The hollow cathode is an electron source with a large electron current density over 10 A/cmଶ in which the plasma is maintained by thermionic electron emission from the hollow insert. The hollow cathode not only initiates and maintains the Hall thruster plasma, but also keeps the electrical neutrality of the Hall thruster plume plasma. In this work, 1 A-class lanthanum hexaboride (LaB6) heaterless hollow cathode was developed for sub-kW class Hall thrusters. Heaterless cathode ignition was adopted for instant cathode ignition and compact cathode design. And LaB6 was used as an insert to lower the cathode operating temperature and for robustness to contaminations. Moreover, the cathode structure was built with titanium and tantalum to minimize heat loss through conduction while enduring extreme heat load at the orifice. Non-melting cathode design was derived through two design revisions through the cathode stand-alone experiment. In the same experimental setup, the lowest keeper power consumption was found when the insert inner diameter and keeper orifice diameter were 2.0 mm and 1.4 mm, respectively. Finally, the developed cathode design was verified in a coupling experiment with a 700 W class Hall thruster. As a result, it was confirmed that the developed cathode showed a performance comparable to the commercial cathode, and the possibility of keeper floating discharge was also confirmed in the developed cathode.
할로우 음극은 중공의 인서트 내부에서 발생한 열전자로 플라즈마를 유지하고 10 A/cm2 이상의 높은 전류밀도로 전자를 방출하는 전자공급원이다. 음극에서 방출된 전자는 홀추력기 플라즈마의 방전을 개시 및 지속시키며 홀추력기 플룸 플라즈마의 전기적 중성을 유지하는 역할을 한다. 본 연구에서는 sub-kW급 홀추력기 방전에 필요한 1 A급 할로우 음극을 개발하고자 한다. 음극의 소형화와 즉각적인 플라즈마 개시를 할 수 있는 냉음극 방식을 채택하였으며 일함수가 낮고 오염에 강건한 LaB6를 인서트로 사용하였다. 또한 티타늄과 탄탈럼으로 음극재료를 구성하여 전도에 의한 열손실을 최소화하고 음극에서 발생하는 열부하를 견디도록 하였다. 음극 단독 방전실험을 통해 두번의 설계 변경을 하여 녹지 않는 음극 설계를 도출하였다. 또한 동일한 실험 구성으로 인서트 내경과 키퍼 오리피스 구경에 대한 최적화를 진행하여 각각 2.0 mm, 1.4 mm 일 때 최소의 키퍼전력 소모를 확인하였다. 마지막으로 음극의 성능 검증을 위해 700 W급 홀추력기와 연동실험을 진행하였으며 실험결과 상용 음극에 준하는 성능을 확인하였고 개발된 음극의 키퍼 플로팅 운용 가능성 또한 확인하였다.
