JP3604379B2 - 熱陰極構造体 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、各種イオン源や三極スパッタリング装置等の熱電子源として用いられる熱陰極構造体に関する。
【０００２】
【従来技術】
イオンビーム応用技術は半導体製造工程や材料の表面改質等に利用されており、熱陰極を有する電子衝撃型のイオン源が広く用いられている。これらの用途では、イオンビームの大電流化および熱陰極の長寿命化が望まれその解決策として端子部を絶縁材料で被覆するなどの構造を有する導電性セラミックスを発熱体とする熱陰極構造体が開示されている。（特開昭６３−２１６２３２号公報）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような構造を有する熱陰極構造体においても、熱電子放射陰極が電極と接合している電極接合部付近で破壊するという現象がしばしば発生し、熱陰極の寿命を著しく低下させていた。
【０００４】
本発明は導電性セラミックスを材料とし、熱電子放射部である発熱部と電極接合部からなる熱電子放射陰極を用いた熱陰極構造体において、従来の熱陰極の加熱特性を損なうことなく、かつ、電極接合部付近で破壊することなく長時間使用可能である構造を有する熱陰極構造体を提供することを目的とする。
【０００５】
【問題を解決するための手段】
すなわち、本発明は導電性セラミックスからなり、らせん状の溝を持つ円筒形熱電子放射陰極に於いて、熱陰極加熱時の温度勾配による熱応力と、異部材間の熱膨張差による応力による接続部付近での破壊を防ぐ為に以下の手段を用いた。
【０００６】
そこで、導電性セラミックスからなる、らせん状の溝を持つ円筒形の熱電子放射陰極を用い、円筒形の一部をなす曲面の電極接合部に、該電極接合部に接触する曲面を持つ電極が接するようにする。本発明は、さらに次の様な点を特徴としている。（１）電極に形成した溝に熱電子放射陰極の電極接合部を嵌め込む。（２）電極に形成した溝に導電性ペーストを介して電極接合部を嵌め込む。
【０００７】
以下、本発明について、さらに詳細に説明する。従来使用されている熱電子放射陰極を利用した熱陰極構造体の構造を図２に示す。
【０００８】
本発明の熱陰極構造体に用いる熱電子放射陰極の材料である導電性セラミックスとは、アルカリ土類金属および原子番号５７〜７１までのランタン系元素の中から選ばれた少なくとも１種以上の元素の六ホウ化物の焼結体である。また、その熱電子放射陰極の形状は、円筒形でらせん状の溝を持ったもので、例えば一端が閉じられた２本の平行らせん巻き状の円筒からなり、一端部に電極接合部を持った磁界フリー型構造で特に顕著な効果を有する。
【０００９】
本発明でいう電極は、熱電子放射陰極と電流導入端子部とを電気的に接続する役目があり、熱電子放射陰極と密接に接合できる曲面と電流導入端子部と密接に接合できる面を有している。例えば前記の一端が閉じられた２本の平行らせん巻き状の円筒からなる磁界フリー型構造においては、電極の電極接合部との接する面を、電極接合部の外径と同じ曲率の凹状の曲面にし、内径と同じ曲率の凸状の曲面を有する半円柱状ワッシャーを用いることにより、電極接合部を特殊な加工を施すことなくそのまま使用できるため、電極接合部の強度の低下が無く特に顕著な耐熱応力効果を有する。円柱状ワッシャーを用いることが望ましいが、強度が許す範囲で電極接合部の内面のみ平面に加工し、ボルトやナット等で電極に固定することも可能である。その電極の材質は、タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属や、カーボンを使用できる。
【００１０】
本発明の熱陰極構造体は、電極に電極接合部の嵌まり合う溝を形成し、導電性ペーストを用いて熱電子放射陰極と電極を接続することでボルトやナット或いはワッシャーといった使用部品の点数を減少することで、熱応力の要因を減少できる。ここで用いる導電性ペーストはカーボンペーストや、溶媒に導電性フィラーを混ぜたもの、あるいは非導電性ペーストに導電性フィラーを混ぜたものなどが使用できる。
【００１１】
【作用】
熱電子放出陰極を発熱体とする熱陰極構造体は、通電することにより発熱部が１０００〜１６００℃に加熱され、その発熱部の表面より熱電子が放射される。この発熱部の輻射熱、伝導伝熱により、電極接合部、電極、電流導入端子部、端子台およびボルトやナット等の治具の温度が上昇する。
【００１２】
特に、熱電子放射陰極における電極接合部や電極での温度は、１０００℃近くなるのを初め、各部材の温度はそれぞれ固有の物性と位置に応じて一様でない温度分布を示し、個々の熱膨張率に応じて膨張する。このため、室温下で色々な部品を用いて組み立てられた熱陰極構造体は、使用条件下で、複雑な応力を受ける。従って、使用条件下で発生するこれらの複雑な応力に耐える構造とすることは、熱陰極構造体を長寿命化するうえで重要課題である。
【００１３】
図２に示すように従来の熱陰極構造体が熱電子放射陰極２１を電極２４に接続するために電極２４の接続する面に対応する平面の電極接合部２３を削り出しており、熱電子放射陰極の円筒状の厚みより薄くせざるをえなかった。
【００１４】
熱陰極構造体では図１に示すように円筒形の熱電子放射陰極１１の外面に接触する凹部を持つ電極１４と内面に接触する凸部を持つ半円柱状ワッシャー１６を用いることで、電極接合部１３を従来の用に削りだすこと無く熱電子放射陰極の円筒形状をそのまま使用可能となり、かつ、電極接合部の曲面は接している電極の曲面より大きく取ることができるので従来の熱陰極構造体に比較して電極接合部の強度低下が少なく歪みによる破壊が防止できる。
【００１５】
また、熱陰極構造体では、図３に示すように熱電子放射陰極の発熱部３２の厚みより電極接合部３３の厚みを厚くすることによって電極接合部３３の強度を高め、熱電子放射陰極３１と電極３４との熱膨張率の差等に起因する応力による破壊を回避することができる。
【００１６】
本発明の熱陰極構造体では、図４に示すように円筒状の電極接合部４３に嵌まり合う溝を有する電極４４を使用し、電極接合部４３を電極４４の溝に導電性ペーストを介して嵌め込むことで、熱電子放射陰極４１と電極４４の接続に使用する部品点数を少なくすることが可能となり、個々の部品の特性に起因する複雑な応力を回避できる。
【００１７】
また熱陰極構造体では、図５に示すように、電流導入端子部５５の下端が固定されて使用される場合、電極の熱膨張が熱電子放射陰極に影響を及ぼす。そのため円筒形の熱電子放射陰極５１の電極接合部５３と電極５４の接続する面の延長上に電極導入端子部５５と電極５４部の固定点５７がくることにより、電極５４の形状叉は大きさに起因する熱膨張による応力を回避できる。
【００１８】
更に熱陰極構造体では、図６に示すように電極接合部６３の溝を挟んで２つの電極６４が近くに隣あうように配置することにより、円筒形の熱電子放射陰極６１の横方向への熱膨張に起因する応力を弱めることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面に従って具体的に説明する。図１は、本発明の熱陰極構造体の１実施例を示す図である。気孔率約１０％のＬａＢ_６焼結体を用いてワイヤーカット放電加工法にて、外径１０ｍｍ、内径７ｍｍ、長さ３５ｍｍの発熱部１２と長さ５ｍｍの電極接続部１３からなる２本の平行らせん巻き状で、円筒状の電子放射陰極１１を製作した。円筒状の電子放射陰極１１の電極接続部１３の外面に接触する外径１０ｍｍの円柱状の凹部を持つカーボン製の電極部１４と、電極接続部１３の内面に接触する凸部を持つカーボン製の半円柱状ワッシャー１６を用い、モリブデン製のネジとナット、タンタル製のワッシャーで熱電子放射陰極１１と電極１４を固定し熱陰極構造体とした。
【００２０】
上記で得られた熱陰極構造体を１×１０^−５Ｔｏｒｒの真空中において、ヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験は、２分間の通電加熱と、１０分間の冷却を１サイクルとした。また通電加熱温度は１５５０℃とした。その結果、試験体は、１２８回のサイクル終了後も何等異常は認められなかった。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、熱電子放射陰極の電極接合部付近の熱応力による割れの発生が無い長寿命の熱陰極構造体が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱陰極構造体の構造を示す正面図と平面図。
【図２】従来の熱陰極構造体の構造を示す正面図と平面図。
【図３】熱陰極構造体の構造を示す部分破断面図。
【図４】本発明の熱陰極構造体の構造を示す斜視図。
（ａ）熱陰極構造体を示す斜視図。
（ｂ）電極接合部と電極の接続方法を示す模式図。
【図５】熱陰極構造体の構造を示す正面図。
【図６】熱陰極構造体の構造を示す斜視図。
【符号の説明】
１１、２１、３１、４１、５１、６１ 熱電子放射陰極
１２、２２、３２、４２、５２、６２ 発熱部
１３、２３、３３、４３、５３、６３ 電極接合部
１４、２４、３４、４４、５４、６４ 電極
５５ 電流端子導入部
１６ 半円柱ワッシャー
５７ 固定点

Claims (2)

1. 導電性セラミックスからなり、らせん状の溝を持つ円筒形の熱陰極構造体に於いて、円筒形の一部をなす曲面の電極接合部に、該電極接合部に接触する曲面を持つ電極が接していて、前記電極接合部が電極に形成した溝にはめ込むことを特徴とする熱陰極構造体。
2. 電極接合部と電極の間に導電性ペーストを介すことを特徴とする請求項１記載の熱陰極構造体。

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