JP2907150B2

JP2907150B2 - 冷陰極電子銃およびこれを用いた電子ビーム装置

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Publication number: JP2907150B2
Application number: JP25642696A
Authority: JP
Inventors: 秀男巻島
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 1999-06-21
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: EP0833359B1; EP0833359A2; EP0833359A3; DE69709817D1; DE69709817T2; US5977719A; JPH10106430A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微細構造を持ち、
薄膜技術等によって製作する電界放射陰極アレイ（ＦＥ
Ａ）型の冷陰極を用いて電子ビームを形成する冷陰極電
子銃、ならびにこの冷陰極電子銃を用いたマイクロ波管
などの電子ビーム応用装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】微小な円錐状のエミッタ（電子放出電
極）と、エミッタのすぐ近くに形成され、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（制御電極）で構成された微小冷陰極をアレイ状
に並べた電界放射冷陰極がＣ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ等によ
って提案されている（Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，ＡＴｈ
ｉｎ−ＦｉｌｍＦｉｅｌｄ−ＥｍｉｓｓｉｏｎＣａ
ｔｈｏｄｅ，ＪｏｕｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈ
ｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．７，ｐｐ．３５０
４，１９６８）。図７（ａ）はこの電界放射冷陰極の構
造を示し、図７（ｂ），（ｃ）はこの冷陰極を構成する
一つの微小冷陰極１０７の断面図を示す。図７（ａ），
（ｂ）において、１０１はシリコンの基板、１０２はシ
リコン酸化物の絶縁層で、絶縁層１０２の上にゲート電
極１０３が積層されている。絶縁層１０２とゲート電極
１０３の一部は除去されて、空洞１０９が形成され、空
洞１０９中の基板１０１の上に先端が尖ったエミッタ１
０４が形成されている。エミッタ１０４，ゲート電極１
０３と絶縁層１０２に形成された空洞１０９で微小冷陰
極１０７が形成され、この微小冷陰極１０７をアレイ状
に並べて平面状の電子放出領域を持つ冷陰極１０８が形
成される。図７（ｃ）はゲート電極１０３の上に絶縁層
１０５を介して集束電極１０６を積層した微小冷陰極を
断面構造で、集束電極１０６によってエミッタ１０４か
ら放出された電子の軌道を集束させる。さらに、集束電
極１０６の上に絶縁層を介して第３の電極を形成する陰
極構造も開示されている。

【０００３】基板１０１とエミッタ１０４とは電気的に
接続されており、エミッタ１０４とゲート電極１０３の
間には約５０Ｖの電圧が印加される。絶縁層１０２の厚
さは約１μｍ、ゲート電極１０３の開口径も約１μｍと
狭く、エミッタ１０４の先端は１０ｎｍ程度と極めて尖
鋭に作られているので、エミッタ１０４の先端には強い
電界が加わる。この電界が２〜５×１０⁷Ｖ／ｃｍ以上
になるとエミッタ１０４の先端から電子が放出される。
このような構造の微小冷陰極を基板１０１の上にアレイ
状に並べることにより大きな電流を放出する平面状の陰
極（ＦＥＡ）が構成される。さらに、微細加工技術を利
用して微小冷陰極を高密度に並べれば従来の熱陰極の５
から１０倍以上の陰極電流密度を実現できる。

【０００４】このスピント（Ｓｐｉｎｄｔ）型冷陰極
は、熱陰極と比較して高い陰極電流密度が得られ、放出
電子の速度分散が小さい等の利点を持つ。また、単一の
電界放射エミッタと比較して電流雑音が小さく、約１０
〜数１０Ｖの低い電圧で動作し、比較的悪い真空度の環
境中でも動作する。

【０００５】この冷陰極を、進行波管（ＴＷＴ）やクラ
イストロンなどのマイクロ波管に適用できれば、陰極の
加熱電力が不要であるので低消費電力で、陰極電流密度
が高いので高出力で、高周波の領域において効率の高い
増幅装置を実現できる可能性がある。さらに、陰極の加
熱が不要であるために、マイクロ波管、特にこの電子銃
部の構造を小型化できる可能性がある。さらに、高い陰
極電流密度が得られるので例えば自由電子レーザ用の電
子銃に使用すれば、その高出力化、高周波化を図ること
ができる。

【０００６】しかし、マイクロ波管などの電子ビーム応
用装置にこの冷陰極を導入する場合、エミッション電流
の変動が大きな障害になる。エミッション電流の変動原
因としては、管内残留ガスのエミッタ先端への吸着、お
よび管内残留ガスのイオン化によって生じるエミッタの
先端へのイオン衝撃などが挙げられ、特に封じ切りの電
子管や実用レベルの真空度で使用される電子ビーム装置
の場合には影響が大きい。

【０００７】マイクロ波管の場合には、電子ビーム電流
の変動に伴い、利得や出力が変動するとともに、電子ビ
ームの集束状態が変化するため、らせん電流が変動し、
動作の安定性や信頼性に大きな影響を及ぼす。

【０００８】このような状況に対し、安定な電子ビーム
電流を得るため、図８に示すような冷陰極の構成が、特
開平８−８７９５７ほかに開示されている。図８におい
て、陰極からのエミッション電流は冷陰極基板上に集積
されるかあるいは個別部品で構成されたＦＥＴを中心と
した定電流源で制御され、エミッタ先端の表面状態が変
動しても全エミッション電流は常に一定に保たれる。な
お、各エミッタ毎に独立の定電流源が容易された場合に
は、全エミッション電流も個々のエミッタから放出され
る電流も一定に保たれる。

【０００９】また、本発明の構造と似た冷陰極あるいは
電子銃構造の公知例を図９から図１１に示す。図９は米
国特許公報第５，１０３，１４５号に開示されたＣＲ
Ｔ用冷陰極とその駆動回路を示す。ここでは、冷陰極の
ゲート電極を分割し、入力ビデオ信号をデジタル変換し
た信号によって分割したゲート電極を駆動し、電子ビー
ム電流を変化させ、ＣＲＴ画面の輝度を変えている。

【００１０】また、特開平７−２３５２５８にも、図１
０に示すように、ＦＥＡ陰極を使用したＣＲＴが開示さ
れている。ここでは、ＦＥＡ陰極をマトリクス状に分解
し、入力ビデオ信号をデジタル変換した信号によってマ
トリクスの行および列を駆動し、電子ビーム電流を変化
させている。電子ビーム電流が小さいときには、電流は
陰極の中心から放出され、電子ビーム電流が大きくなる
に従い電子ビーム放出領域は陰極の周辺に向かって拡大
するようにデコーダを構成している。

【００１１】また、特開平５−３４３０００にも、図１
１に示すように、ＣＲＴ用のＦＥＡ陰極が開示されてい
る。ここでは、ＦＥＡ陰極を３分割し、それぞれをＲ．
Ｇ．Ｂビデオ信号で駆動して、カラーＣＲＴ用電子銃を
構成している。一つの円形の電子放出領域からＲ．Ｇ．
Ｂ信号で変調された３本の電子ビームを取り出すことを
目的としている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】図１２は従来のエミッ
タに接続した定電流源の動作を模式的に示した図であ
る。複数のエミッタのエミッション電流を共通の、エミ
ッタと直列の定電流源で制御している場合、全エミッシ
ョン電流Ｉは一定であるにも関わらず、個々のエミッタ
からのエミッション電流ｉ１，ｉ２，ｉ３は多くの場合
変動している。このため、陰極における電流密度分布が
経時的に変化し、安定な電子ビームが得られない。この
冷陰極電子銃を、例えば、マイクロ波管に使用した場
合、らせん電流が経時的に変動し信頼性が低下する恐れ
がある。

【００１３】さらに、エミッション電流を一定に保つた
めに、定電流源１１１が動作すると、エミッタ先端の形
状の変化と表面状態の変化を補うようにエミッタ電位が
変動する。これに伴って放出電子の基準電位が変動し、
同じ加速電圧でも電子ビームの直流速度が経時的に変動
する。このため、例えばマイクロ波管においては、らせ
ん回路に伝わるＲＦ信号と電子ビームの進行速度を同期
させて相互作用によって信号の増幅を実現しているの
で、電子ビームの直流速度が変動すると、相互作用の大
きさが変化し、この結果、利得や出力の変動につながる
恐れがある。

【００１４】本発明の第１の目的は、冷陰極から放出さ
れた電子を集束して、電流の安定性が高く、陰極電流密
度分布の変動が小さく、直流速度変動が小さく、リップ
ルが小さい電子ビームを形成する電子銃を実現すること
である。本発明の第２の目的は、この電子銃を電子源と
して、小型で、利得が高く、動作が安定で、信頼性が高
く、寿命の長い電子ビーム装置を実現することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも一
つの表面が絶縁性を示す基板と、この基板の絶縁性を示
す表面の上に積層したカソード電極と、このカソード電
極の上に形成し、先端を先鋭化したエミッタと、このエ
ミッタとその付近を除いてカソード電極および基板の上
に積層した第１の絶縁層と、第１の絶縁層の上に積層
し、エミッタを取り囲む開口を持つゲート電極と、ゲー
ト電極の上に積層し、ゲート電極と共通の空洞を形成し
た第２の絶縁層と、この第２の絶縁層の上に積層し、ゲ
ート電極と共通の空洞を形成した集束電極で構成した冷
陰極電子銃において、カソード電極とゲート電極を対と
なるように複数に分割し、分割された各カソード電極に
流れる電流を検出して、この電流が一定となるようにカ
ソード電極と対をなすゲート電極の電位を制御するこを
特徴とする。

【００１６】また、本発明は、少なくとも一つの表面が
絶縁性を示す基板と、この基板の絶縁性を示す表面の上
に積層したカソード電極と、このカソード電極の上に形
成し、先端を先鋭化したエミッタと、このエミッタとそ
の付近を除いてカソード電極と基板の上に積層した第１
の絶縁層と、この第１の絶縁層の上に積層し、エミッタ
を取り囲む開口を持つゲート電極と、このゲート電極の
上に積層し、ゲート電極と共通の空洞を形成した第２の
絶縁層と、この第２の絶縁層の上に積層し、ゲート電極
と共通の空洞を形成した集束電極と、この集束電極の上
に積層し、ゲート電極と共通の空洞を形成した第３の絶
縁層と、この第３の絶縁層の上に積層し、ゲート電極と
共通の空洞を形成した第２の集束電極で構成した冷陰極
電子銃において、カソード電極とゲート電極と集束電極
を一組として複数に分割し、分割されたカソード電極に
流れる電流を検出して、この電流が一定となるように前
記カソード電極５と対をなすゲート電極の電位を制御す
ることを特徴とする。

【００１７】本発明の冷陰極電子銃においては、集束電
極には、ゲート電極に印加する電圧を分圧した電圧を印
加してもよい。また、本発明においては、カソード電極
に流れる電流を検出してゲート電極に加える電圧を発生
する複数のゲート制御回路を共通の制御電圧で制御する
こと、あるいはカソード電極に流れる電流を検出してゲ
ート電極に加える電圧を発生する複数のゲート制御回路
を共通の制御回路で制御することも可能である。さら
に、これら冷陰極電子銃を用いて電子ビーム応用装置を
構成することもできる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施
の形態を示す冷陰極電子銃の模式的な構造断面図であ
る。図１において、１は真空中に自由電子を放出する冷
陰極で、２は電子ビーム１１を集束するウエーネルト電
極、３は電子ビーム１１を加速・形成する陽極で、全体
は真空外囲器１２のなかに納められている。冷陰極１は
絶縁材料を用いた陰極基板４、カソード電極５，第１絶
縁層６，ゲート電極７，第２絶縁層８，集束電極９，エ
ミッタ１０で構成されている。第１絶縁層６は陽極基板
４あるいはカソード電極５の上に積層され、その上に順
次、ゲート電極７，第２絶縁層８，集束電極９が形成さ
れている。

【００１９】第１絶縁層６，ゲート電極７，第２絶縁層
８，集束電極９には共通の多数の空洞が形成され、この
空洞の底でカソード電極５の上には電子放出電極である
エミッタ１０が形成されている。カソード電極５とゲー
ト電極７は複数に分割され、分割されたカソード電極５
とゲート電極７とが対になって陰極セグメントを構成し
ている。

【００２０】１３〜１５は、直流電源で、それぞれウエ
ーネルト電極２に０〜約１００Ｖ、陽極３に１０００〜
４０００Ｖ、集束電極９に０〜約１００Ｖの直流電圧を
供給する。１７は抵抗でカソード電極５に接続されて、
陰極セグメントの電流を検出する。１８はトランジス
タ、抵抗、基準電圧で構成されたゲート制御回路で、陰
極セグメント電流を一定に保つ。

【００２１】この冷陰極電子銃を動作させるには、ゲー
ト電極７にはゲート制御回路１８を介して約５０Ｖの電
圧を印加し、集束電極９には約１０Ｖ、ウエーネルト電
極２には約３Ｖ、陽極３には約２０００Ｖを印加する。
電子は各エミッタ１０の先端から放出され、各エミッタ
１０から放出された電子は各陰極セグメントに共通の集
束電極９で集束作用を受けながら集束電極９の開口を通
り抜ける。次に、各エミッタから放出された電子はウエ
ーネルト電極２と陽極３で形成された電位分布に従って
集束、加速され細い電子ビーム１１に形成されていく。

【００２２】各陰極セグメントのエミッション電流は抵
抗１７で検出され、ゲート制御回路１８は抵抗１７で検
出した電流をもとにゲート電極７を制御して、この電流
を一定に保つ。各陰極セグメント内では、エミッタ先端
の表面状態の変化を補償するようにゲート電極７の電圧
が変動する。

【００２３】このように、本実施の形態においては、冷
陰極１から放出される電流は陰極セグメント毎に制御さ
れて、一定に保持されるため、全放出電流および各陰極
セグメント毎の電流を一定に保つことができる。従っ
て、冷陰極１を適当な数の陰極セグメントに分割すれ
ば、冷陰極１における電流密度分布を実用上ほぼ一定に
保つことができる。さらに、各陰極セグメントは接地電
位から抵抗１７における電圧降下分だけ高い電位になる
が、この電圧は各陰極セグメントの設定電流が変えられ
なければ、各陰極セグメントにわたって、常に一定で、
比較的低い電圧、たとえば３Ｖ程度以下に保たれる。従
って、電子ビームの基準電位が、陰極全面にわたって常
に一定に保持できるので、例えば、この冷陰極電子銃を
進行波管のようなマイクロ波管に使用したとき、低速波
回路における電流の直流速度が常に一定に保持される。
このため、不要な雑音発生や利得低下の恐れがなくな
る。

【００２４】さらに、ゲート電極７の上に各陰極セグメ
ントに共通の集束電極９を設けているので、全ての陰極
セグメントから放出された電子の速度は、冷陰極１を離
れるときにはほぼ一定に保持され、主にウエーネルト電
極２、陽極３で構成された電子領域に入射する。このよ
うに、各陰極セグメントからの放出電流を制御するため
にゲート電圧が変化するにも関わらず、陰極全面にわた
って、常に同一の入射条件を保つことができるので、安
定な電子ビームが形成できる。

【００２５】具体的な実施例について述べると、エミッ
タ１０はタングステンあるいはモリブデンのような耐熱
金属で作られ、ゲート電極７はタングステン、モリブデ
ン、ニオブ、タングステンシリサイド等の金属あるいは
金属化合物で作られ、絶縁層６，８には例えばシリコン
の酸化物、シリコンの窒化物等の単一あるいは複合層構
造を使用する。ゲート電極７の開口の直径は約１μｍ、
エミッタ１０の高さは約０．５〜１μｍ、第１絶縁層６
の厚さは約０．４〜０．８μｍ、ゲート電極７の厚さは
約０．２μｍである。

【００２６】この陰極を製作するには、基本的には文献
（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉ
ｃｓ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．７，ｐｐ．３５０４，１９
６８）等に開示されているように、ゲート電極７と絶縁
層６に空洞を形成したのちウェハを回転させながら斜め
方向から犠牲層を堆積し、次にエミッタ材料をウェハの
真上から堆積すれば良い。

【００２７】図２は本発明の第２の実施の形態を示す冷
陰極１の模式的な構造図で、（ａ）に断面図、（ｂ）に
ゲート電極７の平面図を示す。図１に示す第１の実施の
形態と異なるのは、ゲート制御回路１８の構成で、本実
施の形態では差動増幅器や演算増幅器などの集積された
増幅器を使用した例を示しており、冷陰極１の構造は第
１の実施の形態と変わらない。

【００２８】図２（ａ）において、抵抗１７で電圧とし
て検出された陰極セグメントのエミッション電流は演算
増幅器で構成されたゲート制御回路１８で基準電圧と比
較され、両者が等しくなるようにゲート電極７に印加す
る電圧が制御される。図２（ｂ）は冷陰極１の集束電極
９と第２絶縁層８を仮想的に取り去ってゲート電極７を
見た平面図である。ゲート電極７は６等分され、図には
示していないが、カソード電極５もゲート電極７と同じ
パターンに分割されており、エミッション電流が独立に
制御される６個の陰極セグメントを形成している。

【００２９】図３は本発明の第３の実施の形態を示す冷
陰極の模式的断面構造図である。図１，図２に示す第
１，第２の実施の形態と異なるのは、集束電極９もゲー
ト電極７，カソード電極５と同じように分割し、集束電
極９の上にさらに第３絶縁層１９，第２集束電極２０を
形成していることである。第２集束電極２０は全陰極セ
グメントに共通電位を与え、集束電極９にはゲート電極
７に比例する電圧を印加し、各エミッタから放出される
電子ビームの方向性を改善している。

【００３０】図３において、第２集束電極２０には直流
電源１６から約３０Ｖの電圧が印加されている。また、
集束電極９には、ゲート電極７に印加する制御電圧を抵
抗２１，２２で構成した分圧器によって分圧した電圧が
印加されている。各陰極セグメントのゲート電極７の電
圧は、エミッション電流を一定に保つように、変化して
いるが、集束電極電圧を一定に保った場合、このゲート
電極電圧の変化に伴って、ゲート電極７と集束電極９で
構成された微小な電子光学系の集束条件も変化する。こ
の結果、エミッタ１０から放出された電子の方向性がゲ
ート電極７の電圧変化とともに変化し、電子銃で形成し
た電子ビームのリップルの原因となる。集束電極９の電
圧をゲート電極電圧に比例させて変化させることによっ
て、微小な電子光学系の集束条件をゲート電極の変化に
係わらず常にほぼ一定に保つことができるので、エミッ
タ１０から放出された電子の方向性を常にほぼ最良の状
態に保つことができる。

【００３１】図４は本発明の第４の実施の形態を示す冷
陰極電子銃の模式的構造図である。図１から図３に示す
第１から第３の実施の形態と異なるのは、複数のゲート
制御回路１８を共通の基準電圧で制御し、ゲート制御回
路１８および電流検出用の抵抗１７を真空外囲器１２の
中に収めていることである。このため、真空外囲器１２
を介して外部に取り出す配線の数を少なく抑えることが
できる。また、ゲート制御回路１８を真空外囲器１２の
中に納めなくても、電子ビーム電流を制御するための調
整点を最小１個まで減じることができる。

【００３２】図４において、各陰極セグメントのゲート
制御回路１８は共通の基準電圧源３１に接続され、各陰
極セグメントの抵抗１７で検出したエミッション電流と
比較され、これを一定にするように動作する。ゲート制
御回路１８，抵抗１７は冷陰極が形成されている陰極基
板４の上に集積化することも可能であるし、別の基板の
上に形成することも可能である。

【００３３】図５は本発明の第５の実施の形態を示す冷
陰極電子銃の模式的構造図である。図１から図３に示す
第１から第３の実施の形態と異なるのは、複数のゲート
制御回路１８を共通の制御回路３２で制御し、ゲート制
御回路１８および電流検出用の抵抗１７を真空外囲器１
２の中に収めていることである。このため、真空外囲器
１２を介して外部に取り出す配線の数を少なく抑えるこ
とができる。また、ゲート制御回路１８を真空外囲器１
２の中に収めなくても、電子ビーム電流を制御するため
の調整点を最小１個まで減じることができる。

【００３４】また、図４に示す第４の実施の形態と異な
るのは、共通の基準電圧減３１と制御回路３２も真空外
囲器１２の中に収められ、各陰極セグメントのゲート制
御回路１８は制御回路３２を介して制御され、各陰極セ
グメントのエミッション電流、オン／オフが制御され
る。ゲート制御回路１８，抵抗１７，基準電圧源３１，
制御回路３２は冷陰極が形成されている陰極基板４の上
に集積化することも可能であるし、別の基板の上に形成
することも可能である。

【００３５】図６は本発明の第６の実施の形態で、冷陰
極を使用した電子ビーム応用装置として代表的なマイク
ロ波管であるＴＷＴ（進行波管）の断面図を示す。図６
において、冷陰極８１，ウエーネルト電極８２，陽極８
３で電子銃８６が構成される。冷陰極８１から放出され
た電子は、電子銃８６で作られた静電界と磁石８８で作
られた磁界で集束され、所定形状の電子ビーム８７に形
成される。電子ビーム８７は内径が１ｍｍ程度あるいは
これ以下の低速波回路であるらせん９０の中を通り抜
け、コレクタ８９で捕捉される。らせん９０に印加され
た入力ＲＦ信号は密度変調した電子ビーム８７を作り、
この電子ビーム８７はらせん９０の中を通過する間にら
せん９０との相互作用によりらせん９０にＲＦ信号を誘
起し、さらにこれを増幅して出力信号を作る。直流電源
９１〜９４はそれぞれウエーネルト電極８２，陽極８
３，らせん９０，コレクタ８９に直流電圧を供給する。
なお、図６では冷陰極８１のゲート電極や集束電極通に
電圧を印加するための配線と電源は省略している。

【００３６】冷陰極８１を離れた電子ビーム８７はウエ
ーネルト電極８２，陽極８３，らせん９０，磁石８８で
構成される集束電磁界によって集束され、細いらせんを
通り抜けてコレクタに達するが、この電子ビーム集束系
の入射条件となる電子ビームの全電流、陰極における電
流密度分布、電子ビーム初速度、電子ビーム入射方向が
すべて経時的にほぼ一定に保持される。このため、極め
て品質の良い電子ビームが形成され、電子ビーム８７の
リップルおよびその時間変動が小さく保たれる。

【００３７】電子ビームのリップルが小さいため、電子
ビームとらせんとの結合を強くできるので、らせん単位
長さ当たりの利得を高くでき、らせんの全長を大幅に短
縮でき、ＴＷＴを大幅に小型化できる。さらに、電流密
度の高い電子ビームが形成できるため、ＲＦ−ＤＣ変換
効率の高いＴＷＴが実現できる。

【００３８】さらに、らせん電流が低い値に保持できる
ので、信頼性を向上させられ、動作の安定性が増す。さ
らに、電子ビームの直流速度が陰極セグメント毎に変わ
ったり、経時的に変化することもないので、利得低下や
発振および雑音発生の恐れもない。

【００３９】なお、冷陰極１の最上層の電極、すなわち
第１，第２の実施の形態では集束電極９、第３の実施の
形態では第２集束電極については分割しても同じあるい
はほぼ等しい直流電圧を印加すれば、冷陰極１を離れる
電子ビームの速度を揃えることができるので、本発明の
思想を適用したことになるのは明らかである。

【００４０】また、図６に示す第６の実施の形態では低
速波回路としてらせんを用いたＴＷＴの例を示している
が、らせんに限らず、結合空胴やリングループ等のＴＷ
Ｔにも適用できる。さらに、ＴＷＴに限らずクライスト
ロンやジャイロトロンのようなマイクロ波管に本発明の
冷陰極を適用しても、その利点を活用することができ
る。さらに、マイクロ波管の他に自由電子レーザ、電子
ビーム加工装置、電子ビーム加速装置のような電子ビー
ム応用装置に適用しても本発明の思想を有効に活用する
ことができる。

【００４１】Ｓｐｉｎｄｔタイプの冷陰極のほかに、半
導体基板のエッチングによってエミッタを形成するＧｒ
ａｙタイプや、微小な鋳型の中に電子放出層を堆積して
エミッタを形成するモールドタイプの冷陰極にも本発明
が適用できることは明らかである。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の冷陰極電
子銃においては、全エミッション電流が経時的に一定に
保たれ、陰極電流密度分布もほぼ一定に保たれる。さら
に、本発明の冷陰極電子銃においては全陰極部から離れ
る電子の速度、電子ビームの直流速度が経時的に変化せ
ず、その上、陰極全面から放出される電子にわたって同
一に保たれる。従って、常に同一の集束条件が保たれる
ので、良好は集束が実現でき、リップルが小さく、経時
的な変化のない高品質の電子ビームが形成できる。

【００４３】本発明の冷陰極電子銃を使用したマイクロ
波管装置では、高品質の電子ビームが形成できるので高
い装置性能が実現できる。特に、ＴＷＴなどのマイクロ
波管においては、高い信頼性と高いＤＣ−ＲＦ変換効率
が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す冷陰極電子銃
の模式的構造断面図である。

【図２】（ａ）は本発明の第２の実施の形態を示す冷陰
極電子銃の冷陰極の模式的な断面図で、（ｂ）はゲート
電極の平面図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態を示す冷陰極の模式
的構造断面図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態を示す冷陰極電子銃
の模式的構造図である。

【図５】本発明の第５の実施の形態を示す冷陰極電子銃
の模式的構造図である。

【図６】本発明の第６の実施の形態を示すＴＷＴの断面
構造図である。

【図７】従来技術のＳｐｉｎｄｔタイプ冷陰極を示し、
（ａ）は冷陰極の構造図、（ｂ），（ｃ）は微小冷陰極
の断面図である。

【図８】（ａ），（ｂ）は特開平８−８７９５７に開示
された従来技術の冷陰極構成図と回路図である。

【図９】米国特許第５，１０３，１４５号に開示された
従来技術のＣＲＴ用冷陰極とその駆動回路図である。

【図１０】特開平７−２３５２５８に開示された従来技
術のＣＲＴ用ＦＥＡ陰極構成図である。

【図１１】特開平５−３４３０００に開示された従来技
術のＣＲＴ用ＦＥＡ陰極構成図である。

【図１２】従来技術の冷陰極駆動回路の原理図である。

【符号の説明】

１，８１冷陰極２，８２ウエーネルト電極３，８３陽極４陰極基板５カソード電極６第１絶縁層７，１０３ゲート電極８第２絶縁層９，１０６集束電極１０，１０４エミッタ１１，８７電子ビーム１２真空外囲器１３〜１６直流電源１７，２１，２２抵抗１８ゲート制御回路１９第３絶縁層２０第２集束電極３１基準電圧源３２制御回路８６電子銃８８磁石８９コレクタ９０らせん９１〜９４直流電源１０１基板１０２，１０５絶縁層１０７微小冷陰極１０８陰極１０９空洞１１１定電流源

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一つの表面が絶縁性を示す基
板と、前記基板の絶縁性を示す表面の上に積層したカソ
ード電極と、前記カソード電極の上に形成し、先端を先
鋭化したエミッタと、前記エミッタとその付近を除いて
少なくとも前記カソード電極の上に積層した第１の絶縁
層と、前記第１の絶縁層の上に積層し、前記エミッタ１
０を取り囲む開口を持つゲート電極と、前記ゲート電極
の上に積層し、前記ゲート電極と共通の空洞を形成した
第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層の上に積層し、前記
ゲート電極と共通の空洞を形成した集束電極で構成さ
れ、前記カソード電極と前記ゲート電極を対となるよう
に複数に分割し、前記分割されたカソード電極に流れる
電流をそれぞれ検出して、この電流が一定となるように
前記カソード電極と対をなす前記ゲート電極の電位を制
御することを特徴とする冷陰極電子銃。
【請求項２】少なくとも一つの表面が絶縁性を示す基
板と、前記基板の絶縁性を示す表面の上に積層したカソ
ード電極と、前記カソード電極の上に形成し、先端を先
鋭化したエミッタと、前記エミッタとその付近を除いて
少なくとも前記カソード電極の上に積層した第１の絶縁
層と、前記第１の絶縁層の上に積層し、前記エミッタを
取り囲む開口を持つゲート電極と、前記ゲート電極の上
に積層し、前記ゲート電極と共通の空洞を形成した第２
の絶縁層と、前記第２の絶縁層の上に積層し、前記ゲー
ト電極と共通の空洞を形成した集束電極と、前記集束電
極の上に積層し、前記ゲート電極と共通の空洞を形成し
た第３の絶縁層と、前記第３の絶縁層の上に積層し、前
記ゲート電極と共通の空洞を形成した第２の集束電極で
構成され、前記カソード電極と前記ゲート電極と前記集
束電極を一組として複数に分割し、前記分割されたカソ
ード電極に流れる電流をそれぞれ検出して、この電流が
一定となるように前記カソード電極と対をなす前記ゲー
ト電極の電位を制御することを特徴とする冷陰極電子
銃。
【請求項３】前記集束電極には、前記ゲート電極に印
加する電圧を分圧した電圧を印加することを特徴とする
請求項２記載の冷陰極電子銃。
【請求項４】前記カソード電極に流れる電流を検出し
て前記ゲート電極に加える制御電圧を発生する複数のゲ
ート制御回路を共通の基準電圧で制御することを特徴と
する請求項１または請求項２記載の冷陰極電子銃。
【請求項５】前記カソード電極に流れる電流を検出し
て前記ゲート電極に加える制御電圧を発生する複数のゲ
ート制御回路を共通の制御回路で制御することを特徴と
する請求項１または請求項４記載の冷陰極電子銃。
【請求項６】請求項１から請求項５記載の冷陰極電子
銃を備えた電子ビーム装置。