JP2787899B2

JP2787899B2 - 冷陰極およびこれを用いた電子銃とマイクロ波管

Info

Publication number: JP2787899B2
Application number: JP6088795A
Authority: JP
Inventors: 秀男巻島
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1995-03-20
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2013-08-20
Also published as: JPH08255558A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネル効果によって
電子を放出する冷陰極、特に、球面上の電子放出領域を
持つ冷陰極およびこの冷陰極を用いて電子ビームを形成
する電子銃とこの電子銃を用いたマイクロ波管に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、進行波管（ＴＷＴ）やクライスト
ロンなどに使用する高電流密度の電子ビームを形成する
には、ピアス（Ｐｉｅｒｃｅ）電子銃（Ｊ．Ｒ．Ｐｉｅ
ｒｃｅ，”Ｔｈｅｏｒｙａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆ
ｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍ”，２ｎｄｅｄ．Ｖａ
ｎＮｏｓｔｒａｎｄ，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９５４）
と称される集束タイプの電子銃が使用されている。図８
にはこのピアス電子銃の断面図を示している。この電子
銃は球面上に加工した熱陰極の電子放出面１０１と、こ
の電子放出面１０１を取り囲み、陰極電位あるいは負電
位のウエーネルト電極１０２と、陰極に対して正電圧を
印加し陰極から電流を取り出す陽極１０３で構成され、
比較的大きい集束比（陰極径／電子ビーム形）と安定な
電子ビーム１０４が得られるので、広く使用されてい
る。

【０００３】一般に、陰極単位表面積から取り出すこと
ができる電流（陰極電流密度）は陰極材料や陰極温度に
よって制限を受け、陰極能力以上の電流を取り出そうと
して陰極温度を上昇させる寿命が大幅に短縮される。し
かし、このような集束電子銃を採用することによって、
寿命に影響を及ぼさずに、高い電流密度の電子ビームが
形成でき、進行波管などの高出力化、高周波数化等が可
能になる。

【０００４】進行波管にＦＥＡ（電界放射冷陰極アレ
イ）を使用する従来技術が特開平５−２６６８０９号公
報に開示されている。図９は同公報に開示されている進
行波管の断面図で、図１０は電子銃部のみを拡大した断
面図である。図９において、電子ビーム１０４は平面状
の電子放出領域１１０を持つ冷陰極１０５から取り出さ
れ、ウエーネルト電極１０２によって集束作用を受け、
陽極を兼ねたヘリックス１０５の中に流入する。

【０００５】微小な円錐状のエミッタと、エミッタのす
ぐに近くに形成され、エミッタからの電流を引き出す機
能ならびに電流制御機能を持つゲート電極で構成された
微小冷陰極をアレイ状にならべた電界放射冷陰極アレイ
（ＦＥＡ）がＣ．Ａ．スピント（Ｓｐｉｎｄｔ）等（Ｊ
ｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃ
ｓ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．７，ｐｐ．３５０４，１９６
８）およびＨ．Ｆ．グレイ（Ｇｒａｙ）によって提案さ
れている。このＦＥＡは、熱陰極と比較して高い電流密
度が得られ、放出電流の速度分散が小さい等の利点を持
つ。また、単一の電界放射陰極と比較して電流雑音が小
さく、数１０〜２００Ｖの低い電圧で動作し、比較的悪
い真空度の環境でも動作する。

【０００６】このＦＥＡは通常半導体製造技術を使用し
て平面の上に作られるが、曲面状の基板の上に形成する
技術が特開平６−２９０７０２号公報に開示されてい
る。図１１は同公報に開示されている曲面状ＦＥＡの製
造方法を示す。図１１において、基板１１１は曲率半径
Ｒの球面あるいは円柱面状の三次元曲面形状となってお
り、通常の技術によって絶縁層１１２、ゲート電極層１
１３が積層され、絶縁層１１２、ゲート電極層１１３に
空洞１１４が形成されている。曲率半径Ｒの曲率中心部
Ｏにエミッタ材料の蒸発源を置いて基板１１１の上にエ
ミッタ材料を堆積させて、エミッタ１１５を形成する。

【０００７】図１１に示す製造方法では、エミッタ材料
は常に基板に垂直に堆積していくので、基板１１１上の
全面でエミッタ１１５は基板１１１に垂直に形成され、
全面で均一な特性を持つＦＥＡが製造できる。

【０００８】また、特開平４−２４９８４１号公報に
は、図１２に示すように、平面ディスプレイに球面状の
ＦＥＡを使用する構造が提案されている。図１２におい
て、平面ディスプレイの全面ガラス１１６に沿うよう
に、ＦＥＡの基板１１１を球面状にし、その凸面状の表
面にエミッタおよびゲート電極を形成する。

【０００９】この結果、電子源であるＦＥＡと蛍光体が
塗布された前面ガラス１１６との距離を一定に保ち、デ
ィスプレイ画面全面にわって均一なフォーカス特性を保
ちながら、真空の外囲器を球面として真空と大気との差
圧に耐える強度を実現し、ディスプレイの大型化を可能
にしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】進行波管のようなマイ
クロ波管では、ヘリックスなどの低速波回路は電子ビー
ムと電磁波との相互作用を行う部分であるため、低速波
回路の内径は出力電力に関わらず一定である、周波数が
上昇するに従い小さくなる。他方、出力電力は電子ビー
ム電力（ビーム電流×ビーム電圧）の１０〜３０％程度
が変換されたものであるから、マイクロ波管の高出力、
高周波化、低電圧化のためには、電子ビームの電流密度
を高くする必要がある。

【００１１】しかし、陰極における電流密度（陰極電流
密度）は陰極種類、陰極材料、陰極温度等で制限を受
け、能力以上に高い電流密度を得ようとすると熱陰極、
冷陰極ともに寿命が急速に短縮される。

【００１２】これを解決するため、熱陰極に対し、陰極
径より電子ビーム径を小さくする集束型のピアス電子銃
が提案されている（図８）。この電子銃は電子放出面を
球面とし、同心球面上の等電位面を形成して、ラミナー
（層流）状あるいはラミナーフロー状に近い電子軌道を
持つ電子ビームを作るもので、マイクロ波からミリ波帯
域の電子管や大電流の電子ビームを必要とする用途に広
く使用されている。ラミナーフロー状の電子ビームと
は、陰極の半径方向の任意の位置から陰極曲率とは直径
方向に放出された電子軌道は他の半径位置から放出され
た電子の軌道とは交差しない電子ビームのことで、リッ
プルの少ない安定な電子ビームとなる。しかし、従来の
ピアス電子銃は熱陰極であるため、ヒータ電力が必要
で、ヒータ電源を投入してから安定な熱電子が放出され
るまでに数秒から数１０秒の時間がかかり、約７０〜１
０００℃以上の高熱に長時間耐える構造が必要になる。
また、放出された熱電子は上記温度のランダム方向の初
速度となる熱速度を持つため、直径が陰極径より小さ
く、直径に比較して長さが長いビーム状に集束すると、
ビーム径の広がりやリップルが発生する。さらに、陰極
の電子放出材料は約７００〜１０００℃以上の高温によ
って蒸発するので、時間の経過とともに陰極電流が減少
してゆく。

【００１３】これ等の問題を解決するため、図９、図１
０に示すように、電界放射冷陰極を陰極に使用した進行
波管が提案されている。しかし、ここに使用されている
電子銃は、陰極の電子放出領域が平面状であるため、ピ
アス電子銃の設計条件を完全に満たしていない。このた
め、電子ビームにリップルが生じて、一部の電子が途中
の低速波回路に衝突してこれを加熱したり、大きい集束
比の電子銃が実現できないという問題が生じる。

【００１４】図１１に示す３次元曲面形状のＦＥＡの製
造方法は、曲面形状の陰極を形成することが目的ではな
く、均一なエミッタを形成することが主目的である。一
般の真空蒸着装置では、蒸着材料の方向だけではなく蒸
着厚さの均一性を保つため、蒸発源Ｏと基板１１１まで
の距離は通常数１０ｃｍ程度に選ばれる。ところが、マ
イクロ波管の陰極の場合には陰極の曲率半径は数ｍｍ〜
数１０ｍｍ程度に設定する必要があるので、基板に極く
近い距離から蒸発させる必要があるが、蒸着されたエミ
ッタ材料厚さの均一性を考慮するとこのような方法を採
用することは極めて困難である。さらに、モリブデン、
タングステンの様な材料を蒸着する場合には電子ビーム
を試料に照射して加熱蒸発させる、電子ビーム蒸着技術
が使用されるが、このように蒸発源と試料との距離が短
い場合には蒸発源に電子ビームを照射することはできな
い。さらに、蒸発源の熱輻射によって基板が加熱される
恐れもある。

【００１５】さらに、マイクロ波管の場合、曲率半径が
小さいので、基板１１１の表面に作られた凹凸のため、
ゲート電極１１３に通常の露光技術で直径１μｍ以下の
開口を均一性良く形成するのは困難である。

【００１６】また、図１２に示す陰極構造が特開平４−
２４９８４１号公報にアイデアとして示されているが、
同公報でも認めるように、従来技術では「製造プロセス
的に見て実現が極めて困難」である。

【００１７】

【課題を解決するための手段】基板の上に形成した球面
状の曲面の上に、仕事関数の小さい材料を積層した電子
放出領域を形成して冷陰極を構成する。この冷陰極と、
冷陰極の前面の、冷陰極の曲面に沿った１枚あるいは２
枚の格子電極と、陰極電位のビーム形成電極あるいは陰
極電位を基準として正または負電位のビーム形成電極で
あるウエーネルト電極と、陽極とで電子銃を構成する。

【００１８】あるいは、基板の上に形成した球面状の曲
面の曲率中心あるいはその付近を通る集束イオンビーム
（ＦＩＢ）で加工・形成した微小冷陰極を備えた電子放
出領域を形成して冷陰極を構成する。この冷陰極と、陰
極電位のビーム形成電極であるいは陰極電位を基準とし
て正または負電位のビーム形成電極であるウエーネルト
電極と、陽極とで電子銃を構成する。

【００１９】これらの冷陰極を用いてマイクロ波管を構
成する。

【００２０】

【作用】この結果、冷陰極を電子源とした集束型の電子
銃が実現できるので、次の様な利点が生じる。

【００２１】電子銃に冷陰極を採用することによって、
ヒータ電力が不要になり、消費電力が削減でき、陰極付
近の熱構造設計が簡単になり、電源投入から安定動作状
態に達するまでの時間遅延がない電子銃が実現できる。

【００２２】また、ピアス電子銃の設計条件を満たす集
束型電子銃が実現できるので、上記の利点を持ち、同時
に、電流密度が高く、リップルが小さく、安定な電子ビ
ームが形成できる。さらに、寿命の長い電子銃が実現で
きる。

【００２３】

【実施例】本発明の実施例を図面参照して詳細に説明す
る。実施例１図１は本発明の第１の実施例である電界放射冷陰極の製
造方法を示す原理的構成図であり、集束イオンビーム
（ＦＩＢ）による加工方法を示す。図１において、全体
は真空のチャンバーに納められ、内部は適当な真空度に
保持されている。基板１は機械的方法によって、電子銃
設計の曲率半径で球面２が形成され、その上には球面２
を含む全面に絶縁層３が積層されており、球面２の上部
を除いた部分はボンディングパッド５のパターンが形成
されている。基板１、球面２の上の電子放出領域、絶縁
層３、電極層４、ボンディングパッド５で冷陰極６が構
成され、あらかじめ通常の加工方法でつくられる。この
冷陰極６がＦＩＢ加工装置の可動機構７の上に固定さ
れ、集束されたイオンビーム８がイオンビーム発生装置
９から電子放出領域となる球面２の部分に照射される。

【００２４】可動機構７は、基板１の位置と方向を制御
し、常に、加工する球面２上の特定の点に入射するイオ
ンビーム８の角度がその点の曲面と垂直になるようにす
る。すなわち、曲面状の任意の点を加工している時、イ
オンビーム８は常に曲面２の曲率中心Ｏあるいはその付
近を通るように、基板１の位置と方向を制御する。

【００２５】さらに、イオンビーム発生装置９によって
イオンビーム８を微小量だけ偏向させて、図２に示す構
造を形成する。実施例２図２は本発明の第２の実施例である電界放射冷陰極の構
造を示す構造図で、ＦＩＢを照射して加工した冷陰極６
の球面２の部分の拡大したものである。図１に示す加工
設定状態で、直径１μｍ以下の円を描くようにイオンビ
ーム８の偏向を制御することによって、この部分の電極
層４、絶縁層３および基板１の一部分が除去されて、図
２に示すような開口１１、空洞１２と円錐上のエミッタ
１３が同時に形成される。開口１１、空洞１２、エミッ
タ１３で微小冷陰極１４を構成し、電子放出構造の最小
構成単位となる。

【００２６】なお、ＦＩＢによって平面基板上に微小冷
陰極を形成する方法については、石川らが報告している
（ＩＶＭＣ９４Ｔｅｃｈｎ．Ｄｉｇｅｓｔｐｐ．
３７〜４０，１９９４）。実施例３本発明の第３の実施例である電子銃の原理的断面構造図
を図３に示す。図３において、冷陰極６のすぐ前にはウ
エーネルト電極２１が置かれ、さらにウエーネルト電極
２１の先に陽極２２が置かれている。冷陰極６の球面２
には多数の微小冷陰極１４が形成され、電子放出領域と
なる基板１と電極層４の間には、電極層４が正となる数
１０Ｖの電圧が印加され、エミッタ１３の先端から電子
が放射される。ウエーネルト電極２１には基板１あるい
は電極層４と同電位かあるいは負の電位が印加され、陽
極２２には基板１に対して１ｋＶ〜数ｋＶの電圧が印加
される。基板１、特に電子放出領域となる球面２、ウエ
ーネルト電極２１、陽極２２の形状ならびにウエーネル
ト電極２１、陽極２２の電圧によってピアス電子銃の条
件が満たされると、電子放出領域から放出された電子は
ラミナーフロー状になって集束されて陽極２２に形成さ
れた開口を通り抜ける。

【００２７】このように、ピアス電子銃の設計条件を満
たす集束型電子銃が実現できるので、電流密度が高く、
リップルが小さく、安定な電子ビームが形成できる。さ
らに、同じ電流密度の電子ビームを実現するために、陰
極の電流密度を上昇させないで電子銃の集束比（陰極径
と電子ビーム径の比）を大きくできるので、陰極、特に
エミッタ先端の加熱などの不具合が発生せず、寿命の長
い電子銃が実現できる。実施例４本発明の本発明の第４の実施例である電界放射冷陰極の
構造図を図４に示す。図４において、基板３１は機械的
方法によって、電子銃設計の極率半径で球面３２が形成
され、球面３２の上には電子放出層３３が積層され、陰
極３４を構成する。

【００２８】基板３１にはたとえばシリコンのような半
導体、あるいは金属、あるいは単結晶ダイヤモンドやｃ
ＢＮが使用される。電子放出層３３は仕事関数が小さい
材料を含む材料であるが、望ましく単結晶ダイアモン
ド、多結晶ダイアモンド、非晶質ダイアモンドの内の一
つあるいは少くとも二つを含有する材料である。ここ
で、非晶質ダイアモンドとはカーボンのレーザーアベレ
ーション技術等によって形成される薄膜のことで、アモ
ルファス状態あるいは極く微小なダイアモンド結晶状態
あるいはこれらが混在している状態である。多結晶ダイ
アモンドはプラズマＣＶＤ法あるいは熱フィラメントＣ
ＶＤ法などの気相成長で作られる。

【００２９】なお、単にダイアモンド薄膜を使用した電
子放出電子素子については特開平６−３６６８０号公報
に開示され、同じく、ダイアモンド薄膜を単に使用した
平面ディスプレイ装置については特開平６−２０８８３
５号公報に開示されているが、本実施例を示唆するもの
でないことは言うまでもない。実施例５本発明の第５の実施例である電子銃の原理的断面構造図
を図５に示す。図５において、基板３１は図４に示すよ
うに球面上の曲面が形成され、この上に電子放出層３３
が作られている。基板３１の全面数１０μｍ〜約２００
μｍのところに、電子放出層３３の全面を覆うように、
基板３１の曲面に沿った曲面を持つ陰極格子３５が置か
れている。陰極格子３５のすぐ前には、ウエーネルト電
極２１が配置され、さらにウエーネルト電極２１の先に
陽極２２が置かれている。基板３１、陰極格子３５、ウ
エーネルト電極２１、陰極２２は、独立した電圧が印加
できるように互い絶縁されている。

【００３０】基板３１と陰極格子、の間には、陰極格子
３５が正となる直流の約１０Ｖの電圧が印加され、電子
放出層３３から電子が放射される。ウエーネルト電極２
１には基板３１あるいは陰極格子３５と同電位かあるい
は負の電位が印加され、陽極２２は基板３１に対して１
ｋＶ〜数ｋＶの電圧が印加される。基板３１、特に電子
放出領域となる球面３２、ウエーネルト電極２１、陽極
２２の形状ならびにウエーネルト電極２１、陽極２２の
電圧によってＰｉｅｒｃｅ電子銃の条件が満たされる
と、電子放出領域から放出された電子はラミナーフロー
状になって集束されて陽極２２に形成された開口を通り
抜ける。実施例６本発明の第６の実施例である電子銃の原理的断面構造図
を図６に示す。図６において、陰極格子３５と基板３１
の間に、陰極格子３５と目合わせされた第２の陰極格子
３６を配置し、これに基板３１に対して僅かに負の電圧
を印加している。

【００３１】図５に示す実施例５においては、電子放出
層３３から放出された電子の一部は基板３１に対して正
の電圧が印加された陰極格子３５に衝突し、陰極格子電
流となる。しかし、図６に示す実施例６においては、第
２陰極格子３６に印加した負の電圧によって、電子放出
層３３から電子は陰極格子３５ならびに第２陰極格子３
６には入射しない。実施例７本発明の第７の実施例であるマイクロ波管（進行波管）
の原理的断面図を図７に示す。冷陰極１０５の電子放出
面１０１から放出された電子は、ウエーネルト電極１０
２、陽極１０３ならびに冷陰極１０５で形成された電界
によって集束され、冷陰極１０５から離れるに従って形
を縮小させ、陽極１０３を通り抜ける。電子ビーム１０
４は磁石１０７で作られる磁力線の影響を受け一定ビー
ム径に集束されながらヘリックス１０６の内側を通りコ
レクタ１０８に達する。

【００３２】ヘリックス１０６を通り抜ける途中で、ヘ
リックス１０６に沿って進む入力電磁波と電子ビームと
が相互作用を行い、電子ビーム１０４中の直流エネルギ
ーを電磁波のエネルギーに変換してこれを増幅する。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、冷陰極を電子源とした集束型の電子銃が実現できる
ので、次の様な利点が生じる。

【００３４】電子銃に冷陰極を採用することによって、
ヒータ電力が不要になり、消費電力が削減でき、陰極付
近の熱構造設計が簡単になり、電源投入から動作状態に
達するまでの時間遅延がない電子銃が実現できる。

【００３５】さらに、ピアス電子銃の設計条件を満たす
集束型電子銃が実現できるので、上記の利点を持ち、同
時に、電流密度が高く、リップルが小さく、安定な電子
ビームが形成でき、寿命の長い電子銃が実現できる。

【００３６】この結果、本発明の電子銃を進行波管やク
ライストロンなどのマイクロ波管に適用すれば、これら
の高出力化、高周波化、低電圧化、長寿命化が可能にな
る。さらに、電子ビーム加工装置、電子ビーム加速装置
など、大電流の電子ビームを利用した装置の電子銃に適
用すればこれらの装置の長寿命化、高性能化が図られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である電界放射冷陰極の
製造方法を示す原理的構成斜視図である。

【図２】本発明の第２の実施例である電界放射冷陰極の
構造を示す部分断面斜視図である。

【図３】本発明の第３の実施例である電子銃の断面図で
ある。

【図４】本発明の第４の実施例である電界放射冷陰極の
部分断面斜視図である。

【図５】本発明の第５の実施例である電子銃の断面図で
ある。

【図６】本発明の第６の実施例である電子銃の断面図で
ある。

【図７】本発明の第７の実施例であるマイクロ波管の断
面図である。

【図８】従来技術であるピアス電子銃の断面図である。

【図９】特開平５−２６６８０９号公報に開示された従
来技術の進行波管の概念図である。

【図１０】特開平５−２６６８０９号公報に開示された
従来技術の進行波管の電子銃部の断面図である。

【図１１】特開平６−２９０７０２号公報に開示されて
いる３次元曲面形状ＦＥＡの製造方法である。

【図１２】特開平４−２４９８４１号公報に開示されて
いる球面状ＦＥＡの断面図である。

【符号の説明】

１基板２球面３絶縁層４電極層５ボンディングパッド６冷陰極７可動機構８イオンビーム９イオンビーム発生装置１１開口１２空洞１３エミッタ１４微小冷陰極２１ウエーネルト電極２２陽極２３電子ビーム３１基板３２球面３３電子放出層３４冷陰極３５陽極格子３６第２陰極格子１０１電子放出面１０２ウエーネルト電極１０３陽極１０４電子ビーム１０５冷陰極１０６ヘリックス１０７磁石１０８コレクタ１１０電子放出領域１１１基板１１２絶縁層１１３ゲート電極１１４空洞１１５エミッタ１１６前面ガラス

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】球面状の曲面（２）を一部に形成した基
板（１）と、前記曲面（２）上に形成した複数の微小電
子放出構造（１４）とを有して構成され、前記微小電子放出構造（１４）が、前記曲面（２）の曲
率中心あるいはその付近を通る集束イオンビーム（８）
で形成されたことを特徴とする冷陰極。
【請求項２】請求項１記載の冷陰極（６）と、前記冷
陰極（６）の前面に位置し、前記曲面（２）を取り囲む
形状のビーム形成電極（２１）と、陽極（２２）とを有
して構成されることを特徴とする冷陰極電子銃。
【請求項３】請求項２記載の冷陰極電子銃を電子ビー
ム源としたマイクロ波管。