JP2009283434A - 電子ビーム集束電極及びこれを用いた電子銃、並びに四角形の断面を有する電子ビームの拡散現象を低減させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビームの拡散現象を低減させる電子ビーム集束電極及びこれを用いた電子銃、並びに四角形の断面を有する電子ビームの拡散現象を低減させる方法を提供する。
【解決手段】本発明の電子ビーム集束電極は、多角形の貫通孔を有するプレートと、貫通孔の少なくとも一辺に形成された突出部と、を備える。本発明の電子ビーム集束電極を利用すれば、四角形の断面を有する電子ビームの拡散現象を低減させることができ、電子銃の出力を増大させると共に、電子ビームを集束させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、電子ビーム集束電極及びこれを用いた電子銃、並びに四角形の断面を有する電子ビームの拡散現象を低減させる方法に係り、より詳しくは、電子銃のカソード電極から放出される電子ビームを所望の断面形状及び／又は所定の断面形状を有する貫通孔に通らせることにより、電子ビームの拡散現象を低減させる電子ビーム集束電極及びこれを含む電子銃に関する。

マイクロ波やテラヘルツ波の発振のための真空装置の作製にあたっては、装置に電子ビームを放射するための電子銃が使用される。従来型の電子銃は、中実の円形又は中空の環状の断面を有する電子ビームを生成していた。円形又は環状の断面を有する電子ビームが適用されるためには、基板の表面などに形成されたパターン内に電子ビームが入射しなければならない。しかし、近年、素子の小型化が進んでおり、このため微細なパターン内に電子ビームを入射させることがますます容易でなくなった。別の従来技術による電子銃は、矩形の断面を有する電子ビームを生成する。しかし、この従来技術による電子銃により生成された矩形の断面を有する電子ビームの場合、円形又は環状のビームに比べて電場の均一性に劣っている。

本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、従来技術による装置において所定のビーム及び／又は所望のビームを出力できない問題を解決でき、例えば、円形又は環状ビームに比べて電子ビームの均一性が劣る問題点を解決するための電子ビーム集束電極及びこれを用いた電子銃、並びに四角形の断面を有する電子ビームの拡散現象を低減させる方法を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の一特徴による電子ビーム集束電極は、多角形の貫通孔を有するプレートと、前記貫通孔の少なくとも一辺に形成された突出部と、を備える。
前記突出部は、該突出部が形成された辺の両端から離隔されることがある。前記突出部の長さは、前記貫通孔の中心から該突出部が形成された辺までの距離より小さくてもよい。
前記貫通孔の内側表面は、前記貫通孔内を通っていく電子ビームの進行方向に沿って傾斜して形成され得る。前記貫通孔は第１領域及び第２領域を有し得る。前記第１領域は前記第２領域より小さくてもよい。また、前記第１領域は電子ビームが入射する領域であり、前記第２領域は電子ビームが出射する領域であり得る。
前記多角形貫通孔は、４個の辺及び該４個の辺に各整列して前記各辺の中心から突出した４個の突出部を含んでもよい。前記各突出部は四角形状の断面を有し得る。

上記目的を達成するためになされた本発明の一特徴による電子銃は、電子を放出するカソード電極と、前記カソード電極と離間して配設され、前記カソード電極から放出された電子が集束されるアノード電極と、前記カソード電極と前記アノード電極との間に配設される上述したように構成された電子ビーム集束電極と、を備える。
前記電子ビーム集束電極は、前記カソード電極と電気的に分離され得る。又は、前記電子ビーム集束電極は、前記カソード電極と接続され得る。前記電子銃は、電子ビームの電流量を調整するための前記電子ビーム集束電極と前記アノード電極との間のゲート電極を更に備えてもよい。
前記カソード電極は、冷陰極（ｃｏｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃａｔｈｏｄｅ）、光電陰極（ｐｈｏｔｏｃａｔｈｏｄｅ）、及びプラズマソース（ｐｌａｓｍａ ｓｏｕｒｃｅ）のうちのいずれか一つであってもよい。

上記目的を達成するためになされた本発明の一特徴による四角形の断面を有する電子ビームの拡散現象を低減させる方法は、少なくとも一辺に配列された突出部を有する多角形の貫通孔内に電場を形成する段階と、前記貫通孔内に電子ビームを通過させる段階と、前記電場により前記電子ビームの断面を形成する段階と、を有する。

本発明の電子ビーム集束電極及びこれを用いた電子銃、並びに四角形の断面を有する電子ビームの拡散現象を低減させる方法によれば、電子ビームの拡散現象を低減させることができ、電子銃の出力を増大させると共に、容易に電子ビームを集束させることができるという効果がある。

以下、本発明の電子ビーム集束電極及びこれを用いた電子銃、並びに四角形の断面を有する電子ビームの拡散現象を低減させる方法を実施するための最良の形態の具体例を、図面を参照しながら詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施形態による電子銃を示した断面斜視図であり、図２は、図１に示した一実施形態による電子銃の縦断面図である。

図１を参照すると、本実施形態による電子銃は、カソード電極１０と、アノード電極２０、及び電子ビーム集束電極３０を備えることができる。

カソード電極１０は、電子を放出するための装置であり得る。例えば、カソード電極１０は、熱電子放射（ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を利用した素子であったり、冷陰極、光電陰極、又はプラズマ源などのような素子であったりし得る。

図２を参照すると、一実施形態においてカソード電極１０は、カソード基体１００及びカソード支持スリーブ１０１によって電子銃内の所望の位置及び／又は所定の位置に固設され得る。また、カソード電極１０が熱電子放射を利用した素子である場合、加熱されたカソード電極１０から放出される熱を遮蔽するための放熱膜１０２がカソード電極１０の周辺に設けられてもよい。

アノード電極２０は、カソード電極１０と所定の間隔及び／又は所望の間隔だけ離間して配設され得る。カソード電極１０とアノード電極２０との間には電圧が印加される。印加された電圧によってカソード電極１０から放出された電子が加速されることもあり、電子ビームがアノード電極２０に向けて集束され得る。

一実施形態において、アノード電極２０はその中央に孔２１を含んでもよい。カソード電極１０から放出された電子はこの孔２１を介してアノード電極２０を通っていき、電子銃から出射されてもよく、その後コレクタ（図示せず）に到達できる。コレクタは電子銃外部に配設されたまた別のアノード電極であり得る。

図２を参照すると、電子ビーム集束電極３０は、シリンダー形状の基体（ベース）３００によりカソード電極１０とアノード電極２０との間の所望の位置及び／又は所定の位置に配設され得る。一実施例として、電子ビーム集束電極３０は、所望の電場が形成されるように多角形の貫通孔３３が形成されたプレートを含んでもよい。

カソード電極１０から放出された電子が貫通孔３３を介して電子ビーム集束電極３０を通っていき、所定の断面形状及び／又は所望の断面形状を有する電子ビームが形成され得る。

一方、本発明の一実施形態による電子銃は、電子ビーム集束電極３０とアノード電極２０との間に配設され、電子ビームの電流量を調節するゲート電極（図示せず）を更に備えてもよい。

図３は、一実施形態による電子銃における、貫通孔３３が配設された部分を拡大して示した縦断面図である。図３を参照すると、電子ビーム集束電極３０は、電子が放出されるカソード電極１０の前に配設され得る。

カソード電極１０は、所定の射出口１１を有するカソードスリーブ１２に取り囲まれて配設されてもよく、カソード電極１０から放出された電子は、カソードスリーブ１２の射出口１１から電子ビーム集束電極３０に向けて出射され得る。出射した電子が電子ビーム集束電極３０の貫通孔３３を通っていき、この際に電子ビームが形成されてもよく、電子ビームの断面形状は、電子ビーム内の電場により決定され得る。電場は貫通孔３３の形状に応じて形成され得る。カソード電極１０及びカソードスリーブ１２については、図９〜図１１を参照して後述する。

図３において、カソードスリーブ１２と電子ビーム集束電極３０とは所定の間隔及び／又は所望の間隔だけ離間して配設されてもとよく、互いに電気的に分離され得る。これにより、電子ビーム集束電極３０は、カソードスリーブ１２に接続され得るカソード電極１０とも電気的に分離され得る。

一実施例として、カソード電極１０と電子ビーム集束電極３０とが互いに同じ電位を有するようにしたり、又は電子ビームの軌跡を調整するために互いに異なる電位を有するようにしたりすることもできる。カソード電極１０と電子ビーム集束電極３０が互いに異なる電位を有する場合、カソード電極１０と電子ビーム集束電極３０との電位差は、カソード電極１０と電子ビーム集束電極３０との間で絶縁破壊を起こさない程度に決定することができる。

他の実施形態においては、電子ビーム集束電極３０をカソードスリーブ１２に接続させることにより、カソードスリーブ１２を介して電子ビーム集束電極３０とカソード電極１０とを互いに接続することも可能である。

図４は、本発明の一実施形態による電子ビーム集束電極を示した斜視図である。図４を参照すると、本実施形態による電子ビーム集束電極３０は、第１の面３１及び第１の面３１の反対側の第２の面３２を有するプレート３０’及び電子ビーム集束電極３０を貫通する多角形状の貫通孔３３を含むことができる。

貫通孔３３は、貫通孔３３の各辺から貫通孔３３の内へと突出した突出部３４を含むことができる。例えば、貫通孔３３の多角形状は４個の辺を有することができる。各辺は、各辺の中心に形成された一つの突出部を持つことができる。各突出部は、四角形状の断面を有することができ、多角形の各辺から突出し得る。

カソード電極から放出された電子は、電子ビーム集束電極３０の第１の面３１に入射され得る。貫通孔３３が電子ビーム集束電極３０の第１の面３１からこの第１の面３１の反対側の第２の面３２まで貫通して形成され得るため、貫通孔３３に入射した電子が貫通孔３３内を通っていき貫通孔３３を介して第２の面３２から出射する。

図４を参照すると、貫通孔３３は貫通孔３３の少なくとも一辺に形成された突出部３４を含むことができる。突出部３４によって電子ビームの角部分での電場の歪曲を低減することができ、貫通孔３３内を通る電子ビームの軌跡が調節され得る。結果的に、電子銃から出力される電子ビームの均一度を向上させることができる。

図５は、図４に示した一実施形態による電子ビーム集束電極の第２の面３２の平面図であり、図６は、電子ビーム集束電極の第１の面３１の底面図である。電子ビーム集束電極３０におけるプレート３０’の貫通孔３３は、図６に示した第１の面３１において第１の断面積を有し、図５に示した第２の面３２において第２の断面積を有することができる。第１の断面積は第２の段面積と異なることがある。例えば、第２の断面積の大きさが第１の断面積の大きさより大きく構成され得る。結果的に、貫通孔３３内を通る電子ビームの進行方向に対して傾斜して形成されてもよい。

図５に示したように、第２の面３２においてプレート３０’に形成された貫通孔３３は、図中、横方向及び縦方向にそれぞれＬ_１の長さ及びＨ_１の幅を有する。一例として、貫通孔においてＬ_１は３．０４ｍｍであり、Ｈ_１は２ｍｍであってもよい。

貫通孔３３の少なくとも一辺には少なくとも一つの突出部３４が形成されてもよい。一実施形態において、各突出部３４は、この突出部３４が形成された辺の両端から所望の間隔及び／又は所定の間隔だけ離間して設けることができる。各突出部３４は貫通孔３３の中心に所望の高さ及び／又は所定の高さだけ突出することができる。例えば、図５に示したように、貫通孔３３は多角形の各辺に一つの突出部を含むことができ、各突出部３４は各辺の中央に設けられ得、突出部３４の左側及び右側全ての両端から離隔され位置することができる。

図中、横方向及び縦方向の突出部３４は、それぞれＬ_２及びＨ_２の長さを有し、Ｄ_１及びＤ_２の長さを有することができる。一実施形態において、各突出部３４の長さＤ_１、Ｄ_２は、各辺から貫通孔３３の中央までの距離より小さく、互いに向き合う二つの突出部３４が互いに邪魔しないように構成することができる。

一例として、突出部においてＬ_２は０．８８ｍｍであり、Ｈ_２は０．４８ｍｍであり、Ｄ_１及びＤ_２は０．４ｍｍであってもよい。

従って、方形の貫通孔３３は、方形の各辺から突出した突出部３４によって鉄アレイ形状の多角形に変形された。結果的に、貫通孔３３内の電場は貫通孔３３の鉄アレイ形状により変形されることがあり、方形又は角丸め方形の貫通孔に比べて電子ビーム集束電極の角部分での電子ビームの拡散現象が低減され得る。

方形又は角丸め方形の電子ビーム集束電極を電子ビームが通る場合、この電子ビームの進行する距離が長くなるほど電子分布の対称性が崩れ得る。これは、電子ビーム集束電極の形状による電場の分布が電子ビームに影響を及ぼすことになり得るためである。これはまた、電子ビームの発生初期における、熱及び電場の分布による初期速度拡散（ｉｎｉｔｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｓｐｒｅａｄ）及び初期電子速度が均一ではないことに起因し得る。

鉄アレイ形状の貫通孔３３を有する電子ビーム集束電極３０を使用すれば、貫通孔３３内を通る電子ビームの軌跡が突出部により調節され得る。結果的に、電子ビームの均一度が改善されることがあり、又は、均一な電子ビームが得られる。

図６は、図４に示した一実施形態による電子ビーム集束電極３０における、第１の面３１を示した底面図である。図６に示した一実施形態において、電子ビーム集束電極３０は、互いに異なる半径を有する２つの円形の電極が取り付けられたような形状となり得る。他の実施形態として、電子ビーム集束電極３０が円形以外の形状を有したり２つ以外のほかの数の電極を含んだりしてもよい。

プレート３０’に形成された貫通孔３３は、第１の面３１から図中、横方向及び縦方向にそれぞれＬ_３及びＨ_３の長さを有する。一例として、貫通孔においてＬ_３は２．２ｍｍであり、Ｈ_３は１．１６ｍｍであってもよい。

貫通孔３３の少なくとも一辺には少なくとも一つの突出部３４が形成される。各突出部３４は、突出部３４が形成される各辺の両端から所望の距離及び／又は所定の距離だけ離隔されてもよい。例えば、貫通孔３３の各辺は辺の中央から貫通孔３３の中心に向けて突出した突出部を含んでもよい。図中、横方向及び縦方向の突出部３４は、それぞれＬ_２及びＨ_２の幅を有し、Ｄ_１及びＤ_２の長さを有し得る。

図７及び図８は、それぞれ図５に示した電子ビーム集束電極におけるＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’による断面図である。図７及び図８を参照すると、プレート３０’に形成された貫通孔３３は、電子ビーム集束電極３０の第２の面３２における断面積が第１の面３１における断面積より大きくなるように形成されてもよい。その結果、貫通孔３３の内側表面３３１は、第１の面３１に対してθの角度をなし得る。また、貫通孔３３は、Ｔ_１の厚さを有し得る。例えば、電子ビーム集束電極はθが５０°、Ｔ_１が０．５ｍｍである貫通孔を有し得る。

図９は、本発明の一実施形態による電子銃に備えられたカソード電極１０の一部分を拡大して示した斜視図であり、図１０は、図９に示したカソード電極１０の一部分を更に拡大して示した縦断面図である。

図９及び図１０を参照すると、カソード電極１０は、射出口１１が形成されたカソードスリーブ１２内に配設され得る。カソード電極１０から放出された電子は、射出口１１から電子ビーム集束電極３０に向けて出射され得る。射出口１１の内側表面１１１は、カソード電極１０の表面１１０に対してδの角度を有するように形成され得る。また、射出口１１は、Ｔ_３の厚さを有し得る。一例として、射出口１１においてδは３０゜であり、Ｔ_３は０．０６ｍｍであってもよい。

図１１は、図９及び図１０に示した射出口１１を示した平面図である。図１１を参照すると、射出口１１は、図中、横方向及び縦方向にそれぞれＬ_４及びＨ_４の長さを有する方形の断面を有するように形成され得る。一例として、カソードスリーブはＬ_４が０．６ｍｍ、Ｈ_４が０．１ｍｍである射出口を有し得る。

図３を参照して上述したように、射出口１１が形成されたカソードスリーブ１２に接続されるか、又はカソードスリーブ１２と所定の間隔及び／又は所望の間隔だけ離間して電子ビーム集束電極３０が配設され得る。電子はカソード電極１０から放出され得る。射出口１１から出射した電子が電子ビーム集束電極３０を通っていき、この際、電子ビーム集束電極３０による電場に応じた所定の断面形状が形成され得る。

図１２は、本発明の一実施形態による電子ビーム集束電極を通った電子ビームの等電位線及び電子の軌跡を示した概略図である。図示したように、多角形の貫通孔の各辺から貫通孔の内側に向けて突出した突出部による影響によって電子ビーム集束電極の等電位線が調節された。

図１２から分かるように、貫通孔の内側に向けて突出した突出部を含む電子ビーム集束電極を使用すれば、電子ビームの角部分における電子ビーム分布の歪曲が改善され得る。その結果、電子ビームの角部分で電子ビームが歪曲されたり、互いに交差したりすることを低減し、又は、防止することができ、電子が進行する距離によって電子ビームの断面が大きく変わるということがなくなる。従って、電子ビームの断面形状をより長時間維持することができる。

以上、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

本発明の一実施形態による電子銃を示した断面斜視図である。 図１に示した電子銃の縦断面図である。 図１及び図２に示した電子銃の一部分を拡大して示した縦断面図である。 本発明の一実施形態による電子ビーム集束電極を示した斜視図である。 図４に示した電子ビーム集束電極の平面図である。 図４に示した電子ビーム集束電極の底面図である。 図５に示した電子ビーム集束電極におけるＡ−Ａ’による断面図である。 図５に示した電子ビーム集束電極におけるＢ−Ｂ’による断面図である。 本発明の一実施形態による電子銃に備えられるカソード電極を示した斜視図である。 図９に示したカソード電極を拡大して示した縦断面図である。 図９に示したカソード電極を示した平面図である。 本発明の一実施形態による電子ビーム集束電極を通った電子ビームの等電位線及び電子の軌跡を示した概路図である。

符号の説明

１０ カソード電極
１１ 射出口
１２ カソードスリーブ
２０ アノード電極
２１ 孔
３０ 電子ビーム集束電極
３０’ プレート
３１ 第１の面
３２ 第２の面
３３ 貫通孔
３４ 突出部
１００ カソード基体
１０１ カソード支持スリーブ
１０２ 放熱膜
１１０ カソード電極の表面
１１１ 射出口の内側表面
３００ 基体
３３１ 貫通孔の内側表面

Claims (20)

1. 多角形の貫通孔を有するプレートと、
   前記貫通孔の少なくとも一辺に形成された突出部と、を備えることを特徴とする電子ビーム集束電極。
2. 前記突出部は、該突出部が形成された辺の両端から離間されていることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム集束電極。
3. 前記突出部の長さは、前記貫通孔の中心から該突出部が形成された辺までの距離より小さいことを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム集束電極。
4. 前記貫通孔の内側表面は、前記貫通孔内を通る電子ビームの進行方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム集束電極。
5. 前記貫通孔は第１領域及び第２領域を有し、前記第１領域は前記第２領域より小さく、前記第１領域は電子ビームが入射する領域であり、前記第２領域は電子ビームが前記貫通孔から出射する領域であることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム集束電極。
6. 前記多角形の貫通孔は、４個の辺及び該４個の辺に各整列して前記各辺の中心から突出した４個の突出部を含むことを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム集束電極。
7. 前記各突出部は、四角形の断面を有することを特徴とする請求項６に記載の電子ビーム集束電極。
8. 電子を放出するカソード電極と、
   前記カソード電極と離間して配設され、前記カソード電極から放出された電子が集束されるアノード電極と、
   前記カソード電極と前記アノード電極との間に配設される請求項１に記載の電子ビーム集束電極と、を備えることを特徴とする電子銃。
9. 前記電子ビーム集束電極は、前記カソード電極と電気的に分離されることを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
10. 前記電子ビーム集束電極は、前記カソード電極に接続されることを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
11. 電子ビームの電流量を調節するための前記電子ビーム集束電極と前記アノード電極との間のゲート電極を更に備えることを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
12. 前記突出部の長さは、前記貫通孔の中心から前記突出部が形成された辺までの距離より小さいことを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
13. 前記貫通孔の内側表面は、前記貫通孔内を通過する電子ビームの進行方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
14. 前記貫通孔は第１領域及び第２領域を有し、前記第１領域は前記第２領域より小さく、前記第１領域は電子ビームが入射する領域であり、前記第２領域は電子ビームが前記貫通孔から出射する領域であることを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
15. 前記多角形の貫通孔は、４個の辺及び該４個の辺に各整列して前記各辺の中心から突出した四角形の断面を有する４個の突出部を含むことを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
16. 前記アノード電極は前記アノード電極の中心に孔を有し、前記カソード電極は射出口を有するカソードスリーブを含み、前記射出口の内側表面は前記カソード電極の表面に対して角度を有するように形成されることを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
17. 前記カソード電極は、冷陰極（ｃｏｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃａｔｈｏｄｅ）、光電陰極（ｐｈｏｔｏｃａｔｈｏｄｅ）、及びプラズマソース（ｐｌａｓｍａ ｓｏｕｒｃｅ）のうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
18. 前記カソード電極周囲に備えられ、前記カソード電極より放出される熱を遮蔽する放熱膜を更に含み、前記カソード電極は、熱電子放射を用いた素子であることを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
19. 少なくとも一辺に配列された突出部を有する多角形の貫通孔内に電場を形成する段階と、
    前記貫通孔内に電子ビームを通過させる段階と、
    前記電場により前記電子ビームの断面を形成する段階と、を有することを特徴とする四角形の断面を有する電子ビームの拡散現象を低減させる方法。
20. ゲート電極を使用し、前記電子ビームの電流量を調節する段階を更に有することを特徴とする請求項１９に記載の四角形の断面を有する電子ビームの拡散現象を低減させる方法。