JP2747288B2 - 熱陰極構造体 - Google Patents
熱陰極構造体Info
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- heating element
- cathode structure
- insulator
- metal
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Description
【発明の詳細な説明】
＜産業上の利用分野＞
この発明は各種イオン源、三極スパツタリング装置な
どの熱電子源として用いられる熱陰極構造体に関する。 ＜従来の技術とその問題点＞ イオンビーム応用技術は半導体製造工程や材料の表面
改質の研究等に使用されており、熱陰極を有する電子衝
撃型のイオン源が広く用いらている。熱陰極を構成する
発熱体の材料としては通常Ｗ、Ta、Re等が用いられてい
るが、イオンビームの大電流化および熱陰極の長寿命化
のため導電性のセラミツクスを用いることが検討されて
いる。例えば、カスプ型H-イオン源の発熱体をＷからLa
B6に代替することによつて長寿命化に成功している（参
考文献:A.Takagi et al.,“Multicusp H- ion source a
t KEK（II）”、Proc,9th symp.on ISIAT′85、109（19
85））。 導電性セラミツクスは熱電子放射特性が優れており、
発熱体材料としては従来使用されているタングステン、
タンタル、レニウムなどに比べ低い温度で使用できる。
しかしながら、熱陰極はプラズマ中で使用されるため、
熱陰極を構成している金属材料がプラズマ中のイオンに
よつてスパツタリングされ、発熱体の表面に金属が蒸着
して発熱体の熱電子放出特性が劣化したり、熱陰極を構
成している絶縁体部品（端子台、碍子、スペーサーな
ど）に金属が蒸着して絶縁材料の絶縁性が低下したり、
短絡が生ずるという問題があつた。 前者の問題に対しては従来はとくに対応策がなく、熱
陰極を取替える外なかつた。後者の問題に対しては従来
は両端子の間隔を広げたり、端子間の絶縁体の表面に凹
凸を形成させるていどの対策しかなく、これらの方法は
絶縁体部品を小型化する上で支障があつた。 この発明は使用中にスパツタリングの影響を受けるこ
となく、長時間安定に使用できる熱陰極構造体を提供す
ることを目的とする。 ＜問題点を解決するための手段＞ この発明は導電性セラミツクスを発熱体とし、しかも
熱電子放出体とする熱陰極構造体において、該導電性セ
ラミツクスの端子部の周囲に絶縁体からなる覆いを設け
たことを特徴とする熱陰極構造体である。 以下この発明について詳細に説明する。この発明にお
いて導電性セラミツクスとは第１にはアルカリ土類金属
および原子番号57から71までのランタン系元素の中から
選ばれた少なくとも１種以上の元素の６ホウ化物の焼結
体、第２には、Ti、Zr、およびTaの中から選ばれた少な
くとも１種以上の２ホウ化物の焼結体、第３にはTi、Z
r、Hf、Ｖ、NbおよびTaの中から選ばれた少なくとも１
種以上の炭化物または窒化物、第４にはこの炭素質材料
である。 この発明において端子部とは発熱体へ通電するための
発熱体の２つの端子を中心とする絶縁体部品を含む部位
である。具体的には、発熱体の端部から給電端子にいた
る部位であり、より具体的には、発熱体の二つの端部の
少なくとも一部、該端部に電気的、機械的に固定された
金属部品や絶縁体部、それらの接合用ネジ、給電端子の
少なくとも一部から構成される部位である。絶縁体部品
の表面に金属が蒸着して端子間が短絡することを防ぐた
めに、熱陰極を構成する絶縁体部品を完全に覆うことが
好ましい。 また、金属が発熱体上に蒸着して発熱体の熱電子放出
特性が劣化することを防ぐために、熱陰極を構成する金
属部分のすべてを覆うことが好ましい。しかし、発熱体
近傍の金属部品の一部分を覆つただけでも、発熱体表面
へ蒸着する金属の量がかなり少なくなるので、発熱体の
熱放出特性の劣化を防ぐ効果がある。覆いは端子部の回
りを囲むものであればよく、その外径は角形、円筒形を
問わない。絶縁体はアルミナ、窒化ほう素、窒化アルミ
ニウム、シリカ形セラミツクス、マイカ形セラミツクス
等のセラミツクスが耐熱性の点で好ましい。 この発明の熱陰極構造体は、カウフマン（Kaufman）
型、カルトロン型（Calutron）型、多極磁界型（バケツ
ト型）等の熱電子衝撃型イオン源のほかニールセン（Ni
elsen）型、スカンジナビアン（Scandinavian）型等の
電子振動型イオン源、ビームプラズマ型イオン源、ヒル
・アンド・ネルソン（Hill and Nelson）型等のスパツ
タイオン源、PIG型イオン源、モノプラズマトロン、デ
ユオプラズマトロン、デユオピガトロン等の各種イオン
源、三極スパツタリング装置、電子ビーム溶接装置、電
子ビーム溶解装置、電子ビーム露光装置、電子顕微鏡、
陰極線管に用いる熱陰極として適している。 ＜実施例＞ 以下、実施例によりこの発明を具体的に説明する。 実施例１ 気孔率約10％のLaB6焼結体をワイヤーカツト放電加工
法により外径10mm、内径7mm、高さ27.5mmの管状体と
し、ついで２本の並行らせん巻き構造に加工することに
よつて第２図に示す発熱体を製作した。発熱体の２本の
らせん1A,1Bの一方の端部2A,2Bは結合部３により電気的
に接続させてあり、もう一方の端部4A,4Bを通電のため
の端子とした。 第３図に示すとおり、端部4A,4Bに通電のためにタン
タル製の金属片5A,5Bを取付けた。端部への金属片の取
付けに当つては、端部4A,4Bの内側に絶縁体製の絶縁体
部品６を挿入し、金属片5A,5B、端部4A,4Bおよび絶縁体
部品６を貫通させてステンレス製ボルト７を通し、ステ
ンレス製ナツト８で締付け固定した。ボルトおよびナツ
トが金属片5A,5Bや端部4A,4Bに触れないようにアルミナ
製の碍子9A,9Bを使用した。 つぎに、窒化ほう素の焼結体を切削加工することによ
り第４図に示す覆いの上部と第５図に示す覆いの下部を
作製し、これらの覆いを第１図に示すとおり発熱体の端
子部に取付けた。 得られた熱陰極構造体をカスプ型イオン源装置に組み
込み真空度５×10-5Torrのアルゴン雰囲気下、アーク電
流7A,アーク電圧60Vで連続81時間の放電試験を行なつ
た。その結果、熱陰極の端子間に短絡が生ずることがな
く、また熱陰極の加熱電流は39〜42Aの範囲で安定して
いた。 実施例２ まず、実施例１と同じ発熱体を製作した。つぎに第６
図〜第８図に示すとおり、モリブデン製の金属片5A,5B
にタンタル製の給電端子12A,12Bをステンレス製のネジ1
4A,14Bにより取付けた。２個の金属片5A,5B間に窒化ほ
う素製の絶縁体部品６を挿入し、アルミナ製の碍子9A,9
Bにより絶縁してステンレス製のボルト７およびステン
レス製のナツト８により固定した。ついで窒化ほう素製
の覆い11を金属片5A,5Bの上部からはめ込み、さらに金
属片5A,5Bの上部に発熱体をさし込み、発熱体の端部4A,
4Bをモリブデン製のネジ13A,13Bによつて、金属片5A,5B
に固定した。 得られた熱陰極構造体をカスプ型イオン源装置に組込
み、真空度５×10-5Torrのアルゴン雰囲気下、アーク電
流7A、アーク電圧60Vで連続100時間の放電試験を行なつ
た。その結果、熱陰極の端子間に短絡が生ずることがな
く、また熱陰極の加熱電流は39〜41Aの範囲で安定して
いた。 比較例 比較のための実施例２の覆い11を取りはずし、実施例
２と同じ条件で放電試験をおこなつた。 その結果、アーク電圧が徐々に変動するようになり、
放電が不安定になつた。また、熱陰極の加熱電流が徐々
に上昇し、6.5時間経過後に発熱体の端子間が短絡し、
放電が維持できなくなつた。熱陰極構造体を分解して観
察したところ、碍子9A,9B及び絶縁体部品６の表面が銀
色に変色しており、この部分で短絡していることがわか
つた。変色部分をEPMAにより分析をおこなつたところ多
量のモリブデンおよびタンタルが検出され、金属片5A,5
Bと給電端子12A,12Bがスパツタリングされ碍子および絶
縁体上に蒸着していることを確認した。 実施例３ まず、実施例１と同じ発熱体を製作した。第９図〜第
11図に示すとおり、モリブデン製の金属片5A,5Bにおの
おのタンタル製の給電端子12A,12Bをステンレス製のネ
ジ14A,14Bにより取付け、つぎに円筒形の窒化けい素製
の覆い10をステンレス製のネジ15A,15Bにより固定し
た。 ついで、発熱体の端部4A,4Bを金属片5A,5Bにモリブデ
ン製のネジ13A,13Bにより固定した。 この熱陰極構造体をカスプ型イオン源装置に組込んで
実施例２と同じ条件で連続100時間の放電試験をおこな
つたところ、試験中に端子間の短絡が生ずることなく、
また熱陰極加熱電流は39〜42Aの範囲で安定していた。 ＜発明の効果＞ この発明の熱陰極構造体は使用中に発熱体の表面にス
パツタリング金属の蒸着を受けることがなく、発熱体の
特性劣化がない。また、絶縁体部品の表面に金属が蒸着
することもなくなり、端子間の短絡のおそれがない。
どの熱電子源として用いられる熱陰極構造体に関する。 ＜従来の技術とその問題点＞ イオンビーム応用技術は半導体製造工程や材料の表面
改質の研究等に使用されており、熱陰極を有する電子衝
撃型のイオン源が広く用いらている。熱陰極を構成する
発熱体の材料としては通常Ｗ、Ta、Re等が用いられてい
るが、イオンビームの大電流化および熱陰極の長寿命化
のため導電性のセラミツクスを用いることが検討されて
いる。例えば、カスプ型H-イオン源の発熱体をＷからLa
B6に代替することによつて長寿命化に成功している（参
考文献:A.Takagi et al.,“Multicusp H- ion source a
t KEK（II）”、Proc,9th symp.on ISIAT′85、109（19
85））。 導電性セラミツクスは熱電子放射特性が優れており、
発熱体材料としては従来使用されているタングステン、
タンタル、レニウムなどに比べ低い温度で使用できる。
しかしながら、熱陰極はプラズマ中で使用されるため、
熱陰極を構成している金属材料がプラズマ中のイオンに
よつてスパツタリングされ、発熱体の表面に金属が蒸着
して発熱体の熱電子放出特性が劣化したり、熱陰極を構
成している絶縁体部品（端子台、碍子、スペーサーな
ど）に金属が蒸着して絶縁材料の絶縁性が低下したり、
短絡が生ずるという問題があつた。 前者の問題に対しては従来はとくに対応策がなく、熱
陰極を取替える外なかつた。後者の問題に対しては従来
は両端子の間隔を広げたり、端子間の絶縁体の表面に凹
凸を形成させるていどの対策しかなく、これらの方法は
絶縁体部品を小型化する上で支障があつた。 この発明は使用中にスパツタリングの影響を受けるこ
となく、長時間安定に使用できる熱陰極構造体を提供す
ることを目的とする。 ＜問題点を解決するための手段＞ この発明は導電性セラミツクスを発熱体とし、しかも
熱電子放出体とする熱陰極構造体において、該導電性セ
ラミツクスの端子部の周囲に絶縁体からなる覆いを設け
たことを特徴とする熱陰極構造体である。 以下この発明について詳細に説明する。この発明にお
いて導電性セラミツクスとは第１にはアルカリ土類金属
および原子番号57から71までのランタン系元素の中から
選ばれた少なくとも１種以上の元素の６ホウ化物の焼結
体、第２には、Ti、Zr、およびTaの中から選ばれた少な
くとも１種以上の２ホウ化物の焼結体、第３にはTi、Z
r、Hf、Ｖ、NbおよびTaの中から選ばれた少なくとも１
種以上の炭化物または窒化物、第４にはこの炭素質材料
である。 この発明において端子部とは発熱体へ通電するための
発熱体の２つの端子を中心とする絶縁体部品を含む部位
である。具体的には、発熱体の端部から給電端子にいた
る部位であり、より具体的には、発熱体の二つの端部の
少なくとも一部、該端部に電気的、機械的に固定された
金属部品や絶縁体部、それらの接合用ネジ、給電端子の
少なくとも一部から構成される部位である。絶縁体部品
の表面に金属が蒸着して端子間が短絡することを防ぐた
めに、熱陰極を構成する絶縁体部品を完全に覆うことが
好ましい。 また、金属が発熱体上に蒸着して発熱体の熱電子放出
特性が劣化することを防ぐために、熱陰極を構成する金
属部分のすべてを覆うことが好ましい。しかし、発熱体
近傍の金属部品の一部分を覆つただけでも、発熱体表面
へ蒸着する金属の量がかなり少なくなるので、発熱体の
熱放出特性の劣化を防ぐ効果がある。覆いは端子部の回
りを囲むものであればよく、その外径は角形、円筒形を
問わない。絶縁体はアルミナ、窒化ほう素、窒化アルミ
ニウム、シリカ形セラミツクス、マイカ形セラミツクス
等のセラミツクスが耐熱性の点で好ましい。 この発明の熱陰極構造体は、カウフマン（Kaufman）
型、カルトロン型（Calutron）型、多極磁界型（バケツ
ト型）等の熱電子衝撃型イオン源のほかニールセン（Ni
elsen）型、スカンジナビアン（Scandinavian）型等の
電子振動型イオン源、ビームプラズマ型イオン源、ヒル
・アンド・ネルソン（Hill and Nelson）型等のスパツ
タイオン源、PIG型イオン源、モノプラズマトロン、デ
ユオプラズマトロン、デユオピガトロン等の各種イオン
源、三極スパツタリング装置、電子ビーム溶接装置、電
子ビーム溶解装置、電子ビーム露光装置、電子顕微鏡、
陰極線管に用いる熱陰極として適している。 ＜実施例＞ 以下、実施例によりこの発明を具体的に説明する。 実施例１ 気孔率約10％のLaB6焼結体をワイヤーカツト放電加工
法により外径10mm、内径7mm、高さ27.5mmの管状体と
し、ついで２本の並行らせん巻き構造に加工することに
よつて第２図に示す発熱体を製作した。発熱体の２本の
らせん1A,1Bの一方の端部2A,2Bは結合部３により電気的
に接続させてあり、もう一方の端部4A,4Bを通電のため
の端子とした。 第３図に示すとおり、端部4A,4Bに通電のためにタン
タル製の金属片5A,5Bを取付けた。端部への金属片の取
付けに当つては、端部4A,4Bの内側に絶縁体製の絶縁体
部品６を挿入し、金属片5A,5B、端部4A,4Bおよび絶縁体
部品６を貫通させてステンレス製ボルト７を通し、ステ
ンレス製ナツト８で締付け固定した。ボルトおよびナツ
トが金属片5A,5Bや端部4A,4Bに触れないようにアルミナ
製の碍子9A,9Bを使用した。 つぎに、窒化ほう素の焼結体を切削加工することによ
り第４図に示す覆いの上部と第５図に示す覆いの下部を
作製し、これらの覆いを第１図に示すとおり発熱体の端
子部に取付けた。 得られた熱陰極構造体をカスプ型イオン源装置に組み
込み真空度５×10-5Torrのアルゴン雰囲気下、アーク電
流7A,アーク電圧60Vで連続81時間の放電試験を行なつ
た。その結果、熱陰極の端子間に短絡が生ずることがな
く、また熱陰極の加熱電流は39〜42Aの範囲で安定して
いた。 実施例２ まず、実施例１と同じ発熱体を製作した。つぎに第６
図〜第８図に示すとおり、モリブデン製の金属片5A,5B
にタンタル製の給電端子12A,12Bをステンレス製のネジ1
4A,14Bにより取付けた。２個の金属片5A,5B間に窒化ほ
う素製の絶縁体部品６を挿入し、アルミナ製の碍子9A,9
Bにより絶縁してステンレス製のボルト７およびステン
レス製のナツト８により固定した。ついで窒化ほう素製
の覆い11を金属片5A,5Bの上部からはめ込み、さらに金
属片5A,5Bの上部に発熱体をさし込み、発熱体の端部4A,
4Bをモリブデン製のネジ13A,13Bによつて、金属片5A,5B
に固定した。 得られた熱陰極構造体をカスプ型イオン源装置に組込
み、真空度５×10-5Torrのアルゴン雰囲気下、アーク電
流7A、アーク電圧60Vで連続100時間の放電試験を行なつ
た。その結果、熱陰極の端子間に短絡が生ずることがな
く、また熱陰極の加熱電流は39〜41Aの範囲で安定して
いた。 比較例 比較のための実施例２の覆い11を取りはずし、実施例
２と同じ条件で放電試験をおこなつた。 その結果、アーク電圧が徐々に変動するようになり、
放電が不安定になつた。また、熱陰極の加熱電流が徐々
に上昇し、6.5時間経過後に発熱体の端子間が短絡し、
放電が維持できなくなつた。熱陰極構造体を分解して観
察したところ、碍子9A,9B及び絶縁体部品６の表面が銀
色に変色しており、この部分で短絡していることがわか
つた。変色部分をEPMAにより分析をおこなつたところ多
量のモリブデンおよびタンタルが検出され、金属片5A,5
Bと給電端子12A,12Bがスパツタリングされ碍子および絶
縁体上に蒸着していることを確認した。 実施例３ まず、実施例１と同じ発熱体を製作した。第９図〜第
11図に示すとおり、モリブデン製の金属片5A,5Bにおの
おのタンタル製の給電端子12A,12Bをステンレス製のネ
ジ14A,14Bにより取付け、つぎに円筒形の窒化けい素製
の覆い10をステンレス製のネジ15A,15Bにより固定し
た。 ついで、発熱体の端部4A,4Bを金属片5A,5Bにモリブデ
ン製のネジ13A,13Bにより固定した。 この熱陰極構造体をカスプ型イオン源装置に組込んで
実施例２と同じ条件で連続100時間の放電試験をおこな
つたところ、試験中に端子間の短絡が生ずることなく、
また熱陰極加熱電流は39〜42Aの範囲で安定していた。 ＜発明の効果＞ この発明の熱陰極構造体は使用中に発熱体の表面にス
パツタリング金属の蒸着を受けることがなく、発熱体の
特性劣化がない。また、絶縁体部品の表面に金属が蒸着
することもなくなり、端子間の短絡のおそれがない。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の熱陰極構造体の斜視図であり、第２図
はその発熱体部分の斜視図である。第３図は本発明の熱
陰極構造体の覆いを設ける前の正面図であり、第４図お
よび第５図は覆いの斜視図である。 第６図は本発明の別の熱陰極構造体の正面図であり、第
７図は縦断面図、第８図は平面図である。第９図は本発
明のさらに別の熱陰極構造体の正面図であり、第10図は
縦断面図、第11図は平面図である。 符 号 1A,1B……らせん体、2A,2B,4A,4B……端部、３……結合
部、5A,5B……金属片、６……絶縁体部品、７……ボル
ト、８……ナツト、9A,9B……碍子、10A,10B、11……覆
い、12A,12B……給電端子、13A,13B,14A,14B,15A,15B…
…ネジ
はその発熱体部分の斜視図である。第３図は本発明の熱
陰極構造体の覆いを設ける前の正面図であり、第４図お
よび第５図は覆いの斜視図である。 第６図は本発明の別の熱陰極構造体の正面図であり、第
７図は縦断面図、第８図は平面図である。第９図は本発
明のさらに別の熱陰極構造体の正面図であり、第10図は
縦断面図、第11図は平面図である。 符 号 1A,1B……らせん体、2A,2B,4A,4B……端部、３……結合
部、5A,5B……金属片、６……絶縁体部品、７……ボル
ト、８……ナツト、9A,9B……碍子、10A,10B、11……覆
い、12A,12B……給電端子、13A,13B,14A,14B,15A,15B…
…ネジ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ
Ｈ０１Ｊ 37/08 Ｈ０１Ｊ 37/08
(56)参考文献 特開 昭55−14646（ＪＰ，Ａ)
特開 昭52−51861（ＪＰ，Ａ)
特開 昭55−28298（ＪＰ，Ａ)
実開 昭63−22057（ＪＰ，Ｕ)
特公 昭55−35812（ＪＰ，Ｂ２)
特公 平６−24092（ＪＰ，Ｂ２)
実公 平６−14391（ＪＰ，Ｙ２)
(58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名)
H01J 1/14 - 1/18
H01J 27/20
H01J 37/06
H01J 37/08
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．導電性セラミックスを発熱体とし、しかも熱電子放
出体とする熱陰極構造体において、該導電性セラミック
スの端子部の周囲に絶縁体からなる覆いを設けたことを
特徴とする熱陰極構造体。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4671887A JP2747288B2 (ja) | 1987-03-03 | 1987-03-03 | 熱陰極構造体 |
| GB8712116A GB2192751B (en) | 1986-07-14 | 1987-05-22 | Method of making a thermionic cathode structure. |
| DE19873717974 DE3717974A1 (de) | 1986-07-14 | 1987-05-27 | Gluehkathode |
| US07/222,300 US4878866A (en) | 1986-07-14 | 1988-07-22 | Thermionic cathode structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4671887A JP2747288B2 (ja) | 1987-03-03 | 1987-03-03 | 熱陰極構造体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63216232A JPS63216232A (ja) | 1988-09-08 |
| JP2747288B2 true JP2747288B2 (ja) | 1998-05-06 |
Family
ID=12755122
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4671887A Expired - Lifetime JP2747288B2 (ja) | 1986-07-14 | 1987-03-03 | 熱陰極構造体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2747288B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112768325B (zh) * | 2021-01-29 | 2022-11-29 | 成都创元电子有限公司 | 一种直热式空心阴极 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5251861A (en) * | 1975-10-23 | 1977-04-26 | Hitachi Ltd | Field radiation type electronic gun |
| JPS5514646A (en) * | 1978-07-17 | 1980-02-01 | Toshiba Corp | Electron gun |
-
1987
- 1987-03-03 JP JP4671887A patent/JP2747288B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63216232A (ja) | 1988-09-08 |
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