JPH0322319A - 電気的放電要素 - Google Patents

電気的放電要素

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JPH0322319A
JPH0322319A JP2145255A JP14525590A JPH0322319A JP H0322319 A JPH0322319 A JP H0322319A JP 2145255 A JP2145255 A JP 2145255A JP 14525590 A JP14525590 A JP 14525590A JP H0322319 A JPH0322319 A JP H0322319A
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aperture
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    • H01J37/06Electron sources; Electron guns

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  • Particle Accelerators (AREA)
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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 本発明は、電子発生源を有する電気的放電要素に関する
。例えば、電子管の様な従来の電気的放電要素は、電子
ビームを局所的な道に導く手段を備えていない。更に、
それらの電気的放電要素は、それらの電子発生源が発生
する電子流の電流密度に限界があると言う制限がある.
多くの応用に対して、電気的放電要素が、局所的な道に
電子ビームを導く手段又はより大きな電流密度で電子流
を供給する手段を採用することが可能である事は、非常
に興味をもたらすことである.この応用には、例えば、
(TV)表示管、電子W4微鏡、電子ビーム・リソグラ
フィ装置が、挙げられる。
〔発明の概要〕
本発明の目的は、この嬰請に苅応することにある。それ
故本発明の電子発生源を有する電気的放電要素の特徴と
する点は、電子発生面を備えたカソードを有し、そのカ
ソードが二次放出係数δを有する電気絶縁材料の壁によ
り規定される空洞により形成されている真空電子ダクト
と協動し、その空洞が出力開[1を有し、電圧源に接続
することの出来る電極手段が動作時に前記力ソートから
前記出力開口までの前記空洞内のパスに電界強度E(7
)電界を与えるために設けられていて、δ及びEが前記
空洞中の電子の搬送を可能とする値を有している点てあ
る。
本発明は次のような認識に基づいている。それは、充分
な強度の電界が空洞の縦方向に与えられる場合には、電
気絶縁物質(例えはガラス、セラミック材料、カブトン
、パーティナックス等)の壁により規定される空洞内に
、電子を搬送させることが可能であると言う点である。
この電界の強さは材料の種類及び空洞の壁の幾何学的配
置及びサイズに依存する。この際の電子の搬送は、空洞
の壁に衝突するエレクトロン1個に対し、平均して1個
のエレクトロンが放出されるような二次放出過程によっ
て行われる。
このようにして、空洞に入る電子の数と実質上同じ数の
電子が出力端から再び離れるようにすることが出来る。
非常に効果のある真空電子ダクトをこのようにして実現
させることが出来る。
本発明の放電要素は、カソードを電子ダクトの空洞内に
位置させると、その構造を非常に単純にすることが出来
る。後者の実施例の興味のある点は、出力開口がカソー
ドの放出面Scathよりも小さい面積S。【を有して
いる場合には、出力開口から流れ出る電子流の電流密度
がカソードの電流密度よりもScath/ Sou+の
ファクターだけ大きくなるという点である。
これとは別に、カソードを電子ダクトの空洞の外に位置
させ、その方ソードに面する入力開口を空洞に設けるこ
とも可能である。実際の実施例においては、放出カソー
ド面と入力開口の面は実質上同一である。
ある距離の間電子を搬送させることを可能とするために
は、空洞が長細い形状を有していることが実際的である
.このことは電子ダクトを真直ぐなあるいは曲げたパイ
プとすることが出来ることを意味している。一実施例に
おいては、放出面Scathを有するカソードからの電
子は、一方の側面からダクトに注入される.入力面はS
inである。ダクトの他の部分には面積Soutを有す
る出力開口が設けられている。電気導電電極がこの開口
に隣接する外側面に設けられている.この電極とカソー
ドとの間の電圧差ΔVにより、電子の搬送に必要となる
電界が得られる。この壁は(実質上)如何なる電流も消
費したり供給したりすることがないので、ダクトに入っ
た電子と実質−L同じ数の電子が出力口から出る。出力
開口での電流密度J。tには(入力での電流密度をJi
nとした場合):の関係が成立する。So−th)) 
Soulが成立する場合には、電流密度の大きなゲイン
が得られ、換言すれば、放電要素が大きな電流密度で電
流を供給することが実現出来る。
別の実施例の特徴とする点は、前記カソードが放出され
る電子流を変調する手段を有している点である。電流密
度が小さい位置で変調を行うことにより、その変調を従
来の放電管(例えば、三極管)における場合よりもより
小さな掃因電圧によって行うことが可能となる。
[実施例] 本発明の前述した点及び別の点を示すいくつかの実施例
を添付の図面を参照して更に詳細に説明する。
第1図は、フィラメント3を有するカソード2とベース
4によって支持されている放出層5とを有する電気放電
要素lの一部の線図的な断面図である。放出層5は面S
cathを有し、この面は、電気絶縁材料の壁−7. 
8. 9により囲まれている電子ダクトの細長い空洞1
0の、面S.。を有する入カ開口6に面している。この
材料は高抵抗を有し(抵抗が高ければ高いほど必要とざ
れる電カが少なくて済む)かつ一次電子エネルギーE.
の少なくともある部分E+ −El (の領域について
二次放出係数δ〉lを満足しなければならない(第12
図参照)。E1は、例えば1から数10eVのように出
来る限り低い値であることが望ましい。特にガラス(E
+がほぼ30eV)、セラミック材料、パーティナック
ス、カブトンがこの要求を満たす。壁の1枚(この場合
には壁8)は面積S。uiを有する出力開口11を有し
ている。電極12は開口目(第2図も参照)に隣接して
いる。空洞10の長さ方向に電界を発生させるために、
電圧差ΔVが、電極12とカソード2との間に印加され
る。この電界が充分大きければ(この電界は、空洞10
の寸法及び壁の材料にも依存する)、 (真空)空洞中
の電子の搬送が可能となる。この電子の搬送は、壁に衝
突する各電子に対し平均して1個の電子が放出される二
次放出の過程により行われる(第4図)。入力面6がら
空洞10に入射される電子の数と実質上同じ数の電子が
出力開口11から出る。何故なら電気絶縁壁が、実質L
電子を発生又は放出することが出来ない程度に高抵抗で
あるからである。
従って第l図に示される構成は、多くの用途に使用する
ことが出来る局所的に電子流を搬送させる(いわゆる電
子ファイバ)のに特に有利な装置を示す。
Sout 《Scathとすると、出力11での電流密
度Jou Lは、カソード2によって与えられる電流密
度J1nよりも高くなり、その結果(多くの用途に使用
することが出来る)電子圧縮器を得る事が可能となる。
しかしながら、ある用途に対しては、j/ΔE(ΔEは
電子のエネルギーの広がり)に比例する光度(Iu++
+nosity)パラメータBが重要である.出力での
九度B。utに対しては(Binを入力での光度とした
場合): が成立する。ほとんどの二極管構成に使用ざれている熱
カソードに対しては、ΔEは低電流でほぼ0.2eVで
、ΔEがmAの電流のオーダではほぼ2eVに増大し得
る。出力開口11を出る電子のエネルギの広がりは、上
述の条件においては約4eVである。
(ΔE)in/(ΔC)..tの比は、この場合約1/
2と1/200間にある。従ってSr n/Sou t
 > 2〜20の場合には、BOl,t>Blnとなる
S; o/Sout :200である電子ダクトが既に
本発明の範囲内で実現されているが、より高い値も可能
である。その場合には100から500の光度のゲイン
を実現することも可能である。このことは提案された電
子圧縮器が、例えば、TV表示管、投写型TV管、電子
顕微鏡、電子ビームリソグラフィー装置の使用に非常に
有効であることを意味する。
増幅を伴わない電子ダクトに加えて、本発明は増幅を伴
う電子ダクトにも間する。後者の場合壁は電流を供給す
ることが可能でなければならない.例えば電子増倍によ
って電流増幅が可能であるような、二次放出係数が充分
高い層を設ける事によって、この目的を達成する事が出
来る。しかしながら、充分高い二次放出係数を有するも
のとして従来知られている層は、寿命が相対的に短いと
言う問題がある。ある種の用途に対してはこのことは問
題にはならない。この場合には出力での電流密度Jou
jに対して、 の閏係が成吏する。ここで、訓ま増倍による電流増幅で
ある。 同様にして出力B。utでの光度に対しては、 が成送する。
本発明の電気放電要素によると、 (入力開口でのカソ
ードが動作する限り)真空度が悪くても動作する事とと
、管の入力開口での電子流は通常使用される電圧よりも
ずっと低い掃引電圧で(例えば約tsovに代えて約2
0Vで)変調させることが出来る事と、そしてカソード
を熱カソード及びフィールドエミッタ又はp−nエミッ
タのような冷カソードの両方とすることが出来ることに
注目されたい。
第3図は、第1図のそれとは異なったタイプのカソード
14と電子ダクト空洞15とを有する電子放電管13を
示す。空洞15は、テーバされていて、入力開口16に
面している出力開口I7を有している。
第5図は、カソード19が電子ダクト空洞2o内に組み
込まれている単純な方法で構成することが可能な電気放
電要素l8を示す。この場合電極22が設けられている
出力開口23は、球型の外壁21に設けられている。
第6図は、複数の(この場合3個の)i!子ダクト空洞
26. 26’, 26”と協動する共通カソード24
を有する電子発生源27を示す。このような構成は、例
えば空洞26. 26’, 26″″を順次電子搬送モ
ードにし(つまり、それらを順次活性化させ)かつカソ
ード24によって発生される電子流を変調させる様な、
カラー表示管の電子発生源に使用することが可能である
。これとは別に、第7図の様に、1個の出力開口に代え
て、複数の(この場合には3個)の出力開口30. 3
0’, 30″゛を有していて、電気的にそれらの開口
を任意に「閏く』又は「閉じる』電極31,32. 3
3を設けた1個の電子ダクト空洞29と協動するカソー
ド2Bを使用することも出来る。
各々がそれ自身のカソードと組み合わされ又は共通カソ
ードを有している真直ぐな又は曲げられた、テーパされ
又はテーバされていない、電子ダク} 34, 35.
 36の構成は、例えは小さな表面に数多くの電子スポ
ットを形成する場合に、使用することが出来る。第8図
は、電子光学レンズ37と共に使用される電子ダク} 
34, 35, 36の構成を示す。
この場合電子ダクト34, 35. 36は、独立に駆
動させることが出来る電極48. 48゜.48゜゜に
よって独立に駆動させることが出来る3個の電子エミッ
タを備えたラインカソード47を有するカソード部43
と、協動する入力開口44, 45. 46を有してい
る。この構造t.t、電子ビームリソグラフィーの装置
に有利に使用することが出来る。
第9図は電子発生源として上述した「電子圧縮」型の放
tg.要素4lを有する電子顕微鏡39を、第10図は
その種の放電要素42を有する(投写型)表示管40を
各々線図的に示している。大電流密度を発生させること
が出来る電子発生源は、電子顕微鏡及び(投写型)表示
管に特に有利である。
第+1A, B及びC図は、本特許出願と同時に出願さ
れた本出願人の特許出願に詳細に記載されている表示管
に使用される電子ビームアドレスシステムの立面図であ
る。
別々に駆動することが出来る、例えは600個のカソー
ドを設けた、例えは゛ラインカソード55の、カソード
部は、背面壁54を有するウェーハ形状の構造49の底
部近傍に設けてある。必要に応じて、フィールドエミッ
タ又はp−nエミッタの様な複数の分離されたエミッタ
をラインカソードの代わりに使用することも可能である
。これらのエミッタの各々は、 (増幅度に応じて) 
pA又はnAの電流を供給する手段でありさえすれば良
いので、多くの型の(熱又は冷)カソードが使用可能と
なる。これらのカソードの放出は変調させることが出来
る。カソード当りに1個のコンパートメントを有する一
列のコンパートメント56. 56″, 56”,・・
・は、カソードの列55の真上に配置される。これらの
コンパートメントは、例えばセラミック材料又は鉛ガラ
ス、により形成される壁を有しているが、この材料はこ
の目的に対して適切な電気抵抗を有し、かつその二次放
出係数δは一次電子エネルギの所定の範囲において1よ
り大きい。電気抵抗は、真空中の電子搬送に必要となる
電圧差がコンパートメントの長さ2(例えば10から1
000ms+の範囲〉に与えられる時、壁の中に最小電
流値(例えば10mA以下)が流れるように、充分大と
するべきである。コンパートメントのカソード側のサブ
領域の長さ方向の抵抗は、コンパートメントのそれ以外
の領域よりも(例えば100倍低いオーダに)低くして
、カソード電流を幾らか増幅させることも可能であるが
、カソード側のサブ領域の長さの抵抗も又高く(特にl
06から101’sΩの範囲)して増幅せずに搬送が行
われるようにして、必要な電流を全てカソードから引き
出すことが望ましい。各コンバートメン1・の壁の一つ
を背面壁54により構成することも可能である。この場
合に背面壁は、例えは表面に複数の平行な空洞が形成さ
れている平坦な基板である。
kVオーダの電圧が、結合された全てのコンパートメン
トに、長さ方向の9に印加される。カソードの列55と
コンパートメント56. 56’, 5G”との間に、
例えば50から!00vの、電圧を印加することにより
、電子はカソードからコンパートメントに加速され、そ
の後コンパートメント内で二次電子を放出させる。必要
な電圧は、条件によるが、通常30V以上にしなければ
ならないであろう。発生した二次電子は再び加速され、
新しい電子を発生させる。これは飽和点に至るまで継続
する(この飽和は空間電荷飽和及び/又は修正電界によ
ってj:}られる〉。非常に早く到達させる事の出来る
その飽和点以遠では、一定真空電流が当該コンパートメ
ントを流れるであろう(第4図を比較参照〉。壁の材料
が充分に高抵抗である場合には、コンバートメントの壁
は如何なるネット電流をも発生又は消費することがない
ので、クローズ近似においてこの電流は入力電流に等し
くなる。電界が、δeff”lという状態を得るために
必要となる最小値よりも大きい場合には、次のことが起
こる。δが1よりも僅か大きくなると即座に壁は不均一
に正にチャージされる(:1ンダクタンスが非常に小さ
いのでこの電荷は消滅しない)。その結果電子は、この
正の電荷が存在しない場合に比較してより早く壁に到達
する。つまり、電界から取り出される長さ方向における
平均エネルギは、より小さくなり、その結果実効的な二
次放出係数8。t t = 1の状態がそれ自身で実現
される。これは望ましいことである。
何故なら電界の正確な値は、それが先に述べた最小値よ
り大きい限り、重要ではないからである。
背面壁54に面するコンパートメントの壁は「駆動板J
 50としても構成されている(第118図参照)。
この板は開口58. 58″,58′″・・・を有する
。更に駆動板50の外側には駆動電極59の列が設けて
ある。これらの列電l1i59は、第118図に示され
るように(開口を「横切る」電極として)構成する事が
可能であるが、又第ttC図に示されるように抵抗分割
器を有する電気回路に組み込むことも可能である。駆動
電極590オフ状態においては、局所コンパートメント
電位に刻しーU1の電EEが印加され、この電圧により
71f ..fがその位置でそのコンパートメントから
離れることがないようにすることができる。もし画像ラ
インがスイッチオンされなければならない場合には、更
に別のポテンシャル+U2が印加される。コンパートメ
ント内の電子は壁との衝突により速度が低くなっている
と言う事実から、U1とtJ2は相対的に低くなる.あ
る場合にはUtと02の両方に対してtoovO値が良
い結果を生ずる様であった。
第118図は、コンパ−1・メントの望によって囲まれ
ている電子ガイダンス空洞51から駆動電極59ζこよ
り引き出される電子が、ターゲット57の方向に加速さ
れ、その結果−度にl本の画像ラインを走査することが
可能となる事を示している。
言わば電子ビー14アドレスモジュールを構成する構造
49(第11A図参照)は、別々の部品、例えば窪みを
有する背面壁54と開口を有する前面板50の部品とか
ら構成することも可能であるし、又これとは別にこれら
を一体部品で構成することも可能である点に注意された
い。
更に電子ダクトを規定する壁を、構成機能と二次枚出機
能とを有する電気絶録材料から構成することも可能であ
ることに注意されたい。これに対しそれらを二次放出機
能(例えは石英、又はガラス、又はMgOの様なセラミ
ック材料)を有する層を、構成機能(例えば合成物質)
を有する材料上に設けた電気絶縁材料から構成すること
も可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、カソードと゛慰子ダクトとを有する本発明の
電気的放電要素の一部を線図的に示し、第2図は、第1
図の構或の側面図で、 第3図は、カソードと別の種類の電子ダクトとを有する
電気的放電管の線図的な断面図で、第4図は、電子ダク
トの動作を示し、 第5図は、電子ダクトの別の実施例を示し、第6図は、
共通力ソートを有する複数の電子ダクトを示し、 第7図は、電気的に駆動させろことが出来る複数の出力
開口を有する電子ダクトと臨動するカソードを示し、 第8図は、独立して駆動させることが出来るカソードと
協動する複数の電子ダクトの配置を示し、第9図は、本
発明の電気的放電#素を有する−,tg .−.f−顕
微鏡を線図的に示し、 第10図は、本発明の電気的放電要素を有する陰極線管
を示し、 第目A,  B及びC図は、電子ビームアドレスシステ
ムを説明する図で、 第12図は、二次放出係数δを、本発明の要1;に適し
た材料の一次電子エネルギEpの函数としてプロットし
たグラフを示す。 ■・・・電気放電要素、      2・・・カソード
、3・・・フィラメント、       4・・・ヘー
ス、5・・・放出層、         6・・・入力
開口、?, 8. 9・・・電気絶縁材料の壁、it・
・・出力開口、 12・・・電極、14・・・カソード
、 16・・・入力開口、 l8・・・電気放電要素、 20・・・空洞、   2l・・・外壁、23・・・出
力開口、 26. 26″, 26′z・・電子ダク27・・・電
子発生源、 29・・・電子ダクト空洞、 31,  32. 33・・・電極、 37・・・電子光学レンズ、 40・・・表示管、 43・・・カソード構成、 47・・・ラインカソード、 49・・・ウェーハ形状の構造、 5l・・・電子ガイダンス空洞、 55・・・ラインカソード、 56. 56″,56″″・・・コンパートメント、5
7・・・ターゲット、   58. 58’. 5B”
・・・開口、10・・・空洞、 13・・・電子放電管、 15・・・空洞、 17・・・出力開口、 19・・・カソード、 22・・・電極、 24・・・カソード、 ト空洞、 28・・・カソート、 30, :l10″, 30”−・・出力開口、34,
 35. 36・・・電子ダクト、39・・・電子顕微
鏡、 41. 42・・・放電要素、 44, 45, 46・・・入力開口、48.  48
″,48″″・・・電極、50・・・駆動板、 54・・・背面壁、 59・・・駆動電極

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)電子発生面を備えたカソードを有し、そのカソー
    ドが二次放出係数δを有する電気絶縁材料の壁により規
    定される空洞により形成されている真空電子ダクトと協
    動し、その空洞が出力開口を有し、電圧源に接続するこ
    との出来る電極手段が動作時に前記カソードから前記出
    力開口までの前記空洞内のパスに電界強度Eの電界を与
    えるために設けられていて、δ及びEが前記空洞中の電
    子の搬送を可能とする値を有している事を特徴とする電
    子発生源を備えた電気的放電要素。
  2. (2)前記カソードが前記空洞内に位置している事を特
    徴とする請求項(1)記載の放電要素。
  3. (3)前記カソードが前記空洞外に位置しかつ前記空洞
    が前記カソードに面している入力開口を有している事を
    特徴とする請求項(1)記載の放電要素。
  4. (4)前記空洞が細長い形状を有している事を特徴とす
    る請求項(1)、(2)又は(3)記載の放電要素。
  5. (5)前記放出カソード面と前記入力開口の面とが、実
    質上同一である事を特徴とする請求項(4)記載の放電
    要素。
  6. (6)前記出力開口の面が前記放出カソード面よりも小
    である事を特徴とする請求項(1)、(2)又は(3)
    記載の放電要素。
  7. (7)動作中、前記出力開口から離れる電子ビームの電
    流密度が、前記カソードから放出される電子ビームの電
    流密度より大である事を特徴とする請求項(6)記載の
    放電要素。
  8. (8)動作中、前記出力開口から離れる電子ビームの光
    度が、前記カソードから放出される電子ビームの光度よ
    り大である事を特徴とする請求項(6)記載の放電要素
  9. (9)前記カソードに、放出される電子流を変調する手
    段が設けられている事を特徴とする請求項(1)記載の
    放電要素。
  10. (10)少なくとも1個の出力開口が、長さ方向に延在
    する空洞の壁に設けられている事を特徴とする請求項(
    4)記載の電気的放電要素。
  11. (11)一連の隣り合った出力開口が、長さ方向に延在
    する空洞の壁に設けられている事を特徴とする請求項(
    8)記載の電気的放電要素。
  12. (12)動作中電気的に前記開口を開く又は閉じるため
    に必要な電圧により、それらを活性化する活性化手段に
    接続させる事が出来る電極が、前記出力開口の近傍に設
    けられている事を特徴とする請求項(11)記載の電気
    的放電要素。
  13. (13)前記駆動手段が前記出力開口を順次活性化させ
    るように構成されている事を特徴とする請求項(12)
    記載の電気的放電要素。
  14. (14)各々が電子エミッタと協動する、複数の隣接す
    る細長い電子ダクト空洞を有し、それらの空洞が電気絶
    縁物質の壁により規定されていて、対応する長さ方向に
    延在する空洞の壁に、電気的に駆動可能な一連の開口が
    設けられていて、それら一連の開口がマトリックス構成
    を構成している事を特徴とする電子ビームアドレスシス
    テム。
  15. (15)前記エミッタ及び前記開口が、前記マトリック
    ス構成のライン順次走査を実現する駆動手段に接続させ
    る事が出来る事を特徴とする請求項(14)記載のアド
    レスシステム。
  16. (16)請求項(14)又は(15)に記載された電子
    ビームアドレスシステムを有するカメラ管。
  17. (17)請求項(14)又は(15)に記載された電子
    ビームアドレスシステムを有する表示管。
  18. (18)請求項(1)〜(10)の何れかに記載の電気
    放電要素を電子発生源とした電子顕微鏡。
  19. (19)電子発生面を備えたカソードを有し、そのカソ
    ードが、二次放出係数δを有する電気絶縁材料の壁によ
    り各々規定されている複数の電子ダクト空洞と協動し、
    各空洞が出力開口を有し、電圧源に接続することの出来
    る電極手段が動作時に前記カソードから前記出力開口ま
    での各空洞内のパスに電界強度Eの電界を与えるために
    設けられていて、δ及びEが前記空洞中の電子の搬送を
    可能とする値を有している事を特徴とする電気的放電要
    素。
  20. (20)電子発生源として請求項(19)に記載の電気
    的放電要素を有する電子ビームリソグラフィ装置。
  21. (21)動作時に、前記実効二次放出係数δ_e_f_
    fがほぼ1に等しい事を特徴とする前記請求項の何れか
    に記載の装置。
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