JP3797299B2

JP3797299B2 - 高電圧用カソード及びその接合方法

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Publication number: JP3797299B2
Application number: JP2002254205A
Authority: JP
Inventors: 顕義山本
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: JP2004095310A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧用カソード及びその接合方法に係り、特に、高電圧が印加される加速器の電子銃などに用いられるカソード及びその接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭素系電子放出材の１つであるカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと称す）は、線径が数ｎｍと非常に細いことから、電界中にＣＮＴを配置した場合、先端部において電界集中が生じ易い。その結果、ＣＮＴの先端から電子が大量に放出される。このため、ＣＮＴは、近年、電子源として注目されており、主に、電界放出ディスプレイのコールドカソードなどに応用されている。
【０００３】
電界放出ディスプレイ用カソードは、微小なカソード本体に、ＣＮＴを配向配置させた配向性ＣＮＴ層を有する基板を接合・固定することで形成される。ここで、カソード本体の構成材としては、Ｃｕ、Ｃｕ合金、ステンレス鋼、又はＷ等の真空下における電気・磁気特性が良好なものが用いられている。これらの金属又は合金に対しては配向性ＣＮＴ層を形成し難いため、通常は一旦、Ｎｉ又はＦｅ−Ｎｉ合金などからなる基板に配向性ＣＮＴ層を形成し、この基板とカソード本体とを接合するようにしている。
【０００４】
この電界放出ディスプレイ用カソードの構成を、数ｋＶ以上の高電圧が印加される電子線発生装置（例えば、加速器の電子銃など）のカソードに応用しようという試みがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この場合、以下に示す問題が生じた。
【０００６】
▲１▼ ディスプレイ用カソードは低電圧下での使用が前提であるため、高電圧用カソードのように放電が生じるような高電圧下で使用することはない。このため、ディスプレイ用カソードにおいては、放電によって基板がカソード本体から剥離することを心配する必要はない。つまり、ディスプレイ用カソードにおいては、基板とカソード本体との接合強度は殆ど考慮されていないことから、放電が生じるような高電圧下で使用するには強度が不十分であった。
【０００７】
▲２▼ また、ディスプレイ用カソードで、基板とカソード本体とを樹脂製バインダで接合しているものは、基板とカソード本体とが電気的に接続されておらず、基板−カソード本体間の電気伝導が良好でない。
【０００８】
▲３▼ また、ディスプレイ用カソードでは、配向性ＣＮＴ層−基板間の接合強度及び電気伝導について考慮されていなかった。
【０００９】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、高電圧下、配向性ＣＮＴ層、基板、及びカソード本体が、機械的及び電気的に良好に接合された高電圧用カソード及びその接合方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る高電圧用カソードは、カーボンナノチューブが配向配置された配向性カーボンナノチューブ層を有する基板を、カソード本体に接合してなる高電圧用カソードにおいて、上記基板と上記カソード本体との間にろう材を設け、上記配向性カーボンナノチューブ層と上記基板とを固相拡散接合し、かつ、基板とカソード本体とをろう材でろう付け接合したものである。
【００１１】
また、本発明に係る高電圧用カソードは、カーボンナノチューブが配向配置された配向性カーボンナノチューブ層を有する基板を、カソード本体に接合してなる高電圧用カソードにおいて、上記基板と上記カソード本体との間にインサート材を設け、上記配向性カーボンナノチューブ層と上記基板とを固相拡散接合し、かつ、インサート材と基板及びインサート材とカソード本体とをそれぞれ液相拡散接合したものである。
【００１２】
さらに、本発明に係る高電圧用カソードは、カーボンナノチューブが配向配置された配向性カーボンナノチューブ層を有する基板を、カソード本体に接合してなる高電圧用カソードにおいて、上記配向性カーボンナノチューブ層と上記基板及び上記基板と上記カソード本体とをそれぞれ固相拡散接合したものである。
【００１３】
具体的には、請求項４に示すように、上記基板がＳｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、又はそれらの合金で、また、上記カソード本体がＣｕ、Ｃｕ合金、又はステンレス鋼で構成されている。
【００１４】
これによって、配向性ＣＮＴ層、基板、及びカソード本体が、機械的及び電気的に良好に接合され、高電圧を印加しても、カソード本体から基板及び配向性ＣＮＴ層が剥離することはない。
【００１５】
一方、本発明に係る高電圧用カソードの接合方法は、カーボンナノチューブが配向配置された配向性カーボンナノチューブ層を有する基板を、カソード本体に接合してなる高電圧用カソードの接合方法において、上記基板に熱処理を施して上記配向性カーボンナノチューブ層と上記基板とを固相拡散接合し、その基板と上記カソード本体との間にろう材を配置して積層した後、ろう材の融点以上の温度でろう付けを行い、基板とカソード本体とをろう付け接合するものである。
【００１６】
また、本発明に係る高電圧用カソードの接合方法は、カーボンナノチューブが配向配置された配向性カーボンナノチューブ層を有する基板を、カソード本体に接合してなる高電圧用カソードの接合方法において、上記基板に熱処理を施して上記配向性カーボンナノチューブ層と上記基板とを固相拡散接合し、その基板と上記カソード本体との間にインサート材を配置して積層した後、その積層体を、インサート材の再結晶温度以上の温度に保持して、インサート材と基板及びインサート材とカソード本体とを融着し、その後、積層体を、その温度よりも更に高い温度に保持して、インサート材と基板及びインサート材とカソード本体との間でそれぞれ液相拡散接合を生じさせるものである。
【００１７】
さらに、本発明に係る高電圧用カソードの接合方法は、カーボンナノチューブが配向配置された配向性カーボンナノチューブ層を有する基板を、カソード本体に接合してなる高電圧用カソードの接合方法において、上記基板に熱処理を施して上記配向性カーボンナノチューブ層と上記基板とを固相拡散接合し、その基板と上記カソード本体とを積層した後、その積層体を、基板又はカソード本体のいずれか一方が再結晶する温度以上に保持して、基板とカソード本体との間で固相拡散接合を生じさせるものである。
【００１８】
これによって、配向性ＣＮＴ層、基板、及びカソード本体を、機械的及び電気的に良好に接合することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、第１の実施の形態に係る高電圧用カソード１０は、一方の面（図１中では上面）に配向性ＣＮＴ層１２を有する基板１１と、カソード本体１３との間に硬ろう材（ろう材）１４を設け、配向性ＣＮＴ層１２と基板１１とを固相拡散接合し、かつ、基板１１とカソード本体１３とを硬ろう材１４でろう付け接合したものである。
【００２１】
配向性ＣＮＴ層１２は一方向に配向したＣＮＴが面状に配置されたものであり、基板１１におけるカソード本体１３と接合しない方の面に一体に形成される。ここで、ＣＮＴの配向方向は任意であり、特に限定するものではないが、後述する電子ｅ（図９参照）の放出を考慮すると、基板１１の厚さ方向（図１中では上下方向）と同じ方向が好ましい。
【００２２】
基板１１は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、又はそれらの合金からなる薄板で構成されるものであり、図２に示すように、その上面にＮｉ又はニッケル合金からなる極薄のメッキ膜２１を有している。基板１１の板厚は、配向性ＣＮＴ層１２を支持できるだけの厚さがあれば十分であり、これによって、カソード１０の機械的及び電気的特性に及ぼす影響を最小限に抑えている。また、メッキ膜２１は、ＣＶＤ法によるＣＮＴ形成の際の核とするために形成されるものであって、配向性ＣＮＴ層１２の形成後においては、図３に示すように、少なくとも各ＣＮＴが位置する部分のメッキ膜２１は消失する。
【００２３】
カソード本体１３の構成材としては、真空下での電気・磁気特性が良好なものであれば特に限定するものではなく、加速器のカソードに慣用的に用いられている全ての金属又は合金が適用可能であり、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、ステンレス鋼、又はＷなどが挙げられ、好ましくはＣｕ、Ｃｕ合金、又はステンレス鋼である。
【００２４】
硬ろう材１４は、例えば、カソード本体１３の構成材が銅の場合、Ａｇろうなどが挙げられるが、特にこれに限定するものではなく、基板１１とカソード本体１３とを電気的及び機械的に良好に接合することができるものであればよい。
【００２５】
本実施の形態においては、配向性ＣＮＴ層１２を有する基板１１を用いた場合について説明を行ったが、炭素系電子放出材としてはＣＮＴに特に限定するものではなく、電界集中が生じやすい形状を呈しており、電子放出に適したもの、例えば、ＧＮＦ（グラファイトナノファイバー）等が適用可能である。
【００２６】
次に、第１の実施の形態に係る高電圧用カソード１０の接合方法を、添付図面に基いて説明する。
【００２７】
図４に示すように、硬ろう材１４を介して基板１１とカソード本体１３とを重ね合わせる。この時、基板１１には予め熱処理（例えば、真空中、約９００℃）を施しておき、配向性ＣＮＴ層１２と基板１１とを固相拡散接合させたものを用いる。具体的には、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、又はそれらの合金で構成した基板１１に、真空中、約９００℃の温度で熱処理を施すことで、各ＣＮＴと基板１１との境界部において固相状態の原子拡散（固相拡散）が生じ、各境界部近傍に炭化物（ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＮｂＣなど）が生成する。その結果、各ＣＮＴと基板１１との間で固相拡散による接合が生じる。この固相拡散接合によって、ＣＮＴ及び基板の接合界面に、組成が厚み方向に連続的に変化する傾斜機能層（図示せず）が形成され、配向性ＣＮＴ層１２と基板１１との機械的接合が強固となると共に、電気伝導は良好となる。
【００２８】
次に、この積層体を、硬ろう材１４の融点以上の温度に保持してろう付けを行う。これによって、基板１１とカソード本体１３とがろう付け接合され、高電圧用カソード１０が得られる。
【００２９】
ここで、基板１１、硬ろう材１４、及びカソード本体１３の材質の組み合わせによっては、基板１１と硬ろう材１４及び／又は硬ろう材１４とカソード本体１３との間で原子拡散が生じる場合がある。この場合、ろう付け後、硬ろう材１４の融点未満の温度に保持して拡散熱処理を施し、基板１１と硬ろう材１４及び／又は硬ろう材１４とカソード本体１３との間で原子拡散を促進させ、拡散による接合を生じさせることが好ましい。この拡散接合によって、基板１１と硬ろう材１４、硬ろう材１４とカソード本体１３、又は基板１１と硬ろう材１４とカソード本体１３の接合界面に、組成が厚み方向に連続的に変化する傾斜機能層が形成され、基板１１と硬ろう材１４及び／又は硬ろう材１４とカソード本体１３との機械的接合はより強固に、電気的接合もより良好となる。
【００３０】
（第２の実施の形態）
図５に示すように、第２の実施の形態に係る高電圧用カソード５０は、一方の面（図５中では上面）に配向性ＣＮＴ層１２を有する基板１１と、カソード本体１３との間にインサート材５４を設け、配向性ＣＮＴ層１２と基板１１との間を固相拡散接合し、かつ、インサート材５４と基板１１及びインサート材５４とカソード本体１３とをそれぞれ液相拡散接合したものである。
【００３１】
ここで言うインサート材５４は、基板１１及びカソード本体１３の両母材を溶融することなく、基板１１とカソード本体１３との間で液相拡散による接合（接着）を生じさせることができるものであり、厚さ約０．１ｍｍ以下の薄膜材である。液相拡散接合は、拡散接合の際の加圧が不要であり、かつ、接合に要する時間が短いという特長を有しており、液相拡散接合部においては高い接合強度が得られる。
【００３２】
インサート材５４は、例えば、基板１１の構成材がＴｉ、カソード本体１３の構成材がステンレス鋼の場合はＣｕ又はＣｕ−Ｔｉ合金が、基板１１の構成材がＴｉ、カソード本体１３の構成材がＣｕ又はＣｕ合金の場合はＡｌ又はＡｌ−Ｃｕ合金、基板１１の構成材がＮｂ合金（Ｎｂ−Ｚｒ合金）、カソード本体１３の構成材がステンレス鋼（耐熱ステンレス鋼）の場合はＮｂ合金（Ｎｂ−Ｚｒ合金）などが挙げられる。
【００３３】
次に、第２の実施の形態に係る高電圧用カソード５０の接合方法を、添付図面に基いて説明する。
【００３４】
図６に示すように、インサート材５４を介して基板１１とカソード本体１３とを重ね合わせる。この時、前実施の形態と同様に、基板１１には予め熱処理を施しておき、配向性ＣＮＴ層１２と基板１１とを固相拡散接合させたものを用いる。
【００３５】
次に、この積層体を、インサート材５４の再結晶温度以上、具体的には共晶点以上の温度に保持して熱処理を施し、インサート材５４を溶融させる。これによって、基板１１とインサート材５４及びインサート材５４とカソード本体１３とが融着する。
【００３６】
その後、積層体を、前工程の熱処理温度よりも更に高い温度（ΔＴ＜約１００℃）に保持して拡散熱処理を施す。これによって、インサート材５４と基板１１及びインサート材５４とカソード本体１３との間でそれぞれ液相拡散による接合が生じる。この液相拡散接合によって、基板１１とインサート材５４及びインサート材５４とカソード本体１３の各接合界面に、組成が厚み方向に連続的に変化する傾斜機能層が形成され、インサート材５４と基板１１及びインサート材５４とカソード本体１３とがそれぞれ液相拡散接合された高電圧用カソード５０が得られる。
【００３７】
（第３の実施の形態）
図７に示すように、第３の実施の形態に係る高電圧用カソード７０は、一方の面（図７中では上面）に配向性ＣＮＴ層１２を有する基板１１と、カソード本体１３とを直接接合してなるものであり、配向性ＣＮＴ層１２と基板１１及び基板１１とカソード本体１３とをそれぞれ固相拡散接合したものである。
【００３８】
基板１１及びカソード本体１３は、互いに原子拡散が容易な金属又は合金で構成する必要があり、例えば、基板１１の構成材がＴｉ又はＴｉ合金の場合、Ｃｕ又はＣｕ合金が好ましい。
【００３９】
次に、第３の実施の形態に係る高電圧用カソード７０の接合方法を、添付図面に基いて説明する。
【００４０】
図８に示すように、基板１１とカソード本体１３とを直接重ね合わせる。この時、第１の実施の形態と同様に、基板１１には予め熱処理を施しておき、配向性ＣＮＴ層１２と基板１１とを固相拡散接合させたものを用いる。
【００４１】
次に、この積層体の、基板１１とカソード本体１３との接合を行う。具体的には、積層体を、基板１１又はカソード本体１３のいずれか一方（殆どの場合はカソード本体１３）が再結晶する温度以上に保持して熱処理を施し、基板１１とカソード本体１３との間で原子拡散を促進させ、固相拡散による接合が生じる。この固相拡散接合によって、基板１１とカソード本体１３の接合界面に、組成が厚み方向に連続的に変化する傾斜機能層が形成され、基板１１とカソード本体１３とが固相拡散接合された高電圧用カソード７０が得られる。
【００４２】
次に、第１〜第３の実施の形態に係る高電圧用カソード１０，５０，７０の作用を、添付図面に基いて説明する。
【００４３】
基板１１と、基板１１の表面に形成した配向性ＣＮＴ層１２との間で、固相拡散による接合を生じさせることで、各ＣＮＴと基板１１との接合界面に、ＣＮＴ及び基板の組成が厚み方向に連続的に変化する傾斜機能層が形成される。このため、配向性ＣＮＴ層１２と基板１１とが機械的に強固に接合されると共に、電気伝導も良好となる。
【００４４】
特に、カソード１０の一部（基板１１と硬ろう材１４及び／又は硬ろう材１４とカソード本体１３との間で原子拡散が生じるもの）およびカソード５０，７０においては、基板１１とカソード本体１３との間でも拡散接合を生じさせることで、その接合界面に、基板１１からカソード本体１３にかけて組成が厚み方向に連続的に変化する傾斜機能層が形成されている。このため、基板１１とカソード本体１３とが機械的に強固に接合されると共に、電気伝導も良好となる。また、カソード１０の残部（基板１１と硬ろう材１４及び／又は硬ろう材１４とカソード本体１３との間で原子拡散が生じないもの）については、傾斜機能層は形成されていないものの、硬ろう材１４が基板１１とカソード本体１３との隙間を充填するため機械的接合は強固であり、かつ、硬ろう材１４自体の電気伝導特性により電気伝導も良好である。
【００４５】
よって、カソード１０，５０，７０に放電が生じるような高電圧を印加しても、カソード本体１３から基板１１及び配向性ＣＮＴ層１２が剥離することはない。また、カソード１０，５０，７０の、カソード本体１３から配向性ＣＮＴ層１２にかけての電気伝導が、従来のディスプレイ用カソードと比較して良好であるため、配向性ＣＮＴ層１２における各ＣＮＴから、電子が放出され易くなる。
【００４６】
また、カソード１０，５０，７０は、例えば、電子線を発生させる装置の１つである加速器の電子銃に適用される。加速器は、真空中に高周波又は正電場で電位勾配を形成し、図９に示すように、高電位勾配中に電子源（カソード（陰極）Ｋ）とアノード（陽極）Ａを設けることで電子ｅを発生させるものであり、カソードＫとアノードＡとの間に、適宜、グリッドＧが設けられる。ここで、カソード１０，５０，７０は、カソードＫを加熱するためのヒータがなくても、電圧を印加するだけで各ＣＮＴから大量の電子ｅが放出されるため、加速器用カソードに要求される性能を十分に満足するコールドカソードとなる。
【００４７】
よって、このカソード１０，５０，７０を電子源として用いた装置、例えば、電子銃においては、ヒータ加熱による機器寿命の低下を招くことはない。また、コールドカソードは、発生する電子ｅの放出方向が電界方向（図９中では右方向）のみであるため、電子線の品質が良好である。
【００４８】
カソード１０，５０，７０は、加速器の電子銃のカソードの他に、送信管のカソードにも適用することができる。また、高電圧が印加され、大電流が要求される全てのカソードにも適用可能である。さらに、高電圧用のカソードだけに限定するものではなく、電子線描画、低電圧での電子線照射、太陽電池などに用いられるカソード・電極にも適用可能である。
【００４９】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００５１】
（１）本発明に係る高電圧用カソードによれば、基板と、基板表面に形成した配向性ＣＮＴ層とを拡散接合により接合すると共に、その基板とカソード本体とをろう付け又は拡散接合により接合することで、高電圧を印加しても、カソード本体から基板及び配向性ＣＮＴ層が剥離することはない。
【００５２】
（２）本発明に係る高電圧用カソードの接合方法によれば、配向性ＣＮＴ層、基板、及びカソード本体を、機械的及び電気的に良好に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る高電圧用カソードの断面図である。
【図２】配向性ＣＮＴ層を形成する基板の断面図である。
【図３】基板に配向性ＣＮＴ層を形成した状態を示す断面図である。
【図４】図１の高電圧用カソードの積層構造を説明するための断面図である。
【図５】第２の実施の形態に係る高電圧用カソードの断面図である。
【図６】図５の高電圧用カソードの積層構造を説明するための断面図である。
【図７】第３の実施の形態に係る高電圧用カソードの断面図である。
【図８】図７の高電圧用カソードの積層構造を説明するための断面図である。
【図９】図１、図５、及び図７の高電圧用カソードを電子線発生装置に適用した際の回路図である。
【符号の説明】
１０，５０，７０高電圧用カソード
１１基板
１２配向性ＣＮＴ層（配向性カーボンナノチューブ層）
１３カソード本体
１４硬ろう材（ろう材）
５４インサート材

Claims

カーボンナノチューブが配向配置された配向性カーボンナノチューブ層を有する基板を、カソード本体に接合してなる高電圧用カソードにおいて、上記基板と上記カソード本体との間にろう材を設け、上記配向性カーボンナノチューブ層と上記基板とを固相拡散接合し、かつ、基板とカソード本体とをろう材でろう付け接合したことを特徴とする高電圧用カソード。
カーボンナノチューブが配向配置された配向性カーボンナノチューブ層を有する基板を、カソード本体に接合してなる高電圧用カソードにおいて、上記基板と上記カソード本体との間にインサート材を設け、上記配向性カーボンナノチューブ層と上記基板とを固相拡散接合し、かつ、インサート材と基板及びインサート材とカソード本体とをそれぞれ液相拡散接合したことを特徴とする高電圧用カソード。
カーボンナノチューブが配向配置された配向性カーボンナノチューブ層を有する基板を、カソード本体に接合してなる高電圧用カソードにおいて、上記配向性カーボンナノチューブ層と上記基板及び上記基板と上記カソード本体とをそれぞれ固相拡散接合したことを特徴とする高電圧用カソード。
上記基板がＳｉ、Ｔｉ、Ｎｂ、又はそれらの合金で、また、上記カソード本体がＣｕ、Ｃｕ合金、又はステンレス鋼で構成された請求項１から３いずれかに記載の高電圧用カソード。
カーボンナノチューブが配向配置された配向性カーボンナノチューブ層を有する基板を、カソード本体に接合してなる高電圧用カソードの接合方法において、上記基板に熱処理を施して上記配向性カーボンナノチューブ層と上記基板とを固相拡散接合し、その基板と上記カソード本体との間にろう材を配置して積層した後、ろう材の融点以上の温度でろう付けを行い、基板とカソード本体とをろう付け接合することを特徴とする高電圧用カソードの接合方法。
カーボンナノチューブが配向配置された配向性カーボンナノチューブ層を有する基板を、カソード本体に接合してなる高電圧用カソードの接合方法において、上記基板に熱処理を施して上記配向性カーボンナノチューブ層と上記基板とを固相拡散接合し、その基板と上記カソード本体との間にインサート材を配置して積層した後、その積層体を、インサート材の再結晶温度以上の温度に保持して、インサート材と基板及びインサート材とカソード本体とを融着し、その後、積層体を、その温度よりも更に高い温度に保持して、インサート材と基板及びインサート材とカソード本体との間でそれぞれ液相拡散接合を生じさせることを特徴とする高電圧用カソードの接合方法。
カーボンナノチューブが配向配置された配向性カーボンナノチューブ層を有する基板を、カソード本体に接合してなる高電圧用カソードの接合方法において、上記基板に熱処理を施して上記配向性カーボンナノチューブ層と上記基板とを固相拡散接合し、その基板と上記カソード本体とを積層した後、その積層体を、基板又はカソード本体のいずれか一方が再結晶する温度以上に保持して、基板とカソード本体との間で固相拡散接合を生じさせることを特徴とする高電圧用カソードの接合方法。