JP2658946B2

JP2658946B2 - 含浸型陰極構体

Info

Publication number: JP2658946B2
Application number: JP5269895A
Authority: JP
Inventors: 泰宏秋山
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-03-13
Filing date: 1995-03-13
Publication date: 1997-09-30
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JPH08250782A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＡｒイオンレーザ管、Ｋ
ｒイオンレーザ管等の放電管用の含浸型陰極構体に関
し、特に高電流密度を得る事ができ、かつ長寿命、高信
頼性の円筒状の含浸型陰極構体に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ａｒイオンレーザ管に使用される陰極構
体は高電流密度が必要なために、一般的には「DIRECTLY
HEATED TUNGSTEN DISPENSER CATHODES FOR ION LASER
APPLICATION 」（LASER JOURNAL NOV/DEC '1969）で論
じられている構造の含浸型陰極構体が使用される。

【０００３】図４は従来の陰極構体の一例を有するＡｒ
イオンレーザ管の概略構成を示し、図５は従来の含侵型
陰極構体の構造を示したものである。

【０００４】図４に示すＡｒイオンレーザ管は、タング
ステンからなる螺旋形状で外径１３ｍｍ、内径１０ｍｍ
の含浸型陰極６と、銅からなる中央部が貫通したパイプ
形状で外径１０ｍｍ、内径２ｍｍの陽極７との間に絶縁
材料からなる細管８を通して、高電圧を印加することに
よって生じた放電によってＡｒガスをイオン化し、その
反転分布、光共振によってレーザ出力を発生させる。こ
の光共振系にて出力方向が陰極６により遮られていると
光共振が生じレーザ出力９が得られない為、陰極６とし
て図５に示すように中央部１０が貫通されている螺旋形
状の含浸型陰極構体１１が使用される。レーザ出力９は
図５の含浸型陰極構体１１の貫通した中央部１０を通っ
て外部に取り出される。

【０００５】図５に示す含浸型陰極構体１１は、タング
ステンからなる耐熱性多孔質金属基体１２の空孔にバリ
ウムを含む酸化物、通常はＢａＯ，ＣａＯ，Ａｌ₂ Ｏ₂
からなる化合物１３を含浸させた構造の基体である。Ａ
ｒイオンレーザ管に使用する含浸型陰極構体１１は基体
金属であるタングステンに直接電流を流して約１１００
℃に加熱し熱電子を放出させる直熱型陰極であり、陰極
構造はプラズマ雰囲気中にさらされ、かつ陰極構体が螺
旋形状のため、中央部と両端部では熱電導の違いにより
陰極構体の中で大きな温度勾配が生じる。この温度勾配
により、Ａｒイオンレーザ管動作中に基体金属が変形
し、断線又は短絡し、プラズマ放電が停止するという問
題点があり、この変形による短絡を防止するため、従来
は螺旋形状の巻きピッチを１ｍｍ以上に広げ変形による
プラズマ放電停止を防止していた。

【０００６】このように従来の構造では螺旋形状の巻き
ピッチを１ｍｍ以上に広げる必要があるために、５０Ａ
以上の大電流のプラズマ放電を維持させるために有効に
寄与する陰極構体の表面積を増加させることが不可能で
ある。含浸型陰極は電流密度が低い程、動作温度を下げ
られるため、長寿命、高電流化のためには陰極構体の表
面積を増加させることが必要不可欠である。実験結果で
は電流密度を１／２に低減させると陰極の動作温度を３
０℃下げることができ、この温度低下により寿命は２倍
に延びることが判っている。

【０００７】中空型の陰極構体としては、例えば特開平
１−１８７７４７号公報において図６に示すようなイオ
ン衝撃による陰極の損傷を防止するために、陰極構体を
中空にする技術が開示されている。これは低真空中で電
子衝突によってイオン化したガス分子のイオンボンバー
ド損傷を回避、防止するものである。陰極１４の中央部
に中空１５を設けウェネルト電極１６と陽極１７によっ
て集束させられた電子１８はガス分子と衝突し、イオン
化したガスイオンはウェネルト電極１６と陽極１７の電
界によって陰極中央部に衝突する。この衝突による陰極
の損傷を防止するために中空構造にしている。また、陰
極１４の中空１５の表面は起伏のない滑らかな面となっ
ており、陰極構体１４と別体にその加熱用フィラメント
も配設されている。

【０００８】これに対し常にプラズマ雰囲気でのイオン
ボンバードにさらされているＡｒイオンレーザの陰極構
体の中空構造は光共振を維持するものであり、イオンボ
ンバードを回避する中空構造とは全く目的がことなり、
Ａｒイオンレーザ管では常にプラズマ放電によってイオ
ンボンバードを生じており、図６のように陽極１７とウ
ェネルト電極１６によって発生する電子ビームを電界に
よって絞りこんでいないため、イオンボンバードが陰極
表面中央に集中することは無い。従って、Ａｒイオンレ
ーザ管では中央構造にすることによって、イオンボンバ
ードは避けることはできない。

【０００９】また、特開平２−１６２６３３号公報には
図７に示すような中空型の陰極構体１９において、電子
放出に寄与しない外周面をろう材２０にて被覆する技術
が開示されている。これは含浸型陰極構体１６から放出
される、酸素ガス、バリウムを防止することを目的とし
ている。Ａｒイオンガスレーザ管に使用される含浸型陰
極構体は、図７に示した陰極内面からのみ電子を取り出
す陰極と異なり、内面、外面両方の陰極表面全体から電
子放出を行うため、ろう付け被覆を行うとプラズマ放電
に寄与する陰極の表面積が減少するため、短寿命とな
る。そして、図７の中空構造の陰極は陰極内面部のみか
ら電子を取り出すことを目的としているため、同構造で
あるが目的が全く異なる。更に、その内外面は凹凸のな
い滑らかな面になっており、ヒータは中空円筒外に露出
している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のＡｒイオンレーザ管に使用されている含浸型陰極構体
は陰極構体を螺旋コイル状に加工し、電流を直接流し加
熱する直熱型陰極構造のため以下のような種々の問題点
があった。１）陰極基体金属で、かつ非常に硬く難切削材料である
タングステンを螺旋コイル状に加工するため、加工振動
に弱く、機械加工が非常に困難であり、かつ結晶性金属
のため加工時に割れ、折れ易いという問題点がある。２）構造が螺旋形状のために、溶接、含浸、組立等の後
工程の作業において、非常に割れ易く、振動に弱いため
取扱いを慎重にしなければならないという問題点があ
る。３）含浸型陰極構体はＡｒイオンレーザ動作中、常に約
１１００℃に加熱されているため、動作中に螺旋形状で
ある陰極構体の中央部と両端部では温度勾配が生じ含浸
型陰極構体が変形し短絡、断線が生じ、プラズマ放電が
停止するという問題点がある。４）螺旋形状の変形による短絡を防止するため、巻きピ
ッチを１ｍｍ以上にする必要があり、その結果必要以上
に陰極の寸法、電子放出面積が大きくなり、大電流を得
ることができない。従って含浸型陰極の電流密度を増加
させなければならない。電流密度の増加は含浸型陰温度
の増加により、短寿命、変形率大等の信頼性の低下を招
くという問題点がある。

【００１１】そこで本発明は上記の従来技術の問題点に
鑑み、Ａｒイオンレーザ管等の放電管に使用される含浸
型陰極構体において、加熱による陰極の変形、短絡を防
止し、かつ表面積の増加による電流密度の低減、動作温
度の低減により含侵型陰極構体の長寿命化、高信頼性化
を図ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の含侵型陰極構体は、レーザ光路を確保するた
めの中空円筒状の多孔質高融点金属材料からなる基体の
内外周面をそれぞれ凹凸形状とし、該基体を加熱するた
めに前記基体の内部に円筒状のヒータを埋め込み、前記
基体の空孔にバリウムを含む電子放射物質を含浸させた
構造からなることを特徴とする。

【００１３】また、前記含侵型陰極構体において、レー
ザ光線が損失なく通過できるように、前記基体の内径が
１ｍｍ以上であることが好ましく、前記ヒータは前記基
体の内部に絶縁材料により、埋め込まれ、保持され、絶
縁されており、前記ヒータは、タングステン若しくはモ
リブデンを含む高融点金属材料、又は炭素を含む導電性
材料からなることを特徴とし、前記多孔質高融点金属材
料がタングステン単体、又はモリブデン、レニウム、イ
リジウム、オスミウム、ルテニウム、スカンジウム、イ
ットリウムのうちの少なくとも１種類以上を含むタング
ステン合金によって構成されることを特徴とする。

【００１４】

【作用】上記のとおりに構成された本発明の含浸型陰極
構体では、陰極基体を従来の螺旋形状の直熱型陰極に代
えて、内外周面に凹凸形状を有し内部にヒータを埋設し
てなる中空円筒型陰極にすることにより、耐振動性が向
上し、機械加工が容易になり、後工程の作業において陰
極基体の割れ、折れを防止する機能が備わる。

【００１５】また、陰極を内外周面に凹凸を持つ中空円
筒型にすることにより、動作中の加熱による陰極構体の
変形、短絡が防止され、凹凸形状の機械的寸法の変更だ
けで容易に陰極表面積を増大させることが可能である。

【００１６】さらに、従来の含浸型陰極構体の問題点で
ある変形、短絡の防止のみならず、従来の螺旋状の陰極
構体の巻きピッチ間に相当する部分も電子放出部が存在
することになり、この事による表面積増加によって動作
温度の低減、長寿命等の信頼性が大幅に向上するという
作用がある。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１８】図１は本発明の含侵型陰極構体の一実施例
の構成を示す断面図、図２は図１に示した陰極構体の主
要部である基体の断面図、図３は図１に示した含侵型陰
極構体の製造工程を説明するためのフローチャートであ
る。

【００１９】図１に示される含侵型陰極構体５は、多孔
質高融点金属材料の空孔にバリウムを含む電子放射物質
を含侵させた図２に示す中空円筒体の内外周面を凹凸形
状にしてなる陰極基体１を有し、陰極基体１の内部には
螺旋形状のヒータ２が絶縁物４で埋設されている。

【００２０】このような含侵型陰極構体５は下記のよう
な工程によって製造される。

【００２１】図３に示すように、先ず、平均粒径５μｍ
のタングステン粉末をプレス、成形することによって空
孔率２０％のポーラスタングステンを作製する（ステッ
プＳ１）。ポーラスタングステンの空孔にアクリル樹
脂、又は銅を含浸させる（ステップＳ２）。

【００２２】次に、アクリル樹脂、又は銅を含浸したポ
ーラスタングステンを旋盤によって図２に示すような内
外周面に凹凸を、内部にヒータを埋め込むための空間を
有した内径８ｍｍ、外径１２ｍｍの陰極基体１になるよ
うに機械加工する（ステップＳ３）。このとき前記アク
リル樹脂、又は銅は、難切削材料であるタングステンを
切削するための切削補助油の役割を果たす。また、旋盤
にて加工する際、陰極構体が従来のような螺旋形状では
ないために旋盤のチャッキングが確実に行われ、切削時
の回転振動によるポーラスタングステンの折れ、割れを
防止できる。

【００２３】機械加工後、陰極基体１を加熱処理するこ
とによって、不必要となったアクリル樹脂、又は銅を除
去する（ステップＳ４）。

【００２４】そして、加熱源となるヒータ２を絶縁物で
あるアルミナ３を用いて陰極基体１の内部に埋め込む
（ステップＳ５）。さらに４ＢａＯ，ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃
の組成の酸化物４を水素雰囲気中で加熱溶融させて陰
極基体１の空孔に含侵させ、含浸後の陰極構体１の表面
には大量の余剰含浸材が付着しているため、これらの含
浸材をピンセット等で引っかき機械的に除去する（ステ
ップＳ７）。

【００２５】以上のように作製した含浸型陰極構体は、
内外周面が凹凸の中空円筒型の基体からなるので、図５
に示した従来の螺旋形状の含浸型陰極構体と比較して、
加工時の振動に強く、折れ等の不良が発生しにくい。ま
た同様に後工程の組立作業においても振動に強く、取扱
いが容易となる。

【００２６】また巻きピッチ間に相当する部分にまで電
子放出部分が存在するため、陰極構体の表面積を同一体
積、同一軸方向長でも約２倍にすることができる。この
表面積の増大効果により同一電流を得る場合でも電流密
度を１／２にすることができるため、動作温度を０℃、
寿命が２倍にすることが可能である。そして螺旋形状を
採らない為に動作加熱中に変形し、短絡、断線等の不良
が発生しないという利点がある。

【００２７】また、陰極構体の中空部の内径は中空を通
過するレーザビームのビーム径によって制限され、かつ
レーザ管の組立精度から１ｍｍ以上にする必要がある。

【００２８】陰極構体内部に埋め込まれるヒータは陰極
構体を１０００℃以上に加熱させる必要があるため、上
述したタングステン以外でもモリブデン、炭素等の高融
点材料で導電性のある材料であれば同等の効果が得られ
ることは言うまでもなく、そして、多孔質高融点金属材
料もヒータ同様タングステン単体以外にもモリブデン、
レニウム、イリジウム、ルテニウム、スカンジウム、イ
ットリウムのうちの少なくとも１種類以上を含むタング
ステン合金でも同様の効果が得られることは言うまでも
ない。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、内外周面
が凹凸形状を有し、かつ内部にヒータを埋設した中空円
筒型の含侵型陰極構体とした事により、製造中での陰極
基体の割れ、折れを防止し、動作中加熱による変形、短
絡不良を防止する効果がある。

【００３０】また、内外周面の凹凸寸法を変更するだけ
で表面積を容易に増加させることが可能であるため、電
流密度の低減、動作温度の低減、長寿命による信頼性向
上を図れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の含侵型陰極構体の一実施例の構成を示
す断面図である。

【図２】図１に示した陰極構体の主要部である基体の断
面図である。

【図３】図１に示した含侵型陰極構体の製造工程を説明
するためのフローチャートである。

【図４】従来の陰極構体の一例を有するＡｒイオンレー
ザ管の概略構成を示す図である。

【図５】従来の含侵型陰極構体の構造を示す図である。

【図６】特開平１−１８７７４７号公報に示されている
電子ビーム発生装置の概略構成断面図である。

【図７】特開平２−１６２６３３号公報に示されている
ホローカソードの概略構成断面図である。

【符号の説明】

１陰極基体２ヒータ３絶縁物（アルミナ）４酸化物（含浸材）５含浸型陰極構体

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光路を確保するための中空円筒状
の多孔質高融点金属材料からなる基体の内外周面をそれ
ぞれ凹凸形状とし、該基体を加熱するために前記基体の
内部に円筒状のヒータを埋め込み、前記基体の空孔にバ
リウムを含む電子放射物質を含浸させた構造からなる含
浸型陰極構体。
【請求項２】レーザ光線が損失なく通過できるよう
に、前記基体の内径が１ｍｍ以上であることを特徴とす
る請求項１に記載の含浸型陰極構体。
【請求項３】前記ヒータは前記基体の内部に絶縁材料
により、埋め込まれ、保持され、絶縁されていることを
特徴とする請求項１に記載の含浸型陰極構体。
【請求項４】前記ヒータは、タングステン若しくはモ
リブデンを含む高融点金属材料、又は炭素を含む導電性
材料からなることを特徴とする請求項１に記載の含浸型
陰極構体。
【請求項５】前記多孔質高融点金属材料がタングステ
ン単体、又はモリブデン、レニウム、イリジウム、オス
ミウム、ルテニウム、スカンジウム、イットリウムのう
ちの少なくとも１種類以上を含むタングステン合金によ
って構成されることを特徴とする請求項１に記載の含浸
型陰極構体。