JP2007227386A - 電子ビーム銃 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム形成器の腐食や溶融による損傷を回避する電子ビーム銃を提供する。
【解決手段】ビーム形成器（１０４）から離れるように熱を導く質量の大きな陰極ブロック（１０３）の一体部品として形成した湾曲形状のビーム形成器と、改善された整合のために陰極ブロックに装着されたフィラメント（１０９）と、を備えた電子ビーム銃。
【選択図】 図２

Description

本発明は蒸発した材料の薄いフィルムを付着されるために使用される形式の電子ビーム蒸発源のための電子ビーム銃に関する。特に、本発明は電子ビーム銃におけるいくつかの改良に関する。

電子ビーム蒸発源のための電子ビーム銃は当業界において周知である。電子ビーム銃の代表例はＢＯＣグループ社(The BOC Group Inc.)に譲渡された米国特許第５，１８２，４８８号明細書に開示されたものであり、これを参照のためにここに組み込む。

図１には、従来の電子ビーム銃を示す。この電子ビーム銃１０は互いに僅かに離間した２つの導電性側部１４、１６を有する陰極ブロック１２を具備する。フィラメント１８は陰極ブロック１２の２つの側部１４、１６に取り付けられた２つのフィラメントクランプ２０、２２により陰極ブロック１２の側部１４、１６に接続される。次いで、２つのフィラメント・バス・バー(filament buss bar)２８、３０は陰極ブロック１２の側部１４、１６従ってフィラメント１８を横切って電流を適用するように陰極ブロック１２の側部１４、１６に接続される。電流により、フィラメント１８が電子を射出する。

次いで、フィラメント・バス・バー２８、３０は装着バー４０に接続される。陰極ブロックの側部１６は、２組の絶縁ワッシャ対４２、４４を設けることにより、装着バー４０から絶縁される。陰極ブロックの側部のうちの１つは、陰極ブロック１２の側部１４、１６が短絡するのを阻止するために、装着バー４０から絶縁しなければならない。次いで、装着バー４０の端部は絶縁体対５２、５４を貫通するネジにより支持バー４６に接続される。絶縁体５４は当業界で周知の方法により絶縁体５２内へ摺動する。

陽極５６はフィラメント１８により射出された電子を加速するために設けられる。陽極５６はその底部で陽極装着ブラケット５８に接続される。次いで、陽極装着ブラケット５８の端部は支持バー４６に取り付けられる。陽極５６はフィラメント１８の前方の前縁６６で終端する逆Ｕ字形状の頂部分６４を有する。

ビーム形成器６８を設ける。ビーム形成器６８は陽極５６からフィラメント１８をシールドするように形状づけられる。ビーム形成器６８はフィラメント１８と陽極５６との間に位置し、陽極５６と実質上同じ形状を有する。すなわち、ビーム形成器は陽極５６の下縁６６とフィラメント１８との間に位置する下縁７２で終端する逆Ｕ字形状の頂部分７０を有する。

ビーム形成器６８により提供されるシールドのため、フィラメント１８により射出された電子はビーム形成器６８の頂部分７０の下において電子雲を形成する。その結果、仮想の陰極が形成され、この陰極から、電子は平坦なリボン状の形状となってビーム形成器６８の下縁７２の下方を通過し、陽極５６の縁部６６の方へ向かう。電子が陽極５６の下縁６６に到達したときには、十分な運動エネルギが与えられ、そのため、リボン状のビームは陽極５６から離れて、電子ビーム銃１０から射出される。

早期の従来技術においては、ビーム形成器は単一の区分として形成され、陰極ブロックの一側に接続されていた。ビーム形成器の他側は、陰極ブロックが短絡するのを阻止するように、陰極ブロックの他側から絶縁されていた。この最終結果は、熱勾配がビーム形成器内に発生し、ビーム形成器が陰極ブロック１２の取り付け側で最も冷却されるものであった。

このような早期の従来の装置においては、ビーム形成器内の熱勾配がゆがみや並進及び回転運動を生じさせ、次いで、これがフィラメントにより射出された電子を陽極に対して直接アークさせて直撃させると共に、リボン状のビームの変形により、電子ビーム銃の使用寿命の経時的な老化に伴い不均一な蒸発を生じさせる。

ビーム形成器内の熱勾配に由来するゆがみや並進及び回転運動の欠点を克服するため、従来のビーム形成器６８はギャップ７８により分離された２つの区分７４、７６で形成される。ビーム形成器６８の区分７４、７６は陰極ブロック１２の側部１４、１６に個別に接続される。

ビーム形成器は、フィラメントにより生じた電子が陽極を実際に直撃する代わりに陽極の縁部を通過するように、電子を偏向させる。ビーム形成器又は陽極の不整合は陽極の腐食又は溶融という形で損傷を生じさせることがある。
米国特許第５，１８２，４８８号明細書

1つのグループの従来の電子ビーム銃は支持部材又は陰極ブロックのうちの一方に片持ち梁式に取り付けられたビーム形成器を使用する。この形状では、ビーム形成器は、普通セラミックスペーサにより、隣接する陰極ブロックから離間され、隔離される。このような従来の構成における1つの問題点は、使用中及び熱サイクル中に、緩み、曲げ又はゆがみにより、ビーム形成器が不整合になる可能性があることである。ビーム形成器がその一側のみで固定され、この片持ち梁式の構成においては高温のフィラメントを横切って延びるので、ビーム形成器の不整合が生じ易い。

別のグループの従来の電子ビーム銃、特に上述の電子ビーム銃においては、ビーム形成器は2つの区分に分割され、各区分はそれ自体の支持部材に取り付けられる。このような形状のビーム形成器は幾分一層安定性がある。その理由は、ビーム形成器が一層短く、片持ち梁式ではないからである；しかし、不整合の可能性はかなり大きい。ビーム形成器の2つの半部分間のギャップが大き過ぎた場合、かなりの量の電子がこのギャップを通過することがあり、ビーム形成器の縁部の腐食及び溶融を生じさせ、陽極の溶融を生じさせることがある。更に、使用中及び熱サイクル中に、陰極ブロック又はビーム形成器の移動により、ビーム形成器の2つの半部分が接触した場合、短絡が発生することがある。これら両方の従来のデザインにおいては、ビーム形成器が陰極ブロックとは別部品であるため、ビーム形成器の重要な縁部を適正な位置に配置するために、かなりの努力を必要とする。
更に、陽極がビーム形成器の直接前方の重要な整合面以外の別個の面上の及びそれから離間して位置する支持体を備えた薄い構造体であるため、陽極のゆがみは不整合の地点へと伝播することがあり、電子銃の性能を劣化させてしまう。

本発明の電子ビーム銃の各構成部品及びその機能は、以下に説明し、図2−１２に示すものを除いて、従来技術においてほぼ説明したものである。
本発明の1つの態様によれば、電子ビーム銃１００は2つの導電性側部と、陰極ブロック１０２と、ビーム形成器を備えた陰極ブロック１０３とを有する陰極を具備する。フィラメント１０９はブロック１０２、１０３に接続され、バス・バー及びフィラメントクランプ１１０によりチャンネル１０２ａ、１０３ａ内で直接固定される。ビーム形成器１０４は陰極ブロック１０３と一体になっている。本発明の１つの態様によれば、陰極ブロック１０２よりも実質上質量の大きい陰極ブロック１０３と一体的にビーム形成器１０４を組み込むことにより、熱はビーム形成器１０４から一層大きな質量の陰極ブロック１０３へ一層容易に導かれる。従って、ビーム形成器１０４はゆがみ又は溶融が一層少なくなる傾向を有する。さらに、ビーム形成器１０４を陰極ブロック１０３に組み込むことにより、ビーム形成器は、陰極ブロックとの整合を維持するためにファスナー又はスペーサを必要とする従来技術に比べて、陰極ブロックからの不整合が一層少なくなる傾向を有する。更に、ビーム形成器１０４を組み込んだ陰極ブロック１０３にフィラメント１０９を装着することにより、ビーム形成器とフィラメントとの間の改善された整合が電子ビーム銃の作動寿命にわたって維持される。

陰極ブロック１０３及び陰極ブロック１０２の各々内にビーム形成器の同等の部分を有するものと対比して、図2に示すような陰極ブロック１０３へのビーム形成器１０４の組み込みは、フィラメント１０９と陽極１０７との間での電子のための直接の視界経路を妨げる。図１０、１１、１２に「Ａ」で示す、陰極ブロック１０３のビーム形成器１０４と陰極ブロック１０２との間のこの片寄ったスプリット即ちギャップは、ビーム形成器がフィラメントと陽極１０７との間の直接の視界経路を妨げるようにフィラメントの一端に向かって又はこれを越えて配置されるようなまさに1つの実施の形態である。これは、陰極ブロック間を通るかなりの量の電子の流れの可能性を減少させ、腐食又は溶融によるビーム形成器の損傷を排除する。

図２−５に示すように支持ベース１０１に装着された陽極支持体１０６に固定された陽極１０７はビーム形成器１０４の直接前方に位置する。陰極ブロック１０３、１０２間でのビーム形成器１０４における片寄ったスプリットＡはまた、陰極ブロック間のギャップを通るかなりの量の電子の流れの可能性を減少させ、陽極１０７の損傷を減少させる。

本発明の別の態様によれば、陰極ブロック１０２及び陰極ブロック１０３は、（図１１に明示するように）当接表面において、くぼみ１０２ｂ及びこれと番い合うタブ１０３ｂを具備し、フィラメント１０９とベース１０１との間の直接の視界線を排除する。陰極ブロック１０２と陰極ブロック１０３との当接表面がフィラメント１０９の下方に位置しているので、陰極ブロック１０２と陰極ブロック１０３との当接表面間のギャップを通過する電子の可能性が減少する。

本発明の別の態様においては、フィラメント１０９に対面するビーム形成器１０４の内表面は湾曲形状１０４ａを有し、ビーム形成器はフィラメント１０９とフィラメント１０９の上方、背後又は下方の任意の他の構造体との間の直接の視界線を妨げるように陰極ブロック１０３と一体化している。

（ａ）ビーム形成器１０４内の片寄ったスプリットと；（ｂ）陰極ブロックの当接表面上のくぼみ及びこれと番い合うタブと；（ｃ）ビーム形成器における湾曲した内表面と；を備えた、陰極ブロック１０２、１０３からなる陰極ブロック組立体は、電子が陽極の方へ適切に導かれ、所望通りに陽極を通過するように、電子漏洩から十分にシールされた構造体を有し、同時に、この構造体は、構造体内のギャップを不当に通過する電子に由来する電子ビーム銃及びこれを取り巻く構造体の素子を損傷させる可能性を減少させる。

図2を参照すると、後方シールドを備えた陽極１０７はその各端部で陽極支持体１０６に固定され、その底部は支持ベース１０１に装着される。陽極支持体１０６に加えて、陰極ブロック１０２、１０３は絶縁支持ベース１０１に装着される。本発明の別の態様によれば、単一の絶縁支持ベースが設けられ、図2、７に示すように、所定の位置及び電子ビーム銃の重要な構造間の精確な整合を有する。各陽極支持体１０６のための所定の輪郭１０１ａに加えて、ポケット１０１ｂ、１０１ｃがベース１０１の面に形成され、陰極ブロック１０２、１０３の対応する底輪郭を精確に位置決めし、整合させる。

ポケット１０１ｂ、１０１ｃ及び隆起部１０１ｄは2つの運動面における陰極ブロック１０２、１０３の精確な位置決め及び整合を提供し、陰極ブロックに対するネジ又は他の機械的な取り付け素子は第3の面における整合を提供する。支持ベースに対して陰極ブロックをこのように固定し、整合させることにより、熱サイクル中及び熱サイクル後、陰極ブロックはその適正な位置及び相対方位に維持される。更に、支持ベース１０１に対して陰極ブロック１０２、１０３をこのように固定することにより、所定の片寄ったスプリットＡを達成させるための精確な位置決めが、電子ビーム銃の組み立て者がそれを測定したり設定したりする必要無しに、達成される。更に、ベース１０１は陰極ブロック１０２、１０３及び陽極支持体１０６の精確な位置及び方位を更に画定するために分割壁１０１ｅ、１０１ｆを有する。

これらの構造の各々は、大きな負電圧電位を有する陰極ブロックと、経路に沿ったアークの伝播を禁止する蛇行経路を設けることによりこれらの構造間のアークの可能性を排除しない場合には個々に及び集合的に大幅に減少する接地電位を典型的に有する陽極支持体１０６との間の表面に不連続部を生じさる。

本発明の更に別の態様によれば、後方シールドを備えた陽極１０７は作動中及び熱サイクル中に最もゆがみ易い表面に沿って固定される。従って、陽極１０７は、図8に示すごとく、縁部１０７ｂの運動を排除するように、表面１０７ａに沿ってその各端部で陽極支持体１０６に固定される。

従来技術よりも優れた更に別の利点によれば、フィラメント１０９の各脚部は、図2に示すように、チャンネル１０２ａ内及びバス・バー１１０と陰極ブロック１０２、１０３との間のチャンネル１０３ａ内に直接固定される。

従来のデザインでは、フィラメントは典型的にはフィラメントクランプと陰極ブロックとの間で固定され、一方、バス・バーは異なる位置で陰極ブロックに固定されていた。フィラメントの端部でバス・バーを陰極ブロックに直接固定することにより、高温領域における電気接続地点の数は５０％だけ減少する。

本発明の別の態様によれば、陽極１０７及び陽極支持体１０６は、陽極構造（図9）の剛性、整合性及び冷却度を向上させるために、複数の部品とする代わりに、一体部品として形成される。一体化した陽極構造は、陽極及び陽極支持体を有することができ、又は、この陽極構造はまた、同様に後方に向くシールドを含むように構成することができる。

上述の説明及び図面は本発明の好ましい実施の形態を示すが、当業者にとっては、本発明の真の精神及び要旨を逸脱することなく、種々の変更及び修正が可能であること、明らかである。

陽極の一部を破断して示す従来の電子ビーム銃の斜視図である。 本発明の電子ビーム銃の分解部品斜視図である。 図2に示す電子ビーム銃の頂面図である。 図2に示す電子ビーム銃の前面図である。 図2に示す電子ビーム銃の側面図である。 図2に示すビーム形成器を備えた陰極ブロックの拡大斜視図である。 図2に示す支持ベース絶縁体の拡大斜視図である。 図2に示す後部シールドを備えた陽極の拡大斜視図である。 一体の支持体を備えた一部品陽極の斜視図である。 陰極ブロック間のギャップを示す本発明の電子ビーム銃の前面図である。 陰極ブロック間のギャップを示す本発明の電子ビーム銃の後面図である。 陰極ブロック間のギャップを示す本発明の電子ビーム銃の斜視図である。

符号の説明

１００ 電子ビーム銃
１０１ 支持ベース
１０２、１０３ 陰極ブロック
１０２ｂ くぼみ
１０３ｂ タブ
１０４ ビーム形成器
１０６ 陽極支持体
１０７ 陽極
１０９ フィラメント
１１０ バス・バー（及びフィラメントクランプ）

Claims (20)

1. 電子を発生させるための電子ビーム銃において、
   少なくとも２つの陰極ブロックを備えた電気陰極を有し、
   これらの２つの陰極ブロックのうちの第１の陰極ブロックが上記２つの陰極ブロックのうちの第２の陰極ブロックよりも実質上一層大きな質量を有し、上記第１の陰極ブロックは、熱がビーム形成器から当該第１の陰極ブロックへ導かれるように、上記ビーム形成器と一体的に形成されることを特徴とする電子ビーム銃。
2. 上記ビーム形成器が内方に凹状に湾曲した形状を有するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム銃。
3. 上記第１の陰極ブロックに装着された、電子を発生させるためのフィラメントを更に有することを特徴とする請求項２に記載の電子ビーム銃。
4. 陽極を更に有し、上記第２の陰極ブロックが上記フィラメントと上記陽極との間での電子のための直接の視界経路を妨げるように位置することを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム銃。
5. 上記フィラメントが端部を有し、上記ビーム形成器が、当該フィラメントと上記陽極との間での電子のための直接の視界経路を妨げるように該フィラメントの上記端部の近傍に位置することを特徴とする請求項４に記載の電子ビーム銃。
6. 陽極、陽極支持体及び支持ベースを更に有し、上記陽極が上記陽極支持体に接続され、同陽極支持体が上記支持ベースに接続され、当該陽極が上記ビーム形成器の前方部分の近傍に位置することを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム銃。
7. 陽極及び上記少なくとも２つの陰極ブロックを支持するための支持ベースを更に有し、上記少なくとも２つの陰極ブロックのうちの一方がくぼみを具備し、当該少なくとも２つの陰極ブロックのうちの他方が上記フィラメントと上記支持ベースとの間での電子のための直接の視界線を妨げるように上記くぼみと番い合う形状を備えたタブを有するようになっていることを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム銃。
8. 陽極、陽極支持体及び支持ベースを更に有し、同支持ベースが上記陽極支持体を受け入れるための第1の位置を有すると共に、上記各陰極ブロックを受け入れるための第2の位置を更に有する単一の絶縁部材で構成されることを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム銃。
9. 上記支持ベースが第1の対の分割壁を有し、同第1の対の分割壁の各々が上記第1の位置の対応する１つと上記第2の位置の対応する１つとの間に位置することを特徴とする請求項８に記載の電子ビーム銃。
10. 上記支持ベースが更に第2の対の分割壁を有し、同分割壁の各々が、上記第1の対の分割壁間で、当該ベースの外縁において同ベースの表面から延びることを特徴とする請求項９に記載の電子ビーム銃。
11. 上記第2の位置間で上記ベースの表面から延びる隆起部と、上記陰極ブロックが３つの運動平面の各々内において運動を抑制されるように、当該各陰極ブロックの底部分を当該第2の位置の対応する１つに取り付けるための手段と、を更に有することを特徴とする請求項１０に記載の電子ビーム銃。
12. 上記陽極が更に後方シールド部分と、頂部と、表面面とを有し、上記頂部が実質上直交的に上記後方シールド部分及び上記表面面に接続され、当該表面面が縁部を有し、上記２つの陰極ブロックの各１つが上記縁部に近い方及び当該陽極の両端に近い方に位置する該表面面に沿って該陽極に固定されることを特徴とする請求項８に記載の電子ビーム銃。
13. 上記陽極が更に後方シールド部分と、頂部と、表面面とを有し、上記頂部が実質上直交的に上記後方シールド部分及び上記表面面に接続され、当該表面面が縁部を有し、上記２つの陰極ブロックの各１つが上記縁部に近い方及び当該陽極の両端に近い方に位置する該表面面に沿って該陽極に固定されることを特徴とする請求項９に記載の電子ビーム銃。
14. 上記陽極が更に後方シールド部分と、頂部と、表面面とを有し、上記頂部が実質上直交的に上記後方シールド部分及び上記表面面に接続され、当該表面面が縁部を有し、上記２つの陰極ブロックの各１つが上記縁部に近い方及び当該陽極の両端に近い方に位置する該表面面に沿って該陽極に固定されることを特徴とする請求項１０に記載の電子ビーム銃。
15. 上記陽極が更に後方シールド部分と、頂部と、表面面とを有し、上記頂部が実質上直交的に上記後方シールド部分及び上記表面面に接続され、当該表面面が縁部を有し、上記２つの陰極ブロックの各１つが上記縁部に近い方及び当該陽極の両端に近い方に位置する該表面面に沿って該陽極に固定されることを特徴とする請求項１１に記載の電子ビーム銃。
16. 上記陽極が後方シールド部分と、頂部と、表面面とを有し、上記頂部が実質上直交的に上記後方シールド部分及び上記表面面に接続され、上記陽極支持体が更に当該陽極と一体的に形成された２つの陽極支持体で構成されることを特徴とする請求項８に記載の電子ビーム銃。
17. 上記陽極が後方シールド部分と、頂部と、表面面とを有し、上記頂部が実質上直交的に上記後方シールド部分及び上記表面面に接続され、上記陽極支持体が更に当該陽極と一体的に形成された２つの陽極支持体で構成されることを特徴とする請求項９に記載の電子ビーム銃。
18. 上記陽極が後方シールド部分と、頂部と、表面面とを有し、上記頂部が実質上直交的に上記後方シールド部分及び上記表面面に接続され、上記陽極支持体が更に当該陽極と一体的に形成された２つの陽極支持体で構成されることを特徴とする請求項１０に記載の電子ビーム銃。
19. 上記陽極が後方シールド部分と、頂部と、表面面とを有し、上記頂部が実質上直交的に上記後方シールド部分及び上記表面面に接続され、上記陽極支持体が更に当該陽極と一体的に形成された２つの陽極支持体で構成されることを特徴とする請求項１１に記載の電子ビーム銃。
20. 上記フィラメントが２つの脚部を有し、上記各陰極ブロックが当該フィラメントのそれぞれの脚部を受け入れるためのチャンネルを有し、
    該フィラメントの対応する上記脚部を対応する当該陰極ブロックに固定する、バス・バー及びフィラメントクランプを更に有することを特徴とする請求項３に記載の電子ビーム銃。

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