JP3460536B2 - 電子銃 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、放射線発生装置
などにおいて電子ビームの発生源として用いられる電子
銃に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は、医療用ライナックなどの放射線
発生装置に用いられる従来の電子銃の構成を模式的に示
す図である。

【０００３】放射線発生装置に用いる電子銃では、高密
度の電子ビームを発生させる必要があるため、多孔質タ
ングステンに、仕事関数の小さい（すなわち電子を放出
しやすい）バリウムを含浸して形成された含浸型のカソ
ード１が用いられる。カソード１の周囲には、カソード
１から放出された熱電子を集束させて電子ビームを形成
するためにカソード表面に均一な電界を形成する制御電
極２が設けられる。この制御電極２は、ウェーネルト電
極とも呼ばれる。

【０００４】カソード１は、ヒータ３により所定の動作
温度まで加熱される。この状態で、カソード１とアノー
ド４との間に高電圧を印加することにより、カソード１
から電子が引き出され、アノード４に向かって加速され
る。

【０００５】ここで、カソード１から放出された電子が
アノード４の方向に向かうよう、制御電極２にも電圧が
印加される。この結果、カソード１の近傍には、電子を
アノード４の方向に集束させるような電場が形成され
る。図９では、その電場の様子の一部を等電位面５とし
て表示している。

【０００６】このような構成により、カソード１から放
出された電子は、軌道６に沿って加速され、アノード４
の中央孔４ａから外部へと出力される。

【０００７】放射線発生装置では、このようにして電子
銃から出力された電子ビームを、電子銃の後段に接続さ
れた加速管によりさらに加速した上で、例えば放射線発
生用のターゲットに衝突させることにより、所望の放射
線を発生させる。なお、この加速管としては、例えばマ
イクロ波電界により電子を加速する加速空洞を複数個直
列に接続した定在波型加速管が用いられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】アノード４の中央孔４
ａを通って加速管に入射した電子は、必ずしもその全て
が加速管により加速されるわけではなく、アノード４の
中央孔４ａを通って電子銃内に戻ってくるものもある。
このように電子銃内に戻ってくる電子は逆走電子と呼ば
れる。逆走電子のなかには、カソード１に衝突するもの
もある。この逆走電子の衝突により、カソード１は、ヒ
ータ３による所定の動作温度よりもさらに加熱され、過
熱状態となることがある。

【０００９】一方、カソード１は、バリウムを、電子銃
の動作中、カソード１に含浸されたバリウムは、熱によ
り蒸発し、近傍の制御電極２の表面に付着する。前述し
たように、バリウムは電子を放出しやすい物質なので、
制御電極２に付着したバリウムから電子が放出される可
能性がある。しかし、カソード１が通常の動作温度の状
態にあるときは、制御電極２からの電子放出は無視でき
るほど少なく問題とはならない。なぜなら、通常の動作
温度では、カソード１からのバリウムの蒸発が少ないの
で制御電極２に対するバリウムの付着量は少なく、また
カソード１からの輻射熱も少ないので制御電極２の温度
も高温にならないためである。

【００１０】ところが、前述の逆走電子のカソード１へ
の衝突が始まると、制御電極２からの電子の放出が著し
く増大してしまう。これは次のようなメカニズムからで
ある。

【００１１】すなわち、カソード１に含浸されたバリウ
ムは、逆走電子の衝突によりカソード１からはじき出さ
れたり、その衝突によるカソード１の温度上昇により蒸
発したりする。このような逆走電子の衝突とそれに伴う
カソード１の温度上昇との相乗効果により、カソード１
からのバリウムの蒸発量が増大する。この結果制御電極
２に付着するバリウムの量が増大する。その一方で、逆
走電子によりカソード１が過熱状態となっていると、輻
射熱により制御電極２も高温状態となる。したがって、
逆走電子が多くなると、制御電極２におけるバリウムの
付着量が増大すると共に、制御電極２の温度が高くな
る。前述したようにバリウムは電子を放出しやすい物質
なので、付着したバリウムの量が多くしかも高温となっ
た制御電極２からは、電子が多く放出されることにな
る。

【００１２】このようにカソード１だけでなく制御電極
２からも電子放出が起こった場合、カソード１から放出
された電子を目的とするビーム制御では安定した電子ビ
ームが生成できなくなるという問題がある。

【００１３】この発明は、以上の問題を解決するために
なされたものであり、含浸型のカソードを用いた電子銃
において、逆走電子に起因する制御電極から電子放出を
低減し、安定した電子ビームを生成できるようにするこ
とを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明に係る電子銃は、多孔質の基台に高電子
放出性物質を含浸させて形成した含浸型のカソードと、
前記カソードの周囲に設けられ、ビーム形成のための電
界を生じさせる制御電極と、を有し、前記制御電極の形
状を、前記電界の等電位面に対して平行でない面からな
る複数段の階段状としたものである。

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】また、本発明に係る電子銃は、前記第１の
発明又は第２の発明に係る電子銃において、カソードの
中央部に、当該カソードに戻る逆走電子を通過させるた
めの電子通過孔を設けたものである。

【００１９】また、本発明に係る電子銃は、前記第１の
発明又は第２の発明に係る電子銃において、カソードの
中央部に前記高電子放出性物質を含まない逆走電子受容
部を設けたものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図面に基づいて説明する。

【００２１】実施の形態１．図１は、この発明の実施の
形態１に係る電子銃の構成を模式的に示す図である。こ
の電子銃は、高密度の電子ビームを発生させるため、多
孔質の基台に対して電子を放出しやすい高電子放出性物
質を含浸させた含浸型のカソード１を用いている。この
実施の形態１では、多孔質の基台として多孔質タングス
テンを用い、高電子放出性物質として、仕事関数の小さ
いバリウムを用いる。すなわち、カソード１は多孔質タ
ングステンにバリウムを含浸して形成されている。な
お、実際には、バリウムは酸化バリウムの形で多孔質タ
ングステンに含浸されるが、以下では単にバリウムと書
く。また、多孔質の基台の材質は、タングステンに限ら
れるものではなく、電極の基台に要求される電気的、強
度的あるいは物性的性質を有する材質であればどのよう
なものを用いてもよい。また、基台に含浸する物質も、
バリウムに限られるものではなく、仕事関数が低く電子
を放出しやすい高電子放出性の物質であればどのような
ものでもよい。

【００２２】カソード１の向かい側には、アノード４が
設けられる。電子銃の動作時には、アノード４をグラウ
ンドとし、カソード１に負電圧を印加することにより、
カソード１とアノード４との間に数十ｋＶ〜１００ｋＶ
程度の高電圧が印加される。また、電子銃の動作時に
は、カソード１は、ヒータ３により所定の動作温度（約
摂氏１１００度）まで加熱され、電子を放出しやすい状
態となっている。この結果、カソード１・アノード４間
の高電圧によりカソード１から電子が引き出される。

【００２３】カソード１の周囲には、ウェーネルト電極
とも呼ばれる制御電極２ａが設けられる。この実施の形
態１に特徴的なことは、図１に示すように、制御電極２
ａを階段状の形状としたことである。なお、これらカソ
ード１、アノード４及び制御電極２ａは、カソード１と
アノード４の中心同士を結ぶ軸に関して回転対称な形状
として形成されている。

【００２４】制御電極２ａには、電子銃内にカソード１
から放出された電子がアノード４に向かって集束される
ような電場が形成されるように、適切な負電圧が印加さ
れる。図中、破線５は、このようにして形成された電場
の等電位面の１つを示している。この電場により、カソ
ード１から引き出された電子は、例えば軌道６に示すよ
うにアノード４の中心に向かって集束されつつ加速さ
れ、方向性を持った電子ビームとなってアノード４の中
央孔４ａから当該電子銃の外部へと出力される。

【００２５】この実施の形態１では、制御電極２ａの表
面を階段状の形状としたことにより、次のようなメカニ
ズムにより、制御電極２ａから電子の放出が起こりにく
くなる。

【００２６】すなわち、制御電極２ａの表面を、カソー
ド１とアノード４の中心同士を結ぶ軸に対して垂直な面
及び平行な面からなる階段状の形状としたことにより、
制御電極２ａの各面は等電位面５に対して平行でなくな
る。このため、制御電極２ａの各面に対しては、電界の
力が垂直方向ではなく斜め方向から加わることになり、
制御電極２ａの表面から電子を引き出す力が、従来の電
子銃における制御電極２の場合よりも弱くなる。すなわ
ち、前述の図９に示した従来の電子銃では、制御電極２
の表面が等電位面５と平行なので、電界の力は制御電極
２に対して垂直に加わることとなり、電子を引き出す力
が強いのに対し、この実施の形態１の階段状の制御電極
２ａによれば、電界の力が斜めから加わるので、電子を
引き出す力が弱くなる。

【００２７】したがって、このような階段状の表面を持
つ制御電極２ａを採用したことにより、電子銃の後段に
設けた加速管からの逆走電子の影響によりカソード１か
ら蒸発したバリウムが制御電極２ａに付着したとして
も、制御電極２ａからの電子の放出は従来よりも少なく
なる。よって、この実施の形態１によれば、逆走電子の
影響による制御電極２ａからの電子放出を低減すること
ができ、ひいては安定した電子ビームを生成することが
できる。

【００２８】実施の形態２．図２は、この発明の実施の
形態２に係る電子銃の構成を模式的に示す図である。図
２において、図１の構成要素と同等の構成要素について
は、同一の符号を付してその説明を省略する。なお、ア
ノード及びヒータは図１の構成と同じでよいので、図２
ではそれらの表示を省略している。

【００２９】この実施の形態２では、カソード１から放
出された電子をアノードの方向に集束させるための電場
を生成するための制御電極として、メッシュ構造の制御
電極２ｂを用いる。すなわち、制御電極２ｂは、表面部
２０として導電体をメッシュ状に整形した部材を用いて
いる。

【００３０】このように、制御電極２ｂは表面部２０が
メッシュ状になっているので、バリウムが付着する面積
が従来の制御電極（図９参照）の表面よりも小さくな
る。したがって、カソード１から蒸発するバリウムの量
が増大したとしても、制御電極２ｂに付着するバリウム
の量は従来に比べて無視できるほど少なくなるので、制
御電極２ｂから放出される電子の量を低減することがで
きる。

【００３１】このように、この実施の形態２の電子銃に
よれば、電子放出の源となるバリウムの制御電極２ｂへ
の付着量が低減されるので、制御電極２ｂからの電子の
放出量を低減することができ、安定した電子ビームを生
成することができる。

【００３２】実施の形態３．図３は、この発明の実施の
形態３に係る電子銃の構成を模式的に示す図である。図
３において、図１の構成要素と同等の構成要素について
は、同一の符号を付してその説明を省略する。図３で
も、アノード及びヒータは、図１と全く同じなので、そ
の表示を省略している。

【００３３】この実施の形態３では、中央部に電子通過
孔７が穿設されたカソード１ａを用いる。すなわち、カ
ソード１ａは、実施の形態１のカソード１と同様、多孔
質タングステンにバリウムを含浸させて形成したもので
あるが、その中央部には、カソード１ａとアノードの中
心同士を結ぶ軸８（すなわち、出力される電子ビームの
ビーム軸）に沿って電子通過孔７が設けられている。な
お、この電子銃において用いられる制御電極２は、従来
一般に用いられていた形態の制御電極である。

【００３４】電子銃の後段に接続された加速管からの逆
走電子は、前述の軸８に沿って電子銃内に戻ってくるの
で、そのほとんどはカソード１ａの中央に設けられた電
子通過孔７を通過してカソード１ａの後方に排出され
る。したがって、この構成によれば、カソード１ａに対
する逆走電子の衝突を大幅に減らすことができる。これ
により、逆走電子が増えた場合でも、カソード１ａの温
度上昇及びバリウムの蒸発量の増加の程度が極めて小さ
くなるので、制御電極２の温度上昇及びバリウム付着量
が共に低減され、制御電極２からの電子放出は相乗効果
的に低減される。

【００３５】このように、この実施の形態３の構成によ
れば、制御電極２からの電子放出量を大幅に低減するこ
とができるので、安定した電子ビームを生成することが
できる。

【００３６】なお、この実施の形態３の変形例として、
前述の実施の形態１や実施の形態２と組み合せることも
考えられる。

【００３７】図４は、このような変形例の構成を模式的
に示す図である。図４において、図１または図３の構成
要素と同様の構成要素には同一の符号を付してその説明
を省略する。

【００３８】この図４の変形例は、実施の形態３におけ
る電子通過孔７を有するカソード１ａを実施の形態１の
階段状の制御電極２ａと組み合わせたものである。この
ような組合せによれば、制御電極の温度上昇が低減され
かつ制御電極へのバリウム付着量が低減されるという実
施の形態３の作用と、制御電極２ａから電子を引き出す
力が小さくなるという実施の形態１の作用との相乗効果
により、制御電極２ａから放出される電子の量はさらに
少なくなり、より安定した電子ビームを生成することが
できる。

【００３９】図５は、別の変形例の構成を模式的に示す
図である。図５において、図２または図３の構成要素と
同様の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略
する。

【００４０】この図５の変形例は、実施の形態３におけ
る電子通過孔７を有するカソード１ａを実施の形態２の
メッシュ状の表面部２０を有する制御電極２ｂと組み合
わせたものである。このような組合せによれば、バリウ
ム蒸発量が低減されるという実施の形態３の作用と、制
御電極２ｂにおけるバリウムの付着面積が小さくなると
いう実施の形態２の作用との相乗効果により、制御電極
２ｂに付着するバリウムの量を極めて少なくすることが
できるとともに、制御電極の温度上昇が抑えられるとい
う実施の形態３の作用も得ることができる。この結果、
制御電極２ｂから放出される電子の量は極めて少なくな
り、より安定した電子ビームを生成することができる。

【００４１】実施の形態４．図６は、この発明の実施の
形態４に係る電子銃の構成を模式的に示す図である。図
６において、図１の構成要素と同等の構成要素について
は、同一の符号を付してその説明を省略する。図６で
も、アノード及びヒータは、図１と全く同じなので、そ
の表示を省略している。

【００４２】この実施の形態４では、中央部にバリウム
などの高電子放出性物質を含まない逆走電子受容部９を
有するカソード１ｂを用いる。カソード１ｂのうち、逆
走電子受容部９以外の部分は、実施の形態１と同様、多
孔質タングステンにバリウムを含浸させた構造となって
いる。逆走電子受容部９は、周囲から蒸発したバリウム
が付着しにくい構造が好ましいので、多孔質材料を用い
るのは避けた方がよい。例えば、カソード１ｂは、基台
の多孔質タングステンとは異種の稠密な金属部材（例え
ばステンレス製など）を、逆走電子受容部９として基台
に埋め込んで形成すればよい。なお、この電子銃におい
て用いられる制御電極２は、従来一般に用いられていた
形態の制御電極である。

【００４３】電子銃の後段に接続された加速管からの逆
走電子は、カソード１ｂとアノードの中心同士を結ぶ軸
８に沿って電子銃内に戻ってくるので、そのほとんどが
カソード１ｂの中央部に設けられた逆走電子受容部９に
衝突する。逆走電子受容部９は、バリウムなどの高電子
放出性物質を含まないので、逆走電子が衝突してもそれ
ら高電子放出性物質の蒸発は起こりにくい。また、カソ
ード１ｂのうちバリウムが含浸された部分は、逆走電子
の直接的な衝突をほとんど受けないので、温度上昇の程
度が少ない。したがって、この実施の形態４におけるカ
ソード１ｂ全体としてみた場合のバリウムの蒸発量は、
従来の電子銃に比べて著しく少なくなる。よって、これ
に応じて制御電極２に対するバリウムの付着量も少なく
なるので、制御電極２からの電子放出量を低減すること
ができる。

【００４４】このように、この実施の形態４によれば、
制御電極２からの電子放出量を大幅に低減することがで
きるので、安定した電子ビームを生成することができ
る。

【００４５】なお、この実施の形態４の変形例として、
前述の実施の形態１や実施の形態２と組み合せることも
考えられる。

【００４６】図７は、このような変形例の構成を模式的
に示す図である。図７において、図１または図６の構成
要素と同様の構成要素には同一の符号を付してその説明
を省略する。

【００４７】この図７の変形例は、実施の形態４におけ
る逆走電子受容部９を有するカソード１ｂを実施の形態
１の階段状の制御電極２ａと組み合わせたものである。
このような組合せによれば、バリウム量が低減される
（すなわち制御電極へのバリウム付着量が低減される）
という実施の形態４の作用と、制御電極２ａから電子を
引き出す力が小さくなるという実施の形態１の作用との
相乗効果により、制御電極２ａから放出される電子の量
はさらに少なくなり、より安定した電子ビームを生成す
ることができる。

【００４８】図８は、別の変形例の構成を模式的に示す
図である。図８において、図２または図６の構成要素と
同様の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略
する。

【００４９】この図８の変形例は、実施の形態４におけ
る逆走電子受容部９を有するカソード１ｂを実施の形態
２のメッシュ状の表面部２０を有する制御電極２ｂと組
み合わせたものである。このような組合せによれば、バ
リウム蒸発量が低減されるという実施の形態４の作用
と、制御電極２ｂにおけるバリウムの付着面積が小さく
なるという実施の形態２の作用との相乗効果により、制
御電極２ｂに付着するバリウムの量を極めて少なくする
ことができる。この結果、制御電極２ｂから放出される
電子の量は極めて少なくなり、より安定した電子ビーム
を生成することができる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、第１の発明に係る
電子銃によれば、制御電極の形状を、前記電界の等電位
面に対して平行でない面からなる複数段の階段状とした
ことにより、制御電極表面に作用する電界の力を小さく
することができ、この結果、制御電極表面からの電子の
放出を低減して安定した電子ビームを生成することがで
きる。

【００５１】

【００５２】

【００５３】

【００５４】また、本発明に係る電子銃によれば、階段
状の制御電極又はメッシュ構造の制御電極と電子通過孔
を有するカソードとを併用することにより、制御電極か
らの電子の放出量をさらに低減して安定した電子ビーム
を生成することができる。

【００５５】また、本発明に係る電子銃によれば、階段
状の制御電極又はメッシュ構造の制御電極と逆走電子受
容部を有するカソードとを併用することにより、制御電
極からの電子の放出量をさらに低減して安定した電子ビ
ームを生成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態１の電子銃の構成を模式的に示す
図である。

【図２】 実施の形態２の電子銃の構成を模式的に示す
図である。

【図３】 実施の形態３の電子銃の構成を模式的に示す
図である。

【図４】 実施の形態３の変形例の電子銃の構成を模式
的に示す図である。

【図５】 実施の形態３の別の変形例の電子銃の構成を
模式的に示す図である。

【図６】 実施の形態４の電子銃の構成を模式的に示す
図である。

【図７】 実施の形態４の変形例の電子銃の構成を模式
的に示す図である。

【図８】 実施の形態４の別の変形例の電子銃の構成を
模式的に示す図である。

【図９】 従来の電子銃の構成を模式的に示す図であ
る。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ カソード、２，２ａ，２ｂ 制御電
極、３ ヒータ、４ アノード、５ 等電位面、７ 電
子通過孔、９ 逆走電子受容部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 3/02 H01J 1/28 H01J 1/46 H01J 23/04 - 23/06 H01J 37/06 - 37/063 G21K 1/00 G21K 5/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多孔質の基台に高電子放出性物質を含浸
   させて形成した含浸型のカソードと、 前記カソードの周囲に設けられ、ビーム形成のための電
   界を生じさせる制御電極と、 を有し、前記制御電極の形状を、前記電界の等電位面に
   対して平行でない面からなる複数段の階段状としたこと
   を特徴とする電子銃。
2. 【請求項２】 前記カソードの中央部に、当該カソード
   に戻る逆走電子を通過させるための電子通過孔を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
3. 【請求項３】 前記カソードの中央部に前記高電子放出
   性物質を含まない逆走電子受容部を設けたことを特徴と
   する請求項１に記載の電子銃。