JP4295215B2 - 電界放出冷陰極 - Google Patents

Description

本発明のなされた状況において、Executive Order 10096の第１項に基づき、ザ セクレタリィ オブ ジ エアー フォースの代表であるアメリカ政府に、本発明の外国におけるものを含む権利、資格及び利益を与えるものである。
本発明は、真空管の分野に関し、特に、真空管内で電子エミッター（電子放出電極）として機能する電界放出冷陰極に関する。

陰極は、テレビジョンに用いられる陰極線管（ＣＲＴ、ブラウン管）や、レーダー及び通信に用いられる各種のマイクロ波管等の広範囲の真空管に用いられる電子エミッターである。これらの陰極は、いずれも、適正に作動させるためには高い真空下に保持した上で、非常な高温、即ち少くとも９００°Ｃにまで加熱しなければならない。高い真空を得るには、大がかりな焼き出し（ベーキング・アウト）工程並びに密封デバイスを用いる特殊な製造技術を必要とする。更に、この種の陰極は、真空環境から取り出されると、汚染を受けやすい。従って、真空管は、高い真空を有するが故に、その取り扱い、加工作業及び保管に関して相当な制約を課する。

また、この種の陰極は高温下での作動を必要とするため、幾つかの設計上の制約も存在する。第１に、陰極の素材として、高温作動に耐えることができる特殊な材料を使用しなければならない。更に、陰極を加熱するためのヒーターは、エネルギー効率を低下させ、システムの容積、重量及び構造の複雑さを増大させる要因となる。

従って、厳重な真空を必要とせず、低温で作動することができ、しかも、従来の新区間陰極と同じ電界放出特性を発揮する陰極を求める要望がある。

本発明の目的は、低温下で、かつ、従来技術の電界放出陰極より低い真空度で作動することができる電界放出冷陰極を提供することによって上述した従来技術の欠点を克服することである。

より具体的にいえば、本発明は、ベース材（基材又は母材）に垂直に埋設した高アスペクト比の炭素繊維から成る炭素ベルベット材を用いる。この炭素ベルベット材を、陰極に付着させる。この炭素繊維上にセシウム塩（cesiated salt）を被着する。得られた陰極に十分な電圧を印加すると、電子が放出される。

本発明の第２の側面によれば、セシウム塩の溶液を調製し、炭素ベルベット材に該溶液を被覆し、その炭素ベルベット材を陰極に結合することから成る電界放出陰極の製造方法が提供される。また、本発明の第３の側面によれば、気化させたセシウム塩溶液を炭素ベルベット材の繊維上に蒸着させて該繊維上にセシウム塩結晶を形成し、その炭素ベルベット材を陰極に結合することから成る電界放出冷陰極の製造方法が提供される。

本発明の第４の側面によれば、電界放出冷陰極を製造するために陰極に取り付けられた炭素ベルベット材を被覆するための方法において、炭素ベルベット材にセシウム塩と脱イオン水の溶液をスプレーし、該セシウム塩を被着された該炭素ベルベット材を１トル未満にまで拔気された真空オーブン内でほぼ１時間少くとも１００°Ｃの温度で焼成（ベーキング）し、次いで、乾燥窒素を用いて該真空オーブンを大気圧にまで排気することから成る方法が提供される。

本発明の第５の側面によれば、厚さ１オングストローム〜１０ミクロンのセシウム塩のフィルムを炭素ベルベット材の複数の繊維の各々の上に形成し、該炭素ベルベット材を陰極に結合することによって電界放出冷陰極を製造する方法が提供される。本発明の第６の側面によれば、繊維を有する炭素ベルベット材を陰極に取り付け、該繊維を溶融セシウム塩溶液内に浸漬し、該繊維を該溶液中に浸漬させたままで該溶液を冷却することによって電界放出冷陰極を製造する方法が提供される。本発明の第７の側面によれば、繊維を有する炭素ベルベット材を陰極に取り付け、該繊維を溶融セシウム塩溶液内に浸漬し、該繊維を該溶液から取り出し、該繊維を冷却することによって電界放出冷陰極を製造する方法が提供される。

従来の真空管は、高い真空度と、適正に作動させるためには少くとも９００°Ｃにまで加熱しなければならない陰極素子を必要とする。「冷陰極」とは、室温又は室温近傍の温度で作動する陰極だけでなく、９００°Ｃ以下の温度で作動する陰極をも意味するが、本発明の冷陰極は、室温で作動するので、従来技術において必要とされた加熱及び高い作動温度を必要としない。また、本発明の冷陰極は、従来技術の陰極より低い真空レベルで作動する。本発明の冷陰極は、クライストロン（速度変調管）、進行波管、マグネトロン、マグニコン（magnicon）、クライストロード／IOTテレビジョン送信機等を含む任意のタイプの真空管の加熱陰極に有利に取って代わることができる。

本発明の冷陰極のその他の側面及び利点は、以下に添付図を参照して説明する本発明の原理の実施例から明らかになろう。

添付図は、本発明の電界放出冷陰極１１をテストするのに用いられる実験設備の概略図であり、冷陰極１１の断面を示す。この設備は、真空チャンバー１３と、陰極取付け具１７と、真空チャンバー１３内へ冷陰極１１に対して伸縮自在に突入したシャフト１９と、シャフト１９の内端に取り付けられた陽極２１を含む。ギャップ２３は、陰極１１と陽極２１を分ける距離であり、シャフト１９を伸縮させることによって調節することができる。

冷陰極１１は、高電圧ブッシング２４と、炭素ベルベット材２５と、陰極面２７から成る。後に詳述するように、炭素ベルベット材２５は、低仕事関数のセシウム塩で処理され、陰極面２７に結合される。炭素ベルベット材２５は、ベース材に対して垂直に埋設された高アスペクト比の炭素繊維から成る。この種の具体的な材料としては、ベルブラック（登録商標）アップリケ（Energy Science Laboratories, Inc.(エネルギー科学研究所)の特許製品)がある。ベルブラック（登録商標）アップリケは、接着剤ベース（母材）中に植設された高アスペクト比の炭素繊維から成り、特殊な光学的特性を有するものとして、即ち、光学系において超低反射率を確保し、かつ、迷光を抑制するための黒色アップリケとして開発されたものである。

炭素ベルベット材２５は、可撓性であり、どのような形状の冷陰極１１にも容易に結合することができる。陰極面２７が金属製である場合は、炭素ベルベット材２５を陰極面２７に結合するのに導電性エポキシを用いることができる。あるいは別法として、陰極１１が炭素基材を含むものである場合、炭素ベルベット材２５は、陰極１１の炭素基材に高熱結合（パイロボンディング）法を用いて結合することによって、該陰極に結合することができる。低温電子放出（電界放出）は、炭素ベルベット材２５の繊維の先端にセシウム塩結晶を形成させることによって、あるいは、厚さ１オングストローム−１０ミクロンのセシウム塩のフィルムを炭素ベルベット材に被着することによって、得られる。

炭素ベルベット材２５の繊維軸だけを被覆するために、セシウム塩が付着することができないマスクを繊維の先端に被せる。このマスクは、セシウム塩が炭素ベルベット材の繊維に被覆された後、エッチングによって除去される。

炭素ベルベット材２５に低仕事関数のセシウム塩を被着する方法として、幾つかの異なる方法も用いることができる。それらの方法のうちの２つは、セシウム塩を被着するための媒体として高度に純粋なセシウム塩の溶液と脱イオン水を用いる。詳述すれば、まず、セシウム塩を脱イオン水と混合し、次いで、炭素ベルベット材２５を該セシウム塩溶液と共に噴霧器を用いてスプレーする。この噴霧器のための背圧を設定するために等級５の乾燥窒素を用いる。２回ないし４回の被覆を施す。次いで、冷陰極１１を１トル未満にまで拔気された真空オーブン内へ入れて脱イオン水を蒸発させるのに十分な温度及び時間（１００°Ｃ以上の温度でほぼ１時間）焼成し、次いで、等級５の乾燥窒素を用いて大気圧にまで排気する。

低仕事関数のセシウム塩としては、沃化セシウム（CsI）、テルル酸セシウム(CsTeO₄)及び臭化セシウム（CsBr）等のいろいろなセシウム塩を用いることができる。１回のサイクルでも陰極の性能を改善し、ガス放出を少なくすることができるが、追加のサイクルを繰り返すことによって冷陰極１１の性能を更に改善することができる。ただし、冷陰極の性能改善が得られるのは、追加のサイクルが所要ターンオン電界を増大させる点まで、即ち、電子を陰極１１から陽極２１へ放出させ始める電界レベルを増大させる点までである。

あるいは別法として、炭素ベルベット材２５の繊維をセシウム塩溶液に浸けてもよい。次いで、冷陰極１１と上記セシウム塩溶液浴との組合せ体を該セシウム塩溶液が炭素ベルベット材２５の先端及び、又は軸上に晶出するまで大気圧下でほぼ１００°Ｃの温度にまで焼成する。この段階で、冷陰極１１をセシウム塩溶液浴から引き出し、真空オーブン内で焼成して、炭素ベルベット材２５の先端及び、又は軸から残留水を蒸発させる。次いで、真空オーブンを乾燥窒素を用いて大気圧にまで拔気する。

更に別の方法として、炭素ベルベット材２５の繊維が完全にセシウム塩溶液内に浸漬されるように冷陰極１１を溶融セシウム塩のるつぼ内へ浸漬させることによってセシウム塩を炭素ベルベット材２５の繊維に被着させてもよい。次いで、炭素ベルベット材２５の繊維を浸漬させたままセシウム塩溶液が炭素ベルベット材２５の先端及び、又は軸上に晶出するまで、この溶融セシウム塩のるつぼを自然冷却させる。また、セシウム塩は、その結晶が炭素ベルベット材の先端及び、又は軸上に形成されるように化学蒸着法によって炭素ベルベット材２５の先端及び、又は軸上に被着させてもよい。これらの方法は、いずれも、セシウム塩の脱イオン水溶液を用いる方法よりもコスト高で時間もかかるが、セシウム塩のより均一な被覆を可能にし、かつ、余剰の水蒸気を除去するために冷陰極１１を焼成する必要がない。

この冷陰極１１に負電圧を印加すると、陰極面２７から電子が放出され、陰極／陽極間ギャップ２３を通って加速されて陽極２１に衝突する。電子を放出させるのに要する所要ターンオン電界は、０．２ｋＶ／ｃｍほどの低さであった。これは、従来の真空管の典型的なターンオン電界よりはるかに低い。電圧源は、パルス電圧を発するものであってもよく、あるいは、連続的に電圧を発するものであってもよい。冷陰極１１は、例えば球形、円筒形、平面状など任意の形状であってよい。陰極／陽極間ギャップ２３は、電子が用いられる相互作用空間又はその他の領域であってよい。陽極２１は、放出された電子を収集する任意の領域又は構造体であってよい。

冷陰極１１のターンオン電界は、その冷陰極を用いるデバイスの要件に適合するようにいろいろな方法で変更することができる。炭素ベルベット材２５に関連していえば、その繊維の先端を長く、細くすればするほど、またタフト密度を小さくすればするほど、繊維の先端での電界エンハンスメントを高めることができ、従って、冷陰極１１のターンオン電界を下げることができる。また、繊維長の分布（各繊維の長さを不均一にすること）がターンオン電界を下げる働きをすることも判明している。

ターンオン電界は、また、脱イオン水入り溶液中のセシウム塩の濃度を変えることによっても、あるいは、炭素繊維の先端及び軸に塗布するセシウム塩の被覆回数を変えることによっても変更することができる。即ち、セシウム塩の濃度又はセシウム塩の被覆回数を（ある点まで）増やせば、ターンオン電界を下げることができる。例えば、ある種のマイクロ波管では、電圧がその設定最高値に達するまでは電子を放出させないようにすることが望ましい場合がある。それは、炭素繊維のタフト密度を増大させることによって、あるいは、セシウム塩の被覆回数を少なくするか、又は、脱イオン水入り溶液中のセシウム塩の濃度を低くすることにより塗布されるセシウム塩の量を少なくすることによって達成することができる。

図１は、本発明の電界放出冷陰極をテストするのに用いられる実験設備の概略断面図である。

符号の説明

１１ 冷陰極
１３ 真空チャンバー
１７ 陰極取付け具
１９ シャフト
２１ 陽極
２３ ギャップ、陽極間ギャップ
２４ 高電圧ブッシング
２５ 炭素ベルベット材
２７ 陰極面

Claims (2)

1. 炭素基材を有する陰極と、
   セシウム塩を被着された繊維を含む炭素ベルベット材とから成り、
   該炭素ベルベット材は、前記炭素基材に高熱結合させることによって該陰極に取り付けられていることを特徴とする電界放出冷陰極。
2. 炭素基材を有する陰極と、
   セシウム塩のフィルムを被着された繊維を含む炭素ベルベット材とから成り、
   該セシウム塩のフィルムは、最大で１０ミクロンまでの厚さを有し、
   該炭素ベルベット材は、前記炭素基材に高熱結合させることによって該陰極に取り付けられていることを特徴とする電界放出冷陰極。

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