JP2011065790A - 電子源、電子源の製造方法及び電子放出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間に渡り安定して動作する電子源を提供する。
【解決手段】電子源のエミッタ１１は、先端に｛１００｝結晶面１６ａを電子放出面１６ａとして備える先端部１６を備える＜１００＞方位単結晶タングステンロッド１１ａを備える。電子放出面１６ａは、仕事関数を低減させるためのＺｒＯ膜で被覆されている。＜１００＞方位単結晶タングステンロッド１１ａには、補助棒１１ｂ、１１ｃが取り付けられている。＜１００＞方位単結晶タングステンロッド１１ａと補助棒１１ｂ、１１ｃには、ＺｒとＯを拡散・供給するための拡散源１２が配置されている。補助棒１１ｂ、１１ｃは、＜１００＞方位単結晶タングステンロッド１１ａの外表面以外に、ＺｒとＯを電子放出面１６ａに拡散供給するための通路を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱電界放出により電子を放出する電子源、電子源の製造方法及び電子放出方法に関する。

電子銃等に使用される電子源は、電界放出により電子を放出する素子である。電界放出は、エミッタの先端部に強い電界を印加すると、トンネル効果により電子が放出される現象である。一般に、エミッタの先端部の温度が高くなるほど、電界による電子の放出が起き易い状態となる。ただし、エミッタから熱電子も発生し易くなる。また、熱電界放出は、熱電子があまり発生しない程度の温度にエミッタを加熱した状態で、強い電界を印加して、電子の放出を起こす方法である。

電子放出は、電子放出面の仕事関数が低いほど起きやすい。このため、エミッタの仕事関数を低下させた電子源も提供されている。例えば、軸方位が＜１００＞方位のタングステン単結晶エミッタに、ジルコニウムと酸素からなる被覆層（以下、ＺｒＯ被覆層という。）を設けることにより、タングステン単結晶の｛１００｝面の仕事関数を４．５ｅＶから約２．８ｅＶに低下させた電子源が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、電子を放出し易くするため、エミッタは１８００Ｋ程度に加熱されて使用される。しかし、加熱により、エミッタ表面のＺｒＯ被覆層が蒸発して、消耗してしまう。消耗したＺｒＯを補給するため、エミッタにジルコニウムと酸素の供給源を配置し、供給源からジルコニウム及び酸素を拡散することにより、エミッタ表面に供給することも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平２−１００２４９号公報 特開平６−７６７３１号公報

上述したように、ＺｒＯ被覆層は、タングステン単結晶の｛１００｝面の仕事関数を２．８ｅＶまで低下させる。しかしながら、より効率的に電子を電界放出するためには、エミッタの仕事関数をより低下させる必要がある。

また、従来の電子源は、エミッタを１８００Ｋ程度の高温に加熱する必要があり、より低温で動作可能な電子源が望まれる。

また、特許文献２の記載の電子源では、消耗したＺｒＯ被覆層を再生するためのＺｒとＯの供給が、タングステン単結晶エミッタの表面拡散に依存しており、限界がある。このため、使用条件によっては、ＺｒとＯの供給が不足し、ＺｒＯ被覆層が再生されない虞がある。

本発明は、より効率的及び／又はより安定的に電子を放出することが可能な電子源を提供する。

また、本発明は、拡散源からエミッタへ被覆層の構成物質を十分に供給可能な電子源を提供する。

また、本発明は、仕事関数のより小さいエミッタを備える電子源を提供する。

また、本発明は、より低温で熱電界放出が可能な電子源を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る電子源は、
先端部に｛１００｝結晶面が露出した電子放出面を有するタングステン又はモリブデンからなる＜１００＞方位単結晶ロッドと、
前記｛１００｝結晶面を覆う金属酸化物層と、
前記金属酸化物層の原料物質を拡散する拡散源と、
前記＜１００＞方位単結晶ロッドに形成され、前記拡散源から前記先端部又は前記先端部の近傍とを連通し、前記拡散源からの原料物質の拡散の通路となる通路部と、
を備える。

前記通路部は、例えば、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの側面に接して配置された棒状部材を備え、前記拡散源は、前記棒状部材にも配置されている。

前記通路部は、例えば、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの側面に互いに接して配置され、前記＜１００＞方位単結晶ロッドと共に貫通孔状の隙間部を形成する複数の棒状部材、を備え、前記拡散源は、前記棒状部材にも配置されている。

前記通路部は、例えば、互いに接する２つの前記棒状部材によって形成される溝状の隙間部から構成される。

前記拡散源は、例えば、前記棒状部材の側面と前記通路部のいずれか一方又は双方に配置される。

前記通路部は、例えば、前記＜１００＞方位単結晶ロッド中に貫通する貫通孔から構成される。

前記通路部は、例えば、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの側面に形成した溝部から構成される。

前記金属酸化物を構成する金属元素は、例えば、タングステン又はモリブデンからなる前記＜１００＞方位単結晶ロッド中に固溶しない金属元素であり、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの｛１００｝結晶面を覆うことで、タングステン又はモリブデンの仕事関数を低下させる。

前記金属酸化物は、バリウムアルミネート、酸化バリウムと酸化アルミニウムと酸化カルシウムの複合酸化物、又は酸化バリウムと酸化スカンジウムの複合酸化物のいずれかから選択されたものであることが望ましい。

本発明の第２の観点に係る電子源の製造方法は、
タングステン又はモリブデンの＜１００＞方位単結晶ロッドを準備する工程と、
タングステン又はモリブデンの棒状部材を準備する工程と、
前記棒状部材を、前記＜１００＞方位単結晶ロッドと平行かつ互いに接するように保持する工程と、
前記＜１００＞方位単結晶ロッドと前記棒状部材とが接する領域及び前記棒状部材が互いに接する領域の少なくとも一部を、タングステン又はモリブデンで接合する工程と、
前記＜１００＞方位単結晶ロッドの先端部を針状に形成する工程と、
金属酸化物を含む拡散源を前記棒状部材の側面に保持する工程と、
前記＜１００＞方位単結晶ロッドの前記先端部に｛１００｝結晶面が露出した電子放出面を形成する工程と、
を含む。

前記＜１００＞方位単結晶ロッドと、互いに接する２つの前記棒状部材によって囲まれる貫通孔状の隙間部を形成する工程をさらに配置してもよい。

互いに接する前記棒状部材によって形成される溝状の隙間部を形成する工程を配置してもよい。

本発明の第３の観点に係る電子源の製造方法は、
電子放出面を備える導電性ロッドを準備する工程と、
前記導電性ロッドを加工することにより、物質が拡散可能な表面を増大する工程と、
前記電子放出面を、仕事関数を低下させる被覆層で被覆する工程と、
前記被膜層の構成物質を含む拡散源を前記導電性ロッド上に保持する工程と、
を含む。

この発明の第４の観点に係る電子放出方法は、
上述の電子源の先端部を、サプレッサ電極の上面に穿設された孔に配置し、
フィラメントに通電して加熱することに伴い、前記先端部を加熱し、
前記導電端子に電圧を印加して、前記先端部に電界を印加することにより、前記先端部から電子を放出する。

さらに、この発明の第５の観点に係る電子放出方法は、
電子放出面を備える導電性ロッドを加工し、物質が拡散可能な表面を増大する工程と、
前記電子放出面を、仕事関数を低下させる被覆層で被覆する工程と、
前記電子放出面を加熱すると共に電圧を印加して、電界を発生させ、電子を放出させながら、前記被覆層の構成物質を、前記増大した表面上を拡散させて前記電子放出面に供給する工程と、
を含む。

この発明の第１の実施形態に係る電子源の正面図である。 図１に示す電子源の拡大図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。 図１に示す電子源のエミッタの第１の実施形態の説明図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその先端側から見た図である。 図１〜３に示す電子源を備える電子銃の正面図である。 図１〜３に示す電子源のエミッタの製造方法の説明図であり、（ａ）は型枠の平面図、（ｂ）は型枠の使用方法の説明図である。 図１〜３に示す電子源のエミッタの他の製造方法の説明図であり、（ａ）は型枠の平面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線での断面図である。 図１に示す電子源のエミッタの変形例の説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は型枠の平面図である。 図１に示す電子源のエミッタの他の変形例の先端側から見た図である。 図１に示す電子源のエミッタの側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電子源の拡大図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその平面図である。 図１０に示す針状単結晶タングステンロッドの断面を模式的に示した図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図１０に示す針状単結晶タングステンロッドの変形例を説明するための断面を模式的に示した図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１０に示す針状単結晶タングステンロッドの製造方法の説明図である。 図１０に示す針状単結晶タングステンロッドの変形例の断面を模式的に示した図である。 （ａ）と（ｂ）は、図１０に示す針状単結晶タングステンロッドの製造方法の変形例の説明図である。 本発明の第３の実施形態における電子源の拡大図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその平面図である。 （ａ）と（ｂ）は、図１６に示す電子源の製造方法の説明図である。

以下、本発明の実施の形態に係る電子源とその製造方法を、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施形態に係る電子源１０は、熱電界放出により電子を放出する電子源であり、図１に示すように、エミッタ１１と、拡散源１２と、フィラメント１３と、導電端子１４ａ、１４ｂと、絶縁碍子１５とから構成されている。

エミッタ１１は、図２、図３に示すように、針状単結晶タングステンロッド１１ａと補助棒１１ｂ、１１ｃとから構成されている。
針状単結晶タングステンロッド１１ａは、先端が細くなる針状の先端部１６を有する＜１００＞方位タングステン単結晶の丸棒から構成される。先端部１６の先端面１６ａは、｛１００｝結晶面から構成され、電子を放出する電子放出面となる。

先端面１６ａを含む先端部１６は、図２（ｃ）に示すように酸化ジルコニウムで形成された被覆層１９で覆われている。

補助棒１１ｂと１１ｃは、それぞれ、針状の先端部を有しない＜１００＞方位タングステン単結晶の丸棒から構成されている。

針状単結晶タングステンロッド１１ａ及び補助棒１１ｂ，１１ｃの直径は、互いに等しく、０．１２５ｍｍである。

針状単結晶タングステンロッド１１ａと２本の補助棒１１ｂと１１ｃは、それらの中心が正三角形の頂点に位置するように、互いに平行に且つ接点（線）１１１、１１２、１１３で接した状態で配置され相互に固定されている。

図３（ｂ）に示すように、針状単結晶タングステンロッド１１ａと２本の補助棒１１ｂ、１１ｃは、３つの接点（線）１１１、１１２、１１３を頂部とする略正三角形状の内孔１１４を構成する。また、針状単結晶タングステンロッド１１ａと補助棒１１ｂにより、外面に溝１１６が形成され、針状単結晶タングステンロッド１１ａと補助棒１１ｃにより、外面に溝１１５が形成され、補助棒１１ｂと１１ｃとにより、外面に溝１１７が形成される。

図１〜図３に示すように、針状単結晶タングステンロッド１１ａと、補助棒１１ｂ、１１ｃの側面には、拡散源１２である粉末のＺｒＯが配置されている。

図２に示すように、針状単結晶タングステンロッド１１ａは、タングステン等から構成されたフィラメント１３の接合点１７に、溶接などにより固定されている。針状単結晶タングステンロッド１１ａの先端面１６ａと針状単結晶タングステンロッド１１ａとフィラメント１３との接合点１７との距離は、例えば、１．２ｍｍである。

フィラメント１３の両端は一対の導電端子１４ａと１４ｂに接続され、導電端子１４ａと１４ｂは絶縁碍子１５に固定されている。

電子源１０は、図４に示すように、サプレッサ電極１８１内に配置され、電子銃１８を構成する。
サプレッサ電極１８１の上面中央には孔１８２が穿設されており、エミッタ１１の先端部１６が孔１８２内に配置されている。

電子源１０及び電子銃１８の動作を説明する。
導電端子１４ａと１４ｂとの間に電圧が印加され、フィラメント１３が通電され、加熱される。フィラメント１３の加熱に伴って針状単結晶タングステンロッド１１ａも加熱される。

針状単結晶タングステンロッド１１ａが、１７００〜１９００Ｋ程度の電子放出温度に達すると、導電端子１４ａ、１４ｂと図示せぬ陽極との間に、直流電圧を印加する。これにより、針状単結晶タングステンロッド１１ａの先端部１６の電子放出面１６ａ近傍の電界が強くなり、温度が電子放出温度に達していること、電子放出面１６ａの仕事関数がＺｒＯ被覆層１９により２．８ｅＶに低下していることと相まって、電子放出面１６ａから電子が放出される。補助棒１１ｂ、１１ｃは、電子放出には直接は寄与しない。

一方、サプレッサ電極１８１には、負電圧が印加され、放出された電子を収束させ、電子ビームを生成する。

針状単結晶タングステンロッド１１ａの表面を被覆するＺｒＯの被覆層１９は、加熱により蒸発し、消耗する。しかし、針状単結晶タングステンロッド１１ａに装着された拡散源１２からジルコニウムと酸素が拡散し、先端部１６にジルコニウムと酸素を供給する。

さらに、針状単結晶タングステンロッド１１ａの加熱に伴って補助棒１１ｂ、１１ｃも加熱され、補助棒１１ｂ、１１ｃに装着された拡散源１２からもジルコニウムと酸素が拡散し、先端部１６にジルコニウムと酸素を供給する。このとき、貫通孔１１４の内表面及び補助棒１１ｂ、１１ｃの外表面も、表面拡散によりジルコニウムと酸素を供給する通路として機能する。このため、針状単結晶タングステンロッド１１ａの先端部１６にジルコニウムと酸素を供給する能力は、従来の構成に比して、非常に大きい。従って、十分な量のジルコニウムと酸素が先端部１６に供給され、加熱によって消耗したＺｒＯ被覆層１９が安定して再生され、安定的且つ連続的な電子の熱電界放出が可能となる。

電子源１０の製造方法を説明する。
＜１００＞方位の単結晶タングステンロッドを用意し、これを切断して、＜１００＞方位の単結晶タングステンロッド１１ａ〜１１ｃを形成する。この段階では、＜１００＞方位の単結晶タングステンロッド１１ａには先端部１６は形成されていない。

次に、＜１００＞方位の単結晶タングステンロッド１１ａに、補助棒１１ｂと１１ｃとを固着する。
固着の手法は任意であるが、例えば、以下の手法により、効率的に形成可能である。

図５（ａ）に示す型枠１２１は、中央部に単結晶タングステンロッド１１ａ〜１１ｃを挿入可能な開口１２１ａを有している。型枠１２１を２つ用いて、図５（ｂ）に示すよう、単結晶タングステンロッド１１ａ〜１１ｃを保持する。

続いて、単結晶タングステンロッド１１ａと補助棒１１ｂと１１ｃとが互いに接する領域をタングステンで接合する。具体的には、単結晶タングステンロッド１１ａ〜１１ｃが互いに接する領域にタングステンの原料ガスを吹きつけながらイオンビームを照射し、タングステンの膜を堆積させ、相互に接合する。

一方で、帯状のタングステンを加工し、Ｖ字状のフィラメント１３を生成する。
Ｖ字状フィラメント１３の所定の位置（接合点）１７に、単結晶タングステンロッド１１ａを溶接等により固着する。
フィラメント１３の両端を導電端子１４ａ、１４ｂに装着した後、導電端子１４ａ、１４ｂを絶縁碍子１５に固定する。
その後、単結晶タングステンロッド１１ａ（この段階では丸棒）の先端部を、水酸化ナトリウム水溶液を用いて電解研磨し、針状の先端部１６を形成し、針状単結晶タングステンロッド１１ａを形成する。

ＺｒＯからなる拡散源１２を、補助棒１１ｂ、１１ｃの側面に配置する。具体的には、ＺｒＨ_２（水素化ジルコニウム）の溜まりを針状単結晶タングステンロッド１１ａ、補助棒１１ｂ、１１ｃに形成する。続いて、電子源１０を真空装置中に導入し、加熱して、水素化ジルコニウムをジルコニウムと水素に分解し、ジルコニウムを拡散させる。
酸素雰囲気の４×１０^−６Ｔｏｒｒ程度の減圧環境で、１８００Ｋで加熱し、ジルコニウムを酸化し、ＺｒＯ被覆層１９を形成し、さらに、拡散源１２を形成する。

次に、針状単結晶タングステンロッド１１ａの先端部１６の先端に｛１００｝結晶面が露出した電子放出面１６ａを形成する。具体的には、電子源１０を真空装置中に導入し、１×１０^−９Ｔｏｒｒの真空環境下で、針状単結晶タングステンロッド１１ａを加熱し、さらに、針状単結晶タングステンロッド１１ａの先端部１６に強電界を印加し、維持する。すると、先端部に｛１００｝結晶面が露出する。この｛１００｝結晶面は、ＺｒＯ被覆膜により、その部分のみ仕事関数が約２．８ｅＶであり、タングステンの仕事関数４．５ｅＶよりも低くなるため、電子放出面１６ａとなる。

このように、本発明の第１の実施形態における電子源１０のエミッタ１１が製造される。本実施形態では、針状単結晶タングステンロッド１１ａに補助棒１１ｂと１１ｃを接合し、これらの表面を、拡散源１２から先端部１６にＺｒＯ膜の原料（ジルコニウムと酸素）を供給するための通路とする。このため、針状単結晶タングステンロッド１１ａのみに拡散源１２が固着され、その表面のみが通路として機能する従来の構成よりも、拡散源１２の量が多く、通路も広くできる。即ち、先端部１６への拡散量（供給量）を従来よりも多くすることが可能となる。このため、加熱により消失したＺｒＯ膜が安定的に再生され、長時間に渡り安定して電子を熱電界放出することが可能な電子源１０が得られる。

（変形例）
この発明の変形例について説明する。図５（ａ）に示す型枠１２１を、図６（ａ）、（ｂ）に示す型枠１３１にしても良い。

型枠１３１は、単結晶シリコン製で、図６（ａ）に示すように、上面に凹部１３１ａが形成されている。凹部１３１ａは、水酸化カリウムなどのアルカリ性の液による異方性エッチング等により形成されたものであり、図６（ｂ）に示すように、側壁面１３１ｂが底面に約５５°の傾斜を持つように、断面が台形状に形成され、補助棒１１ｂと１１ｃが接した状態で並んで載置される縦横深に形成されている。

エミッタ１１の製造時には、型枠１３１の凹部１３１ａに補助棒１１ｂと１１ｃを載置する。補助棒１１ｂと１１ｃとが平行かつ互いに接するように位置合わせされ、この状態で、補助棒１１ｂと１１ｃとをタングステンで接合する。

続いて、単結晶タングステンロッド１１ａを補助棒１１ｂと１１ｃの上に載置し、互いに接し且つ平行となるように位置合わせする。次に、単結晶タングステンロッド１１ａと補助棒１１ｂ、１１ｃとをタングステンで接合する。
こうして、変形例のエミッタ１１を形成できる。

このような手法によっても、単結晶タングステンロッド（この段階では、先端部１６は形成されていない）１１ａと補助棒１１ｂ、１１ｃとを簡単に位置合わせして、接合することが可能となる。

以上の説明での補助棒１１ｂ，１１ｃは、１本又は３本以上でもよい。他の例として、図７（ａ）に６本の補助棒１１ｂ〜１１ｇを針状単結晶タングステンロッド１１ａの周囲に配置した例を示す。この場合には、例えば、図７（ｂ）に示すように、６角形の開口１４１ａを備える型枠１４１を使用することにより、容易に針状単結晶タングステンロッドと補助棒とを位置合わせして結合することが可能となる。

針状単結晶タングステンロッド１１ａの径と、補助棒１１ｂ，１１ｃ．．．の径は、互いに異なってもよい。

上記実施の形態においては、補助棒は、拡散源１２からのＺｒＯの追加的な拡散通路となるならば、その断面形状は、図８に例示するように、断面が多角形又は楕円の補助棒１１ｈ〜１１ｊであっても良い。

上記実施の形態では、針状単結晶タングステンロッド１１ａの先端部１６の根本の位置と補助棒１１ｂ．．．の先端部の位置とをほぼ一致させた。即ち、図９において、先端部１６の根本と補助棒１１ｂの先端部との距離Δｄは、ほぼ０であった。この発明は、これに限定されず、先端部１６にＺｒＯを適量供給できるならば、Δｄは任意に設定可能である。

さらに、上記実施の形態では、補助棒１１ｂ〜１１ｊも、＜１００＞方位の単結晶タングステンから構成したが、他の方位の単結晶タングステンロッドから構成してもよく、さらに、多結晶或いはアモルファスのタングステンから構成してもよく、さらに、タングステン以外の高融点性の材質から構成してもよい。

上記実施の形態においては、＜１００＞方位の針状単結晶タングステンロッド１１ａと補助棒１１ｂ〜１１ｊとをイオンビームを用いた溶接により接合したが、他の手法により接合してもよい。

上記実施の形態においては、エミッタ１１をタングステンで形成する例を示したが、モリブデン等の他の耐火性金属（高融点性金属）等を用いて、形成することも可能である。この場合も、｛１００｝方向に軸方向を有し、先端に｛１００｝面が電子放出面として露出する構成とすることが望ましい。

このように、本発明の第１の実施形態に係る電子源１０によれば、ＺｒＯの拡散の通路が従来に比して広く、また、拡散源１２も従来に比して多数配置可能であり、先端部１６に十分な量のＺｒＯが供給可能である。従って、熱によって消耗したＺｒＯ被覆膜を安定的に再生し、長時間安定した熱電界放出が可能である。

（第２の実施の形態）
上記第１の実施形態は、針状単結晶タングステンロッドの先端にＺｒとＯを供給する通路部（拡散路）を、針状単結晶タングステンロッドに補助棒を付加することで形成した。本発明の通路部の構成はこれに限定されない。針状単結晶タングステンロッド自体の表面拡散に加えて、ＺｒとＯを先端部又はその近傍まで追加的に拡散・供給できるならば、その構成自体は任意である。以下、通路部を、針状単結晶タングステンロッドの内部の孔で構成した第２の実施の形態について説明する。

本実施形態の電子源２０の構成を図１０（ａ）に正面図、図１０（ｂ）に平面図で示す。
電子源２０の基本構成は、図１に示した第１の実施形態の電子源１０と同一である。但し、エミッタ１１の構成が、第１実施形態とは異なる。具体的に説明すると、本実施形態のエミッタを構成する針状単結晶タングステンロッド２１は、補助棒の代わりに、連通孔２１１を内部に備える。

針状単結晶タングステンロッド２１は、針状の先端部２６を有する＜１００＞方位のタングステン単結晶ロッドから形成される。針状単結晶タングステンロッド２１の内部には、図１１に示すように、その側面と先端部２６に開口する連通孔２１１が形成されている。区別のため、側面に形成された開口を符号２１２で、先端部２６に形成された開口を符号２１３で示す。

連通孔２１１の開口２１３は、針状単結晶タングステンロッドの先端面２６ａから０.２ｍｍ〜０.５ｍｍの位置に配置され、開口２１２は、針状単結晶タングステンロッド２１とフィラメント１３との接合点１７から０．３ｍｍ〜０．４ｍｍの位置に配置されている。また、連通孔２１１の直径は、０．０００５ｍｍ〜０．０３ｍｍ、例えば０．０１ｍｍである。

ＺｒＯから形成された拡散源２２は、針状単結晶タングステンロッド２１の側面に穿設された開口２１２を覆うように、配置されている。

電子源２０の電子放出動作は、第１実施形態の電子源１０と同一である。
熱電界放出のため針状単結晶タングステンロッド２１が加熱されると、拡散源２２に含まれるＺｒとＯは、熱により針状単結晶タングステンロッド２１の表面を拡散し、先端部２６、さらに、電子放出面２６ａに供給される。さらに、拡散源２２中のＺｒとＯは、開口２１２から連通孔２１１内部に拡散し、さらに、連通孔２１１の内表面上を拡散し、先端部２６に形成された開口２１３に至る。このため、熱により消耗したＺｒＯ被覆層１９を再生するための原料であるＺｒとＯが、２つの経路で電子放出面２６ａ又はその近傍に連続的に供給され、熱により消耗したＺｒＯ被覆層１９が再生される。このため、ＺｒＯ被覆層１９が安定して維持される。したがって、安定した電子放出が可能となる。

連通孔２１１の形状、数、サイズ、経路等は、図１２（ａ）〜（ｃ）に例示するように任意である。

連通孔２１１を備える針状単結晶タングステンロッド２１の製造方法を説明する。
電解研磨により、図１３（ａ）のような、針状の先端部２６を形成した＜１００＞方位の針状単結晶タングステンロッド２１を形成する。
次に、針状単結晶タングステンロッド２１に集束イオンビームを照射し、図１３（ｂ）に示すように、その長軸に沿って２分割する。
次に、一方の切断片２１５の切断面２１６に集束イオンビームを当てつつ走査し、表面の原子をスパッタリングによりはじき飛ばし、図１３（ｃ）に例示するように連通孔２１１、開口２１２，２１３を構成する溝を形成する。

その後、両切断片２１５の切断面２１６を合わせて加熱溶着し、図１３（ｄ）に示すように、連通孔２１１及び開口２１２、２１３を有した単結晶ロッド２１を完成する。

続いて、拡散源２２を、開口２１２を覆うように配置する。

連通孔２１１を形成した後、図１４に示すように、連通孔２１１内にＺｒＯ２１７を埋め込み、その後、切断面２１５を合わせて加熱溶着してもよい。その場合も上記と同様に、Ｚｒ及びＯは、連通孔２１１から先端部２６近傍まで表面拡散し、先端部２６又は先端部２６近傍に連続的に供給される。さらに、拡散源２２から連通孔２１１内に、ＺｒとＯが補充される。

先端部２６を形成する前に、連通孔２１１を形成し、その後、先端部２６を形成してもよい。
２分割した針状単結晶タングステンロッド２１の分割数は任意であり、４分割等してもよい。

また、スパッタリングに限定されず、エッチング（ウエットエッチング、ドライエッチング）によって切断面２１６に溝を形成して連通孔２１１を形成してもよい。

単結晶タングステンロッド２１を分割することなく、連通孔２１１を形成することも可能である。例えば、異方性の高いドライエッチングにより、図１５（ａ）に示すように、単結晶タングステンロッド２１に、その長軸と平行な孔２１１ａを形成し、続いて、図１５（ｂ）に示すように径方向の孔２１１ｂを形成し、内部で連通させることにより、連通孔２１１を形成することも可能である。

以上説明したように、本実施形態の針状単結晶タングステンロッド２１では、その外表面だけでなく、内部に形成した連通孔２１１が、拡散源２２からＺｒとＯが先端部２６又は先端部の近傍に拡散するための通路部となる。従って、電子放出面２６ａへのＺｒとＯの供給量が従来に比して増加し、長時間に渡り安定して熱電界放出を起こす電子源２１を提供することができる。

（第３の実施の形態）
第１の実施形態では、補助棒１１ｂ〜１１ｊをＺｒとＯの追加の拡散通路とし、第２の実施の形態では、針状タングステン単結晶ロッド２１内の連通孔２１１をＺｒとＯの追加の拡散通路とした。この発明はこれに限定されず、拡散通路を拡大できるならば、その形状、配置等は任意である。
以下、針状タングステン単結晶ロッド２１の側面に溝を形成することにより、ＺｒとＯが拡散する表面積を拡大する第３の実施の形態を説明する。

第３実施形態の電子源３０の構成を図１６（ａ）に正面図、図１６（ｂ）に平面図で示す。
電子源３０の基本構成は、図１０に示した第２の実施形態の電子源２０と同一である。但し、針状単結晶タングステンロッドの構成が異なる。本実施形態の針状単結晶タングステンロッド３１は、内部に連通孔を備えず、その外表面に溝３３が形成されている。溝３３は、フィラメント１３との接合点１７から針状単結晶タングステンロッド３１の先端方向に０．３ｍｍ〜０．４ｍｍの位置から先端方向に向けて形成されている。

ＺｒＯから構成される拡散源３２は、溝３３の一部上に配置されている。

この構成の電子源３０では、針状単結晶タングステンロッド３１が加熱されると、拡散源３２中のＺｒとＯは、針状単結晶タングステンロッド３１の外表面だけでなく、加工されていない針状単結晶タングステンロッド３１の外表面のみを拡散する場合に比して、先端部２６又はその近傍に連続的に供給されるＺｒとＯの量が増加する。従って、ＺｒＯ被覆層１９が維持される。従って、安定した電子放出が可能となる。

溝３３は、例えば、図１７（ａ）に示す未加工の針状単結晶タングステンロッド３１の外表面を、ドライエッチング又は集束イオンビームによりエッチング又はスパッタリングすることにより、又は機械加工により図１７（ｂ）に示すように形成される。但し、形成工程は任意である。

（その他の実施形態）
本発明は第１〜第３の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形及び応用が可能である。

第１実施形態の補助棒１１ｂ〜１１ｊと、第２の実施形態の連通孔２１１と、第３の実施形態の溝３３と、の２つ又は全部を組み合わせて形成することも可能である。１つの針状単結晶タングステンロッドに、補助棒を付加し、さらに、内部に連通孔を形成し、外表面に溝を形成してもよい。

前記実施形態において、針状単結晶ロッドの材質をタングステンとしたが、これに限られるものではなく、モリブデン等の他の耐火性金属（高融点性金属）等を用いて、形成することも可能である。この場合も、｛１００｝方向に軸方向を有し、先端に｛１００｝面が電子放出面として露出する構成することが望ましい。この場合も、ＺｒＯを、仕事関数を低下させるための被覆層として使用可能である。また、その場合は、前記第１の実施形態において、単結晶ロッドと補助棒共にモリブデンとし、単結晶ロッドと補助棒とが接する領域及び補助棒が互いに接する領域をモリブデンで接合してもよい。

前記実施形態において用いた、｛１００｝結晶面（電子放出面）の仕事関数を低減させるための被覆層をＺｒＯとしたが、本発明はこれに限られるものではない。
例えば、被覆層の材質として、バリウムアルミネート、酸化バリウムと酸化アルミニウムと酸化カルシウムの複合酸化物、又は酸化バリウムと酸化スカンジウムの複合酸化物から選択されたものが仕事関数を低減させるための被覆層として好ましい。

本発明は、電子源のエミッタの表面積を大きくすることで、表面拡散の量を増加させているため、ロッド内部を固溶拡散せず、ロッド表面のみ拡散する金属元素に好適である。

１１ エミッタ
１１ａ 針状単結晶タングステンロッド
１１ｂ〜１１ｊ 補助棒
１２ 拡散源
１３ フィラメント
１４ａ、１４ｂ 導電端子
１５ 絶縁碍子
１６ 先端部
１６ａ 先端面（電子放出面）
１７ 接合点
１８ 電子銃
１９ 被覆層
２０ 電子源
２１ 針状単結晶タングステンロッド
２２ 拡散源
２６ 先端部
２６ａ 先端面（電子放出面）
３０ 電子源
３１ 針状単結晶タングステンロッド
３２ 拡散源
３３ 溝
３６ 先端部
３６ａ 先端面（電子放出面）
１２１ 型枠
１２１ 開口
１３１ 型枠
１３１ａ 凹部
１４１ 型枠
１４１ａ 開口
１８１ サプレッサ電極
１８２ 孔
２１１ 連通孔
２１２、２１３ 開口

Claims (15)

1. 先端部に｛１００｝結晶面が露出した電子放出面を有するタングステン又はモリブデンからなる＜１００＞方位単結晶ロッドと、
   前記｛１００｝結晶面を覆う金属酸化物層と、
   前記金属酸化物層の原料物質を拡散する拡散源と、
   前記＜１００＞方位単結晶ロッドに形成され、前記拡散源から前記先端部又は前記先端部の近傍とを連通し、前記拡散源からの原料物質の拡散の通路となる通路部と、
   を備える電子源。
2. 前記通路部は、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの側面に接して配置された棒状部材を備え、
   前記拡散源は、前記棒状部材にも配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子源。
3. 前記通路部は、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの側面に互いに接して配置され、前記＜１００＞方位単結晶ロッドと共に貫通孔状の隙間部を形成する複数の棒状部材、を備え、
   前記拡散源は、前記棒状部材にも配置されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子源。
4. 前記通路部は、互いに接する２つの前記棒状部材によって形成される溝状の隙間部から構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の電子源。
5. 前記拡散源は、前記棒状部材の側面と前記通路部のいずれか一方又は双方に配置されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の電子源。
6. 前記通路部は、前記＜１００＞方位単結晶ロッド中に貫通する貫通孔であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電子源。
7. 前記通路部は、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの側面に形成した溝部であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電子源。
8. 前記金属酸化物を構成する金属元素は、タングステン又はモリブデンからなる前記＜１００＞方位単結晶ロッド中に固溶しない金属元素であり、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの｛１００｝結晶面を覆うことで、タングステン又はモリブデンの仕事関数を低下させる、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電子源。
9. 前記金属酸化物は、バリウムアルミネート、酸化バリウムと酸化アルミニウムと酸化カルシウムの複合酸化物、又は酸化バリウムと酸化スカンジウムの複合酸化物から選択されたものである、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の電子源。
10. タングステン又はモリブデンの＜１００＞方位単結晶ロッドを準備する工程と、
    タングステン又はモリブデンの棒状部材を準備する工程と、
    前記棒状部材を、前記＜１００＞方位単結晶ロッドと平行かつ互いに接するように保持する工程と、
    前記＜１００＞方位単結晶ロッドと前記棒状部材とが接する領域及び前記棒状部材が互いに接する領域の少なくとも一部を、タングステン又はモリブデンで接合する工程と、
    前記＜１００＞方位単結晶ロッドの先端部を針状に形成する工程と、
    金属酸化物を含む拡散源を前記棒状部材の側面に保持する工程と、
    前記＜１００＞方位単結晶ロッドの前記先端部に｛１００｝結晶面が露出した電子放出面を形成する工程と、
    を含む電子源の製造方法。
11. 前記＜１００＞方位単結晶ロッドと、互いに接する２つの前記棒状部材によって囲まれる貫通孔状の隙間部を形成する工程をさらに含む請求項１０に記載の電子源の製造方法。
12. 互いに接する前記棒状部材によって形成される溝状の隙間部を形成する工程をさらに含む請求項１０又は１１に記載の電子源の製造方法。
13. 電子放出面を備える導電性ロッドを準備する工程と、
    前記導電性ロッドを加工することにより、物質が拡散可能な表面を増大する工程と、
    前記電子放出面を、仕事関数を低下させる被覆層で被覆する工程と、
    前記被膜層の構成物質を含む拡散源を前記導電性ロッド上に保持する工程と、
    を含む電子源の製造方法。
14. 請求項１乃至９のいずれかに記載の電子源の前記先端部を、サプレッサ電極の上面に穿設された孔に配置し、
    フィラメントに通電して加熱することに伴い、前記先端部を加熱し、
    前記導電端子に電圧を印加して、前記先端部に電界を印加することにより、前記先端部から電子を放出する、
    ことを特徴とする電子放出方法。
15. 電子放出面を備える導電性ロッドを加工し、物質が拡散可能な表面を増大する工程と、
    前記電子放出面を、仕事関数を低下させる被覆層で被覆する工程と、
    前記電子放出面を加熱すると共に電圧を印加して、電界を発生させ、電子を放出させながら、前記被覆層の構成物質を、前記増大した表面上を拡散させて前記電子放出面に供給する工程と、
    を含む電子放出方法。

Images