(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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部側の内面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と当該絶縁体上に導体膜のパターンを形成してなる発熱部とを有し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設置されたホローカソード。 
【請求項２】
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の一端部側の内面に当接して配置され、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た円筒形状のセラミックと、当該円筒形状のセラミック外周面に抵抗値が負の温度特性を有する材料からなる導体膜のパターンを形成してなる発熱部とを有し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の発熱部は、上記中空電極に対向配置され、
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結合されたホローカソード。
【請求項３】
上記円筒形状ヒータは、中空陰極で少なくともプラズマが生成されるまでの間、定電流制御されることを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載のホローカソード。
【請求項４】
上記円筒形状ヒータは、導体パターンがグラファイトからなり、円筒形状のセラミックが窒化硼素からなる請求項２記載のホローカソード。
【請求項５】
上記中空陰極が含浸陰極であることを特徴とした請求項２記載のホローカソード。
【請求項６】
上記円筒形状ヒータの突縁部に設けられ、当該円筒形状ヒータに電力供給するヒータ電力導入端子と、
上記円筒形状ヒータの突縁部と上記カソードパイプの突縁部の間に挟まれた絶縁碍子と、
上記ヒータ電力導入端子と上記カソードパイプの突縁部の間に挟まれた端子用絶縁碍子と、
を更に備え、
上記絶縁碍子は高温で断熱特性を有し、上記端子用絶縁碍子は高温で電気的絶縁特性を有した請求項２記載のホローカソード。
【請求項７】
上記円筒形状ヒータの突縁部に設けられ、当該円筒形状ヒータに電力供給するヒータ電力導入端子と、
上記円筒形状ヒータの突縁部と上記カソードパイプの突縁部の間に挟まれた絶縁碍子と、
上記ヒータ電力導入端子と上記カソードパイプの突縁部の間に挟まれた端子用絶縁碍子と、
を更に備え、
上記絶縁碍子はジルコニアからなり、上記端子用絶縁碍子はアルミナからなる請求項２記載のホローカソード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
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）。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，８２９，９２０号公報（第３図）
【特許文献２】特許第３４４５５７８号公報（第３図）
【０００６】
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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【発明の効果】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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×Ｉ２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。
【００３８】
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Ｖ２／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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】カソードパイプを説明する断面図である。
【図４】円筒形状ヒータを説明する外観図である。
【図５】円筒形状ヒータを説明する断面図である。
【図６】ヒータパターンを説明する展開図である。
【図７】断熱シールドを説明する断面図である。
【図８】断熱シールドの分解図である。
【符号の説明】
【００４６】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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