JP5238376B2

JP5238376B2 - 電子管

Info

Publication number: JP5238376B2
Application number: JP2008168996A
Authority: JP
Inventors: 晋齊藤
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electron Tubes and Devices Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Electron Tubes and Devices Co Ltd
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: JP2010009977A

Description

この発明は、電子管に関する。

一般に、電子管として、電力管及び真空遮断器の他、Ｘ線管が知られている（例えば、特許文献１参照）。Ｘ線管は、真空外囲器と、絶縁部材と、陰極アッセンブリ体と、陽極アッセンブリ体とを備えている。真空外囲器は金属で形成されている。絶縁部材は、アルミナセラミックスにより形成されている。絶縁部材は、真空外囲器に接合されている。絶縁部材は、真空外囲器の一部を構成し、真空外囲器とともに内部を気密に封止している。

陰極アッセンブリ体は、絶縁部材に設けられ、絶縁部材により真空外囲器に電気的に絶縁されている。陽極アッセンブリ体は、真空外囲器に接合されている。陽極アッセンブリ体は、真空外囲器内部において、陰極アッセンブリ体に対向配置されている。真空外囲器の一部には、Ｘ線出力窓が設けられている。

Ｘ線管の動作時には、陽極アッセンブリ体及び陰極アッセンブリ体間に高電圧が印加される。この高電圧により、陰極アッセンブリ体より発生した熱電子が、陽極アッセンブリ体へ衝突し、Ｘ線が放出される。

陽極アッセンブリ体及び陰極アッセンブリ体間を絶縁する絶縁部材としては、過去、ガラスが最も採用されている。しかしながら、近年、絶縁部材としては、寸法精度、機械的強度、電気絶縁強度及び高周波特性等の関係より、アルミナセラミックスが広く採用されている。
特開平５−２３４５４９号公報

上記したＸ線管は、安定した耐電圧特性を有していることが要求されている。しかしながら、上記したＸ線管の場合、Ｘ線管に絶縁破壊、いわゆる放電現象が発生する恐れがある。放電現象とは、絶縁部材の表面に沿って沿面放電が起こることである。放電が発生すると、Ｘ線管の特性は劣化してしまう。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、電圧耐久性に優れた電子管を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の態様に係る電子管は、
金属で形成された真空外囲器と、
前記真空外囲器の内部に位置し、アルミナセラミックスにより形成された絶縁部材と、
前記真空外囲器の内部に位置し、前記絶縁部材の表面に設けられ、前記絶縁部材により前記真空外囲器に電気的に絶縁された電極と、
前記電極から外れて前記絶縁部材の表面に形成され、１０μｍ以下の膜厚を有したガラス膜と、を備え、
前記ガラス膜は、前記絶縁部材の表面全域において、前記電極に隣接した位置から前記真空外囲器に至る１／３以上の領域に形成され、
前記ガラス膜の表面は、凹凸状であり、
前記ガラス膜の前記領域の算術表面粗さは、１μｍ以上である。

この発明によれば、電圧耐久性に優れた電子管を提供することができる。

以下、図面を参照しながらこの発明に係る電子管をＸ線管に適用した実施の形態について詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、Ｘ線管は、真空外囲器２と、絶縁部材１と、陰極アッセンブリ体３と、陽極アッセンブリ体４と、ガラス膜１０とを備えている。

真空外囲器２は金属で形成されている。真空外囲器２は筒状に形成されている。真空外囲器２は、蓋部２ａ及びＸ線出力窓５を有している。蓋部２ａは、真空外囲器２の一端に設けられている。Ｘ線出力窓５は、真空外囲器２の一部を形成している。Ｘ線出力窓５は、真空外囲器２の軸に直交した位置に設けられている。

絶縁部材１は、真空外囲器２の内部に位置している。絶縁部材１は、アルミナセラミックスにより形成されている。絶縁部材１は、真空外囲器２に、より詳しくは蓋部２ａに接合されている。絶縁部材１は、真空外囲器２の一部を構成し、蓋部２ａとともに真空外囲器２の一端を気密に閉塞している。

電極としての陰極アッセンブリ体３は、真空外囲器２の内部に位置している。陰極アッセンブリ体３は、絶縁部材１の表面に設けられ、絶縁部材１により真空外囲器２に電気的に絶縁されている。陰極アッセンブリ体３は、収束電極３ａ及びコイル状のフィラメント３ｂを有している。

陽極アッセンブリ体４は、真空外囲器２内部において、陰極アッセンブリ体３に対向配置されている。陽極アッセンブリ体４は、Ｘ線を発生させるターゲット４ａ及びその母材４ｂを有している。母材４ｂは、真空外囲器２の他端に設けられている。母材４ｂは、真空外囲器２の他端を気密に閉塞している。このため、真空外囲器２の内部は、高い真空度に維持されている。

ガラス膜１０は、陰極アッセンブリ体３から外れて絶縁部材１の表面に形成されている。この実施の形態において、ガラス膜１０は、陰極アッセンブリ体３から外れて絶縁部材１の表面全体に形成されている。ガラス膜１０は、５μｍの膜厚を有している。ガラス膜１０を構成する主成分はＳｉＯ_２である。ガラス膜１０は、Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系の材料で形成されている。

絶縁部材１の表面は凹凸状である。ガラス膜１０の表面は凹凸状である。絶縁部材１の表面粗さに加えた値であるが、ガラス膜１０の算術表面粗さＲａは、４μｍ程度である。ガラス膜１０の表面抵抗率は、１×１０^１３［Ω／□］である。
上記したようにＸ線管が形成されている。

Ｘ線管の動作時には、陽極アッセンブリ体４及び陰極アッセンブリ体３間に高電圧が印加される。印加電圧は、使用用途によって様々であるが、１０乃至５００ｋＶ程度である。ここでは、陰極アッセンブリ体３にのみ負の高電圧が印加され、陽極アッセンブリ体４及び真空外囲器２は接地されている。そして、真空中のフィラメント３ｂより熱電子ｅ⁻が発生すると、上記高電圧により、熱電子はターゲット４ａへ衝突し、Ｘ線が放出される。Ｘ線は、Ｘ線出力窓５を透過してＸ線管の外部に出射される。

次に、上記ガラス膜１０の製造方法の一例について説明する。
ガラス膜１０は様々な方法で形成可能であるが、ガラスビーズブラスト法を用いた製造方法が簡単、かつ、安価である。ガラス膜１０を製造する際、まず、絶縁部材１又は半アッセンブリしたものの表面（真空側表面）に、目的の成分のガラスビーズをブラスト装置にて高圧で噴きつける。絶縁部材１上に形成されるガラス膜１０の膜厚や表面粗さは、このときのガラスビーズの粒径やビーズの形状、突出圧、時間などにより変わってくる。これらの諸条件は絶縁部材１の形状に応じて適正値を条件出しする必要があるが、おおよそ粒径５０μｍ前後、突出圧０．５Ｍｐａ前後で適用可能である。

続いて、ガラスビーズがブラストされた絶縁部材１を洗浄した上で、熱処理を実施する。この場合、熱処理は、ブラストしたガラスビーズの軟化点温度ぐらいで実施する。空気焼きが好ましいが、真空もしくは還元雰囲気でもかまわない。この軟化点近傍の温度程度の熱処理が固体状に付着したガラスビーズ膜を半溶着させる。温度が高すぎると、ガラス膜１０は完全溶解し表面が通常のガラスのようになめらかになる。この場合、ガラス膜１０を設けた効果を得ることはできるが、表面粗さによって得られる効果は薄くなってしまう。

図３に示すように、ガラス膜１０の表面は、Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系のガラスビーズをブラストし、約８３０℃ぐらいで数分熱処理を実施した状態である。ガラス膜１０の成分はＳｉＯ_２のみが本来は望ましいが、この場合軟化点が１５００℃以上と高いため、絶縁部材１表面へのガラスビーズの密着化が困難となる。

また、アルカリ土金類を大量に含んだ軟質ガラスでは、６００℃前後から軟化するものもあり、容易に密着化が可能であるが、仕事関数の低いエミッター物質を含むため含有量によっては、耐電圧向上効果が得られない場合もある。そのためＸ線管の製造工程や使用用途、絶縁部材１の形状によって、適正のガラスビーズを選択することが必要である。

次に、真空外囲器２の内部で、絶縁部材１の表面に沿って起こる沿面放電について説明する。上記ガラス膜１０を設けない場合、沿面放電が発生しやすくなる。沿面放電の発生原因は異物などがトリガーとなるが、ここでは異物等は無いものとして説明する。

図４に示すように、金属製の正極６及び負極７はアルミナセラミックス８をスペーサとして構成されており、領域ａは真空となっている。なお、正極６は上記真空外囲器２に、負極７は上記陰極アッセンブリ体３に、領域ａは真空外囲器２内部に、それぞれ相当するものである。正極６及び負極７には、それぞれ正負の電圧が印加されている。アルミナセラミックス８（絶縁体）、領域ａ（真空）及び負極７（金属）の結合点Ｐはトリプルジャンクションと呼ばれ、電界集中が起こる。

この強い電界により金属表面から電子ｅ⁻が放出されて、アルミナセラミックス８表面に到達する。また、真空中に存在する気体分子が電子と衝突して電離し、生成された正イオンが負極７に衝突する際に起こる２次電子放出によっても負極より電子が電極間の空間に供給されて、アルミナセラミックス８上に到達する。アルミナセラミックス８上の電子はホッピングを繰り返す。

このときアルミナセラミックス８表面からも２次電子が放出されるため、荷電粒子量はさらに増加し、これが両電極や真空中へ失われる量よりも多いと、電極間に流れる荷電粒子の量はなだれ的に増加し、アルミナセラミックス８表面を沿うように放電が起こるものである。

次に、Ｘ線管の比較例について説明する。
比較例のＸ線管は、絶縁部材１の表面に３酸化クロム膜が形成されている。絶縁部材１を構成するアルミナセラミックスの最大２次電子放出比δｍａｘは６を超えるため、正に帯電しやすく、結果２次電子なだれが生じやすい。一方、３酸化クロム膜を構成する３酸化クロムの最大２次電子放出比δｍａｘは１を超えないため、ほとんど正に帯電することはなく、２次電子なだれも起こりにくい。その性質を利用して絶縁部材１表面に３酸化クロム膜を形成することで耐電圧向上を目的に実施されている。

アルミナセラミックスを絶縁部材１に使用した比較例のＸ線管は、電気的絶縁力の高さから高電圧製品に採用される場合が多い。しかしながら、絶縁部材１の表面抵抗の高さおよび２次電子放出比の高さから故、帯電を起こしやすく、それに伴う放電をはじめとする耐電圧異常をきたす場合がある。

このため、比較例において、この帯電による放電等を防止するため、上記３酸化クロム膜を絶縁部材１の表面に形成している。基本的には導電体である金属酸化物のコーティングである。しかし、３酸化クロム膜の膜厚により表面抵抗の値は大きく左右されるため、この場合、細かい膜厚管理が必要である。

また、絶縁部材１に対する３酸化クロム膜の密着強度が悪いと、３酸化クロム膜に剥離が生じる恐れがある。剥離した３酸化クロムは金属異物となり、その場合は耐電圧を著しく劣化させることになる。このため、３酸化クロム膜を採用するには、コーティングする高度なプロセス技術や手間が必要である。

以上のように構成されたＸ線管によれば、絶縁部材１の表面にガラス膜１０が形成されている。ガラス膜１０（ガラス膜の主成分であるＳｉＯ_２）の最大２次電子放出比δｍａｘは約３程度であり、アルミナセラミックスの最大２次電子放出比δｍａｘ（約６）の半分である。ガラス膜１０の２次電子放出比は少ないため、ガラス膜１０の表面に２次電子なだれは起こりにくい。ガラス膜１０を設けることで耐電圧特性を向上させることができる。

ガラス膜１０は、陰極アッセンブリ体３から外れて絶縁部材１の表面全体に形成されている。このため、ガラス膜１０を絶縁部材１の表面の一部にのみ形成した場合に比べ、より耐電圧特性を向上させることができる。

また、通常、絶縁部材１（アルミナセラミックス）が焼き上がった算術表面粗さはＲａ＝１μｍであるが、この実施の形態において、ガラスの固体同士が半溶融してなる凸凹により、ガラス膜１０の表面粗さを大きくしてある。ガラス膜１０の算術表面粗さＲａは、４μｍ程度である。このため、ガラス膜１０の表面における電子ホッピングが妨げられ電子なだれ、そして帯電がおきにくい形状となっている。

上記した効果は、ガラス膜１０の算術表面粗さが１μｍ以上である場合に得ることができる。より詳しくは、ガラス膜１０は、絶縁部材１の表面全域において、陰極アッセンブリ体３に隣接した位置から真空外囲器２に至る１／３以上の領域に形成され、ガラス膜１０の上記１／３以上の領域の算術表面粗さが１μｍ以上であれば上記した効果を得ることができる。

上記のように、ガラス膜１０を設けた場合、ガラス膜１０を設けない場合に比べ耐電圧特性が向上かつ安定することができる。ガラス膜１０の膜厚は約５μｍと薄い。このため、絶縁部材１（アルミナセラミックス）との熱膨張差による剥離が起こりにくくなっている。上記した効果は、ガラス膜１０が１０μｍ以下の膜厚を有している場合に得ることができる。ガラス膜１０の膜厚が１０μｍを超えた場合、高温時に、ガラス膜１０が割れ、剥離する恐れがある。

ガラス膜１０は、固体状のガラス粒子の集合体であり、ガラス粒子が完全に液状化せずに絶縁部材１の表面に溶着して形成されている。このため、ガラス膜１０の表面を凹凸状に形成することができる。

上記ガラス膜１０の表面抵抗率は、おおよそ１×１０^１３［Ω/□］であるため、ガラス膜１０に帯電を起こりにくくすることができる。上記した効果は、ガラス膜の表面抵抗率が１×１０^９乃至１×１０^１３［Ω/□］である場合に得ることができる。

ガラス膜１０を形成する際、ブラスト法を用いている。このため、簡単かつ安価にガラス膜１０を形成することができる。さらに、絶縁部材１の表面に付着した異物を除去しながらガラス膜１０を形成することができる。
上記したことから、電圧耐久性に優れた電子管を得ることができる。

なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

例えば、ガラス膜１０を形成する際、ブラスト法ではなく、ガラスバレル法や液状ガラスを直接コーティングする方法を用いても良い。しかしながら、この場合、薄膜を管理して形成することは難しく、ガラス膜１０の表面が滑らかになってしまう恐れがある。

ガラス膜１０を構成する成分の約５５％以上はＳｉＯ_２であれば、耐電圧特性が向上したガラス膜１０を形成することができる。さらに、上記した場合、ガラス膜１０を構成する成分の９０％以上はＡｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２であれば、ガラス膜１０の耐電圧特性が向上し、かつ、絶縁部材１表面への密着性を向上させることができる。

ガラス膜１０は、Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系の材料で形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系の材料やＮａＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２系の材料で形成されていても良い。この場合、ガラス膜１０を構成する成分の９０％以上がＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２又はＮａＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２でれば上記した効果を得ることができる。
この発明は、Ｘ線管に限定されるものではなく、電力管や真空遮断器等、電子管であれば適用することができる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］真空外囲器と、
前記真空外囲器の内部に位置し、アルミナセラミックスにより形成された絶縁部材と、
前記真空外囲器の内部に位置し、前記絶縁部材の表面に設けられ、前記絶縁部材により前記真空外囲器に電気的に絶縁された電極と、
前記電極から外れて前記絶縁部材の表面に形成され、１０μｍ以下の膜厚を有したガラス膜と、を備えている電子管。
［２］前記ガラス膜は、前記絶縁部材の表面全域において、前記電極に隣接した位置から前記真空外囲器に至る１／３以上の領域に形成され、
前記ガラス膜の表面は、凹凸状であり、
前記ガラス膜の前記領域の算術表面粗さは、１μｍ以上である［１］に記載の電子管。
［３］前記ガラス膜を構成する成分の５５％以上はＳｉＯ _２である［１］に記載の電子管。
［４］前記ガラス膜は、Ａｌ _２Ｏ _３及びＢ _２Ｏ _３を含有して形成されている［３］に記載の電子管。
［５］前記ガラス膜は、Ａｌ _２Ｏ _３及びＣａＯを含有して形成されている［３］に記載の電子管。
［６］前記ガラス膜は、ＮａＯ及びＣａＯを含有して形成されている［３］に記載の電子管。
［７］前記ガラス膜は、前記電極から外れて前記絶縁部材の表面全体に形成されている［１］に記載の電子管。
［８］前記ガラス膜は、固体状のガラス粒子の集合体であり、前記ガラス粒子が完全に液状化せずに前記絶縁部材の表面に溶着して形成されている［１］に記載の電子管。
［９］前記ガラス膜の表面抵抗率は、１×１０ ^９乃至１×１０ ^１３［Ω／□］である［１］に記載の電子管。
［１０］前記ガラス膜は、ガラス粒子を前記絶縁部材の表面に高速で衝突させるブラスト法にて形成されたことを特徴とする［１］に記載の電子管。

この発明の実施の形態に係るＸ線管を示す断面図。図１に示したＸ線管の一部を示す拡大断面図であり、特に、ガラス膜を拡大して示す図。図１及び図２に示した絶縁部材及びガラス膜を示す斜視図。正極、負極及びアルミナセラミックスを示す断面図であり、特に、沿面放電を説明するための図。

符号の説明

１…絶縁部材、２…真空外囲器、３…陰極アッセンブリ体、４…陽極アッセンブリ体、１０…ガラス膜、Ｒａ…算術表面粗さ。

Claims

金属で形成された真空外囲器と、
前記真空外囲器の内部に位置し、アルミナセラミックスにより形成された絶縁部材と、
前記真空外囲器の内部に位置し、前記絶縁部材の表面に設けられ、前記絶縁部材により前記真空外囲器に電気的に絶縁された電極と、
前記電極から外れて前記絶縁部材の表面に形成され、１０μｍ以下の膜厚を有したガラス膜と、を備え、
前記ガラス膜は、前記絶縁部材の表面全域において、前記電極に隣接した位置から前記真空外囲器に至る１／３以上の領域に形成され、
前記ガラス膜の表面は、凹凸状であり、
前記ガラス膜の前記領域の算術表面粗さは、１μｍ以上である電子管。
金属で形成された真空外囲器と、
前記真空外囲器の内部に位置し、アルミナセラミックスにより形成された絶縁部材と、
前記真空外囲器の内部に位置し、前記絶縁部材の表面に設けられ、前記絶縁部材により前記真空外囲器に電気的に絶縁された電極と、
前記電極から外れて前記絶縁部材の表面に形成され、１０μｍ以下の膜厚を有したガラス膜と、を備え、
前記ガラス膜を構成する成分の５５％以上はＳｉＯ_２である電子管。
前記ガラス膜は、Ａｌ_２Ｏ_３及びＢ_２Ｏ_３を含有して形成されている請求項２に記載の電子管。
前記ガラス膜は、Ａｌ_２Ｏ_３及びＣａＯを含有して形成されている請求項２に記載の電子管。
前記ガラス膜は、ＮａＯ及びＣａＯを含有して形成されている請求項２に記載の電子管。
金属で形成された真空外囲器と、
前記真空外囲器の内部に位置し、アルミナセラミックスにより形成された絶縁部材と、
前記真空外囲器の内部に位置し、前記絶縁部材の表面に設けられ、前記絶縁部材により前記真空外囲器に電気的に絶縁された電極と、
前記電極から外れて前記絶縁部材の表面に形成され、１０μｍ以下の膜厚を有したガラス膜と、を備え、
前記ガラス膜の表面抵抗率は、１×１０^９乃至１×１０^１３［Ω／□］である電子管。
前記ガラス膜は、前記電極から外れて前記絶縁部材の表面全体に形成されている請求項１乃至６の何れか１項に記載の電子管。
前記ガラス膜は、固体状のガラス粒子の集合体であり、前記ガラス粒子が完全に液状化せずに前記絶縁部材の表面に溶着して形成されている請求項１乃至７の何れか１項に記載の電子管。
前記ガラス膜は、ガラス粒子を前記絶縁部材の表面に高速で衝突させるブラスト法にて形成されたことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の電子管。