JPH10508982A - 入射粒子からエミッタを保護する手段を有する光電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光電装置は、長手軸線と、この長手軸線と直交する第１の面に位置する電子放出区域と、前記第１の面と対向し長手軸線と直交する第２の面に位置する電子ターゲットとを有する。第１のグリッドは電子を通過させる開口を有し、この開口は長手軸線に対して電子放出区域よりも外側に位置する。第１のグリッドが電子放出区域を直接望む範囲内に位置する場合、別のグリッドにシィールドを設けて開口の縁部壁を正のイオンからシィールドする。

Description

【発明の詳細な説明】 入射粒子からエミッタを保護する手段を有する光電装置 本発明は、長手軸線と、この長手軸線と直交する第１の面に位置する電子放出 区域と、前記第１の面と対向し長手軸線と直交する第２の面に位置する電子ター ゲットとを有する光電装置であって、さらに前記長手軸線に沿って前記電子放出 区域の近傍に配置され電子を通過させる少なくとも１個の開口を有する少なくと も１個の電子グリッドを含むグリッド装置を具える光電装置に関するものである 。 このような光電装置は陰極線管の陰極及び電子銃の（一部）を構成することが でき、電子ターゲットは蛍光スクリーンとされる。 この形式の光電装置は米国特許第４９４７９０４号及び第４５７４２１６号か ら既知である。 この既知の光電装置は半導体の形式の電子エミッタ（冷陰極とも称する）を有 し、この電子エミッタは（高い）エネルギー粒子の衝撃による損傷を受けやすい 。ポンピングやゲッタリングが行われているが、光電装置の真空容器内には残留 ガスが常時残存しているので、これらの残留ガスから電子流により正及び負のイ オンが発生する。負のイオンはターゲットに向けて加速される。電子銃に印加さ れる電圧により陰極線管で発生する加速電界及び集束電界の作用のもとで、正イ オンの一部がエミッタに向けて移動する。 電子放出区域は、上記従来技術の３極管装置の第３グリッドの開口内にイオン トラッププレートを設けることにより従来技術に述べられている方法により直接 入射する粒子（正のイオン）から保護することができる。 しかしながら、実際には、上記方法で保護されるエミッタの寿命は予期できる 程度に至っていないのが実情である。 本発明の目的は、イオン入射からの保護を一層有効にすることにある。 この目的を達成するため、本発明の光電装置は、グリッドの開口を長手軸線に 関して放出区域よりも外側に位置させることを特徴とする。 この（ダイオード）形態の特有の実施例は、プレナ光電系が、放出区域の面に 極めて接近すると共に平行な面内に配置することを特徴とする。正しい電圧が印 加されると、放出された電子は印加電圧により長手軸線から離れた経路の第１の 部分に沿って偏向される。その後、この電子は長手軸線から放出区域よりも遠く 離れた（さらに外側）第１のグリッドの開口を通過する。戻ってくる正のイオン はこの経路を追従できず、従って放出区域に到達することができない。このよう にしてエミッタの寿命が増大することが本発明者の認識である。 本発明区域は単一ビームを発生することができる。一方、別の極めて有効な実 施例は、電子放出区域が、プレナ光電装置が設けられ長手軸線に対して対称に位 置する２個のサブ区域を有し、前記長手軸線に対してさらに外側に位置する（オ フ−アキシース）第１のグリッドの開口が各サブ区域と関連することを特徴とす る。 しかしながら、これらの方策を用いる場合、使用においてエミッタが劣化する ため、その寿命つまり装置の寿命は全体として限界がある。 本発明は、さらに光電装置の電子放射区域を直接望む（臨界的な）開口縁部を 有する１個又はそれ以上のグリッドの存在がエミッタの劣化に重要な影響を有し ているという認識に基づいている。これらの開口縁部が粒子の入射に露出してい る場合、これらの縁部が粒子を散乱させて電子放出区域に入射させ電子放出区域 を劣化させるおそれがある。 従って、本発明は、電子放出区域を直接望む範囲内に位置する電子グリッドの 開口縁部が粒子を電子放出区域に向けて散乱させるのを防止する手段を設ける。 これを実現する第１の方策は、装置にナイフエッジを設けることである。これ は、開口縁部がグリッドの主面に対して鋭角で延在する少なくとも１個の面を有 することを意味する。従って、開口縁部の放出区域に対する空間開口角が最小に なる。第２の方策は、開口縁部に対して下流側に位置する、すなわち開口縁部よ りも放出区域から離れて位置する１個又はそれ以上のシィールド、すなわち（イ オン）トラップにより臨界的な開口縁部を粒子入射からシィールドすることであ る。このようなシィールドは、適切な寸法で配置された金属プレート又は電子グ リッドとすることができる。 この臨界的な開口縁部をシィールドする方法は極めて有効であり、散乱した粒 子が電子放出区域に入射するのを大幅に抑制することができる。 本発明はエネルギー粒子により損傷を受けやすい全ての電子エミッタについて 重要であり、ＰＮ接合が反転方向に駆動される（アバランシェ）冷陰極だけでな く、一般的なＰＮ形エミッタ（例えばＰＮ接合が反転方向に駆動される形式の陰 極のようなＮＥＡ陰極だけでなく、ＰＮ接合が順方向に駆動される形式の陰極も 含む）、電界エミッタ、表面伝導形エミッタについても重要である。この形式の 陰極の重要な用途は、表示管についてだけでなく、例えば電子顕微鏡や電子ビー ム分析装置にも適用される。 以下後述する実施例に基づき本発明を詳細に説明する。 図面として、 図１は電子ターゲットを有する真空管（図示せず）の一部を構成する光電装置 の一部の線図的断面図であり、電界表示ライン及び電子の経路も図示する。 図２は図１の細部を示し、予備集束により発生し電位的なライフタイムが制限 されたイオンの経路を示す。 図３は図１と同様な断面図であり、主レンズにより発生し電位的なライフタイ ムが制限されたイオンの経路を示す。 図４は電子放出区域を有する半導体陰極を断面図である。 図５は２個の環状セグメントに分割された放出区域を線図的に示す。 図６は２個の開口を有するＧ₁ グリッドの線図的平面図であり、このグリッド の下側の２個のセグメントに分割された放出区域（破線で示す）を示す。 図７は３個のエミッタを有する本発明の光電装置用の電子グリッド装置を示す 。 図８はナイフエッジを有するグリッド開口を示す。 図１は光電装置の一部の断面図である。この光電装置は長手軸線Ｚを有し、こ の長手軸線に沿って複数の電子グリッドＧ₁，Ｇ₂ 及びＧ_3a，Ｇ_3bを配置する。 電子放出区域Ａは長手軸線の点Ｏ付近に位置する。本例では、この点はプレナ光 学系が設けられている半導体陰極の表面とする。電子放射区域に対して正しい電 圧がプレートプレナ光学系及びグリッドＧ₁，Ｇ₂ 及びＧ₃ に印加されると、放 出された電子は予め定めた電子経路に沿って追従する。尚、２個の電子経路を図 １に線図的に示す。この実施例において、これらの経路は初め長手軸線Ｚから離 れるように移動し、その後幾分戻るように湾曲する。この電子放出区域はセグメ ントとすることができ、周密なビームを発生することができる。放出区域及び電 子グリッドは、変形例として長手軸線を中心に回転するものと考えることができ る。例えば、環状電子グリッドと組み合わされた環状放出区域は中空電子ビーム を発生する。このビームは、例えば蛍光スクリーンのような電子ターゲットに集 束し偏向することができる。 本例の場合、本発明の範囲内において必要な電子トラップを設けることは複雑 である。この点に関して、長手軸線の両側において（２本の対称な）サブビーム を発生させ、これらサブビームを初め発散させその後集束させることが有益であ る。この場合、あたかも不完全な中空状のビームが発生する。中空ビームの利点 は、予備集束による空間電荷の減少及び集束レンズの球面収差の低下により電子 ターゲット上のスポットが一層シャープになることである。 電子の衝突又は別の態様（フォトン）により真空容器（電子銃の区域）にエネ ルギー粒子（正のイオン）が発生する場合、これらのエネルギー粒子は電子放出 区域に向けて加速されてしまう。 図面により明確にするため、図２は、図１の電子放出区域Ａ付近の詳細な構成 を示す。図２はイオン経路も示す。電子放出区域Ａは、長手軸線Ｚ上又はその近 傍に配置したシィールド又はトラップＴ_G1の形態のイオントラップにより直接入 射から保護される。さらに下流においても長手軸線Ｚ上にシィールド又はトラッ プＴ_G2の形態のイオントラップを配置する。電子放出区域が望まれる範囲内に位 置するＧ₁ の縁部にはイオンが入射することができない。（従って、仮想の接続 ラインが、エミッタから遠く離れた長手軸線上の点からエミッタに接近したグリ ッドの開口縁部までシィールドと交差する場合、シィールドはトラップとして機 能する。この点は、例えば集束作用のある（レンズ電界の電界強度が変化する） 区域Ｆ（図１）に位置する。 図３は図１の構成を示し、イオン経路を図示する。電子放出区域を望む範囲内 のＧ₂ 及びＧ_3aの縁部にイオンが衝突しないようにするため、プレート状の電極 の形態の電子トラップを長手軸線Ｚ上又はその近傍に配置する。 本発明の概念は、半導体陰極（冷陰極）を有する光電装置に加えて、粒子の衝 撃の影響を受ける別の形式のエミッタを有する光電装置にも良好に適用すること ができる。 図４はプレナ光電装置及び重ねて形成された電極Ｇ₁ が設けられている例えば アバランシェ冷陰極のような半導体陰極２３の線図的断面図である。 本例では、電子は半導体陰極２３の所望のパターンに応じて発生する。この為 、陰極２３はｎ型領域２９，３０が形成されているシリコンのｐ型基板２８を有 する半導体本体を具え、これらｎ型領域２９，３０は実際の放出区域において深 い拡散領域２９及び薄いｎ型層３０を構成する。ｐ型基板２８とこの領域のｎ型 領域２９，３０との間のｐｎ接合の降伏を低下させるため、イオン注入により形 成したｐ型領域３１により基板のアクセプタ濃度を局部的に増大させる。従って 、電子放出は絶縁層３２が除去された区域３３内で行われ、電子放出面にはセシ ウムのよな仕事関数を低下させる単原子層を形成することができる。電極系３４ ，３４（プレナ光学系）は、例えばシリコン酸化物のような絶縁層３２上に配置 して放出された電子を長手軸線から偏向することができ、この電極系を用いて下 側にある半導体本体を正イオンの直接入射からシィールドすることもできる。 図５は、２個の円形セグメント状の区域１３，１４を用いて２本のサブビーム を形成するエミッタの構成を示す平面図である。円形セグメントの開口角は１° と１６０°との間の値を有することができる。この実施例において、セグメント １３及び１４は約６０°は開口角αの（実際の）値を有する。 このような構成に好適なＧ₁ グリッドを図６に示す。本図は、放出区域１３， １４を直接イオン入射からシィールドする中央部分１０を有すると共に２個の（ 豆形状）開口１１及び１２を有するグリッドを示す。このように形成され初めに 発散するサブビームはターゲット上で集束することができる。電子銃内のサブビ ームのビーム形状は図１に示す形状に対応する。 ポテンシャル（解像度）としての利点は以下の通りである。 ・高陰極輝度に起因するより小さいスポットサイズ（ＣＭＴ） ・中空ビームにすることにより主レンズの球面収差が一層小さくなる（差動収差 ） ・仮想クロスオーバを利用することにより予備集束おいて空間電荷が一層小さく なる カラー表示管（例えば、２１カラーモニタ管）に用いる場合、必要な数の開口 が形成されているジョイントＧ₁ グリッドプレートを用いこれに３個の個別のエ ミッタを注意深く整列させて固定することにより適用することができ、図７を参 照することができる。 一般的に、本発明は電子を通過させる開口が形成されているＧ₁ 電子グリッド に関するものであり、このグリッドは粒子（正のイオンのような）の入射から電 子放出区域の表面をシィールドするように配置される。開口の（外側）縁部が空 間開口角を有し（すなわち、電子放出区域を直接望む範囲内にある場合）且つエ ネルギー粒子がそこに付着できる場合、この縁部を保護するため下流側にイオン トラップが必要になる。この別のイオントラップ及び／又は別のグリッド自身が 粒子が付着できる縁部を有し、この粒子が直接又は散乱した後間接的に電子放出 区域に到達できる場合、この縁部はさらに下流側に配置した別のイオントラップ により保護されることになる。 開口の縁部を放出区域に向く（又は別の縁部に向く）散乱粒子から保護するた め、開口にナイフエッジを形成することが有効である。 図８にナイフエッジを有する開口の種々の実施例を示す。図４と同様に、図８ はプレナ光電装置及び重畳形成したＧ₁ 電極が形成されている（半導体）陰極２ ３を示す。陰極２３はｎ形領域が形成されてい半導体本体２７を具え、これらｎ 形領域は実際の放出区域の領域において深い拡散領域２９及び薄いｎ形層３０を 構成する。基板領域２８はｐ形とし、アクセプタ濃度はイオン注入により区域３ １において局部的に増大させる。従って、電子放出は絶縁層３２により規定され る区域３３内で行われる。電極３４、３４を有するプレナ光電装置を用いて放出 された電子を偏向する。重ねて形成した電極Ｇ₁ は、通常の（直交する）縁部が 入射粒子を放出区域３３に向けて散乱する位置にナイフエッジを有する開口を有 する。本例において、ナイフエッジ３５の面３６は、グリッドＧ₁ の放出区域３ ３と対向する面３７に対して鋭角をなす。 開口が形成されているプレートの形態の粒子（イオン）トラップ３８は、グリ ッドＧ₁ の開口３９の縁部を入射粒子から保護するように設けることができる。 特有の実施例として、グリッドＧ₂ 自身を（イオン）トラップとして用いること もでき、ナイフエッジ３９を形成することもできる（本例では、トラップ３８の 主面の各々を鋭角にした面を有する）。 符号４０は別のトラップすなわちグリッドを示し、このグリッドは、本例では ナイフエッジ面４２を有し、このナイフエッジ面は電子放出区域３３から離れた 主面４２が鋭角をなしている。 ナイフエッジを用いることはイオントラップを用いることに有益に結合するこ とができる。 Ｇ₁ 及びＧ₂ の場合（図７を参照）のように、イオントラップと光電装置とを 結合することができ、或いはＴ_G3の場合のように（図７参照）イオントラップを 個別に配置することができる（特に、等電位空間に）。 要約するに、本発明は、電子放出区域、長手軸線及びこの軸線に沿う開口が形 成されてい電子グリッドの配置を有する光電装置に関するものである。 第１グリッドは電子を通過させる開口を有し、この開口は長手軸線に対して放 出区域よりも外側に位置する。第１のグリッドが電子放出区域を直接望む範囲内 に位置する場合、別のグリッドにシィールドを形成して開口の縁部壁を正のイオ ンの入射からシィールドする。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｊ 29/50 Ｈ０１Ｊ 29/50

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．長手軸線と、この長手軸線と直交する第１の面に位置する電子放出区域と、 前記第１の面と対向し長手軸線と直交する第２の面に位置する電子ターゲットと を有する光電装置であって、さらに前記長手軸線に沿って前記電子放出区域の近 傍に配置され、電子を通過させる少なくとも１個の開口を有する少なくとも１個 の電子グリッドを含むグリッド装置を具える光電装置において、前記グリッドの 開口が、前記長手軸線に対して、電子放出区域よりも外側に位置することを特徴 とする光電装置。 ２．請求項１に記載の装置において、前記電子放出区域に、放出された電子を長 手軸線から離れるように偏向させるプレナ光電系が設けられていることを特徴と する装置。 ３．請求項１に記載の装置において、前記電子放出区域が長手軸線に対して対称 に位置する２個のサブ区域を有し、前記長手軸線に対して外側に位置する第１の グリッドの開口が各サブ区域と関連することを特徴とする装置。 ４．請求項１に記載の装置において、前記電子放出区域を直接望む範囲に位置す る少なくとも１個のグリッドの開口縁部が、粒子を電子放出区域に向けて散乱す るのを阻止する手段を設けたことを特徴とする装置。 ５．請求項４に記載の装置において、前記電子放出区域を直接望む範囲に位置す る少なくとも１個の開口縁部の壁部が、そのグリッドの主面に対して鋭角をなす ことを特徴とする装置。 ６．請求項４に記載の装置において、前記電子放出区域を直接望む範囲に位置す る電子グリッドの少なくとも１個の開口縁部の壁部を、前記電子放出区域からさ らに遠く離れて位置するシィールドにより粒子衝撃からシィールドしたことを特 徴とする装置。 ７．請求項６に記載の装置において、前記シィールドを、前記開口と電子ターゲ ットとの間に配置した後段の電子グリッドの長手軸線の付近に位置する部分によ り構成したことを特徴とする装置。 ８．請求項７に記載の装置において、前記後段の電子グリッドが電子を通過させ る開口を有し、この開口の縁部が前記電子放出区域からさらに離れて位置するシ ィールドにより粒子衝撃からシィールドされていることを特徴とする装置。 ９．請求項８に記載の装置において、前記シィールドを、前記開口と電子ターゲ ットとの間に配置した後段の電子グリッドの長手軸線の付近に位置する部分によ り構成したことを特徴とする装置。 １０．請求項１に記載の装置において、前記第１のグリッドに接近して位置する 第２のグリッドが、長手軸線に対して第１のグリッドの開口よりも外側に位置す ることを特徴とする装置。