CN102576635A - 电子枪用灯丝及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种制造在电子枪(10)中使用的灯丝(1)的方法，包括：准备由金属材料构成的板材(P)的工序；和从板材(P)切出具有至少1个曲折(1c)的线材(P1)的工序。通过该制造方法从板材(P)切出的线材(P1)具有矩形状截面。

Description

电子枪用灯丝及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电子枪用灯丝及其制造方法，电子枪例如在熔炉或蒸镀装置中被作为加热源利用，而灯丝被设置在电子枪上，对作为电子束发生源的阴极电极进行加热。

背景技术

以往，作为一种发射电子束的电子枪，已知有例如专利文献1中记载的皮尔斯电子枪(Pierce type electron gun)。通常，在皮尔斯电子枪中，从通过交流电流的焦耳热来发热的灯丝放出热电子，对灯丝施加了正电压的阴极电极被来自灯丝的热电子和热辐射加热。由此，从阴极电极放出热电子。然后，从该阴极电极放出的热电子在由与阴极电极同电位的韦内尔特电极以及对这些阴极电极和韦内尔特电极施加了正电压的阳极电极形成的电场的作用下被集束，作为电子束放出。

在构成电子枪的上述灯丝的制造方法中，通常如图1(a)所示，作为原材料，例如使用由钨或钨的合金等构成的直线状的金属丝(wire)W。而且，在该金属丝W的长度方向上的中央部分上实施弯曲加工，从而以凹凸曲线状形成用于放出热电子的曲折部100a(参见图1(b))。并且，通过对夹持该曲折部100a的两侧也实施弯曲加工，从而形成固定到对灯丝100进行支承的部件上的腿部100b。

在此，作为上述的阴极电极的加热源采用了这样的灯丝100时，在放出电子束的期间，始终向上述曲折部100a持续供给交流电流，通过该曲折部100a向阴极电极供给足以使阴极电极放出热电子程度的热量。因此，曲折部100a几乎被持续保持在2000K到3000K这样的高温。若像这样反复对实施了弯曲加工的曲折部100a进行加热，则起因于该热，在残留在曲折部100a上的加工应变(processing strain)上产生复原力，导致灯丝100容易变形。不仅如此，伴随这样的变形，灯丝100与阴极电极接触，或者灯丝100的中心与阴极电极的中心之间发生偏移，有可能导致从电子枪放出的电子束的输出变得不稳定。

于是，为了解决由上述热变形引起的诸问题，考虑了这样几种对策：a、预先将灯丝和阴极电极分离即使灯丝变形也不会接触的程度；b、为了抑制由上述加热引起变形，将金属丝W弯曲而形成了前面的图1(b)所示形状的灯丝之后，进一步进行退火处理。

【背景技术文献】

专利文献1：日本特开平7-201297号公报

但是，在上述a方法中，虽然能够避免灯丝与阴极电极接触，然而若它们之间的距离增大，则来自灯丝的热电子自身难以到达阴极电极。在这样的情况下，为了确保定量的电子束输出，需要提高用于将热电子引入到阴极电极的阴极电压，这样的话有可能会使电子束的控制不稳定，并且引起容易产生异常放电的新问题。并且，若为了确保定量的电子束输出而进一步提高灯丝的温度，则会有不对阴极电极的加热起到作用的多余的热能量被放出到包含灯丝、阴极电极、韦内尔特电极、以及阳极电极等电子枪的构成部件的电子束发生部内，从这些电子枪的构成部件放出的气体增多，由此引起发生异常放电这样的新问题。

另外，在上述b方法中，通过退火处理能够减少灯丝的应变，抑制弯曲复原，但另一方面，构成灯丝的各个结晶粒粗大化，灯丝变脆化，所以有可能在将灯丝安装到对灯丝进行支承的支承部件上时容易破损。另外，作为抑制了该脆化的灯丝破损的机构，也考虑了预先将这种实施了退火处理的灯丝安装到能够对灯丝的形状进行保持的绝缘物上，将灯丝和该绝缘物一起作为灯丝单元安装到上述支承部件。但是这种方法另外需要绝缘物，导致灯丝的维持所需的费用增大。

如上所述，在解决由上述灯丝的加热引起的变形或由该变形引起的诸问题的对策方面，仍有改善的余地。

发明内容

本发明是鉴于这样的情况而提出的，其目的在于，提供一种能够抑制搭载在电子枪上的灯丝在电子枪的使用时因加热而变形的电子枪用灯丝、及其制造方法。

本发明的第一方式涉及一种制造在电子枪中使用灯丝的方法。该方法包括：准备由金属材料构成的板材的工序；和从所述板材切出具有至少1个曲折的所述灯丝的线材的工序。

根据该方法，从由金属材料构成的板材切出具有至少1个曲折的灯丝的线材。因此，与通过以具有曲折的方式对金属丝实施弯曲加工来形成的现有的灯丝相比，能够抑制在灯丝的曲折处残留的加工应变。因此，在使用电子枪时，即使灯丝被加热，也能够抑制在曲折部的弯曲上产生复原力。即，能够抑制因加热而引起曲折形状变化导致灯丝变形。

在上述方法中，准备所述板材的工序可以包括准备由在该板材的厚度方向上层积的多个金属板构成的金属层积板的工序。

在灯丝的板材中使用的金属材料是结晶粒的集合体，各个结晶粒通过加热而成长。当该加热的条件为高温化、或长期化等时，结晶粒的粗大化加深，导致板材变脆。作为抑制该脆化的一种方法，如上所述，可以考虑作为灯丝的板材使用多个金属板的层积板。在该方法中，与使用单一金属板的情况相比，能够减少每张金属板的厚度。由此，能够抑制在金属板的厚度方向上的结晶粒的粗大化，进而也能够提高电子枪用灯丝的强度及寿命。

在上述方法中，所述多个金属板分别被压延形成，所述多个金属板以各个金属板的压延方向相互交错的方式层积。

在压延形成的金属薄板中，通常，压延率越高，在压延方向与其他方向上机械强度差异越大。例如，弹性模量、屈服强度、拉伸强度等特性具有在与压延方向垂直的方向上最大、且在与压延方向平行的方向上最小的趋势，另一方面延伸率具有在与压延方向垂直的方向上最小、且在与压延方向平行的方向上最大的趋势。考虑到这一点，在使用被压延形成的多个金属板的情况下，可以在各个金属板的压延方向相互交叉的方式层积多个金属板。在该方法中，各金属板的机械特性互补，层积板的机械强度提高。进而，由从该层积板切出的线材构成的灯丝的机械强度提高。

在上述方法中，所述多个金属板由不同的金属材料形成。

在该方法中，与由同一金属材料构成多个金属板的情况相比，能够抑制各金属板的结晶粒粗大化而越过金属板彼此的界面。也就是说，能够抑制各金属板的结晶粒粗大化而超过各自金属板的厚度。其结果，能够将在层积板的厚度方向上的结晶粒的粗大化限定在该结晶粒所属的金属板的厚度内。

在上述方法中，在如下前提下制造灯丝，在将所述灯丝搭载到了所述电子枪上时，所述灯丝的所述曲折与设置在所述电子枪上的阴极电极对置，并且被从电源供给的电流加热而放出对所述阴极电极进行加热的热电子。在这种情况下，准备所述金属层积板的工序包括由所述多个金属板之中的功函数最小的金属板形成与所述阴极电极对置的金属板的工序。

总所周知，功函数是指从某个物质的表面取出1个电子时需要的最小能量。也就是说，在要从某个物质的表面放出1个热电子的情况下，需要对该物质进行加热，对物质内的电子赋予该功函数以上的能量。因此，功函数越大的物质，为了放出热电子需要加热到更高的温度，换言之需要流入更大的电流。考虑到这一点，在灯丝的板材中使用金属层积板的情况下，可以讲多个金属板之中的与电子枪的阴极电极对置的金属板的功函数设为小于其他金属板。由此，靠近阴极电极的金属板在比其他金属板低的温度下放出热电子。因此，与像以那样对由单一材料构成的线材进行折弯而形成的灯丝相比，能够使与阴极电极对置的金属板的温度下降。进而，也能够使其他金属板的温度降低，所以能够抑制灯丝向阴极电极侧变形。

在上述方法中，准备所述板材的工序包括准备由钨及含钨的合金之中的至少一个的金属板形成的工序。

钨在金属材料之中熔点最高，所以即使在高温下使用也容易保持其形状稳定。另外，钨具有较大的电阻，所以在流过电流时的发热量大。也就是说，钨是适合于要求热稳定性和大量发热的部件的形成材料。考虑到这一点，作为灯丝的板材，优选采用由钨及含有钨的合金之中的至少一个的金属板形成。

在上述方法中，准备所述板材的工序包括准备由钽金属板和钨金属板构成的金属层积板的工序。

钽在比钨低的温度下放出热电子。因此，与通过将单一材料的线材折弯而形成的现有的灯丝或从线材切出单一钨板来形成的灯丝相比，能够抑制灯丝自体的温度上升。因此，能够抑制因加热而引起灯丝变形，并且还能够延长灯丝的平均寿命。

在上述方法中，从所述板材切出所述电子枪用灯丝的线材的工序包括通过金属丝放电加工从所述板材切出所述线材的工序。

金属丝放电加工通常是指利用在作为工具电极的金属丝与被加工体之间的放电来除去被加工体的一部分，从而将该被加工物加工成所需形状的方法。因此，只要被加工体是导体，则不论其硬度如何，均能够实施加工。另外，通过金属丝的位置控制，能够将被加工物加工成所需的形状。因此，若采用从板材切出线材的金属丝放电加工，则能够扩大灯丝形成材料的选择范围，并且还能够提高该灯丝形状的精度。

本发明的第二方式涉及一种在电子枪中使用的灯丝。所述灯丝具备由金属材料形成且具有至少1个弯曲的线材，所述线材具有矩形状截面。

根据此结构，与通过对金属丝实施弯曲加工而形成的现有的灯丝、即截面为圆形状的金属丝的现有的灯丝相比，在灯丝的曲折处残留的加工应变得到抑制。因此，即使在电子枪的使用时灯丝被加热，也能够抑制在曲折部的弯曲上产生复原力。即，能够抑制由加热引起曲折形状变化而导致灯丝变形。

在上述灯丝中，所述线材使用包含多个金属板的金属层积板形成。在该构成中，与使用单一金属板的情况相比，能够减少每张金属板的厚度。由此，能够抑制在金属板的厚度方向上的结晶粒的粗大化，进而提高电子枪用灯丝的强度及寿命。

在上述灯丝中，所述多个金属板由不同的金属材料形成。在该构成中，能够抑制各金属板的结晶粒粗大化而超过各自金属板的厚度。其结果，能够将层积板在厚度方向上的结晶粒的粗大化限定在该结晶粒所属的金属板的厚度内。

在上述灯丝中，所述金属层积板是钽金属板和钨金属板的层积板。在该构成中，与通过将单一材料的线材折弯而形成的现有的灯丝、或从单一钨板切出线材而形成的灯丝相比，能够抑制灯丝自身的温度上升。由此，能够抑制由加热引起的灯丝变形，并且能够延长灯丝的平均寿命。

在上述灯丝中，所述灯丝以所述多个金属板之中的功函数最小的金属板与所述阴极电极对置配置的方式形成。在该构成中，多个金属板之中的靠近阴极电极的金属板在比其他金属板低的温度下放出热电子。因此，对与由单一材料构成的线材进行折弯而形成的现有的灯丝相比，能够降低与阴极电极对置的金属板的温度。进而，能够降低其他金属板的温度，所以能够抑制灯丝向阴极电极侧变形。

附图说明

图1(a)是示出在现有的电子枪用灯丝中使用的金属丝的立体图，图1(b)是示出现有的电子枪用灯丝的制造工序的立体图。

图2是示出涉及本发明的一个实施方式的电子枪用灯丝的概要结构的立体图。

图3(a)～(d)是概要地示出图2的电子枪用灯丝的制造工序的示意图。

图4是示出采用图2的电子枪用灯丝的电子枪的结构的概要图。

图5是示出供向图2的电子枪用灯丝的投入电力和电子束输出之间的关系的曲线图。

图6是示出供向阴极电极的投入电力和电子束输出之间的关系的曲线图。

图7是示出变更了阴极电压时的供向电子枪用灯丝的投入电力和电子束输出之间的关系的曲线图。

图8(a)(b)是示出对电子束的稳定性进行了评价的结果的曲线图。

图9是示出图2的电子枪用灯丝的耐用时间的曲线图。

图10是示出能够作为图2的电子枪用灯丝的材料使用的钨和钽的热电子放射密度的比较的曲线图。

图11是示出在图2的电子枪用灯丝中使用了钨金属板和钽金属板的W-Ta层积板的实施例2的电子枪用灯丝的概要结构图。

图12是示出只使用了钨金属板的实施例1的灯丝的寿命和使用了W-Ta层积板的实施例2的灯丝的寿命的曲线图。

具体实施方式

下面，参照图2和图3，说明将涉及本发明的电子枪用灯丝1的制造方法具体化的一种实施方式。

图2是示出通过本实施方式的制造方法制造出的电子枪用灯丝1的立体结构。如图2所示，电子枪用灯丝1是外周面由4个面构成的、由钨等高熔点金属构成的截面呈矩形状的线部件。该电子枪用灯丝1在包括构成上述外周面的1个面(阴极对置面1s)的虚拟平面Pi上具有由3处连续的曲折1c构成的凹凸曲线状的曲折部1a。在该曲折部1a上，在上述3处曲折1c相连的方向的两端部上折弯形成有在阴极对置面1s的法线方向上延伸的直线状的一对腿部1b。也就是说，作为截面呈矩形状的线材的电子枪用灯丝1通过沿着构成其外周面的4个面中的任意一个面折曲而构成为不具有沿着灯丝1的圆周方向的扭曲。

图3示出这样的电子枪用灯丝1的制造工序。

如图3(a)所示，在制造上述电子枪用灯丝1时，首先准备该线材的构成材料，例如准备由钨构成的金属板P。另外，在本实施方式中，作为金属板P，使用作为加工面Ps具有上述阴极对置面1s(虚拟平面Pi)且例如厚度为0.5mm的钨板。

接着，如图3(b)所示，通过周知的金属丝放电加工装置WE对金属板P进行加工。更详细地说，从加工电源WE2对以与金属板P的加工面Ps正交的方式配置的由钨等构成的工具金属丝电极WE1和作为被加工体的金属板P施加例如60V～300V左右的电压。而且，通过公知的NC(Numerical Control，数字控制)装置WE3控制金属板P的位置的同时，使金属板P依照上述阴极对置面1s上的3处曲折1c的形状、即在该电子枪用灯丝1上的曲折部1a的二维凹凸曲线的形状进行上下或左右移动。顺便说一下，此时的金属板P的移动速度、所谓的加工输送速度通常为5mm/1分钟左右。由此，当工具金属丝电极WE1与金属板P之间的距离为几十μm左右时，在它们之间产生火花放电。此时，工具金属丝电极WE1及金属板P的温度被加热到几千度，金属板P的一部分熔化，并且该熔化的金属因以金属板P的冷却和加工粉的去除为目的而供给的加工液的体积膨胀而从金属板P上飞散。另外，作为加工液，使用水或火油等绝缘液。另外，为了避免通过这样的加热而引起的熔化、断裂，通过未予图示的金属丝供给机构及金属丝卷绕机构来进行工具金属丝电极WE1的供给及卷绕。通过像这样熔化金属飞散，从而在金属板P上形成加工槽。另外，通过上述NC装置WE3进行金属板P的位置控制的同时，反复进行这样的加工槽的形成工序，从而以包含曲折部1a的形式切出用于形成电子枪用灯丝1的线材P1。

像这样，在切出线材P1时，只要采用通过上述金属丝放电加工装置WE进行的金属丝放电加工即可，只要是导体，无论其硬度如何，都能够作为该电子枪用灯丝1加工，所以涉及电子枪用灯丝1的形成材料的选择范围扩大。另外，由于通过金属丝放电加工装置WE所具备的NC装置WE3，能够与电子枪用灯丝1的二维形状对应地且高精度地进行金属板P的位置控制，所以能够提高涉及该电子枪用灯丝1的形状的精度。

如图3(c)所示，像这样通过金属丝放电加工装置WE切出的线材P1形成为在长度方向的中心部具有曲折部1a、且与加工面Ps(阴极对置面1s)垂直的截面为矩形的形式。然后，如图3(d)所示，通过将上述线材P1的长度方向的两端部向加工面Ps(阴极对置面1s)的法线方向折弯，从而制造出电子枪用灯丝1。

在这样电子枪用灯丝1的制造方法中，不像前面的图1所示的现有的灯丝100的制造方法那样对作为线材的金属丝W施加外力来进行弯曲而将曲折部100a形成为所需的形状，而是使用金属丝放电加工装置WE以包括曲折部1a的形式将线材P1从金属板P切出。由此，能够抑制在制造出的电子枪用灯丝1的曲折部1a上产生由加工引起的应变，能够抑制在将电子枪用灯丝1搭载在电子枪上时的由加热起因的该电子枪用灯丝1、尤其曲折部1a的变形。

另外，在像这样通过金属丝放电加工切出的灯丝1中，如上所述，与包括该曲折部1a的阴极对置面1s垂直的截面的形状为矩形。而且，在构成电子枪用灯丝1的外周面的一对对置面、具体地讲与包括曲折部1a的阴极对置面1s垂直的一对面上形成有通过金属丝放电加工产生的加工痕。该加工痕是隔着预定间隔形成的与金属丝放电加工时的上述工具金属丝电极WE1的行进方向、即电子枪用灯丝1的线材P1的长度方向垂直的条状的痕、所谓的条痕。由此，通过该电子枪用灯丝1的截面形状为矩形、以及在上述一对面上隔着预定间隔形成有条痕等特征，能够识别出本发明的电子枪用灯丝1和像以往那样的使金属丝W(图1)折曲而形成的灯丝100。

接着，参照图4说明搭载上述电子枪用灯丝1的电子枪、也就是皮尔斯电子枪10。图4示出例如适用于蒸镀装置的皮尔斯电子枪10的概要结构。如该图4所示，在皮尔斯电子枪10上搭载有电子枪用灯丝1，电子枪用灯丝1通过交流电流的焦耳热进行发热而放出热电子。在相对于该电子枪用灯丝1的阴极对置面1s的法线方向(照射方向D)上依次配置有阴极电极2、韦内尔特电极(wehnelt electrode)3、阳极电极4、流体调节器(flow register)5。另外，在与照射方向D相反的方向上，在电子枪用灯丝1的旁边配置有离子收集器8。

电子枪用灯丝1的曲折部1a和阴极电极2以在照射方向D上对置的方式配置。如图4中单点划线所示，电子枪用灯丝1和阴极电极2的各个中心被配设在沿着照射方向D延伸的光轴A上。绕该光轴A的阴极电极2的周围被韦内尔特电极3围绕。在照射方向D上，在韦内尔特电极3的旁边配置有阳极电极4，阳极电极4形成为圆锤筒状，具有与上述阴极电极2的一个面(与照射方向D垂直的面)对置的贯通孔。该阳极电极4与流体调节器5连结，流体调节器5具有与阳极电极4的贯通孔在照射方向D上连续的贯通孔。在流体调节器5的外周上，从靠近上述阳极电极4的位置依次设置有聚焦线圈6和摇摆线圈7。聚焦线圈6及摇摆线圈7分别具有如下功能：产生磁场，使通过了阳极电极4的电子束EB聚焦在照射对象(在本例中为蒸镀材料31)上，或者在蒸镀材料31上摇动。

另外，这些电子枪用灯丝1、各种电极2～4、各种线圈6，7、以及离子收集器8被搭载在具有开口的壳体9内。壳体9的开口作为电子束EB的照射口设置，与上述阳极电极4及流体调节器5的各个贯通孔连结。另外，在壳体9的开口周围设置有凸缘9a，该凸缘9a被固定在蒸镀室30上，蒸镀室30内配置有作为电子束EB的照射对象的蒸镀材料31。蒸镀室30经由该凸缘9a与构成电子枪10的壳体9的开口连通。

在上述电子枪用灯丝1上连接有向该电子枪用灯丝1供给交流电流的灯丝电源21，另外，在阴极电极2及韦内尔特电极3上连接有对这些电极施加直流电压的阴极电源22，而且，在阳极电极4上连接有对该阳极电极4施加直流电压的加速电源23。从阴极电源22及加速电源23对这些阴极电极2、韦内尔特电极3及阳极电极4施加使电子枪用灯丝1的电位最低、且阳极电极4的电位最高的输入电压。

在这样的皮尔斯电子枪10中，首先，来自灯丝电源21的交流电流被供给到电子枪用灯丝1，电子枪用灯丝1被加热到2000K～3000K，放出热电子。而且，通过阴极电源22对电子枪用灯丝1施加了正电位的阴极电极2被来自该电子枪用灯丝1的热电子和热辐射加热，从而同样放出热电子。通过该阴极电极2放出的热电子在韦内尔特电极3和阳极电极4之间的电位差的作用下被加速，沿着上述光轴A飞行，韦内尔特电极3的电位与该阴极电极2的电位相同，阳极电极4对阴极电极2及韦内尔特电极3施加正电位。于是，通过了阳极电极4的贯通孔和与该贯通孔连结的流体调节器5的热电子从壳体9的开口朝向蒸镀室30，作为电子束EB放出。

此时，若从阴极电极2放出的热电子的一部分在壳体9内及蒸镀室30内与残留气体碰撞，则该残留气体被阳离子化。该阳离子被上述阴极电极2与阳极电极4之间的电压加速。当该被加速了的阳离子碰撞阴极电极2时，起因于此，在阴极电极2上形成洞。由此，若像这样长时间放出阳离子，则该洞变大，有可能在阴极电极2上形成贯通孔。考虑到这样的状况，与阴极电极2相邻地在照射方向D的相反方向上配置有上述离子收集器8。在该构成中，在阴极电极2上形成了贯通孔的情况下，穿过该阴极电极2的贯通孔而向电子枪用灯丝1放出的阳离子、即离子束被离子收集器8吸收。因此，能够抑制因离子束而造成电子枪10损伤。

在此，如上所述，涉及本实施方式的电子枪用灯丝1由于与以往的灯丝100(参见图1)相比加工应变少，所以相比于以往的灯丝100，能够抑制其热变形。也就是说，在向电子枪用灯丝1供给交流电流时，相比于以往的灯丝100能够进一步抑制该电子枪用灯丝1向阴极电极2侧移位。由此，能够缩短电子枪用灯丝1与阴极电极2之间的距离(下面称为F-C距离)。因此，在得到与以往相同的电子束EB的输出时，电子枪用灯丝1的加热条件进一步减少与F-C距离缩短的量对应的量。因此，不仅加工应变减少，由此加热条件得到减缓，能够更加确实地抑制电子枪用灯丝1的热变形。进而，能够将电子枪用灯丝1与阴极电极2之间的F-C距离进一步维持在一定值，电子枪用灯丝1的中心和阴极电极2的中心被适当地维持在初始位置。其结果，从电子枪10放出的电子束EB的输出的稳定性有所提高。

(实施例)

下面，与制造例一起说明涉及本发明的电子枪用灯丝1的实施例1。

作为金属板P，准备厚度为0.5mm的钨板，通过使用上述金属丝放电加工装置WE来实施金属丝切割加工，从而从该钨板切出了包含上述曲折部1a的线材P1。并且，对从钨板切出的线材P 1的长度方向上的两端部实施折弯加工而形成腿部1b，从而得到实施例1的电子枪用灯丝1。另外，对直径为0.5mm的钨线材、即截面为圆形状的金属丝实施折弯加工，从而得到了具有与上述曲折部1a的曲折部100a和与上述腿部1b的腿部100b的比较例的灯丝100。

然后，在下面的照射条件下对搭载了实施例1的电子枪用灯丝1的电子枪10和搭载了比较例的灯丝100的电子枪10进行驱动，对实施例1的电子枪用灯丝1向阴极电极2侧的变形量和比较例的灯丝100向阴极电极2侧的变形量进行了计测。另外，在计测中使用的电子枪10除了灯丝不同之外其他结构相同。

·电子束的输出：17kW

·加速电压：20kV

·阴极电压：1.2kV

·F-C距离：4.2mm

另外，作为对来自电子枪10的电子束EB的输出进行控制的方法，已知有灯丝控制和阴极控制。其中，灯丝控制是指这样的方法，使施加到灯丝1与阴极电极2之间的电压、即阴极电压恒定，通过调整投入到灯丝1的电力来控制电子束EB的输出。另一方面，阴极控制是指将投入到灯丝1的电力设为恒定而调整上述阴极电压的方法。下面示出在这2个控制方法之中主要通过灯丝控制来驱动各电子枪10时得到的结果。

测定了上述变形量的结果，确认到实施例1的电子枪用灯丝1向阴极电极2侧的变形量相比于比较例的灯丝100向阴极电极2侧的变形量小了1.6mm。也就是说，在使用了比较例的灯丝100的情况下，F-C距离的最小值需要为4.2mm，相对于此，通过使用实施例1的电子枪用灯丝1，F-C距离的最小值可以缩短到2.6mm。

接着，对从搭载了实施例1的电子枪用灯丝1的电子枪10照射出的电子束输出的照射条件依赖性进行了计测。图5是对2种F-C距离示出在下面的照射条件下照射出的电子束输出和供向电子枪用灯丝1的投入电力之间的关系的图。并且，图6是也是对2种F-C距离示出在下面的照射条件下照射出的电子束输出与供向阴极电极2的投入电力之间的关系的图。而且，图7是对3种阴极电压示出将F-C距离设为2.6mm时的电子束输出和供向电子枪用灯丝1的投入电力之间的关系的图。另外，供向阴极电极2的投入电力是上述阴极电压与在灯丝1和阴极电极2之间流入的电流的乘积。

在此，在图5及图6中，黑圈表示将F-C距离设为2.6mm时得到的结果，另一方面，黑四角形表示将F-C距离设为4.2mm时得到的结果。并且，在图7中，黑菱形表示将阴极电压设为1.0kV时得到的结果，而且，黑圈表示将阴极电压设为1.2kV时得到的结果，此外，黑三角形表示将阴极电压设为1.4kV时得到的结果。

·电子束的最大输出：30kW

·加速电压：20kV

·阴极电压：1.2kV

·F-C距离：2.6mm，4.2mm

顺便说一下，作为F-C距离设定的2.6mm和4.2mm之中，4.2mm是在使用了通过前面的图1所示的现有制造方法制造出的比较例的灯丝100的情况下能够作为F-C距离设定的最小值。相对于此，2.6mm是在使用了通过涉及前面的图3所示的本实施方式的制造方法制造出的实施例1的电子枪用灯丝1的情况下能够作为上述F-C距离设定的最小值。在此，通过涉及本实施方式的制造方法制造出的灯丝1与阴极电极2之间的距离能够设定得更短的理由如上所述。

如图5所示，在以17kV得到电子束EB输出的情况下，当上述F-C距离为2.6mm时，供向灯丝1的投入电力约为83.6W，相对于此，当上述F-C距离为4.2mm时，供向灯丝1的投入电力约为93.1W。因此，确认到了通过缩短上述F-C距离，能够将供向灯丝1的投入电力降低约10％。另外，不限于将电子束EB的输出设为17kV的情况，如图5所示，即使在设定为0.84kW、2.8kW、5.6kW、或11.2kW的情况下，均能够得到大致相同的趋势。推测其原因在于，与F-C距离缩短的量对应地，从灯丝1放出的热电子容易被吸引到阴极电极2，以及涉及热辐射的形状因数(configuration factor)、即从灯丝1辐射的热到达阴极电极2的比例增大。

如图6所示，将电子束EB的输出设为17kV时的供向阴极电极2的投入电力，在将上述F-C距离设为4.2mm时为932.4W，相对于此，在将F-C距离设为2.6mm时为560W。因此，知道了通过缩短上述F-C距离，供向阴极电极2的投入电力大概降低了40％。并且，由图6可知，无论将电子束EB的输出设为0.84kW、2.8kW、5.6kW、以及11.2kW之中的哪一个，即使达不到设定为上述17kW时的降低程度，供向阴极电极2的投入电力均有所降低。推测其原因在于，与F-C距离缩短的量对应地，从电子枪用灯丝1放出的热电子容易被吸引到阴极电极2，以及涉及热辐射的形状因数、即从灯丝1辐射的热到达阴极电极2的比例增大。另外，由于空间电荷的量有限，所以F-C距离越大越需要高的阴极电压也是需要大阴极电极投入电力的一个原因。

由图5、图6的结果可知，通过缩短上述F-C距离，能够在降低供向电子枪用灯丝1的投入电力、供向阴极电极2的投入电力的同时，得到所希望的电子束EB的输出。

如图7所示，无论将电子束EB的输出设定为0.84kW、2.8kW、5.6kW、11.2kW、及17kW之中的哪一个，阴极电压越高，供向灯丝1的投入电力越小。推测其原因在于，阴极电压越高，从灯丝1放出的热电子越容易被阴极电极2吸引。然而，由图7所示的各个曲线图的斜率可知，阴极电压越低，电子束EB的输出的控制性越高。其理由在于，阴极电压越低，将供向灯丝1的投入电力增大预定值或减小预定值时的电子束EB的输出变化程度越缓慢。因此，可以说与电子束EB的输出控制相关的精度提高。

由这样的图7的结果可知，在通过上述的灯丝控制来驱动电子枪10的情况下，虽然阴极电压的值越低，越能够提高涉及电子束EB的输出控制的精度，然而为了得到希望的电子束EB的输出，需要更加增大供向电子枪用灯丝1的投入电力。在这一点上，如上所述，若使实施例1的电子枪用灯丝1，则能够缩短F-C距离，所以在得到所需的电子束EB的输出的基础上，降低供向电子枪用灯丝1的投入电力。因此，提高涉及电子束EB的输出控制的精度时需要的供向电子枪用灯丝的投入电力的增加量与通过F-C距离的缩短而减少的量相抵消。也就是说，若是曲折部1a上的加工应变被抑制了的电子枪用灯丝1，就能够在不增大该供向电子枪用灯丝1的投入电力的情况下，提高涉及电子束EB的输出控制的精度。

接着，对在下面的照射条件下驱动搭载了实施例1的电子枪用灯丝1的电子枪10和搭载了比较例的灯丝100的电子枪10时的电子束电流的经时稳定性进行了计测。另外，在计测中使用的电子枪10除了灯丝不同之外其他结构相同。图8(a)示出实施例1的电子枪用灯丝1的电子束电流的变动程度，图8(b)示出比较例的电子枪用灯丝100的电子束电流的变动程度。在这些图8(a)及图8(b)中，用实线Lmax表示每小时的电子束电流的最大值，用实线Lmin表示最小值，用虚线Lav表示每小时的电子束电流的平均值，每小时的电子束电流的变动宽度的最大值与最小值之差用柱状图表示。

·电子束的输出：17kW

·加速电压：20kV

·电子束电流：850mA

·阴极电压：1.2kV(实施例1)，1.4kV(比较例)

·F-C距离：2.6mm(实施例1)，4.2mm(比较例)

·照射时间：90小时

在图8(a)所示的实施例1中，如上所述，能够将F-C距离设定为2.6mm，所以作为满足上述照射条件的阴极电压，设定为1.2kV。在这样的照射条件下，对电子束电流的值进行了约90个小时的测定，其结果，每小时的电子束电流的平均值与最大值之差最大为5mA，并且平均值与最小值之差最大为3mA。相对于此，在图8(b)所示的比较例中，灯丝与阴极电极之间的距离被设定为4.6mm，所以作为满足上述照射条件的阴极电压，设定为1.4kV。在这样的照射条件下，对电子束电流的值进行了约90个小时的测定，其结果，每小时的电子束电流的平均值与最大值之差最大为10mA，并且平均值与最小值之差最大为4mA。

像这样，与在使用了比较例的灯丝100时的变动幅度相比，能够将在使用了实施例1的电子枪用灯丝1时的变动宽度降低到1/1.75。像这样变动宽度降低的原因推测如下，在实施例1的电子枪用灯丝1中，与比较例的灯丝100相比，能够抑制由加热引起的热变形，所以能够降低由通电引起的F-C距离的变动，并且能够缩短F-C距离，其结果，能够将阴极电压设定得较低，提高了电子束EB的输出控制性。

接着，对在与前面的图8(a)(b)相同的照射条件下对搭载了实施例1的电子枪用灯丝1的电子枪10和搭载了比较例的灯丝100的电子枪10进行了驱动时的耐用时间、即灯丝寿命进行了计测。另外，在此所说的耐用时间是指从开始向灯丝通电起到灯丝断线为止的时间。另外，对实施例1的电子枪用灯丝1和比较例的灯丝100分别测定25个灯丝的耐用时间。

如图9所示，比较例的灯丝100的耐用时间的平均为371小时，相对于此，实施例1的电子枪用灯丝1的耐用时间的平均为700小时。也就是说，实施例1的电子枪用灯丝1的平均耐用时间为比较例的灯丝100的平均耐用时间的1.9倍。像这样平均耐用时间能够增长的原因推测如下，由于在实施例1的电子枪用灯丝1中能够抑制由加热引起的变形，所以能够抑制在该电子枪用灯丝1中的机械性劣化，并且能够缩短F-C距离，所以能够降低供向电子枪用灯丝1的投入电力，也就是说，能够降低电子枪用灯丝1的温度。除此之外还确认到，在比较例的灯丝100中，最长的耐用时间与最短的耐用时间之差为约300小时，相对于此，在实施例1的电子枪用灯丝1中，最长的耐用时间与最短的耐用时间之差为约200小时，能够抑制在电子枪用灯丝1个体间的耐用时间的偏差。

如上所述，根据本实施方式的电子枪用灯丝1的制造方法，能够得到下面列举的效果。

(1)从金属板P切出线材P1，线材P1构成形成在电子枪用灯丝1上的曲折部1a。由此，与具有通过对例如金属丝W这样的线材进行折弯加工而形成的曲折部100a的以往的灯丝100相比，在电子枪用灯丝1中，能够抑制残留在曲折部1a内部的加工应变。其结果，在使用电子枪10时，即使电子枪用灯丝1被加热，残留在曲折部1a的内部的加工应变非常小，所以能够抑制在曲折部1a的弯曲上产生复原力。由此，能够抑制在曲折部1a的形状上发生变化，也就是说能够抑制灯丝1因加热而变形。

(2)由于电子枪用灯丝1的热变形得到抑制，所以能够缩短电子枪用灯丝1与阴极电极2之间的距离(F-C距离)。其结果，能够降低供向电子枪10的投入电力，例如供向灯丝1的投入电力、供向阴极电极2的投入电力，并且能够得到所需的电子束EB的输出。

(3)由于电子枪用灯丝1的热变形得到抑制，所以能够减低由通电引起的F-C距离的变动，并且能够缩短F-C距离。其结果，能够将阴极电压设定得较低，提高电子束EB的输出控制性。提高这样的输出控制性的提高，与使用了以往的灯丝100时的电子束EB的输出变动宽度相比，能够将使用了本实施方式的电子枪用灯丝1时的电子束EB的输出变动宽度降低到约1/1.75。

(4)由于电子枪用灯丝1的热变形得到抑制，所以能够抑制该电子枪用灯丝1上的机械性劣化，并且能够缩短F-C距离。其结果，能够降低向电子枪用灯丝1投入的电力，能够抑制该电子枪用灯丝1的温度上升。由此，与现有的灯丝100相比，能够将电子枪用灯丝1的平均耐用时间延长到约1.9倍。

(5)在现有的灯丝100中，最长的耐用时间与最短的耐用时间之差为约300小时，相对于此，在涉及本实施方式的电子枪用灯丝1中，最长的耐用时间与最短的耐用时间之差约为200小时。由此，电子枪用灯丝1的个体间的耐用时间的偏差得到抑制。

另外，上述实施方式能够按照如下方式适当进行变更来实施。

·电子枪10不限于上述构成。例如，可以构成为还具备聚焦线圈及流体调节器的构成。

·构成电子枪用灯丝1的曲折部1a的曲折1c的个数、曲折部1a的形状不限于上述的个数及形状。例如构成曲折部1a的曲折数量可以任意设定，并且曲折部1a的形状可以是在与线材P1的长度方向交叉的方向上延伸的凹凸曲线状。另外，可以将曲折部1a的形状形成为所谓的旋涡型。

·虽然将金属板的厚度设为了0.5mm，但不限于此，例如可以根据由电子枪10得到的输出等任意变更。

·金属丝放电加工的条件、例如对工具金属丝电极WE1与金属板P之间施加的电压的大小、金属板P的移动速度即加工输送速度等可以根据灯丝的形状、金属丝放电加工装置WE的性能等任意设定。

·电子枪用灯丝1从金属板P的切出是通过金属丝放电加工来进行的。但不限于此，可以采用例如水力喷射法等其他加工方法。另外，水力喷射法是指利用通过0.1mm～1.0mm左右的孔加压到例如300MPa左右的水进行上述金属板P等的切断加工的方法，例如水流被设定为500m/s～800m/s。

·另外，在被加压的水流中混入研磨材，可以采用通过研磨材进行加工的磨粒喷射法(abrasive jet)。

·金属板P的形成材料、也就是说灯丝1的形成材料采用了钨。但不限于此，也可以将含有钨的合金作为灯丝的形成材料使用。或者，替代钨，将钽等其他金属材料作为灯丝材料使用。钽(Ta)的功函数(work function)小于钨(W)，所以钽能够在比钨低的温度下放出与钨相同量的热电子。例如，如图10所示，得到1.2A/cm²的热电子的温度，钽为约2500K，钨为约2640K。因此，通过替代钨而使用钽，能够将灯丝1的温度降低到约140K。

·作为上述电子枪用灯丝1的构成材料的金属材料通常是结晶粒的集合体，这样的结晶粒通过加热而导致粒径扩大。当该加热条件被高温化、或长期化等时，在电子枪用灯丝1上结晶粒变得粗大化，由此有可能导致灯丝1变脆。于是，作为上述金属板P，虽然采用了由单一板材形成的金属板，然而也可以对其进行变更，使用由多个金属板构成的金属层积板形成灯丝。若采用这样的构成，则能够得到如下的效果。

(6)与使用由单一金属板构成的板材的情况相比，能够减少每张金属板的厚度，能够抑制在金属板的厚度方向上的结晶粒的粗大化，进而提高电子枪用灯丝的强度及寿命。

·像金属薄板这样通过压延形成的材料通常其压延率越高，在压延方向与其他方向上的机械特性、即机械强度差异越大。例如，弹性模量、屈服强度及拉伸强度等在与上述压延方向垂直的方向上最大、且在与压延方向平行的方向上最小，另一方面延伸率在与压延方向垂直的方向上最小、且在与压延方向平行的方向上最大。因此，若通过由单一板材构成的金属板形成电子枪用灯丝1，则在特定的方向上其机械强度不能维持在所需的程度。于是，在使用上述层积板时，优选以各金属板的压延方向相互交错的方式层积多个金属板。若采用这样的构成，则除了上述(6)之外，还能够得到(7)的效果。

(7)构成层积板的金属板各自的机械特性相辅相成，作为层积板的机械强度提高，进而由从该层积板切出的线材构成的该电子枪用灯丝的机械强度也提高。

而且，(7)的效果在将相互邻接的金属板彼此以金属板的压延方向成垂直的方式层积时最显著。

·此外，在使用上述层积板的情况下，多个金属板也可以由互不相同的金属材料形成。由此能够得到(8)的效果。

(8)由于在层积板上邻接的金属板彼此由互不相同的金属材料构成，所以与将由同一金属材料构成的多个金属板层积而成的层积板相比，能够抑制构成一个金属板的结晶粒超过与其他金属板之间的界面而粗大化。也就是说，能够抑制结晶粒超过由该结晶粒构成的金属板的厚度而粗大化。进而能够将在层积板的厚度方向上的结晶粒的粗大化限制在各结晶粒所属的金属板的厚度。

·另外，在使用不同的金属板来形成层积板时，配置在电子枪用灯丝1的与上述阴极电极2对置的一侧的金属板采用功函数比其他金属板小的材料构成。例如，可以使用由钨(W)金属和钽(Ta)金属构成的金属层积板来形成灯丝。图11是概要地示出使用钽金属板42和钨金属板43的W-Ta层积板形成的实施例2的灯丝41的构成。在使用了该灯丝41的电子枪10中，钽金属板42与阴极电极2对置配置，钨金属板43被配置在阴极电极2相反侧。即，钽金属板42包括阴极对置面1s。通过在钨金属板43上接合钽金属板42而得到了W-Ta层积板之后，从W-Ta层积板切出线材，从而形成灯丝41。另外，替代将金属板42、43接合，通过向钨金属板43熔射钽金属，或在钽金属板42上蒸镀钨金属，从而也能够形成W-Ta层积板。换言之，通过从钨金属板43切出钨线材，向该钨线材熔射钽金属，从而形成灯丝41。或者，也可以从钽金属板42切出钽线材，在该钽线材上蒸镀钨金属，从而形成灯丝41。如上所述，钽能够在比钨低的温度下放出与钨相同量的热电子(参见图10)。因此，在实施例2中，与实施例1的灯丝1相比，能够抑制灯丝41的温度上升，能够延长平均耐用时间(平均寿命)。图12是示出实施例1的灯丝寿命和实施例2的灯丝寿命的曲线图。如图12所示，实施例1的灯丝1的平均寿命为700小时，相对于此，实施例2的灯丝41的平均寿命为838小时。由此，在实施例2中能够将平均寿命延长到实施例1的约1.2倍。在此，钽能够在低温下放出热电子，另一方面在高温下在拉伸强度方面劣于钨。因此，在使用了W-Ta层积板的情况下，能够在确保灯丝41的足够的强度的同时，抑制该灯丝41的温度上升。也就是说，实施例2的灯丝41具有以下优点。

(9)灯丝41使用钽金属板42与钨金属板43的W-Ta层积板来形成。在将灯丝41配置在电子枪10上的情况下，钽金属板42与阴极电极2对置配置。钽在比钨低的温度下放出热电子。因此，与通过将单一材料的线材折弯而形成的现有的灯丝100或从单一金属板切出线材而形成的实施例1的灯丝1相比，能够抑制与阴极电极2对置的金属板(即，钽金属板42)的温度上升。进而，能够抑制钨金属板43的温度上升，灯丝41自身的温度上升得到抑制。由此，与实施例1相比，能够抑制灯丝41向阴极电极2侧变形。

·也可以使用具有不同的功函数的3个以上的金属(或金属板)来形成灯丝。在这种情况下，优选以功函数最低的金属与电子枪的阴极电极对置配置的方式形成灯丝。

Claims (13)

1.一种电子枪用灯丝的制造方法，包括：

准备由金属材料构成的板材的工序；和

从所述板材切出具有至少1个曲折的所述灯丝的线材的工序。

2.根据权利要求1所述的电子枪用灯丝的制造方法，

准备所述板材的工序包括准备由在该板材的厚度方向上层积的多个金属板构成的金属层积板的工序。

3.根据权利要求2所述的电子枪用灯丝的制造方法，

所述多个金属板分别被压延形成，所述多个金属板以各个金属板的压延方向相互交错的方式层积。

4.根据权利要求2或3所述的电子枪用灯丝的制造方法，

所述多个金属板由不同的金属材料形成。

5.根据权利要求2～4的任意一项所述的电子枪用灯丝的制造方法，

在将所述灯丝搭载到了所述电子枪上时，所述灯丝的所述曲折与设置在所述电子枪上的阴极电极对置，并且被从电源供给的电流加热而放出对所述阴极电极进行加热的热电子，

准备所述金属层积板的工序包括由所述多个金属板之中的功函数最小的金属板形成与所述阴极电极对置的金属板的工序。

6.根据权利要求1～5的任意一项所述的电子枪用灯丝的制造方法，

准备所述板材的工序包括准备由钨及含钨的合金之中的至少一个的金属板形成的工序。

7.根据权利要求1～6的任意一项所述的电子枪用灯丝的制造方法，

准备所述板材的工序包括准备由钽金属板和钨金属板构成的金属层积板的工序。

8.根据权利要求1～7的任意一项所述的电子枪用灯丝的制造方法，

从所述板材切出所述电子枪用灯丝的线材的工序包括通过金属丝放电加工从所述板材切出所述线材的工序。

9.一种灯丝，用于电子枪，

所述灯丝具备由金属材料形成且具有至少1个曲折的线材，所述线材具有矩形状截面。

10.根据权利要求9所述的灯丝，

所述线材使用包含多个金属板的金属层积板形成。

11.根据权利要求10所述的灯丝，

所述多个金属板由不同的金属材料形成。

12.根据权利要求10或11所述的灯丝，

所述金属层积板是钽金属板和钨金属板的层积板。

13.根据权利要求10～12的任意一项所述的灯丝，

所述电子枪包括与所述灯丝对置配置的阴极电极，

所述灯丝以所述多个金属板之中的功函数最小的金属板与所述阴极电极对置配置的方式形成。

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