JP2005251502A - Electric field electron emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、複数のビームを収束させて強度の大きなビームを発生させることにより、プラスチック等の表面改質、乾式クリーニング、乾式殺菌、X線源、及び分析用電子源等として利用することができる電界電子放出装置に関する。 The present invention can be used as a surface modification of plastics, dry cleaning, dry sterilization, an X-ray source, an electron source for analysis, and the like by generating a high intensity beam by converging a plurality of beams. The present invention relates to a field electron emission device.
近時、炭素系材料、特にカーボン・ナノチューブ(CNT)及び類似物質の創製が急速に進み、CNTからは高効率(低電界)で真空中に電子が放出されることが見出され、このため、CNTが電子源として応用され、例えば電子電界放出型の平面パネルディスプレー等が開発されている。最近の研究では、カーボン・ナノチューブだけでなく、殆どの炭素系材料は金属と比較して低電界で電子放出が可能であることが判明している。 Recently, the creation of carbon-based materials, especially carbon nanotubes (CNT) and similar substances, has been rapidly progressing, and it has been found that electrons are emitted from CNTs in vacuum with high efficiency (low electric field). CNT is applied as an electron source, for example, an electron field emission type flat panel display has been developed. Recent research has shown that not only carbon nanotubes, but most carbon-based materials can emit electrons at a lower electric field than metals.
しかしながら、放出電子による電流値を高めるためには、炭素系材料に10kV程度の高電圧を印加する必要があり、CNTのような繊細な材料では、高電流及び残留ガスイオンの衝突によるダメージ等により、その構造が一瞬にして破壊され、電子放出効率も一挙に低下するという問題点がある。従って、その用途は比較的低電圧及び低電流における電子放出に限定されている。 However, in order to increase the current value due to the emitted electrons, it is necessary to apply a high voltage of about 10 kV to the carbon-based material. In a delicate material such as CNT, due to damage due to the collision of the high current and residual gas ions, etc. The structure is destroyed in an instant, and the electron emission efficiency is reduced at a stroke. Therefore, its application is limited to electron emission at relatively low voltage and current.
図4は、従来の冷陰極を含む電子放出素子を示す図(特許文献1、図5、段落0023〜0024)である。この冷陰極として、カーボン・ナノチューブを使用できることがこの特許文献1に記載されている。図4において、この電界電子放出素子の陰極アッセンブリ24は、湾曲面21と電子を放出して電子ビーム22を発生する冷陰極23とを含み、冷陰極23から放出され、収束した電子ビーム22は陽極アッセンブリ26の標的域25に照射される。
FIG. 4 is a view showing an electron-emitting device including a conventional cold cathode (
しかしながら、この従来技術は、保持具の湾曲した表面に、微細加工を用いて、ゲート電極を一体化した電子放出素子を高密度(109素子/cm2)に配列し、形成したものである。このように、湾曲表面に、微細加工を施すことは実際上極めて困難である。特に、この従来技術においては、高電流の電子ビームを発生させることが困難である。また、この従来技術においては、例えば109素子中の1素子でも不良であれば、システム全体が使用できなくなるため、歩留まりが極めて低下し、製造コストが高いという問題点がある。 However, in this prior art, electron-emitting devices in which gate electrodes are integrated are arranged at a high density (10 9 elements / cm 2 ) on a curved surface of a holder using fine processing. . As described above, it is actually very difficult to finely process the curved surface. In particular, in this prior art, it is difficult to generate a high current electron beam. Further, this conventional art, if the failure in 1 element, for example, 10 9 in the device, since the entire system unusable, yield is extremely lowered, there is a problem of high manufacturing cost.
一方、カーボン・ナノチューブとは異なり、ダイヤモンドは物質中で最も硬い材料であるために、上記のイオン・ダメージの影響が極めて小さい。また、ダイヤモンドは耐熱性に優れており、室温付近の熱伝導率も物質中で最大であるため、熱による影響を受けない。更に、ダイヤモンドには、負の電子親和力(NEA)という他の半導体材料には見られない重要な特性がある。この特性により、ダイヤモンドが5.5eVという広いバンドギャップ(価電子帯と電導帯のエネルギー差)に起因し、電子が一旦電導帯に励起又は注入されると、自発的にダイヤモンド外の真空中に放出されることになる。現時点では、電導帯に電子を注入することは容易ではないが、将来はそのような技術が開発されると考えられる。なお、NEA特性を使わなくとも、ダイヤモンドは炭素系材料であり、他の炭素系材料と同じく低電界で電子電界放出できることはいうまでもない。 On the other hand, unlike carbon nanotubes, diamond is the hardest material in the material, so the influence of the ion damage is extremely small. Further, diamond is excellent in heat resistance and has the highest thermal conductivity in the vicinity of room temperature, so that it is not affected by heat. In addition, diamond has an important characteristic of negative electron affinity (NEA) not found in other semiconductor materials. Due to this characteristic, diamond is caused by a wide band gap of 5.5 eV (energy difference between the valence band and the conduction band), and once electrons are excited or injected into the conduction band, they spontaneously enter the vacuum outside the diamond. Will be released. At present, it is not easy to inject electrons into the conduction band, but it is thought that such technology will be developed in the future. Needless to say, even if the NEA characteristic is not used, diamond is a carbon-based material and can emit an electron field with a low electric field as in other carbon-based materials.
また、ダイヤモンドは化学気相蒸着(CVD)法で基板上にコーティングすることが可能であり、マイクロ波CVD法では約6インチ径、熱フィラメントCVD法では60cm×40cm程度の広域面積へのコーティングが達成されている。更に、ダイヤモンド自体は高抵抗の電気的絶縁体であるが、ホウ素(B)をドーピングすることにより、p型半導体や金属的特性を有すること、及びリン(P)をドーピングすればn型半導体となることが知られている。 Further, diamond can be coated on a substrate by chemical vapor deposition (CVD), and it can be applied to a wide area of about 6 inches in diameter by microwave CVD and about 60 cm × 40 cm in hot filament CVD. Has been achieved. Further, although diamond itself is a high-resistance electrical insulator, it has p-type semiconductor or metallic properties by doping boron (B), and n-type semiconductor if doped with phosphorus (P). It is known to be.
このように、ダイヤモンド(膜)は電子電界放出材として最適の材料であると考えられる。なお、電子源として現在も熱フィラメント方式が採用されているが、この方式では消費した電流のわずか数%しか放出されず、ほとんどの電流は熱フィラメントを高温に保つことに使われている。従って、熱フィラメント方式では、電子放出効率が低いばかりでなく、フィラメント寿命が短く、装置に冷却設備を付加する必要があるなど、技術的及び製造コスト上の問題点がある。一方、ダイヤモンドは冷陰極としての発熱も少なく、消費電流の殆どが電子放出されるので、熱フィラメント方式における上記問題は全て回避できる。 Thus, diamond (film) is considered to be an optimum material as an electron field emission material. Although the hot filament method is still used as an electron source, only a few percent of the consumed current is emitted in this method, and most of the current is used to keep the hot filament at a high temperature. Therefore, the hot filament system has technical and manufacturing cost problems such as not only low electron emission efficiency but also short filament life and the necessity of adding cooling equipment to the apparatus. On the other hand, diamond generates little heat as a cold cathode, and most of the current consumption is emitted by electrons, so that all the above problems in the hot filament system can be avoided.
しかしながら、ダイヤモンドを使用した電界電子放出装置は未だ開発されておらず、その実用化の提案もない。 However, a field electron emission device using diamond has not been developed yet, and there is no proposal for its practical use.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、冷陰極がダイヤモンドで構成され、微細加工を必要とせず、構造が簡単で、装置組み立て後であっても、個々の電子放出ユニットの微調整及び再生が可能である電界電子放出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and the cold cathode is made of diamond, does not require microfabrication, has a simple structure, and can be used for individual electron emission units even after assembly. An object of the present invention is to provide a field electron emission device capable of fine adjustment and reproduction.
本願第1発明に係る電界電子放出装置は、湾曲面を有する絶縁性の保持具と、前記湾曲面上に配置された複数個の電子放出ユニットとを有し、前記各電子放出ユニットは、ダイヤモンド冷陰極と、この冷陰極に対してギャップをおいて配置された電子引き出し用のグリッド電極とを有し、前記各電子放出ユニットから放出された各電子ビームが1点に集中するように、前記各電子放出ユニットが前記保持具の前記湾曲面上に配置されていることを特徴とする。 The field electron emission device according to the first invention of the present application includes an insulating holder having a curved surface, and a plurality of electron emission units arranged on the curved surface. A cold cathode and a grid electrode for electron extraction arranged with a gap with respect to the cold cathode, and the electron beams emitted from the electron emission units are concentrated at one point. Each electron emission unit is disposed on the curved surface of the holder.
本願第2発明に係る電界電子放出装置は、絶縁性の保持具と、この保持具に支持された複数個の電子放出ユニットとを有し、前記各電子放出ユニットは、ダイヤモンド冷陰極と、この冷陰極に対してギャップをおいて配置された電子引き出し用のグリッド電極とを有し、前記各電子放出ユニットから放出された各電子ビームが1点に集中するように、前記各電子放出ユニットが前記保持具に配置されていることを特徴とする。 A field electron emission device according to the second invention of the present application includes an insulating holder and a plurality of electron emission units supported by the holder, and each of the electron emission units includes a diamond cold cathode, Each electron emission unit has a grid electrode for electron extraction disposed with a gap with respect to the cold cathode, and each electron emission unit emitted from each electron emission unit is concentrated at one point. It is arrange | positioned at the said holder.
この電界電子放出装置において、前記各電子ビームの集中点に配置され、各電子ビームをまとめて一方向に向かわせることにより平行電子ビームを生成する電子ビーム収束ユニットを設けることができる。 In this field electron emission device, an electron beam converging unit can be provided that is arranged at a concentration point of each electron beam and generates a parallel electron beam by directing each electron beam in one direction.
また、前記各電子放出ユニットの前記冷陰極及び前記グリッド電極の電位は、電子放出ユニット毎に独立して制御できるようにすることが好ましい。 In addition, it is preferable that the potential of the cold cathode and the grid electrode of each electron emission unit can be controlled independently for each electron emission unit.
更に、前記各冷陰極は、金属製の筒状の隔壁により電磁的に隔離されていることが好ましい。 Further, each cold cathode is preferably electromagnetically isolated by a metallic cylindrical partition wall.
本願の第1発明及び第2発明に係る電界電子放出装置によれば、構造が簡単で、製作性及びメンテナンス性が向上し、しかも、各電子放出ユニットの負荷をそれほど増大させることなく、各ユニットから放出されるビームを収束させて高強度の電子ビームを得ることができる。 According to the field electron emission devices according to the first and second inventions of the present application, the structure is simple, the manufacturability and maintainability are improved, and each unit is increased without increasing the load of each electron emission unit so much. It is possible to obtain a high-intensity electron beam by converging the beam emitted from.
また、各電子ビームの集中点に電子ビーム収束ユニットを設けることにより、各電子ビームをまとめて一方向に向かわせることにより平行電子ビームを生成することができ、高強度の平行電子ビームとして取り出すことができる。 Also, by providing an electron beam converging unit at the concentration point of each electron beam, a parallel electron beam can be generated by directing each electron beam in one direction and extracted as a high-intensity parallel electron beam. Can do.
更に、各電子放出ユニットの冷陰極及びグリッド電極の電位を、電子放出ユニット毎に独立して制御できるようにすることにより、上記効果に加え、更に、個々の電子放出ユニットの動作不良が生じても微調整、修理及び交換により容易に対応することができるという効果を奏する。 Furthermore, by allowing the potential of the cold cathode and grid electrode of each electron emission unit to be controlled independently for each electron emission unit, in addition to the above effects, further malfunctions of the individual electron emission units occur. Also, there is an effect that it can be easily handled by fine adjustment, repair and replacement.
更にまた、各冷陰極を、金属製の筒状の隔壁により電磁的に隔離することにより、上記効果に加え、隣接する電子放出ユニット相互間の電場をシールし、電子ビームの直線性を高めることができる。 Furthermore, each cold cathode is electromagnetically isolated by a metallic cylindrical partition wall, in addition to the above effect, the electric field between adjacent electron emission units is sealed, and the linearity of the electron beam is improved. Can do.
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。図1及び図2は、本発明の第1実施形態に係る電界電子放出装置を示す図であって、図1は、その電子放出ユニットを示す図、図2は電界電子放出装置の全体を示す図である。図2に示すように、絶縁性の保持具1は、湾曲した表面1aを有し、この湾曲面1a上に、複数個の電子放出ユニット2が配置されている。この電子放出ユニット2においては、図1に示すように、導電性の冷陰極支持台8が保持具1の湾曲表面(図1においては平面で近似)上に配置されており、この支持台8上にダイヤモンド製の平面状の冷陰極9が固定されている。支持台8は、保持具1の内部に設けられた冷陰極用配線12に接続されており、この配線12を介して、支持台8上の冷陰極9が給電されて、駆動される。また、この冷陰極9を取り囲むようにして、筒状の金属製隔壁11が保持具1上に立設されており、この隔壁11に接続され、支持された隔壁10が、冷陰極9の表面に平行で、この冷陰極9の表面から適宜のギャップをおいて配置されている。この隔壁11は保持具1の内部に設けられたグリッド電極用配線13に接続されている。これにより、グリッド電極10及び金属隔壁11には配線13を介してグリッド電圧が与えられる。この配線13を介するグリッド電圧の印加及び配線12を介する冷陰極9の電圧印加は、各電子放出ユニット2毎に独立して制御することができる。また、冷陰極9が冷陰極9と同電位の隔壁11により囲まれているので、冷陰極9は隣接する冷陰極(図示せず)からの電場が隔壁11によりシールされている。なお、ダイヤモンド冷陰極9又は冷陰極支持台8との間の放電を防止するためには、金属隔壁11の内面に、石英等の絶縁材を配置することが好ましい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. 1 and 2 are diagrams showing a field electron emission device according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1 shows the electron emission unit, and FIG. 2 shows the whole field electron emission device. FIG. As shown in FIG. 2, the
本実施形態においては、図2に示すように、保持具1の湾曲面1aが球面であり、その断面が円弧状をなす。各電子放出ユニット2のダイヤモンド冷陰極9は、その表面に垂直な線分が湾曲面1aの円弧により構成される円の中心を通るように、湾曲面1a上に配置されている。このため、各電子放出ユニット2の冷陰極9から放出された電子ビーム3は前記円の中心に向けて進行し、従って、各電子ビーム3がこの円の中心である電子ビーム収束点4に集中する。そして、この電子ビーム収束点4には、電子ビーム収束ユニット5が設けられており、この電子ビーム収束ユニット5により、収束点4に収束した電子ビーム3の軌道を保持具1に垂直の方向(一方向)に曲げ、全ての電子ビーム3が収束した平行電子ビーム6を得ることができる。この電子ビーム収束ユニット4は、例えば、磁場で電子ビーム軌道を曲げるものであるが、電子ビーム収束ユニット4の構成はこれに限らず、電場で電子ビーム軌道を曲げるもの等、種々の原理の装置を使用することができる。しかし、電子ビーム軌道を急に曲げるものではなく、徐々に電子ビーム軌道を曲げるものであることが好ましい。また、配線12,13は制御装置(図示せず)に接続されており、冷陰極9とグリッド電極10との間に、冷陰極9が負電位となる電位を付与する。これにより、冷陰極9から電子が放出され、グリッド電極10により加速された電子ビーム3が生成される。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the curved surface 1 a of the
なお、図2においては図示されていないが、本実施形態の電界電子放出装置の保持具1及び電子放出ユニット2及び電子ビーム収束ユニット5は、真空容器内に収納されており、制御装置は真空容器外に設けられている。また、真空容器にベリリウム(Be)等の窓を設けることにより、平行電子ビーム6をこの窓を介して、大気中に取り出すことができる。
Although not shown in FIG. 2, the
上述の如く構成された本実施形態の電界電子放出装置においては、各電子放出ユニット2の冷陰極9に負電圧を印加すると、ダイヤモンド冷陰極9から冷陰極9の表面に垂直に電子ビーム3が発生し、この電子ビーム3は電子ビーム収束点4に向う。そして各電子ビーム3は電子ビーム収束ユニット5により電子ビームの軌道が一方向に揃えられて、強度が高い平行電子ビーム6が生成される。
In the field electron emission device of the present embodiment configured as described above, when a negative voltage is applied to the cold cathode 9 of each
本実施形態によれば、各電子放出ユニット2が、電子ビーム収束点4を向くように保持具1の湾曲した表面に沿って多数配置されているとともに、電子ビーム収束点4に電子ビーム収束ユニット5を配置したことにより、各電子放出ユニット2で発生したビームを収束点4に集中的に収束させ、電場又は磁場で軌道を揃えて高強度の平行電子ビーム6を取り出すことができる。
According to the present embodiment, a large number of each
本実施形態において、各電子放出ユニットは、電気的に独立に制御できるように構成されている。これにより、各電子放出ユニット間の電圧及び電流のばらつきを抑制することができる。また、時間的なビーム強度を調整し易くなり、その精度が高くなる。また、各電子放出ユニットを独立制御とすることにより、各ユニットのビーム強度を個別に設定することができるので、運転中に一のユニットのみがショート等しても、個別に対応して他のユニットの強度を高めることにより十分対応することができ、メンテナンス性が著しく向上する。 In the present embodiment, each electron emission unit is configured to be electrically controlled independently. Thereby, the dispersion | variation in the voltage and electric current between each electron emission unit can be suppressed. In addition, it is easy to adjust the temporal beam intensity, and the accuracy is increased. In addition, by independently controlling each electron emission unit, the beam intensity of each unit can be set individually. Therefore, even if only one unit is short-circuited during operation, other units can be handled individually. By increasing the strength of the unit, it is possible to cope with it sufficiently, and the maintainability is remarkably improved.
本実施形態において、ダイヤモンド冷陰極9は平面状であったが、本発明はこれに限らず、球面状、凸面状、一部に曲面を有する形状等、種々の形状のダイヤモンド冷陰極を使用することができる。なお、グリッド電極10は正・負又はアース電極に可変でき、ダイヤモンド冷陰極9からの電子の放出を制御するものである。
In the present embodiment, the diamond cold cathode 9 has a planar shape, but the present invention is not limited to this, and diamond cold cathodes having various shapes such as a spherical shape, a convex shape, and a shape having a curved surface in part are used. be able to. The
次に、本発明の第2実施形態について図3を参照して説明する。本実施形態は、本発明をX線発生用の電子源として適用したものである。図3において、図2の実施形態と異なる点は、電子ビーム収束点4に電子ビーム収束ユニット5の代わりに、水冷銅(Cu)等のターゲット7を配置した点である。このような構成において、収束点4に収束した電子ビーム3はCuターゲット7に衝突する。これにより、ターゲット7から幅広のX線14が放射される。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the present invention is applied as an electron source for X-ray generation. 3 is different from the embodiment of FIG. 2 in that a target 7 such as water-cooled copper (Cu) is arranged at the electron
なお、図2及び図3に示す実施形態においては、保持具1の湾曲面1aが球面の凹面であったが本発明は、これに限定されるものではない。保持具の形状としては、図2又は図3のような球凹面の他、一方向のみに凹面が伸びる円柱状の凹面で横断面が湾曲し、縦断面が長方形状の構造であってもよい。この場合、電子ビームが1領域ではなく、線上の領域に照射されることになり、被照射材を移動することにより、幅広材の処理がオンラインでできる。また、保持具は、その電子放出ユニット2を設置する面が電子ビーム3を1点(収束点4)に導くことができるものであれば良く、保持具自体の形状は特に限定されず、目的、装置等によって自由に選択される。従って、電子放出ユニット2を収束点4に向けて配置できれば、湾曲面ではなく平面であっても良い。
In the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, the curved surface 1a of the
湾曲面の場合であっても、湾曲面における電子放出ユニットの配置方法は、特に限定されるものではなく、ビームを収束することができる配置であればよい。電子放出ユニットの配置方法は、例えば、蜂の巣状、六角形状、その他様々な形態とすることができる。 Even in the case of a curved surface, the arrangement method of the electron emission units on the curved surface is not particularly limited as long as the beam can be converged. For example, the electron emission unit may be arranged in a honeycomb shape, a hexagonal shape, or other various forms.
次に、本発明の実施例について説明する。表面に半径20cmの球状凹面を有するアルミナ材を保持具1とし、該保持具1の凹面を球面の1/4(1256cm2)とし、これに、500個の電子放出ユニット2に対応するダイヤモンド冷陰極用配線12およびグッリド電極用配線13を貫通させる孔を開け、該ダイヤモンド冷陰極用配線12およびグッリド電極用配線13を貫通させる孔に対応して、直径1cmのダイヤモンド冷陰極9を多数配置し、各ダイヤモンド冷陰極9を、あらかじめグリッド電極10を取り付けた金属筒状隔壁11でそれぞれ隔離し、前記ダイヤモンド冷陰極9にダイヤモンド冷陰極用配線12を接続するとともに、前記金属筒状隔壁11にグリッド電極用配線13を接続して電界電子放出装置を形成した。また、金属筒状隔壁11の内側に、例えば厚さ0.5mmの石英管を取り付け、ダイヤモンド冷陰極9とグリッド電極10との間隔は1mmとし、球状凹面の中心部に電子ビーム収束ユニット5を取り付けた。
Next, examples of the present invention will be described. The alumina material having a spherical concave surface with a radius of 20 cm on the surface is used as the
このような構成の電界電子放出装置において、グリッド電極用配線13をアース電位とし、ダイヤモンド冷陰極用配線12に−7kVの電圧を印加したところ、球面の中心部に約50mAの電流(電子流)が得られた。すなわち、平均して各電子放出ユニット2から0.1mAの電流が放出されたことになる。単一のダイヤモンド冷陰極から50mAの電子放出を得ることは容易ではないが、本実施例では、各電子放出ユニット2に大きな負荷をかけることなく、強い電子ビームが得られたことになる。
In the field electron emission device having such a configuration, when the grid electrode wiring 13 is set to the ground potential and a voltage of -7 kV is applied to the diamond
本発明の電界電子放出装置は、構造が簡単で、各電子放出ユニットからの放出電流を極限まで増大させるという危険をおかすことなく、ビームを収束させて強度の大きな電子ビームを得ることができる。従って、本発明システムは、例えば、プラスチック等の表面改質、乾式クリーニング、乾式殺菌、X線源、及び分析用電子源として利用できる有用な技術である。 The field electron emission device of the present invention has a simple structure, and can converge a beam to obtain an electron beam having a high intensity without increasing the risk of increasing the emission current from each electron emission unit to the limit. Therefore, the system of the present invention is a useful technique that can be used as, for example, surface modification of plastics, dry cleaning, dry sterilization, an X-ray source, and an electron source for analysis.
1:保持具
1a:湾曲面
2:電子放出ユニット
3:電子ビーム
4:電子ビーム収束点
5:電子ビーム収束ユニット
6:平行電子ビーム
7:ターゲット
8:冷陰極支持台
9:ダイヤモンド冷陰極
10:グリッド電極
11:金属隔壁
12:ダイヤモンド冷陰極用配線
13:グリッド電極用配線
14:X線
21:湾曲面
22:電子ビーム
23:冷陰極
24:陰極アッセンブリ
25:標的域
26:陽極アッセンブリ
1: holder 1a: curved surface 2: electron emission unit 3: electron beam 4: electron beam converging point 5: electron beam converging unit 6: parallel electron beam 7: target 8: cold cathode support 9: diamond cold cathode 10: Grid electrode 11: Metal partition 12: Diamond cold cathode wiring 13: Grid electrode wiring 14: X-ray 21: Curved surface 22: Electron beam 23: Cold cathode 24: Cathode assembly 25: Target area 26: Anode assembly
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