミッター・キーパー電流を維持するように前記エミッター・キーパー電圧を調節する；
（ｉｉｉ）  あらかじめ定められた最小持続時間の間、あらかじめ定められた電圧閾値未満に留まる値への前記エミッター・キーパー電圧の低下を検出するように前記エミッター・キーパー電圧をモニタリングする；
（ｉｖ）  アノードからヒーターレスホローカソードまで電流が流れる主放電回路を始動させる；および
（ｖ）  前記エミッター・キーパー電圧を０にセットする、
ように連続して構成される、制御装置、
を含むヒーターレスホローカソード装置。
【請求項２】
前記エミッター・ホルダーは、前記電子エミッターを封入するエミッター・ホルダー・ネックを含む請求項１に記載のヒーターレスホローカソード装置。
【請求項３】
前記キーパー・オリフィスの面積が、前記エミッター・オリフィスの面積の５％と２５％との間にある、請求項１に記載のヒーターレスホローカソード装置。
【請求項４】
前記キーパーは厚さの変動を含む、請求項１に記載のヒーターレスホローカソード装置。
【請求項５】
前記電子エミッターは、屈折性セラミック材料を含む、請求項１に記載のヒーターレスホローカソード装置。
【請求項６】
前記電子エミッターは酸化物をしみ込ませられた屈折性金属を含む請求項１に記載のヒーターレスホローカソード装置。
【請求項７】
前記電子エミッターは２．２電子ボルト未満の仕事関数を有する請求項１に記載のヒーターレスホローカソード装置。
【請求項８】
前記制御装置は、前記エミッター・キーパー電流中の突然の急激な増加を識別することにより、前記エミッタアセンブリと前記キーパーとの間の前記放電開始を検出する、請求項１に記載のヒーターレスホローカソード装置。
【請求項９】
前記あらかじめ定められた電流値は１００〜１５０ミリアンペアの範囲にある、請求項１に記載のヒーターレスホローカソード装置。
【請求項１０】
前記あらかじめ定められた電圧閾値は５０〜１００ボルトの範囲にある、請求項１に記載のヒーターレスホローカソード装置。
【請求項１１】
前記あらかじめ定められた最小持続時間は１〜３秒の範囲にある、請求項１に記載のヒーターレスホローカソード装置。
【請求項１２】
ヒーターレスホローカソードを操作するための方法であって：
（ｉ）  電力供給部、ガスフロー調整器、キーパーとエミッタアセンブリに電気的に関連した制御装置を提供する工程；
（ｉｉ）  前記エミッタアセンブリと前記キーパーとの間の放電を始めるために前記エミッタアセンブリと前記キーパーとの間にエミッター・キーパー電圧をかける工程；
（ｉｉｉ）  前記エミッタアセンブリと前記キーパーとの間を流れるエミッター・キーパー電流の値をモニタリングし、あらかじめ定められた電流値に前記エミッター・キーパー電流を維持するように前記エミッター・キーパー電圧を調節する工程；
（ｉｖ）  あらかじめ定められた最小持続時間の間、あらかじめ定められた電圧閾値未満に留まる値への前記エミッター・キーパー電圧の低下を検出するように前記エミッター・キーパー電圧をモニタリングする工程；
（ｖ）  アノードからヒーターレスホローカソードまで電流が流れる主放電回路を始動させる工程；および
（ｖｉ）  前記エミッター・キーパー電圧を０にセットする工程、
を含む方法。
【請求項１３】
前記制御装置は、前記エミッター・キーパー電流中の突然の急激な増加を識別することにより、前記エミッタアセンブリと前記キーパーとの間の前記放電の開始を検出する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記あらかじめ定められた電流値は１００〜１５０ミリアンペアの範囲にある、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記あらかじめ定められた電圧閾値は５０〜１００ボルトの範囲にある、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記あらかじめ定められた最小持続時間は１〜３秒の範囲にある、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気的な宇宙推進システム、具体的には、そのようなシステムためのヒーターレスホローカソード（以下にＨＨＣ）の構造と操作に関する。
【０００２】
電気的な宇宙推進システムで使用されるＨＨＣのテクノロジーの最近の進展は、非特許文献１に述べられ、参照により本明細書でその全体が本出願に組み込まれる。
【０００３】
ＨＨＣの操作は３つの段階からなる：（１）中性ガスの高電圧ブレークダウンによる点火、（２）グロー放電および／または電気アークのどちらかによるカソード加熱と、（３）連続的な自立したカソード放出。ガス中の放電現象の確率的な物理的性質は、操作の３段階のうちのいずれか１つの間にＨＨＣの故障を招きかねない。学問研究の大きな総体は、ＨＨＣ操作中に観察された故障メカニズムの多くを識別することに成功した。
【０００４】
従来技術では、「Ｏｐｅｎ−Ｅｎｄ  Ｅｍｉｔｔｅｒ  ―  Ｏｒｉｆｉｃｅｄ  Ｋｅｅｐｅｒ」として知られた構成を有するＨＨＣが１９８４年１０月２日にＨｏｌｌｏｗ  Ｃａｔｈｏｄｅ  Ａｐｐａｒａｔｕｓという表題で、Ｇｒａｅｍｅ  Ａｓｔｏｎに対して付与された特許文献１の中で開示された。この構成は実験的にテストされ、様々な故障メカニズムが観察された。
【０００５】
例えば、イオン衝撃によるホロー電子エミッターの浸食は全体的なＨＨＣ寿命を減少させることもある。場合によっては、エミッターの破滅的な破壊はエミッターとキーパーとの間の高電流アーク放電によって引き起こされうる。
【０００６】
ＨＨＣ故障の別の原因はガス推進薬の流量と関係にある。エミッターの内径が小さい場合、ＨＨＣはプラギングに弱い。エミッターの内径が大きい場合、ガス圧力は点火ためには低すぎることもある。ガス圧力がガス推進薬の流量を増加させることにより増加される場合、増加した流量は迅速にガス推進薬の供給を消耗させ、ＨＨＣ操作の第３の段階でプラズマ不安定性を導くこともある。流量を増加させる代わりに、始動電圧、したがってエネルギーが低ガス圧を補うために増加された場合、エミッターとキーパーとの間の高電圧アーク放電によるエミッター損傷のリスクを増加させる。
【０００７】
依然として、初期故障の別の原因が、操作の第３の段階中、つまり連続的な自立したカソード放出段階に生じる。そのような故障は熱応力と過度に高い運転温度（例えば摂氏２，５００度を越える）によって引き起こされたエミッターの溶融によると信じられている。純タンタルまたは純粋なタングステンで作られるエミッターのような高い仕事関数（例えば４ｅＶ以上）を有するエミッターからの熱電子放出を達成するために、そのような高温にしばしば到達する。それらの仕事関数を低下させるために、エミッターは、酸化バリウムまたは酸化スカンジウムのようなドーパント材料を浸透させられることもある。しかしながら、ドープしたエミッターさえ、熱応力と溶融のために早い時期に故障することが観測されている。これは高い表面電子電流密度におけるエミッターの拡張操作の後にドーパント材料の枯渇によって生じると考えられる。一旦ドーパントが消耗されると、エミッター仕事関数は純粋な金属のレベルへ増大し、熱電子放出を達成するために、再び過度の高温は熱による故障という付帯リスクを伴う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】”Ｈｅａｔｅｒｌｅｓｓ  Ｈｏｌｌｏｗ  Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  −  Ａ  Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ，”  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｐａｃｅ  Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ  ２０１６  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  ２−６  Ｍａｙ，  ２０１６，  Ｒｏｍｅ，  Ｉｔａｌｙ，  ＳＰ２０ｌ６＿３１２５３６６
【特許文献１】米国特許第４，４７５，０６３号
【発明の概要】
【０００９】
本発明はヒーターレスホローカソードを操作するための装置、および方法である。
【００１０】
本発明の一実施形態の教示によれば、ヒーターレスホローカソード装置が提供され、該ホローカソード装置は：
電子エミッターとエミッター・ホルダーを備えたエミッタアセンブリ、およびエミッタアセンブリとエミッター・オリフィスを貫くガスフロー経路；
エミッタアセンブリを囲み、キーパー・オリフィスを持っているキーパー；
ガス流路を通じてガスの調節された流れを供給するためのガスフロー調整器；
電力供給部；および、
電力供給部、ガスフロー調整器、キーパーとエミッタアセンブリに電気的に関連した制御装置であって、制御装置は：
・エミッタアセンブリとキーパーとの間に放電を開始させるためにエミッタアセンブリとキーパーとの間の空間にガスが供給されている間に、エミッタアセンブリとキーパーとの間にエミッター・キーパー電圧をかける；
・エミッタアセンブリとキーパーとの間で流れるエミッター・キーパー電流の値をモニタリングし、あらかじめ定められた電流値でエミッター・キーパー電流を維持するようにエミッター・キーパー電圧を調節する；
・あらかじめ定められた最小持続時間の間、あらかじめ定められた電圧閾値未満に留まる値へのエミッター・キーパー電圧の低下を検出するようにエミッター・キーパー電圧をモニタリングする；
・アノードからヒーターレスホローカソードまで電流が流れる主放電回路を始動させる；および
・エミッター・キーパー電圧を０にセットする、
ように連続して構成される制御装置、
を含む。
【００１１】
装置のある好ましい実施の１つの特徴によれば、エミッター・ホルダーは、電子エミッターを封入するエミッター・ホルダー・ネックを含む。
【００１２】
装置のある好ましい実施のさらなる特徴によれば、キーパー・オリフィスの面積が、エミッター・オリフィスの面積の５％と２５％との間にある。
【００１３】
装置のある好ましい実施のさらなる特徴によれば、キーパーは厚さの変動を含む。
【００１４】
装置のある好ましい実施のさらなる特徴によれば、電子エミッターは、屈折性セラミック材料あるいは酸化物をしみ込まされた屈折性金属のいずれかである。
【００１５】
装置のある好ましい実施のさらなる特徴によれば、電子エミッターは２．２電子ボルト未満の仕事関数を有する。
【００１６】
装置のある好ましい実施のさらなる特徴によれば、制御装置は、エミッター・キーパー電流中の突然の急激な増加を識別することにより、エミッタアセンブリとキーパーとの間の放電開始を検出する。
【００１７】
装置のある好ましい実施のさらなる特徴によれば、上記のあらかじめ定められた電流値は１００〜１５０ミリアンペアの範囲にある。
【００１８】
装置のある好ましい実施のさらなる特徴によれば、上記のあらかじめ定められた電圧閾値は５０〜１００ボルトの範囲にある。
【００１９】
装置のある好ましい実施のさらなる特徴によれば、上記の定められた最小持続時間は１〜３秒の範囲にある。
【００２０】
さらに本発明の実施形態の教示によって、次の工程を含むヒーターレスホローカソードを操作する方法が提供される：
・電力供給部、ガスフロー調整器、キーパーとエミッタアセンブリに電気的に関連した制御装置を提供する工程；
・エミッタアセンブリとキーパーとの間の放電を始めるためにエミッタアセンブリとキーパーとの間にエミッター・キーパー電圧をかける工程；
・エミッタアセンブリとキーパーとの間を流れるエミッター・キーパー電流の値をモニタリングし、あらかじめ定められた電流値にエミッター・キーパー電流を維持するようにエミッター・キーパー電圧を調節する工程；
・あらかじめ定められた最小持続時間の間、あらかじめ定められた電圧閾値未満に留まる値へエミッター・キーパー電圧の低下を検出するようにエミッター・キーパー電圧をモニタリングする工程；
・アノードからヒーターレスホローカソードまで電流が流れる主放電回路を始動させる工程；および
・エミッター・キーパー電圧を０にセットする工程。
【００２１】
方法のある好ましい実施の１つの特徴によれば、制御装置は、エミッター・キーパー電流中の突然の急激な増加を識別することにより、エミッタアセンブリとキーパーとの間の放電開始を検出する。
【００２２】
方法のある好ましい実施のさらなる特徴によれば、上記のあらかじめ定められた電流値は１００〜１５０ミリアンペアの範囲にある。
【００２３】
方法のある好ましい実施のさらなる特徴によれば、上記のあらかじめ定められた電圧閾値は５０〜１００ボルトの範囲にある。
【００２４】
方法のある好ましい実施のさらなる特徴によれば、上記のあらかじめ定められた最小持続時間は１〜３秒の範囲にある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明は、添付の図面を参照してほんの一例として本明細書に記載される。
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る典型的な電気的な宇宙推進システムのブロック図である；
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る典型的なＨＨＣの遠近法外観図である；
【図３】図３は、図２の典型的なＨＨＣの遠近法分解図である；
【図４】図４は、図２の典型的なＨＨＣの軸に沿った断面図である；
【図５】図５は、図２の典型的なＨＨＣの軸に沿った拡大された断面図である；
【図６】図６は、発明の実施形態に係る、ＨＨＣの操作の典型的な方法のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明はＨＨＣ装置と操作方法である。本発明の原則は図面と付随の記載を参照することでよりよく理解され得る。
【００２７】
ここで図面を参照して、図１は、発明の実施形態による典型的な電気的な宇宙推進システム（１００）のブロック図である。機械的な支持部（１２０）は、鎖線によって示された中心軸に対して、典型的に円筒対称である。アノード要素（１４０）は、電気的な宇宙推進システム（１００）用の正の電気的な端子および推進用ガス分配器の両方である。アノード要素（１４０）を通って流れる推進用ガスは、好ましくは、キセノン、クリプトンあるいはアルゴンなど、非腐食性で、容易に電離し、高い分子重量を有するガスである。ＨＨＣガス分配器（１９０）は、ＨＨＣ（２００）へ中性ガスを供給し、それは推進用ガスと同じであるか、あるいは異なる。ＨＨＣガスは、好ましくは、キセノン、クリプトン、アルゴン、ヘリウム、ネオン、水素あるいは窒素など、非腐食性で、容易に電離するガスである。
【００２８】
電力供給部（１７０）は、制御装置（１８０）によって要求される電気的な電圧および電流を提供する。制御装置（１８０）は少なくとも１つのプロセッサおよび少なくとも１つのデータ記憶要素、タイミング機構、およびセンサーとアクチュエーターへの多種多様な電気的なインタフェースを含んでいる。アノード要素（１４０）、ＨＨＣガス分配器（１９０）とＨＨＣ（２００）に関連した電気的なインタフェースは、図１の（１８２）、（１８４）、（１８６）と（１８８）線によって概略的にそれぞれ表わされる。電気的なインタフェース（１８２）および（１８４）は、アノード電圧および推進用ガス流量を制御する信号をそれぞれ提供する。電気的なインタフェース（１８６）および（１８８）は、ＨＨＣ（２００）によって要求されるＨＨＣガス流量および電圧を制御する信号をそれぞれ提供する。制御装置（１８０）は、操作システム（１００）およびＨＨＣ（２００）に必要とされるすべての工程を行なうために、好ましくは、専用ハードウェア実装、汎用プロセッサ上で実行されるソフトウェア、あるいは任意のそれらの組み合わせによって構成される。電力供給部（１７０）および／または制御装置（１８０）は、電気的な宇宙推進システム（１００）に関連したものに加えて、専用コンポーネント、あるいは他の機能を行なう宇宙船プラットホームに統合されたコンポーネントとして構成されることもある。
【００２９】
システム（１００）の操作中に、電子の流れはＨＨＣ（２００）を出て、印加された電界に対応してアノード要素（１４０）に向かって移動する。後者は、磁極（１６０）によって確立された直交磁場と共に、循環するホール電子流を生成する。後者は、アノード要素（１４０）を通って流れる中性の推進用ガス分子と衝突しイオン化する。イオン化された推進用ガス分子は、印加された電界によって高速度に加速され、放電チャネル（１５０）を通り抜ける。排出システム（１００）においては、イオン化された推進用ガス分子が、ＨＨＣ（２００）によって放出された電子によって中和される。
【００３０】
システム（１００）は、ホール効果姿勢制御ロケットとして当業者に知られており、ＨＨＣを使用する電気的な宇宙推進システムの１つの好ましいが制限しない例としてここで言及される。本発明の目的はそのような例に制限されておらず、本発明に係るＨＨＣ装置および／または、操作の方法を利用する任意及び全てのタイプの電気的な宇宙推進システムを使用する実施形態を含む。
【００３１】
ＨＨＣ（２００）の典型的な実施の構造体は図２−５において例示されている。ここで同じ参照番号は全体を通して使用される。図２は、本発明の実施形態に係る例示的なＨＨＣの遠近法外観図である。ＨＨＣ（２００）は、ＨＨＣブラケット（２１０）に機械的に支持され、ＨＨＣブラケット（２１０）は機械的な支持部（１２０）に付けられる。中性ガスはガス・コネクタ（２２０）を通ってＨＨＣ（２００）に進入する。絶縁円板（２３０）および（２５０）は、内部素子に電気的絶縁を供給する。円筒状カラー（２７０）およびキーパー（３１０）は導電材で作られており、共通電位にある。器具（２９０）は、キーパー（３１０）と物理接触している電気コンタクト・リングである。
【００３２】
図３は典型的なＨＨＣ（２００）の遠近法分解図である。フランジ（２４０）は、ガスフロー・チューブ（２６０）で一体的に形成されるかガスフロー・チューブ（２６０）に堅く接続され、両方は好ましくはステンレス鋼で作られている。真空密閉部（２８０）は、キーパー（３１０）の外部にある圧力からキーパー（３１０）の内部の圧力を隔離する。ガス圧力センサー（図示されず）は、好ましくはキーパー（３１０）の内部のガス圧力をモニタリングする。エミッター・ベース（３３０）は、電子エミッター（３５０）を囲むエミッター・ホルダー（３４０）に接続される。部分（３３０）、（３４０）と（３５０）は共通電位にあり、「エミッタアセンブリ」とまとめて名付けられる。
【００３３】
図４は、本発明の実施形態によるエミッタアセンブリの詳細を示すＨＨＣ（２００）の拡大した軸に沿った断面図である。鎖線は、エミッタアセンブリの中心軸を表わす。エミッター・ベース（３３０）とエミッター・ホルダー（３４０）との間の重なり領域は、螺合された、ロウ付けされた、あるいは溶接された接続など、２つの部品の間の電気的・熱的な密接な接触を提供する、適切で機械的なあらゆる相互接続を表わす。ラベル（３２０）および（３７０）はキーパー・オリフィスおよびエミッター・オリフィスをそれぞれ表示する。実施形態と請求項の中で本明細書に使用されるような語句「オリフィス」は、幾何学的な開口部を表し、原料組成物を有することなく、それは形において好ましくは円形である。キーパー・オリフィス（３２０）の面積は、好ましくはエミッター・オリフィス（３７０）の面積の５％から２５％の範囲である。エミッター・ホルダー・ネック（３６０）の形は、エミッタアセンブリとキーパーとの間の初期高圧パルスを吸収するように、同様にエミッターの溶接やろう付けを必要としないカソードへの単純なエミッターの統合を可能とするように、電子エミッター（３５０）を封入するべく設計される。
【００３４】
ＨＨＣ（２００）の熱的性質と設計は、好ましくは熱応力または溶解による初期故障を回避するように構成される。キーパー（３１０）の原料組成物は、好ましくは低い熱伝導度（例えば摂氏５００度の頂点温度の１摂氏温度当たりメーター当たり１８０ワット以下（１８０Ｗ／℃／ｍ以下））である超硬合金である。タングステン、モリブデンとタンタルはそのような超硬合金の例である。高温で熱破損を回避するために、キーパー（３１０）はロウ付けで作られたコンポーネントからなるべきでなく、むしろ単一の機械加工された構造であるべきである。キーパー厚さ変化（３１５）は、キーパー（３１０）による熱伝導ための断面積を縮小することにより、エミッタアセンブリからの熱の流れを減少させる。エミッター・ベース（３３０）およびエミッター・ホルダー（３４０）の原料組成物は、好ましくは超硬合金であり、それは、キーパー（３１０）の原料組成物と同じでも良く、あるいは違っていてもよい。熱膨脹係数は、熱応力を最小限に抑えるように、好ましくは超硬合金の間で一致される。記載された適切な熱設計（物質、壁厚などの選択）では、本発明のＨＨＣは安定した電子流で、１５００時間を超える運転時間に対し、連続的な自立したカソード放出を供給することが示された。
【００３５】
電子エミッター（３５０）は、好ましくは摂氏１８００℃未満の熱電子放出用のしきい値温度および摂氏２０００℃以上の融点がある物質である。典型的には、これは２．２電子ボルト未満である仕事関数を有するエミッタ材料で達成することができる。そのような１つの物質は耐火性セラミック材料である六ホウ化ランタンであり、別のものは、酸化バリウムまたは酸化スカンジウムのような酸化物ドーパントをしみ込ませられたタングステンである。
【００３６】
図６は、制御装置（１８０）の制御下でＨＨＣの操作を例示するブロック図であり、さらに本発明の実施形態の教示によるＨＨＣの操作の典型的な方法に対応する。図６によれば、ＨＨＣの操作はブロック（６１０）、すなわちガス・コネクタ（２２０）を通ってあらかじめ定められた流量での中性ガスの注入から始まる。ガスはエミッター・オリフィス（３７０）を通り抜けて、キーパー（３１０）の内部の排気された空間を満たす。ガス圧力が平均値で安定するまで、好ましくは制御装置（１８０）はガス圧力をモニタリングする。この文脈中で「安定する」は、例えば圧力の変動が平均値の±１％以内にある場合など、任意の適切な基準によって定義されてもよい。流量、および安定したガス圧力の典型的だが制限しない値は、それぞれ１秒当たり０．１から１ミリグラムおよび２〜５０トルである。
【００３７】
ガス圧力が安定するのを待つ間に、あるいは、好ましくはガス圧力が既に安定した後、図６のブロック（６２０）に示されるように、制御装置（１８０）は、キーパー（３１０）とエミッタアセンブリとの間の電圧差を印加する。この電圧差はＶｋｅによって示される。制御装置（１８０）は、Ｉｋｅによって表示されるキーパー（３１０）とエミッタアセンブリとの間を流れる電流をモニタリングする間に徐々にＶｋｅの値を増加させる。この「初期放電制御」と名づけられたプロセスは、図６のブロック（６３０）に示される。そのプロセスはＩｋｅに突然の急激な増加がある場合、終了し、これはブロック（６４０）に示されるようにプラズマブレークダウンの発生を示している。Ｉｋｅの突然の急激な増加は、１秒以内に生じる０アンペアからのから１００ミリアンペア以上のＩｋｅの値の典型的なジャンプである。プラズマブレークダウンが生じるＶｋｅの標準値は３００〜１０００ボルトの範囲である。
【００３８】
プラズマブレークダウンを検出する短時間内、典型的に１００マイクロセカンド以下では、ブロック（６５０）に示されるように、制御装置（１８０）はエミッター・キーパー電流制御を実行する。エミッター・キーパー電流制御への切り替えは、過度に高い値のＩｋｅと電子エミッター（３５０）のドーパント材料の枯渇を招きかねないＶｋｅの継続的な上昇を防ぐために好ましくは速く行なわれる。制御装置（１８０）はＩｋｅをモニタリングし、また好ましくは１００〜１５０ミリアンペアの範囲にある、あらかじめ定められた電流値でＩｋｅを維持するように印加電圧Ｖｋｅを調節する。この電流レベルでは、プラズマ・グロー放電があり、それは、電子エミッター（３５０）を徐々に熱電子放出に必要とされた温度しきい値へ熱する。この工程の間のＶｋｅの標準値は２００〜３００ボルトである。
【００３９】
電子エミッター（３５０）の加熱が、プラズマ・グロー放電を用いて、および急でない電気的なアーク放電でなく、徐々に遂行されなければならないことに注目することは重要である。後者はより少ない時間を要求するが、それは電子エミッター（３５０）の表面上の１つ以上の点での過剰な過熱と溶解によるエミッター損傷を招き、電子エミッター（３５０）の初期故障に結びつく、へこみと変形を生じさせると分かった。
【００４０】
図６のブロック（６６０）では、熱電子放出の発現を示す電圧の突然の低下があるまで、制御装置（１８０）は、Ｖｋｅの値をモニタリングし続ける。熱電子放出の発現は、電圧Ｖｋｅにおける２つの基準の組み合わせによって好ましくは識別される：それは、あらかじめ定められた電圧閾値Ｖｔｈ未満に落ちなければならず、また、それは最小持続時間Ｔｔｈの間、Ｖｔｈ未満に留まらなければならない。Ｖｔｈの典型値は１００ボルト、より好ましくは８０ボルト、最も好ましくは５０ボルトである。Ｔｔｈの典型値は１秒、より好ましくは２秒、最も好ましくは３秒である。
【００４１】
一旦熱電子放出が達成されると、ブロック（６７０）に示されるように、制御装置（１８０）は主放電制御を始動する。制御装置（１８０）は、放電チャネル（１５０）を通って電離気体の流れを開始するために放電電圧をかける。数秒の後に、一旦主放電回路の電流が安定すると、制御装置（１８０）はＶｋｅを０にセットし、また、図６のブロック（６８０）に示されるように、ＨＨＣ（２００）は、操作の第３のモード、すなわち連続的で自立したカソード放出で動作し続ける。本発明は、ＨＨＣの使用する熱電子放出に特に適用可能であり、該熱電子放出は主放電電流が２００ミリアンペアより多い適用に典型的に必要であり、及び主放電電流が５００ミリアンペアより多い場合特に必要である。自立したカソード放出中の本発明のＨＨＣための典型的な動作電流は、様々な応用で、約１アンペア以上であってよい。
【００４２】
上記の記載が例として機能するようにのみ意図され、他の多くの実施形態が、添付の請求項において定義されるように本発明の範囲内で可能であることが認識されるだろう。
【図１】
2021513719.tif 000003
【図２】
2021513719.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年11月26日(2020.11.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒーターレスホローカソード装置であって：
（ａ）  電子エミッター、およびエミッター・ホルダーを具備するエミッタアセンブリであって、エミッター・オリフィスを貫く経路を定義する、エミッタアセンブリ；
（ｂ）  前記エミッタアセンブリを囲んでいるキーパーであって、キーパー・オリフィスを有するキーパー； 
（ｃ）  前記キーパーと前記エミッタアセンブリとの間に印加電界を生成するように構成された、電力供給部；および
（ｄ）  前記電力供給部、前記キーパーと前記エミッタアセンブリに電気的に関連した制御装置であって、前記制御装置は：
（ｉ）  前記エミッタアセンブリと前記キーパーとの間を流れる電子放出電流を開始するために、前記エミッタアセンブリと前記キーパーとの間にエミッター・キーパー電圧をかける；
（ｉｉ）  前記電子放出電流の値をモニタリングする；
（ｉｉｉ）前記電子放出電流をあらかじめ定められた電流値に維持するように、前記エミッター・キーパー電圧の値を調節する；および
（ｉｖ）  アノードからヒーターレスホローカソードまで電流が流れる主放電回路を始動させる； 
ように構成される、制御装置、
を含むヒーターレスホローカソード装置。
【請求項２】
前記エミッター・ホルダーおよび／または前記キーパーが耐熱金属を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記耐熱金属が、タングステン、モリブデン、およびタンタルからなる群から選択される材料を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記電子エミッターが、摂氏２０００度を上回る沸点を有する材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記電子エミッターが、六ホウ化ランタン、酸化物でドープしたタングステン、酸化バリウム、および酸化スカンジウムからなる群から選択される材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記エミッタアセンブリが、前記エミッター・ホルダーと機械的に通信しているエミッター・ベースをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記キーパーが厚さの変動を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記エミッター・キーパー電圧が少なくとも２００ボルトである、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記あらかじめ定められた電流値が少なくとも１００ミリアンペアである、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
ヒーターレスホローカソードを操作するための方法であって：
（ａ）  エミッタアセンブリ、キーパー、電力供給部、および前記電力供給部、前記キーパー、および前記エミッタアセンブリに電気的に関連した制御装置を提供する工程；
（ｂ）  前記エミッタアセンブリと前記キーパーとの間に流れる電子放出電力を開始するために、前記エミッタアセンブリと前記キーパーとの間にエミッター・キーパー電圧をかける工程；
（ｃ）  前記電子放出電流の値をモニタリングする工程；
（ｄ）  前記電子放出電流をあらかじめ定められた電流値に維持するように、前記エミッター・キーパー電圧の値を調節する工程；および
（ｅ）  アノードから前記ヒーターレスホローカソードまで電流が流れる主放電回路を始動させる工程、
を含む方法。
【請求項１１】
前記エミッター・キーパー電圧が少なくとも２００ボルトである、請求項１０に記載の方法
【請求項１２】
前記あらかじめ定められた電流値が少なくとも１００ミリアンペアである、請求項１０に記載の方法。
【国際調査報告】
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