JP4548523B2 - 傍熱型陰極の組立方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば傍熱型のイオン源やプラズマ発生装置等に用いられる傍熱型陰極の組立方法に関する。

熱電子を放出するカソードをフィラメントによって加熱する構造の傍熱型陰極を組み立てる際に、フィラメントとカソードとの間のギャップ長を所定長さに調整することが重要である。このギャップ長が、カソードからの電子放出特性に大きく影響するからである。

上記ギャップ長を調整する方法の一例として、特許文献１には、カソードを支持する位置決めクランプの先端に所定寸法の小さな開口を設けておき、この開口にギャップ調整治具（位置決め道具）を挿入してこのギャップ調整治具を用いて、フィラメントを移動させる距離を決めて、上記ギャップ長を所定長さに調整する方法が記載されている。

米国特許出願公開第ＵＳ２００８／００７２４１３Ａ１号公報（図２、図３）

上記特許文献１に記載の従来技術には、（ａ）専用のギャップ調整治具を必要とする、（ｂ）ギャップ調整治具の加工精度も上記ギャップ長に影響するので、位置決めクランプ等の加工精度とは別に、ギャップ調整治具の加工精度も高いものが要求される、（ｃ）ギャップ調整治具を位置決めクランプの先端の小さな開口内に正確に位置決めするのは難しく、作業性が悪い、（ｄ）調整に使用しない間もギャップ調整治具を管理しておかなければならず面倒である、等の課題がある。

そこでこの発明は、ギャップ調整治具を用いなくてもフィラメントとカソードとの間のギャップ長を所定長さに調整することができる、傍熱型陰極の組立方法を提供することを主たる目的としている。

この発明に係る傍熱型陰極の組立方法の一つは、熱電子を放出する側を前とすると、熱電子を放出するカソードを前部に支持している筒状のカソードホルダーと、当該カソードホルダーを支持するカソード導体と、前記カソードを加熱するフィラメントと、当該フィラメントを支持する二つの互いに並設されたフィラメント導体とを備えている傍熱型陰極の組立方法であって、前記カソードホルダーの外周に、溝および当該溝の後端から前記カソードホルダーの軸に実質的に直交する方向に突き出ている突起を設けておき、前記カソード導体に、前記カソードホルダーの溝の部分が嵌まる開口であってその周辺部と前記カソードホルダーの突起とが係合する開口を設けておき、前記カソードホルダーの溝の、前記突起と当該溝の前端面との間の幅（Ｗ）から、前記カソード導体の前記開口の周辺の厚さ（Ｔ）を引いた寸法（Ｗ−Ｔ）が、前記フィラメントと前記カソードとの間の、前記カソードホルダーの軸に沿う方向における所定長さのギャップ長（Ｇ）と実質的に等しくなるように、前記カソードホルダーの前記幅（Ｗ）および前記カソード導体の前記厚さ（Ｔ）を定めておき、前記カソード導体の前記開口に、前記カソードを支持している前記カソードホルダーの前記溝の部分を嵌めて前記カソード導体に前記カソードホルダーを取り付け、かつ前記カソードホルダーを後方に押してその溝の前端面を前記カソード導体に当接させた状態で、当該カソード導体と、前記フィラメントを支持している前記二つのフィラメント導体の内の少なくとも一方とを電気絶縁物を介在させて互いに結合固定し、次いで、前記フィラメントを前方に動かして当該フィラメントを前記カソードに当接させた状態で、前記フィラメントを前記二つのフィラメント導体に固定し、次いで、前記カソードホルダーを前方に引いてその突起を前記カソード導体に当接させた状態で、前記カソードホルダーを前記カソード導体に固定することを特徴としている。

この組立方法によれば、カソード導体を上記のように後方に押し、フィラメントを上記のように前方に動かし、更にカソード導体を上記のように前方に引くことによって、ギャップ調整治具を用いなくても、フィラメントとカソードとの間のギャップ長を所定長さに調整することができる。

前記カソード導体の前記開口に、前記カソードを支持している前記カソードホルダーの前記溝の部分を嵌めて前記カソード導体に前記カソードホルダーを取り付けて、当該カソード導体と、前記フィラメントを支持している前記二つのフィラメント導体の内の少なくとも一方とを電気絶縁物を介在させて互いに結合固定し、次いで、前記カソードホルダーを後方に押してその溝の前端面を前記カソード導体に当接させた状態にし、次いで、前記フィラメントを前方に動かして当該フィラメントを前記カソードに当接させた状態で、前記フィラメントを前記二つのフィラメント導体に固定し、次いで、前記カソードホルダーを前方に引いてその突起を前記カソード導体に当接させた状態で、前記カソードホルダーを前記カソード導体に固定しても良い。

請求項１、２に記載の発明によれば、ギャップ調整治具を用いなくても、傍熱型陰極を構成する部品自体の寸法によって、具体的にはカソードホルダーの溝の幅（Ｗ）とカソード導体の厚さ（Ｔ）との差の寸法（Ｗ−Ｔ）を利用して、フィラメントとカソードとの間のギャップ長を所定長さに調整することができる。

従って、ギャップ調整治具が不要になり、ギャップ調整治具の加工精度の影響を受けなくなると共に、ギャップ調整治具の管理も不要になる。更に、カソードホルダーの突起および溝の前端面がカソード導体に当接することを利用するので、カソードホルダーを上記のように前方および後方に動かすことは容易であり、従って作業性が良い。しかもギャップ調整治具を用いる場合に比べて上記ギャップ長の再現性も良い。

図１は、傍熱型陰極を備えるイオン源の一例を示す概略断面図である。このイオン源２は、傍熱型のイオン源であり、傍熱型陰極１００（より具体的にはそのカソード２０）から、アノードを兼ねるプラズマ生成容器４内へ熱電子を放出させ、カソード２０とプラズマ生成容器４との間で放電を生じさせて、プラズマ生成容器４内に導入されたガス（蒸気の場合を含む）１０を電離させてプラズマ６を生成し、このプラズマ６からイオン引出し口１２を通してイオンビーム１４を引き出すよう構成されている。傍熱型陰極１００は、例えば、プラズマ生成容器４に対して、カソード２０が鉛直方向Ｂの下に向くように配置される。

このイオン源２は、カソード２０とは反対側のプラズマ生成容器４内に、電子を反射させる反射電極１６を有している。１７は電気絶縁物である。プラズマ生成容器４内には、図示しない磁石によって、カソード２０と反射電極１６とを結ぶ軸に沿う方向の磁界１９が印加される。磁界１９の向きは図示とは逆でも良い。

傍熱型陰極１００は、熱電子を放出する側（図１、図５〜図７等における下方）を前とすると、熱電子を放出するカソード２０を前部に有している筒状のカソードホルダー２２と、カソードホルダー２２を支持するカソード導体４０と、カソード２０を加熱するフィラメント６０と、フィラメント６０を支持する二つの（図３参照）フィラメント導体７０とを備えている。この例では、カソードホルダー２２は円筒状をしており、カソード２０は全体として概ね円柱状をしている。

フィラメント６０は、この例では図４に示すように、全体として見れば概ねＵ字状に曲げ戻された形状をしていて、二つの脚部６１およびそれらの間をつなぐ曲り部６２を有している。曲り部６２は、カソード２０の後面に沿うように曲げられた形状をしている。

カソード２０は、この例では、カソードホルダー２２の先端部内に、環状のロックワイヤ２４を用いて取り付けられている。但し、カソード２０の支持構造はこの例に限られるものではない。

図５〜図７等も参照して、カソードホルダー２２の外周に、より具体的にはこの例ではカソードホルダー２２の後部の外周に、溝２６およびこの溝２６の後端からカソードホルダー２２の軸に実質的に直交する方向（換言すれば半径方向）に突き出ている突起３０を設けている。この突起３０から後述する前端面２８までの間が溝２６である。なお、図５〜図９は、図１中の矢印Ｐ方向に見て示す図である。

突起３０を設ける位置は、必ずしも図１、図５〜図８に示す例のようなカソードホルダー２２の後端に限定されるものではなく、例えば図９に示す例のように、カソードホルダー２２の後端から幾分前寄りであっても良い。その場合は、溝２６を設ける位置も、カソードホルダー２２の後部ではあるけれども、カソードホルダー２２の後端よりかは幾分前寄りとなる。

突起３０は、この例では円環状の鍔（つば）状をしている。そのようにすると、当該突起３０の加工が容易である。但し鍔状以外の突起でも良い。これについては後述する。

なお、カソードホルダー２２の溝２６には、図５〜図７に示す例のように、当該溝２６の前端面２８および突起３０の根本に、他よりも一層深い深部３２、３４を設けておいても良い。そのようにすると、溝２６の加工時に前端面２８および突起３０の根本の角に斜めの部分が残って、前端面２８および突起３０をカソード導体４０にきっちり当接させるのが難しくなるのを簡単に防止することができる。もっとも、斜めの部分は残らないように加工することも可能であるので、図８、図９に示す例のように、上記深部３２、３４を設けなくても構わない。

カソード導体４０には、図２も参照して、カソードホルダー２２の溝２６の部分が嵌まる開口４２を設けている。この開口４２の周辺部とカソードホルダー２２の突起３０とが係合する。この開口４２は、換言すれば穴である。開口４２の直径は、カソードホルダー２２の溝２６の底面（図５に示す深部３２、３４以外の底面）の外径よりも大きく、突起３０の外径よりも小さい。

カソード導体４０は、鍔状の突起３０を有するカソードホルダー２２を嵌めることができるように、この例では図２に示すように、合わせ部５０で合わされる第１カソード導体４６および第２カソード導体４８から成る。両カソード導体４６、４８を貫通しているボルト５２およびナット５４を用いて、両カソード導体４６、４８を結合すると共に、それら４６、４８に、即ちカソード導体４０に、カソードホルダー２２を固定することができる。このボルト５２、ナット５４等によって、カソードホルダー２２をカソード導体４０に固定する固定手段を構成している。

再び図５〜図７等も参照して、カソードホルダー２２の溝２６の、前端面２８と突起３０との間の幅をＷとし、カソード導体４０の開口４２の周辺（前端面２８および突起３０と係合する辺り）の厚さをＴとし、フィラメント６０（具体的にはその曲り部６２）とカソード２０（具体的にはその後面）との間の、カソードホルダー２２の軸に沿う方向におけるギャップ長をＧとすると、上記幅Ｗから厚さＴを引いた寸法Ｗ−Ｔが、所定長さ（換言すれば、目標とする長さ）のギャップ長Ｇと実質的に等しくなるように、上記幅Ｗおよび厚さＴを定めている。即ち、そのような寸法になるように溝２６およびカソード導体４０を作っている。「実質的に」というのは、各部品には通常は製作誤差が存在するのでその程度の寸法誤差は許容する意味である（以下同様）。例えば、所定長さのギャップ長Ｇを１．１ｍｍとすると、上記幅Ｗを６．１ｍｍ、厚さＴを５．０ｍｍにしている。

フィラメント６０をフィラメント導体７０に固定する固定手段の例を、図３も参照して説明する。フィラメント導体７０は、二つあって互いに接近して並設されている。各フィラメント導体７０の先端部に、支点部材７４を支点にして矢印Ａで示すように回動可能なフィラメントクランパー７２がそれぞれ設けられている。各フィラメント導体７０の先端部のフィラメント穴７１にフィラメント６０（より具体的にはその二つの脚部６１）をそれぞれ通して、各フィラメントクランパー７２をボルト７６およびナット７８でそれぞれ締め付けることによって、フィラメント６０をフィラメント導体７０に固定することができる。

なお、図１に示す例では、一方のフィラメント導体７０の先端部に、フィラメント６０の脚部６１を囲む筒状部６４が、支持体６６を介して支持されている。但し図５〜図７等においては、フィラメント６０の状態を分かりやすくするために、上記筒状部６４、支持体６６の図示を省略している。

上記傍熱型陰極１００の組立方法の実施例を、主に図５〜図７を参照して説明する。なお、この傍熱型陰極１００の組立は、通常は、図１に示すプラズマ生成容器４から分離した状態で行われる。

まず、図５に示すように、カソード導体４０の開口４２に、カソード２０を支持しているカソードホルダー２２の溝２６の部分を嵌めてカソード導体４０にカソードホルダー２２を取り付け、かつカソードホルダー２２を後方（図１、図５〜図７等における上方。以下同様）に押して溝２６の前端面２８をカソード導体４０に当接させて両者２８、４０間の隙間３６をゼロにした状態で、例えば上記ボルト５２およびナット５４を仮締めしてカソードホルダー２２を仮固定しておいて、カソード導体４０と、フィラメント６０を支持している二つのフィラメント導体７０の内の少なくとも一方とを、電気絶縁物８０（図１参照。以下同様）を介在させて互いに結合固定する。即ち正式に結合固定する。この例では、フィラメント導体７０の一方とカソード導体４０とを、電気絶縁物８０を介在させて互いに結合固定する。この結合固定には、例えば、図示しないボルトおよびナットを用いる。上記の場合、フィラメント６０は、例えば、一方のフィラメント導体７０のボルト７６およびナット７８を仮締めして、適度に持ち上げた状態で仮固定しておけば良い。

次いで、フィラメント６０を前方（図１、図５〜図７等における下方。以下同様）に動かして、図６に示すように、フィラメント６０（より具体的にはその曲り部６２）をカソード２０（より具体的にはその後面）に当接させて上記ギャップ長Ｇをゼロにした状態で、フィラメント６０を二つのフィラメント導体７０に固定する。即ち正式に固定する。この固定には、この例では、上記フィラメントクランパー７２、ボルト７６およびナット７８を用いる。

次いで、仮締めしているボルト５２、ナット５４を緩めて、図７に示すように、カソードホルダー２２を前方に引いて突起３０をカソード導体４０に当接させて両者３０、４０間の隙間３８をゼロにした状態で、カソードホルダー２２をカソード導体４０に固定する。即ち正式に固定する。この固定には、この例では、上記ボルト５２およびナット５４を用いる。これによって、カソードホルダー２２およびカソード２０は、ちょうど上記寸法Ｗ−Ｔだけ下方に引き下げられる。

上記図６の状態から図７の状態に進むことによって、一旦ゼロにしていた上記ギャップ長Ｇは、カソードホルダー２２およびカソード２０が上記寸法Ｗ−Ｔだけ引き下げられるので、寸法Ｗ−Ｔと実質的に等しくなる。即ち、前述したように上記寸法Ｗ−Ｔは所定長さのギャップ長Ｇと実質的に等しく設定されているので、ギャップ長Ｇは、ギャップ調整治具を用いなくても所定長さになる。

上記のようにして組み立てた傍熱型陰極１００を、例えば、図１に示す例のようにプラズマ生成容器４に対して所定の位置に位置決めすることによって、イオン源２を構成することができる。

上記組立方法によれば、上記従来技術と違って、ギャップ調整治具を用いなくても、傍熱型陰極１００を構成する部品自体の寸法によって、具体的にはカソードホルダー２２の溝２６の幅Ｗとカソード導体４０の厚さＴとの差の寸法Ｗ−Ｔを利用して、フィラメント６０とカソード２０との間のギャップ長Ｇを所定長さに調整することができる。

従って、上記従来技術の課題（ａ）〜（ｄ）を解決することができる。即ち、ギャップ調整治具が不要になり、ギャップ調整治具の加工精度の影響を受けなくなると共に、ギャップ調整治具の管理も不要になる。更に、カソードホルダー２２の突起３０および溝２６の前端面２８がカソード導体４０に当接することを利用するので、カソードホルダー２２を上記のように前方および後方に動かすことは容易であり、従って作業性が良い。しかもギャップ調整治具を用いる場合に比べて上記ギャップ長Ｇの再現性も良い。

なお、図５の状態に関して、（ａ）上記実施例のように、カソードホルダー２２を後方に押して隙間３６をゼロにし状態で、カソード導体４０と二つのフィラメント導体７０の内の少なくとも一方とを電気絶縁物８０を介在させて互いに結合固定しても良いし、（ｂ）カソード導体４０と二つのフィラメント導体７０の内の少なくとも一方とを電気絶縁物８０を介在させて互いに結合固定した後に、カソードホルダー２２を後方に押してその溝２６の前端面２８とカソード導体４０とを当接させて隙間３６をゼロにしても良い。前者（ａ）の方が、カソード導体４０とフィラメント導体７０とを結合固定する前にカソードホルダー２２を押して隙間３６をゼロにするので、カソードホルダー２２の周りに構造物が少なくて作業性が良い。

図２に示す例では、カソード導体４０の開口４２につながるように、四つの凹部（これも開口の一種である）４４を設けている。そのようにすると、カソードホルダー２２とカソード導体４０との間の伝熱面積を小さくして熱損失を小さくして、フィラメント６０によるカソード２０の加熱効率を良くすることができる。

前述したように、カソードホルダー２２の突起３０は、必ずしも鍔状のものでなくても良い。要は、カソード導体４０の開口４２の周辺部と係合できるものであれば良い。例えば、突起３０は複数の突起であっても良い。より具体例を挙げると、突起３０は、上記各凹部４４を通すことができる四つの突起であっても良い。凹部４４を通した後でカソードホルダー２２を約４５度回転させることによって、突起３０と開口４２の周辺部とを係合させることができる。この場合は、カソード導体４０は必ずしも図２に示す例のように二つ合わせ構造にする必要はない。

フィラメント導体７０にフィラメント６０を固定する手段は、図３を参照して説明した固定手段に限られるものではない。例えば、特許文献１の図１に記載されている技術と同様に、各フィラメント導体７０の先端付近にスロット（細長い溝）を設けておいて、そのスロットにフィラメント６０を挟んでフィラメント導体７０の弾力で固定する構造のものでも良い。あるいは、図３に示すフィラメント穴７１のような穴に通したフィラメント６０を横からねじで締め付けて固定する構造のものでも良い。要は、フィラメント導体７０に対してフィラメント６０の固定と開放とができれば良い。

上記組立方法は、イオン源以外に用いられる傍熱型陰極、例えば傍熱型陰極を用いてプラズマを発生させるプラズマ発生装置等に用いられる傍熱型陰極の組立にも適用することができる。

傍熱型陰極を備えるイオン源の一例を示す概略断面図である。 カソード導体周りの一例を示す平面図である。 フィラメント導体周りの一例を示す平面図である。 フィラメントの一例を示す斜視図である。 この発明に係る傍熱型陰極の組立方法を説明するための図である。 この発明に係る傍熱型陰極の組立方法を説明するための図である。 この発明に係る傍熱型陰極の組立方法を説明するための図である。 カソードホルダーの溝の他の例を示す断面図である。 カソードホルダーの他の例を部分的に示す断面図である。

符号の説明

２０ カソード
２２ カソードホルダー
２６ 溝
２８ 前端面
３０ 突起
４０ カソード導体
４２ 開口
６０ フィラメント
７０ フィラメント導体
８０ 電気絶縁物
１００ 傍熱型陰極
Ｇ ギャップ長

Claims (2)

1. 熱電子を放出する側を前とすると、熱電子を放出するカソードを前部に支持している筒状のカソードホルダーと、当該カソードホルダーを支持するカソード導体と、前記カソードを加熱するフィラメントと、当該フィラメントを支持する二つの互いに並設されたフィラメント導体とを備えている傍熱型陰極の組立方法であって、
   前記カソードホルダーの外周に、溝および当該溝の後端から前記カソードホルダーの軸に実質的に直交する方向に突き出ている突起を設けておき、
   前記カソード導体に、前記カソードホルダーの溝の部分が嵌まる開口であってその周辺部と前記カソードホルダーの突起とが係合する開口を設けておき、
   前記カソードホルダーの溝の、前記突起と当該溝の前端面との間の幅（Ｗ）から、前記カソード導体の前記開口の周辺の厚さ（Ｔ）を引いた寸法（Ｗ−Ｔ）が、前記フィラメントと前記カソードとの間の、前記カソードホルダーの軸に沿う方向における所定長さのギャップ長（Ｇ）と実質的に等しくなるように、前記カソードホルダーの前記幅（Ｗ）および前記カソード導体の前記厚さ（Ｔ）を定めておき、
   前記カソード導体の前記開口に、前記カソードを支持している前記カソードホルダーの前記溝の部分を嵌めて前記カソード導体に前記カソードホルダーを取り付け、かつ前記カソードホルダーを後方に押してその溝の前端面を前記カソード導体に当接させた状態で、当該カソード導体と、前記フィラメントを支持している前記二つのフィラメント導体の内の少なくとも一方とを電気絶縁物を介在させて互いに結合固定し、
   次いで、前記フィラメントを前方に動かして当該フィラメントを前記カソードに当接させた状態で、前記フィラメントを前記二つのフィラメント導体に固定し、
   次いで、前記カソードホルダーを前方に引いてその突起を前記カソード導体に当接させた状態で、前記カソードホルダーを前記カソード導体に固定することを特徴とする傍熱型陰極の組立方法。
2. 熱電子を放出する側を前とすると、熱電子を放出するカソードを前部に支持している筒状のカソードホルダーと、当該カソードホルダーを支持するカソード導体と、前記カソードを加熱するフィラメントと、当該フィラメントを支持する二つの互いに並設されたフィラメント導体とを備えている傍熱型陰極の組立方法であって、
   前記カソードホルダーの外周に、溝および当該溝の後端から前記カソードホルダーの軸に実質的に直交する方向に突き出ている突起を設けておき、
   前記カソード導体に、前記カソードホルダーの溝の部分が嵌まる開口であってその周辺部と前記カソードホルダーの突起とが係合する開口を設けておき、
   前記カソードホルダーの溝の、前記突起と当該溝の前端面との間の幅（Ｗ）から、前記カソード導体の前記開口の周辺の厚さ（Ｔ）を引いた寸法（Ｗ−Ｔ）が、前記フィラメントと前記カソードとの間の、前記カソードホルダーの軸に沿う方向における所定長さのギャップ長（Ｇ）と実質的に等しくなるように、前記カソードホルダーの前記幅（Ｗ）および前記カソード導体の前記厚さ（Ｔ）を定めておき、
   前記カソード導体の前記開口に、前記カソードを支持している前記カソードホルダーの前記溝の部分を嵌めて前記カソード導体に前記カソードホルダーを取り付けて、当該カソード導体と、前記フィラメントを支持している前記二つのフィラメント導体の内の少なくとも一方とを電気絶縁物を介在させて互いに結合固定し、
   次いで、前記カソードホルダーを後方に押してその溝の前端面を前記カソード導体に当接させた状態にし、
   次いで、前記フィラメントを前方に動かして当該フィラメントを前記カソードに当接させた状態で、前記フィラメントを前記二つのフィラメント導体に固定し、
   次いで、前記カソードホルダーを前方に引いてその突起を前記カソード導体に当接させた状態で、前記カソードホルダーを前記カソード導体に固定することを特徴とする傍熱型陰極の組立方法。

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