JP3156763B2 - 冷陰極搭載電子管の電極電圧印加方法および装置 - Google Patents
冷陰極搭載電子管の電極電圧印加方法および装置Info
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Description
特にアレイ化された複数のエミッタを備える冷陰極を電
子源に用いた電子銃部を備える冷陰極搭載電子管の電極
加圧方法および装置に関する。
その冷陰極の劣化の原因として、正イオンの冷陰極への
衝突がある。この正イオンは、コレクタ電極や加速電極
等のエミッタよりも電位の高い電極または電子管内の残
留ガスにビームが衝突する際に発生する。発生した正イ
オンは、電位の低い方向に進行しようとするため、冷陰
極へ向けて進行するものもある。この正イオンが冷陰極
エミッタへ衝突すると、エミッタ形状が変形する。冷陰
極におけるビーム電流の変化はエミッタの形状の変形に
対して感度が高い。このため、正イオンの衝突による特
性の劣化は、熱陰極と比較すると、冷陰極の方が著しく
大きい。このため、冷陰極を電子源とする電子管におい
ては、正イオンが冷陰極に衝突すると特性の劣化が急速
に進行する。
この種の冷陰極搭載電子管では、例えば特開平9−63
489号公報に示されるように、コレクタ電極側で発生
した正イオンが冷陰極に衝突し冷陰極が劣化することを
防止するような機構を装備している。
3489で示された冷陰極搭載電子管の構成の一例を示
している。電子ビームeを放出する冷陰極11のまわり
にウェネルト電極12が配置され、さらに加速電極1
3、イオントラップ電極14、および電子ビームを捕捉
するコレクタ電極15が配置されている。冷陰極11
は、その一部を拡大して図6(b)に示すように、例え
ばシリコン基板21の表面部に多数の針状エミッタ22
が規則的に配列され、その先端の近くの前方に各エミッ
タに対応するゲート孔23を有するゲート電極24が配
置されている。ゲート電極24は、金属薄膜からなり基
板上に絶縁層25を介して配置されている。この電子管
の動作に際して、各電極には図示のように冷陰極11に
対しゲート電極24に零乃至±数Vの範囲の制御電圧が
ゲート電源31から与えられる。また、ウェネルト電極
12には負の数百Vの電圧がウェネルト電極32から与
えられ、加速電極13には電源33から正の数kVの加
速電圧が印加される。さらに、イオントラップ電極14
にはコレクタ電極15に対して負の数百Vの電圧が、電
源35から与えられる。
適当な電位に制御することにより、各エミッタ22の先
端から電子が放出され、対応する各ゲート孔23を通っ
て加速電極13による加速電位でコレクタ電極15方向
に放射される。この時、コレクタ電極15内で発生する
正イオンは電位の低い陰極方向(イオントラップ電極1
4方向)に進行しようとする。しかし、加速電極13電
位が十分高く正イオンは加速電極電位により跳ね返され
イオントラップ電極14に捕集される。よって正イオン
は陰極11にほとんど到達しない。このため、冷陰極の
劣化が防止できる。
は、進行波管装置において、遅波回路部またはコレクタ
電極側で発生する正イオンが陰極に衝突し、陰極を劣化
させることを防止するような条件が示されている。
示される進行波管の構成の一例を示している。進行波管
は電子ビームとマイクロ波との相互作用を利用してマイ
クロ波を増幅する電子管であり、電子銃部とコレクタ電
極間に電子ビームとマイクロ波を相互作用させる遅波回
路部2を有している。その中で電子銃部は、陰極10、
ウェネルト電極12、加速電極13、およびイオンバリ
ア電極16を備えている。この時、ビーム電流をIo
(A)、ビーム半径をro(m)、イオンバリア電極1
6の内径をrib(m)、遅波回路部2の電位をVo
(V)とした時に、
ibとイオンバリア電極16の電位Vibが設定されてい
る。
に遅波回路部またはコレクタ電極側で発生する正イオン
を防ぐバリアを形成し、イオンの陰極への到達を防ぐこ
とができる。該特許では冷陰極に言及していないが、冷
陰極搭載進行波管にも適応可能である。
部等、電子銃部以外で発生する正イオンが陰極に衝突す
ることにより陰極の特性が劣化することを防止するよう
な機構が提案されている。
電子銃では、電子銃から得られるエミッション最大電流
量はLangmuir-Child則に従い決定される。つまり、Lang
muir-Child則では、エミッション最大電流量は、電子銃
構造により一義的に決定される係数(以下、パービアン
スと称す)と加速電極電圧の3/2乗の積により決定さ
れる。
冷陰極のゲート電極印加電圧によりエミッション量が一
義的に決定され、上記Langmuir-Child則を満足しない。
そのため、冷陰極を電子源とした場合、電子銃の構造に
より決定する電子銃パービアンスと加速電極電圧の3/
2乗の積を越えるビーム電流を陰極から取り出すことが
できる。
ンスと加速電極電圧の3/2乗の積で示される空間電荷
制限領域での動作条件を越えた動作条件で陰極から電子
を出した場合、電子銃構造で許容される電荷量以上の電
荷量が陰極近傍の空間に存在することにある。特に、2
つ以上のエミッタより形成されるアレイ化した冷陰極で
は、隣接するエミッタから放出される電子同士が影響し
あう領域において、電子密度が密となる領域が形成され
る。つまり、単一エミッタからなる冷陰極では、エミッ
タ表面の極近傍で形成される空間電荷制限のみを受け
る。このエミッタ表面近傍での空間電荷制限を乗り越え
た電子は電子レンズ系の制御を受け飛翔する。一方、大
電流量が得られる複数のエミッタによりアレイ化された
冷陰極では、該エミッタ表面近傍での空間電荷制限を乗
り越えてきた電子は、次に隣接するエミッタから放出さ
れた電子による空間電荷制限を受け、横方向の発散に関
し制限を受ける。よって、電子ビーム全体を考えた場
合、陰極表面の隣接するエミッタから放出される電子同
士が影響しあう領域において電荷が蓄積し、この過大な
電荷により形成される電場の影響でビーム透過が急激に
劣化、つまり電子ビームが発散することとなる。このと
き電子の運動エネルギーは、熱陰極の場合が殆ど0eV
であるのに対し、冷陰極の場合はゲート電極印加電圧で
加速しているため数十eV程度となる。故に冷陰極搭載
電子銃では、特に運動エネルギーの低い電子が陰極近傍
に形成された電界により散乱される。この発散した電子
ビームの一部は制御できず、加速電極や、進行波管では
その先のヘリックスに衝突する。加速電極等に電子が衝
突すると、加速電極から正イオンやガスが発生する。加
速電極から発生するガスにビームが当たることにより正
イオンが発生する。これら正イオンは冷陰極に衝突し、
エミッタ形状の変形を誘発する。よって冷陰極のエミッ
ション特性が劣化してしまうという欠点を有している。
備することによりコレクタで発生する正イオンが陰極に
衝突することを防止する手法はあった。しかし、ビーム
電流量と加速電極電圧との関係に明確な制限がなく、よ
って陰極・加速電極間での正イオン発生を防止する手法
がないため、常に安定した動作を実現する設計手法がな
かった。
による冷陰極の劣化を防止した冷陰極搭載電子管装置を
提供することである。
管の電極電圧印加方法は、アレイ化された複数のエミッ
タを備える冷陰極を電子源に用いた電子銃部を備える冷
陰極搭載電子管の電極電圧印加方法において、加速電極
の印加電圧をVa、前記電子銃部の形状により決定され
る電子銃のパービアンスをPμ、および電子銃のビーム
電流をIbとするとき、 Ib < Pμ × Va^3/2 を満足するようにVaを設定する段階を有し、電子ビー
ムが空間電荷制限により発散されることなく、電子ビー
ムが加速電極等に衝突することにより発生するガスや正
イオンを防ぐことができる。
位との差を一定に保つように制御する段階をさらに有す
ることが望ましい。
印加方法は、動作中、立ち上げ時、立ち下げ時、異常動
作時いかなる場合においても、前記電子管内の各電極の
中で最も高い電位を加速電極あるいは加速電極に隣接し
た電極に印加し、かつ立ち上げ時にはゲート電圧を最後
に印加し、立ち下げ時にはゲート電圧を最初に切断する
段階を有し、電子管動作電源停止時を含む常時におい
て、加速電極電位あるいは加速電極に隣接した電極の電
位が最も高い電位であるため、ヘリックス、コレクタ内
で発生した正イオンはこれらの電極電位により跳ね返さ
れ冷陰極への衝突を阻止される。
化された複数のエミッタを備える冷陰極を電子源に用い
た電子銃部を有する冷陰極搭載電子管装置において、前
記電子銃部の形状により決定される電子銃のパービアン
スPμと加速電圧Vaとビーム電流Ibとの関係が、 Ib < Pμ × Va^3/2 を満足するように設定され、電子ビームが空間電荷制限
により発散されることなく、電子ビームが加速電極等に
衝突することにより発生するガスや正イオンを防ぐこと
ができる。
位との差が一定に保つように制御されたことが望まし
い。
陰極搭載電子管装置において、動作中、立ち上げ時、立
ち下げ時、異常動作時を含むいかなる場合においても、
電子管内の各電極の中で最も高い電位が加速電極あるい
は加速電極に隣接した電極に印加されており、かつ、立
ち上げ時にはゲート電圧が最後に印加され、立ち下げ時
にはゲート電圧が最初に切断される。
電極が最も高い電位であるため、ヘリックス、コレクタ
内で発生した正イオンはこれらの電極電位により跳ね返
され冷陰極への衝突を阻止される。
続される電源装置は他の電極に接続される電源に比べて
電源停止時の電圧降下時定数が大きいことが望ましい。
極に接続される電源装置はDC電源とコンデンサとから
構成され、該DC電源と該コンデンサは並列に接続され
ているものを含む。
に接続される電源装置はDC電源とコイルとから構成さ
れ、該コイルは前記DC電源の陽極出力側に直列に接続
されているものであってもよい。
て図面を参照して説明する。
施形態の縦断面図である。
管は、電子銃部1およびコレクタ電極15から構成され
ている。このうち、電子銃部1は冷陰極11、ゲート電
極24、ウェネルト電極12、加速電極13およびイオ
ントラップ電極14が同軸上に所定の間隔で装備されて
いる。ここで、ビーム電流量をIb(A)、加速電圧を
Va(V)、電子銃のパービアンスをPμとすると、 Ib < Pμ × Va^3/2 ……式1 の関係を満たすように、電源42によりビーム電流量I
bが、また、電源43により加速電圧Vaが設定されて
いる。
1を参照して説明する。
適当な電圧を印加することにより、ゲート電極24電圧
で決まる電流量の電子が冷陰極11から放出され、加速
電極13により電子が加速され、電圧41により加圧さ
れているコレクタ電極15に放射される。このとき、ビ
ーム電流量が電子銃のパービアンスと加速電圧の3/2
乗の積を越えて冷陰極11から放出されると、空間電荷
効果によりビームが強く発散させられ、加速電極13に
ビームが衝突する。そのため、加速電極13からガスが
脱離し、このガスによりビームが衝突し正イオンが発
生、または加速電極13から直接正イオンが発生する。
これら冷陰極と加速電極の間で発生する正イオンは電位
の低い冷陰極方向へ進行する。そして、正イオンが冷陰
極11に衝突すると冷陰極の劣化が起こる。この実施形
態では、ビーム電流が電子銃のパービアンスと加速電極
電圧の3/2乗の積より少ないので、空間電荷効果によ
りビームが発散させられてもビームの発散は制御可能で
あり、加速電極13にはビームがほとんど衝突しない。
このため、冷陰極と加速電極間では正イオンはほとんど
発生せず、冷陰極特性の劣化は見られない。
2実施形態の縦断面図である。
て、以下の図面において、進行波管外周器の一部並びに
このヘリックス20周辺の外周器の外側に具備する磁石
を省略している。
コレクタ15の間に遅波回路部2が配置されている。電
源42でゲート電極24に数十〜数百十(V)の電圧を
印加することでビーム電流を制御し、ウェネルト電極1
2にはゲートと同電位、またはゲートより低くエミッタ
より高い電位となるよう電圧を印加し、ビームの発散を
制御する。遅波回路部2のヘリックス20には電源41
で数kVの電圧が印加され、コレクタ電極15にはヘリ
ックス20と同電位または電源45でヘリックス電圧に
対し負の電圧を印加する。イオントラップ電極14には
ヘリックス20側から電子銃1へ向けて進行する正イオ
ンを捕らえるため、ヘリックス電圧およびコレクタ電極
電圧より低い電圧が電源41で印加され、加速電極13
には式1を満たす電圧が電源43で印加される。
11より放出された電子は、加速電極13およびイオン
トラップ電極14に当たることなくヘリックス20内を
通過しコレクタ電極15へ到達する。電子は加速電極1
3、イオントラップ電極14およびヘリックス20に当
たらないため、冷陰極11には正イオンによる衝撃損傷
が発生せず安定な動作が可能となる。
3実施形態の縦断面図である。
管であって、図2の場合と同様に、加速電極13には式
1を満たす電圧が電源43で印加されているので、冷陰
極11には正イオンによる衝撃損傷が発生しないように
なっているが、さらに、進行波管を安定に動作させるた
めには、冷陰極11から放射されるエミッション電流の
経時変化を抑制する必要がある。エミッション量の制御
はゲート24電圧制御により実現される。ウェネルト電
極12に印加する電圧(以下、ウェネルト電圧と称
す。)一定でゲート電圧が変化(特に、増加)した場
合、加速電極13に電子が衝突する場合がある。故に常
に加速電極13に電子が当たらない安定操作を実現する
為には、制御されたゲート電圧と連動しウェネルト電圧
を制御する必要がある。
ウェネルト電極12電位が、電源46によりゲート電極
24電位とウェネルト電極12電位が一定の電位差を保
ちながら、自動的に変化するように制御された電源42
を具備する。
突を最小限に押さえ素子特性劣化をさらに抑制する効果
がある。
置の第4実施形態の縦断面図、同図(b)は(a)の電
源装置47の回路構成図、同図(c)は(a)の電源装
置47の他の回路構成図である。
て、図2の電子管装置と異なる点は電源43に代って電
源装置47が用いられ、加速電極13への電圧供給は、
電源装置47により、ヘリックス20を基準として正に
電圧を印加する。冷陰極11、イオントラップ電極1
4、コレクタ電極15には、それぞれ電源41,44,
45により、ヘリックス20を基準として負に電圧を印
加する。また、ゲート電極24への電圧供給は、電源4
2により、環球動作立ち上げ時には最後に印加し、立ち
下げ時及び緊急停止時には最初に切断するようになって
いる。
数は、電源41、44および45の時定数と比べ大きく
なっている。電源装置47の構成は、図4(b)に示す
ように電源41,44および45と同等の電圧降下時定
数を有するDC電源48と並列に接続されたコンデンサ
49により実現できる。あるいは図4(c)に示すよう
に、電源41,44および45と同等の電圧降下時定数
を有するDC電源48と同電源48の陽極側に直列に接
続されたコイル50により構成しても実現できる。ま
た、電源装置47の構成には、コンデンサ49とコイル
50の両方を用いることもできる。電源装置47を用い
ることで立ち上げ時および緊急停止時において加速電極
13の電位を他の電極に比して最も高い状態に保つこと
ができる。
ち上げ、立ち下げ時および緊急停止時のビーム電流を制
御する電源42のON/OFFは、他の電源が印加され
ている状態で行われる。そのため、正イオンの冷陰極1
1への衝突は通常動作時と同様に防止できる。また、加
速電極電圧が常に最高電位となるため、電源に異常が起
こった場合でも、ヘリックス20およびコレクタ15内
で発生する正イオンは電源装置47に接続された加速電
極13による電界により跳ね返され、陰極11に到達し
ない。このため、冷陰極11の劣化を最小限に防止でき
る。
位となっているが、加速電極13のコレクタ電極15の
側に隣接した別の電極(不図示)があって、その電極に
最高電位が印加されている場合も、正イオンがその電界
によって跳ね返されるので冷陰極11の劣化が防止され
る。
置の第5実施形態の縦断面図、同図(b)は(a)の電
子銃部3の縦断面図である。図1ないし図4の電子管は
イオントラップ電極を装備していたが、この実施形態の
電子管はイオントラップ電極を装備しない例としての陰
極管(以下CRTと称する)であって、図5(a)では
外囲器および電子銃部以外のCRT構成部材が省略さ
れ、図5(b)ではグリッド26〜29の支持構造物が
省略されている。
備する冷陰極11から放出される電子ビーム電流Ib
は、ゲート電極24に印加する電圧を変化させることで
調整される。第1グリッド26は他の実施例における加
速電極の役割を果たしており、電子ビ−ムeは第1グリ
ッド26、第2グリッド27、第3グリッド28、第4
グリッド29を通過することで加速、集束されて蛍光面
17方向へ放出される。
とした時、電子銃の構造で決定する電子銃パービアンス
Pμとビーム電流量Ibは、式1を満足するように設定
されている。
ので、ビーム電流が第1グリッド電極26に衝突するこ
とによるガスや正イオンの発生を防止し、正イオンによ
る冷陰極の劣化を防止することができる。さらに、ビー
ム電流量Ibが式1を満足しないまで増加すると、陰極
11付近の空間電荷効果が強く影響し、電子ビームeが
強く発散する。この結果、スポット径の増大、解像度の
劣化を生じる。したがって、式1を満足するように動作
させることにより、特に輝度の高い部分における解像度
劣化を防ぐことができる。
ムの発散が押さえられるようパービアンスとビーム電流
と加速電圧の関係を設定することにより、電子ビームの
加速電極への衝突を防止することができ、したがって電
子銃部内における加速電極への電子衝突によるガスや正
イオンの発生が防がれる。
る電極に常に最も高い電位を印加することにより、動作
開始の過渡時や電子管球停止時等における残留イオンの
冷陰極への衝撃を防ぐことができる。
に印加し、立ち下げ時にはゲート電圧を最初に切断する
こと、およびゲート電極電位とウェネルト電極電位との
差を一定に保つことにより、それぞれ前記ガスや正イオ
ンの発生と冷陰極への衝突が一層防がれる。
極の劣化を防止し、電子管装置の安定動作が実現すると
いう効果がある。
の縦断面図である。
の縦断面図である。
の縦断面図である。
実施形態の縦断面図である。(b)は(a)の電源装置
47の回路構成図である。(c)は(a)の電源装置4
7の他の回路構成図である。
実施形態の縦断面図である。(b)は(a)の電子銃部
3の縦断面図である。
縦断面図である。(b)は(a)の冷陰極11の拡大断
面図である。
である。
Claims (9)
- 【請求項1】 アレイ化された複数のエミッタを備える
冷陰極を電子源に用いた電子銃部を備える冷陰極搭載電
子管の電極電圧印加方法において、 加速電極の印加電圧をVa、前記電子銃部の形状により
決定される電子銃のパービアンスをPμ、および電子銃
のビーム電流をIbとするとき、 Ib < Pμ × Va^3/2 を満足するようにVaを設定する段階を有することを特
徴とする冷陰極搭載電子管の電極加圧方法。 - 【請求項2】 ゲート電極電位とウェネルト電極電位と
の差を一定に保つように制御する段階をさらに有する請
求項1記載の冷陰極搭載電子管の電極電圧印加方法。 - 【請求項3】 冷陰極搭載電子管の電極電圧印加方法に
おいて、動作中、立ち上げ時、立ち下げ時、異常動作時
を含むいかなる場合においても、前記電子管内の各電極
の中で最も高い電位を加速電極あるいは加速電極に隣接
した電極に印加し、かつ立ち上げ時にはゲート電圧を最
後に印加し、立ち下げ時にはゲート電圧を最初に切断す
る段階を有することを特徴とする冷陰極搭載電子管の電
極電圧印加方法。 - 【請求項4】 アレイ化された複数のエミッタを備える
冷陰極を電子源に用いた電子銃部を有する冷陰極搭載電
子管装置において、前記電子銃部の形状により決定され
る電子銃のパービアンスPμと加速電圧Vaとビーム電
流Ibとの関係が、 Ib < Pμ × Va^3/2 を満足するように設定されたことを特徴とする冷陰極搭
載電子管装置。 - 【請求項5】 ゲート電極電位とウェネルト電極電位と
の差が一定に保つように制御された請求項4記載の冷陰
極搭載電子管装置。 - 【請求項6】 冷陰極搭載電子管装置において、動作
中、立ち上げ時、立ち下げ時、異常動作時を含むいかな
る場合においても、電子管内の各電極の中で最も高い電
位が加速電極あるいは加速電極に隣接した電極に印加さ
れており、かつ、立ち上げ時にはゲート電圧が最後に印
加され、立ち下げ時にはゲート電圧が最初に切断される
ことを特徴とする冷陰極搭載電子管装置。 - 【請求項7】 最も高い電位が印加される電極に接続さ
れる電源装置は他の電極に接続される電源に比べて電源
停止時の電圧降下時定数が大きい請求項6記載の冷陰極
搭載電子管装置。 - 【請求項8】 前記最も高い電位が印加される電極に接
続される電源装置はDC電源とコンデンサとから構成さ
れ、該DC電源と該コンデンサは並列に接続されている
請求項7記載の冷陰極搭載電子管装置。 - 【請求項9】 前記最も高い電位が印加される電極に接
続される電源装置はDC電源とコイルとから構成され、
該コイルは前記DC電源の陽極出力側に直列に接続され
ている請求項7記載の冷陰極搭載電子管装置。
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JP21766697A JP3156763B2 (ja) | 1997-08-12 | 1997-08-12 | 冷陰極搭載電子管の電極電圧印加方法および装置 |
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