JP2005533356A - Field emission cold cathode - Google Patents
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Abstract
真空管に使用するための電界放出冷陰極(11)が提供される。炭素ベルベット材(25)は、ベース材に垂直に埋設された高アスペクト比の炭素繊維から成る。炭素ベルベット材(25)に低仕事関数のセシウム塩を被覆し、炭素ベルベット材(25)のベース材を陰極面(27)に結合する。この電界放出冷陰極(11)は、電界を印加されると、900°C未満の作動温度でも電子を放出する。A field emission cold cathode (11) for use in a vacuum tube is provided. The carbon velvet material (25) is made of a high aspect ratio carbon fiber embedded perpendicularly to the base material. The carbon velvet material (25) is coated with a low work function cesium salt, and the base material of the carbon velvet material (25) is bonded to the cathode surface (27). The field emission cold cathode (11) emits electrons even at an operating temperature of less than 900 ° C. when an electric field is applied.
Description
本発明のなされた状況において、Executive Order 10096の第1項に基づき、ザ セクレタリィ オブ ジ エアー フォースの代表であるアメリカ政府に、本発明の外国におけるものを含む権利、資格及び利益を与えるものである。
本発明は、真空管の分野に関し、特に、真空管内で電子エミッター(電子放出電極)として機能する電界放出冷陰極に関する。
In the context of the present invention, under the terms of paragraph 1 of Executive Order 10096, the United States government representing the Secretary of the Air Force is entitled to the rights, qualifications and benefits of the present invention including those in foreign countries. .
The present invention relates to the field of vacuum tubes, and more particularly to a field emission cold cathode that functions as an electron emitter (electron emission electrode) in a vacuum tube.
陰極は、テレビジョンに用いられる陰極線管(CRT、ブラウン管)や、レーダー及び通信に用いられる各種のマイクロ波管等の広範囲の真空管に用いられる電子エミッターである。これらの陰極は、いずれも、適正に作動させるためには高い真空下に保持した上で、非常な高温、即ち少くとも900°Cにまで加熱しなければならない。高い真空を得るには、大がかりな焼き出し(ベーキング・アウト)工程並びに密封デバイスを用いる特殊な製造技術を必要とする。更に、この種の陰極は、真空環境から取り出されると、汚染を受けやすい。従って、真空管は、高い真空を有するが故に、その取り扱い、加工作業及び保管に関して相当な制約を課する。 The cathode is an electron emitter used in a wide range of vacuum tubes such as a cathode ray tube (CRT, Braun tube) used for television and various microwave tubes used for radar and communication. All of these cathodes must be kept under high vacuum and heated to very high temperatures, ie at least 900 ° C., for proper operation. Obtaining a high vacuum requires extensive baking (baking out) processes as well as special manufacturing techniques using sealed devices. In addition, this type of cathode is susceptible to contamination when removed from a vacuum environment. Thus, vacuum tubes impose considerable constraints on their handling, processing operations and storage because they have a high vacuum.
また、この種の陰極は高温下での作動を必要とするため、幾つかの設計上の制約も存在する。第1に、陰極の素材として、高温作動に耐えることができる特殊な材料を使用しなければならない。更に、陰極を加熱するためのヒーターは、エネルギー効率を低下させ、システムの容積、重量及び構造の複雑さを増大させる要因となる。 There are also some design constraints because this type of cathode requires high temperature operation. First, a special material that can withstand high temperature operation must be used as the cathode material. In addition, heaters for heating the cathode are a factor that reduces energy efficiency and increases system volume, weight and structural complexity.
従って、厳重な真空を必要とせず、低温で作動することができ、しかも、従来の新区間陰極と同じ電界放出特性を発揮する陰極を求める要望がある。 Therefore, there is a demand for a cathode that can operate at a low temperature without requiring a strict vacuum and that exhibits the same field emission characteristics as a conventional new section cathode.
本発明の目的は、低温下で、かつ、従来技術の電界放出陰極より低い真空度で作動することができる電界放出冷陰極を提供することによって上述した従来技術の欠点を克服することである。 The object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art described above by providing a field emission cold cathode that can operate at low temperatures and at a lower vacuum than prior art field emission cathodes.
より具体的にいえば、本発明は、ベース材(基材又は母材)に垂直に埋設した高アスペクト比の炭素繊維から成る炭素ベルベット材を用いる。この炭素ベルベット材を、陰極に付着させる。この炭素繊維上にセシウム塩(cesiated salt)を被着する。得られた陰極に十分な電圧を印加すると、電子が放出される。 More specifically, the present invention uses a carbon velvet material composed of high aspect ratio carbon fibers embedded perpendicularly to a base material (base material or base material). This carbon velvet material is adhered to the cathode. A cesiated salt is deposited on the carbon fiber. When a sufficient voltage is applied to the obtained cathode, electrons are emitted.
本発明の第2の側面によれば、セシウム塩の溶液を調製し、炭素ベルベット材に該溶液を被覆し、その炭素ベルベット材を陰極に結合することから成る電界放出陰極の製造方法が提供される。また、本発明の第3の側面によれば、気化させたセシウム塩溶液を炭素ベルベット材の繊維上に蒸着させて該繊維上にセシウム塩結晶を形成し、その炭素ベルベット材を陰極に結合することから成る電界放出冷陰極の製造方法が提供される。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a field emission cathode comprising preparing a solution of a cesium salt, coating the carbon velvet material with the solution, and bonding the carbon velvet material to the cathode. The According to the third aspect of the present invention, the vaporized cesium salt solution is deposited on the fiber of the carbon velvet material to form a cesium salt crystal on the fiber, and the carbon velvet material is bonded to the cathode. A method of manufacturing a field emission cold cathode comprising the above is provided.
本発明の第4の側面によれば、電界放出冷陰極を製造するために陰極に取り付けられた炭素ベルベット材を被覆するための方法において、炭素ベルベット材にセシウム塩と脱イオン水の溶液をスプレーし、該セシウム塩を被着された該炭素ベルベット材を1トル未満にまで拔気された真空オーブン内でほぼ1時間少くとも100°Cの温度で焼成(ベーキング)し、次いで、乾燥窒素を用いて該真空オーブンを大気圧にまで排気することから成る方法が提供される。 According to a fourth aspect of the present invention, in a method for coating a carbon velvet material attached to a cathode to produce a field emission cold cathode, the carbon velvet material is sprayed with a solution of cesium salt and deionized water. The carbon velvet material coated with the cesium salt is baked (baked) at a temperature of at least 100 ° C. in a vacuum oven aerated to less than 1 Torr, and then dried nitrogen A method is provided that comprises using to evacuate the vacuum oven to atmospheric pressure.
本発明の第5の側面によれば、厚さ1オングストローム〜10ミクロンのセシウム塩のフィルムを炭素ベルベット材の複数の繊維の各々の上に形成し、該炭素ベルベット材を陰極に結合することによって電界放出冷陰極を製造する方法が提供される。本発明の第6の側面によれば、繊維を有する炭素ベルベット材を陰極に取り付け、該繊維を溶融セシウム塩溶液内に浸漬し、該繊維を該溶液中に浸漬させたままで該溶液を冷却することによって電界放出冷陰極を製造する方法が提供される。本発明の第7の側面によれば、繊維を有する炭素ベルベット材を陰極に取り付け、該繊維を溶融セシウム塩溶液内に浸漬し、該繊維を該溶液から取り出し、該繊維を冷却することによって電界放出冷陰極を製造する方法が提供される。 According to a fifth aspect of the present invention, a cesium salt film having a thickness of 1 angstrom to 10 microns is formed on each of the plurality of fibers of the carbon velvet material, and the carbon velvet material is bonded to the cathode. A method of manufacturing a field emission cold cathode is provided. According to the sixth aspect of the present invention, a carbon velvet material having fibers is attached to a cathode, the fibers are immersed in a molten cesium salt solution, and the solution is cooled while the fibers are immersed in the solution. This provides a method of manufacturing a field emission cold cathode. According to a seventh aspect of the present invention, an electric field is obtained by attaching a carbon velvet material having fibers to a cathode, immersing the fibers in a molten cesium salt solution, removing the fibers from the solution, and cooling the fibers. A method of manufacturing an emission cold cathode is provided.
従来の真空管は、高い真空度と、適正に作動させるためには少くとも900°Cにまで加熱しなければならない陰極素子を必要とする。「冷陰極」とは、室温又は室温近傍の温度で作動する陰極だけでなく、900°C以下の温度で作動する陰極をも意味するが、本発明の冷陰極は、室温で作動するので、従来技術において必要とされた加熱及び高い作動温度を必要としない。また、本発明の冷陰極は、従来技術の陰極より低い真空レベルで作動する。本発明の冷陰極は、クライストロン(速度変調管)、進行波管、マグネトロン、マグニコン(magnicon)、クライストロード/IOTテレビジョン送信機等を含む任意のタイプの真空管の加熱陰極に有利に取って代わることができる。 Conventional vacuum tubes require a high degree of vacuum and a cathode element that must be heated to at least 900 ° C. for proper operation. The “cold cathode” means not only a cathode that operates at room temperature or a temperature near room temperature, but also a cathode that operates at a temperature of 900 ° C. or less, but the cold cathode of the present invention operates at room temperature, It does not require the heating and high operating temperatures required in the prior art. Also, the cold cathode of the present invention operates at a lower vacuum level than prior art cathodes. The cold cathode of the present invention advantageously replaces the heated cathode of any type of vacuum tube, including klystrons (velocity modulation tubes), traveling wave tubes, magnetrons, magnicons, Christroad / IOT television transmitters, etc. be able to.
本発明の冷陰極のその他の側面及び利点は、以下に添付図を参照して説明する本発明の原理の実施例から明らかになろう。 Other aspects and advantages of the cold cathode of the present invention will become apparent from embodiments of the principles of the present invention described below with reference to the accompanying drawings.
添付図は、本発明の電界放出冷陰極11をテストするのに用いられる実験設備の概略図であり、冷陰極11の断面を示す。この設備は、真空チャンバー13と、陰極取付け具17と、真空チャンバー13内へ冷陰極11に対して伸縮自在に突入したシャフト19と、シャフト19の内端に取り付けられた陽極21を含む。ギャップ23は、陰極11と陽極21を分ける距離であり、シャフト19を伸縮させることによって調節することができる。
The attached figure is a schematic view of the experimental equipment used to test the field emission cold cathode 11 of the present invention and shows a cross section of the cold cathode 11. This equipment includes a
冷陰極11は、高電圧ブッシング24と、炭素ベルベット材25と、陰極面27から成る。後に詳述するように、炭素ベルベット材25は、低仕事関数のセシウム塩で処理され、陰極面27に結合される。炭素ベルベット材25は、ベース材に対して垂直に埋設された高アスペクト比の炭素繊維から成る。この種の具体的な材料としては、ベルブラック(登録商標)アップリケ(Energy Science Laboratories, Inc.(エネルギー科学研究所)の特許製品)がある。ベルブラック(登録商標)アップリケは、接着剤ベース(母材)中に植設された高アスペクト比の炭素繊維から成り、特殊な光学的特性を有するものとして、即ち、光学系において超低反射率を確保し、かつ、迷光を抑制するための黒色アップリケとして開発されたものである。
The cold cathode 11 includes a high voltage bushing 24, a
炭素ベルベット材25は、可撓性であり、どのような形状の冷陰極11にも容易に結合することができる。陰極面27が金属製である場合は、炭素ベルベット材25を陰極面27に結合するのに導電性エポキシを用いることができる。あるいは別法として、炭素ベルベット材25を陰極面27に結合する手段として、高熱結合(パイロボンディング)法を用いることができる。低温電子放出(電界放出)は、炭素ベルベット材25の繊維の先端にセシウム塩結晶を消せいさせることによって、あるいは、厚さ1オングストローム〜10ミクロンのセシウム塩のフィルムを炭素ベルベット材に被着することによって、得られる。
The
炭素ベルベット材25の繊維軸だけを被覆するために、セシウム塩が付着することができないマスクを繊維の先端に被せる。このマスクは、セシウム塩が炭素ベルベット材の繊維に被覆された後、エッチングによって除去される。
In order to cover only the fiber axis of the
炭素ベルベット材25に低仕事関数のセシウム塩を被着する方法として、幾つかの異なる方法も用いることができる。それらの方法のうちの2つは、セシウム塩を被着するための媒体として高度に純粋なセシウム塩の溶液と脱イオン水を用いる。詳述すれば、まず、セシウム塩を脱イオン水と混合し、次いで、炭素ベルベット材25を該セシウム塩溶液と共に噴霧器を用いてスプレーする。この噴霧器のための背圧を設定するために等級5の乾燥窒素を用いる。2回ないし4回の被覆を施す。次いで、冷陰極11を1トル未満にまで拔気された真空オーブン内へ入れて脱イオン水を蒸発させるのに十分な温度及び時間(100°C以上の温度でほぼ1時間)焼成し、次いで、等級5の乾燥窒素を用いて大気圧にまで排気する。
Several different methods can be used for depositing the low work function cesium salt on the
低仕事関数のセシウム塩としては、沃化セシウム(CsI)、テルル酸セシウム(CsTeO4)及び臭化セシウム(CsBr)等のいろいろなセシウム塩を用いることができる。1回のサイクルでも陰極の性能を改善し、ガス放出を少なくすることができるが、追加のサイクルを繰り返すことによって冷陰極11の性能を更に改善することができる。ただし、冷陰極の性能改善が得られるのは、追加のサイクルが所要ターンオン電界を増大させる点まで、即ち、電子を陰極11から陽極21へ放出させ始める電界レベルを増大させる点までである。
As the low work function cesium salt, various cesium salts such as cesium iodide (CsI), cesium tellurate (CsTeO 4 ), and cesium bromide (CsBr) can be used. Although the performance of the cathode can be improved and gas emission can be reduced even in one cycle, the performance of the cold cathode 11 can be further improved by repeating additional cycles. However, the performance improvement of the cold cathode is obtained up to the point where additional cycles increase the required turn-on electric field, i.e., the point where the electric field level at which electrons begin to be emitted from the cathode 11 to the
あるいは別法として、炭素ベルベット材25の繊維をセシウム塩溶液に浸けてもよい。次いで、冷陰極11と上記セシウム塩溶液浴との組合せ体を該セシウム塩溶液が炭素ベルベット材25の先端及び、又は軸上に晶出するまで大気圧下でほぼ100°Cの温度にまで焼成する。この段階で、冷陰極11をセシウム塩溶液浴から引き出し、真空オーブン内で焼成して、炭素ベルベット材25の先端及び、又は軸から残留水を蒸発させる。次いで、真空オーブンを乾燥窒素を用いて大気圧にまで拔気する。
Alternatively, the fibers of the
更に別の方法として、炭素ベルベット材25の繊維が完全にセシウム塩溶液内に浸漬されるように冷陰極11を溶融セシウム塩のるつぼ内へ浸漬させることによってセシウム塩を炭素ベルベット材25の繊維に被着させてもよい。次いで、炭素ベルベット材25の繊維を浸漬させたままセシウム塩溶液が炭素ベルベット材25の先端及び、又は軸上に晶出するまで、この溶融セシウム塩のるつぼを自然冷却させる。また、セシウム塩は、その結晶が炭素ベルベット材の先端及び、又は軸上に形成されるように化学蒸着法によって炭素ベルベット材25の先端及び、又は軸上に被着させてもよい。これらの方法は、いずれも、セシウム塩の脱イオン水溶液を用いる方法よりもコスト高で時間もかかるが、セシウム塩のより均一な被覆を可能にし、かつ、余剰の水蒸気を除去するために冷陰極11を焼成する必要がない。
As yet another method, the cesium salt is incorporated into the fibers of the
この冷陰極11に負電圧を印加すると、陰極面27から電子が放出され、陰極/陽極間ギャップ23を通って加速されて陽極21に衝突する。電子を放出させるのに要する所要ターンオン電界は、0.2kV/cmほどの低さであった。これは、従来の真空管の典型的なターンオン電界よりはるかに低い。電圧源は、パルス電圧を発するものでってもよく、あるいは、連続的に電圧を発するものであってもよい。冷陰極11は、例えば球形、円筒形、平面状など任意の形状であってよい。陰極/陽極間ギャップ23は、電子が用いられる相互作用空間又はその他の領域であってよい。陽極21は、放出された電子を収集する任意の領域又は構造体であってよい。
When a negative voltage is applied to the cold cathode 11, electrons are emitted from the cathode surface 27, accelerated through the cathode /
冷陰極11のターンオン電界は、その冷陰極を用いるデバイスの要件に適合するようにいろいろな方法で変更することができる。炭素ベルベット材25に関連していえば、その繊維の先端を長く、細くすればするほど、またタフト密度を小さくすればするほど、繊維の先端での電界エンハンスメントを高めることができ、従って、冷陰極11のターンオン電界を下げることができる。また、繊維長の分布(各繊維の長さを不均一にすること)がターンオン電界を下げる働きをすることも判明している。
The turn-on field of the cold cathode 11 can be changed in various ways to suit the requirements of the device using the cold cathode. In connection with the
ターンオン電界は、また、脱イオン水入り溶液中のセシウム塩の濃度を変えることによっても、あるいは、炭素繊維の先端及び軸に塗布するセシウム塩の被覆回数を変えることによっても変更することができる。即ち、セシウム塩の濃度又はセシウム塩の被覆回数を(ある点まで)増やせば、ターンオン電界を下げることができる。例えば、ある種のマイクロ波管では、電圧がその設定最高値に達するまでは電子を放出させないようにすることが望ましい場合がある。それは、炭素繊維のタフト密度を増大させることによって、あるいは、セシウム塩の被覆回数を少なくするか、又は、脱イオン水入り溶液中のセシウム塩の濃度を低くすることにより塗布されるセシウム塩の量を少なくすることによって達成することができる。 The turn-on field can also be changed by changing the concentration of the cesium salt in the deionized water solution, or by changing the number of times the cesium salt is applied to the tip and shaft of the carbon fiber. That is, if the concentration of cesium salt or the number of coating times of cesium salt is increased (up to a certain point), the turn-on electric field can be lowered. For example, in certain types of microwave tubes it may be desirable not to emit electrons until the voltage reaches its set maximum value. The amount of cesium salt applied by increasing the tuft density of the carbon fiber, or by reducing the number of cesium salt coatings, or by reducing the concentration of cesium salt in the deionized water solution. Can be achieved by reducing.
11 冷陰極
13 真空チャンバー
17 陰極取付け具
19 シャフト
21 陽極
23 ギャップ、陽極間ギャップ
24 高電圧ブッシング
25 炭素ベルベット材
27 陰極面
11
Claims (24)
該陰極に取り付けられた炭素ベルベット材とから成り、
該炭素ベルベット材は、セシウム塩を被着された繊維を含むことを特徴とする電界放出冷陰極。 A cathode,
A carbon velvet material attached to the cathode;
The field emission cold cathode, wherein the carbon velvet material includes fibers coated with a cesium salt.
前記セシウム塩は、該繊維の先端に被着されている請求項1に記載の電界放出冷陰極。 Each of the fibers consists of a shaft and a tip,
The field emission cold cathode according to claim 1, wherein the cesium salt is applied to a tip of the fiber.
前記セシウム塩は、該繊維の軸に被着されている請求項1に記載の電界放出冷陰極。 Each of the fibers consists of a shaft and a tip,
The field emission cold cathode according to claim 1, wherein the cesium salt is deposited on a shaft of the fiber.
該冷陰極を1トル未満の真空下で少くとも100°Cの温度で前記脱イオン水を前記炭素ベルベット材から除去させ、それによって前記セシウム塩を前記繊維上に晶出被着させるのに十分な時間焼成するための手段を含む請求項1に記載の電界放出冷陰極。 Means for spraying a solution of the cesium salt and deionized water onto the carbon velvet material;
Sufficient to allow the cold cathode to remove the deionized water from the carbon velvet material at a temperature of at least 100 ° C. under a vacuum of less than 1 Torr, thereby crystallizing and depositing the cesium salt on the fibers. The field emission cold cathode according to claim 1, comprising means for firing for a long time.
低仕事関数のセシウム塩と脱イオン水の溶液を調製し、
前記炭素ベルベット材に前記セシウム塩と脱イオン水の溶液をスプレーしてセシウム塩を被着された該炭素ベルベット材を形成し、
該セシウム塩を被着された炭素ベルベット材を1トル未満にまで拔気された真空オーブン内でほぼ1時間少くとも100°Cの温度で焼成し、
乾燥窒素を用いて該真空オーブンを大気圧にまで排気することから成ることを特徴とする方法。 In a method for coating a carbon velvet material attached to a cathode to produce a field emission cold cathode,
Prepare a low work function cesium salt and deionized water solution,
Spraying a solution of the cesium salt and deionized water on the carbon velvet material to form the carbon velvet material coated with the cesium salt;
Firing the carbon velvet material coated with the cesium salt in a vacuum oven aerated to less than 1 Torr at a temperature of at least 100 ° C. for approximately 1 hour;
Evacuating the vacuum oven to atmospheric pressure using dry nitrogen.
炭素ベルベット材に該セシウム塩溶液を被覆し、
該炭素ベルベット材を陰極に結合することから成ることを特徴とする電界放出陰極の製造方法。 Prepare a solution of cesium salt,
Coating the carbon velvet material with the cesium salt solution;
A method of manufacturing a field emission cathode comprising bonding the carbon velvet material to a cathode.
該繊維上にセシウム塩結晶を形成させ、
該炭素ベルベット材を陰極に結合することから成ることを特徴とする電界放出冷陰極の製造方法。 Vaporized cesium salt solution is deposited on carbon velvet fiber,
Forming cesium salt crystals on the fibers;
A method of manufacturing a field emission cold cathode comprising bonding the carbon velvet material to a cathode.
該炭素ベルベット材を陰極に結合することから成ることを特徴とする電界放出冷陰極の製造方法。 Forming a cesium salt film having a thickness of 1 angstrom to 10 microns on each of the plurality of fiber axes of the carbon velvet material;
A method of manufacturing a field emission cold cathode comprising bonding the carbon velvet material to a cathode.
該繊維を溶融セシウム塩溶液内に浸漬し、
該繊維を該溶液中に浸漬させたままで該溶液を冷却することから成ることを特徴とする電界放出冷陰極の製造方法。 A carbon velvet material with fibers is attached to the cathode,
Soaking the fibers in a molten cesium salt solution;
A method for producing a field emission cold cathode, comprising cooling the solution while the fiber is immersed in the solution.
該繊維を溶融セシウム塩溶液内に浸漬し、
該繊維を該溶液から取り出し、
該繊維を冷却することから成ることを特徴とする電界放出冷陰極の製造方法。
A carbon velvet material with fibers is attached to the cathode,
Soaking the fibers in a molten cesium salt solution;
Removing the fibers from the solution;
A method for producing a field emission cold cathode comprising cooling the fiber.
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