JP5236814B2 - 電子銃用フィラメント及びその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子銃に搭載されるフィラメントが、電子銃の使用に際して加熱により変形することを抑制可能な電子銃用フィラメント、およびその製造方法を提供することにある。
圧延形成された金属薄板では、通常、その圧延率が高いほど、圧延方向とその他の方向とで機械的強度が異なるようになる。例えば、弾性率、降伏強さ、引張強さ等の特性は、圧延方向と垂直な方向において最大、且つ圧延方向と平行な方向において最小となる傾向を有する。他方、伸び特性は、圧延方向と垂直な方向において最小、且つ圧延方向と平行な方向において最大となる傾向を有する。この点を考慮し、圧延形成されたタンタル金属板とタングステン金属板とを使用する場合には、各金属板の圧延方向が互いに交差するようにタンタル金属板とタングステン金属板とを積層してもよい。この方法では、各金属板の機械的な特性が相補され、積層板の機械的強度が向上する。ひいては、この積層板から切り出された線材にて構成されるフィラメントの機械的強度が向上される。
上記方法では、前記電子銃用フィラメントの線材を前記板材から切り出すことは、ワイヤ放電加工によって前記板材から前記線材を切り出すことを含むものであってもよい。
ワイヤ放電加工とは一般に、工具電極であるワイヤと被加工体との間の放電を利用して被加工体の一部を除去することにより、同被加工物を所望の形状に加工する方法である。そのため、被加工体が導体であれば、その硬度によらず加工を施すことが可能である。また、ワイヤの位置制御により被加工物を所望の形状に加工することも可能である。そのため、板材からの線材の切り出しにワイヤ放電加工を用いるようにすれば、フィラメントの形成材料の選択の幅が拡大されるとともに、同フィラメント形状に係る精度を向上させることができる。
上記フィラメントでは、熱電子放射密度が0.4A/cm 2 以上の状態で使用されることが好ましい。
図2は、本実施の形態の製造方法によって製造された電子銃用フィラメント1の斜視構造を示したものである。同図2に示されるように、電子銃用フィラメント1は、4つの面によって外周面が構成されたタングステン等の高融点金属からなる断面矩形状の線部材である。この電子銃用フィラメント1は、上記外周面を構成する1つの面(カソード対向面1s)を含んだ仮想平面Pi上において3カ所の連続した屈曲1cからなる凹凸曲線状の屈曲部1aを有する。この屈曲部1aにおいて上記3カ所の屈曲1cが連なる方向の両端部には、カソード対向面1sの法線方向に延びる直線状の一対の脚部1bが折曲げ形成されている。つまり断面矩形状の線材である電子銃用フィラメント1は、その外周面をなす4つの面のいずれか一つに沿うように屈曲されることによって、フィラメント1の周方向に沿った捻れを有しないように構成されている。
図3(a)に示されるように、上記電子銃用フィラメント1の製造に際してはまず、この線材の構成材料である、例えばタングステンからなる金属板Pが用意される。なお、本実施の形態では金属板Pとして、上記カソード対向面1s(仮想平面Pi)を加工面Psとして有して例えば厚さが0.5mmであるタングステン板を用いるようにしている。
以下、本発明にかかる電子銃用フィラメント1の実施例1を製造例とともに説明する。
厚さが0.5mmのタングステン板を金属板Pとして用意し、上記ワイヤ放電加工装置WEを用いたワイヤカット加工を施すことによって、上記屈曲部1aを含む線材P1を当該タングステン板から切り出した。そしてタングステン板から切り出された線材P1の長さ方向における両端部に折曲げ加工を施して脚部1bを形成することによって、実施例1の電子銃用フィラメント1を得た。また、直径が0.5mmのタングステン線材、即ち断面円形状のワイヤに対して折曲げ加工を施すことによって、上記屈曲部1aに対応する屈曲部100aと上記脚部1bに対応する100bとを有する比較例のフィラメント100を得た。
・電子ビームの出力:17kW・加速電圧:20kV
・カソード電圧:1.2kV
・F−C距離:4.2mm
なお電子銃10からの電子ビームEBの出力を制御する方法としては、いわゆるフィラメント制御とカソード制御とが知られている。これらのうち、フィラメント制御とは、フィラメント1とカソード電極2との間に印可する電圧すなわちカソード電圧を一定とし、フィラメント1に投入する電力を調整することにより電子ビームEBの出力を制御する方法である。一方、カソード制御とは、フィラメント1に投入する電力を一定とし、上記カソード電圧を調整する方法である。以下では、これら2つの制御方法のうち、主にフィラメント制御により各電子銃10を駆動して得られた結果を示す。
・電子ビームの最大出力:30kW
・加速電圧:20kV
・カソード電圧:1.2kV
・F−C距離:2.6mm,4.2mm
ちなみに、F−C距離として設定された2.6mmと4.2mmのうち、4.2mmは、先の図1に示す従来の製造方法にて製造された比較例のフィラメント100を用いた場合に、F−C距離として設定可能な最小値である。これに対し、2.6mmは、先の図3に示した本実施の形態に係る製造方法にて製造した実施例1の電子銃用フィラメント1を用いた場合に、上記F−C距離として設定可能な最小値である。ここで、本実施の形態に係る製造方法にて製造されたフィラメント1が、カソード電極2との距離をより短く設定可能である理由は、上述の通りである。
・電子ビームの出力:17kW
・加速電圧:20kV
・ビーム電流:850mA
・カソード電圧:1.2kV(実施例1),1.4kV(比較例)
・F−C距離:2.6mm(実施例1),4.2mm(比較例)
・照射時間:90時間
図8(a)に示す実施例1では、上述のようにF−C距離を2.6mmに設定可能であることから、上記照射条件を満たすカソード電圧として1.2kVが設定可能となる。こうした照射条件下にてビーム電流の値を凡そ90時間に渡り測定したところ、1時間あたりのビーム電流の平均値と最大値との差が最大で5mAであり、また、同平均値と最小値との差が最大で3mAであった。これに対し、図8(b)に示す比較例では、フィラメントとカソード電極との距離は4.6mmに設定されることから、上記照射条件を満たすカソード電圧として1.4kVが設定されることになる。こうした照射条件下にてビーム電流の値を凡そ90時間に渡り測定したところ、1時間あたりのビーム電流の平均値と最大値との差が最大で10mAであり、また、同平均値と最小値との差が最大で4mAであった。
(1)電子銃用フィラメント1に形成される屈曲部1aを構成する線材P1が金属板Pから切り出される。これにより、例えばワイヤWのような線材に折曲げ加工を施すことによって形成された屈曲部100aを有する従来のフィラメント100と比較して、電子銃用フィラメント1では、屈曲部1aの内部に残留する加工歪みを抑制することができる。その結果、電子銃10の使用に際して、電子銃用フィラメント1が加熱されることがあっても、屈曲部1aの内部に残留する加工歪みが極めて小さいので、屈曲部1aの曲がりに戻りが生じることが抑制される。よって、屈曲部1aの形状に変化を起こすこと、すなわち、フィラメント1が加熱に起因して変形することが抑制される。
・電子銃10は上記構成に限らない。例えば、集束コイル及びフローレジスタを更に備える構成としてもよい。
・ワイヤ放電加工の条件、例えば工具ワイヤ電極WE1と金属板Pとの間に印加する電圧の大きさや、金属板Pの移動速度である加工送り速度等は、フィラメントの形状やワイヤ放電加工装置WEの性能等に応じて任意に設定可能である。
・金属板Pの形成材料、つまりフィラメント1の形成材料をタングステンとした。これに限らず、タングステンを含む合金をフィラメントの形成材料として用いてもよい。あるいは、タングステンの代わりにタンタルなどの他の金属材料をフィラメント材料として用いてもよい。タンタル(Ta)の仕事関数はタングステン(W)のそれよりも小さいことから、タンタルはタングステンよりも低い温度で、それと同じ量の熱電子を放出することができる。例えば、図10に示されるように、1.2A/cm2の熱電子を得る温度は、タンタルでは約2500Kであり、タングステンでは約2640Kである。したがって、タングステンの代わりにタンタルを用いることで、フィラメント1の温度を約140K、低くすることができる。
(6)単一の金属板からなる板材を用いる場合と比較して、金属板1枚あたりの厚さを薄くすることができ、金属板の厚さ方向における結晶粒の粗大化が自ずと抑制され、ひいては電子銃用フィラメントの強度及び寿命も向上されることになる。
(7)積層板を構成する金属板それぞれの機械的な特性が相補されるようになり、積層板としての機械的強度が向上され、ひいてはこの積層板から切り出された線材にて構成される当該電子銃用フィラメントの機械的強度も向上されるようになる。
といった効果が得られるようになる。
・さらに、上記積層板を用いる場合には、複数の金属板が互いに異なる金属材料で形成されてもよい。これにより、
(8)積層板において隣接する金属板同士が互いに異なる金属材料からなるため、同一金属材料からなる複数の金属板を積層した積層板に比べて、一つの金属板を構成している結晶粒が、他の金属板との境界面を超えて粗大化することが抑制される。つまり、結晶粒が、その結晶粒からなる金属板の厚みを超えて粗大化することが抑制される。ひいては、積層板の厚さ方向における結晶粒の粗大化を、各結晶粒が属する金属板の厚さに制限することが可能となる。
といった効果が得られるようになる。
Claims (5)
- 電子銃が備えるカソード電極の加熱に用いられる電子銃用フィラメントの製造方法であって、
金属材料からなる板材を準備すること、
少なくとも1つの屈曲を有する前記フィラメントの線材を前記板材から切り出すこと、
前記線材の両端部の各々に、前記屈曲の全体を含む平面の法線方向に沿って延び、前記電子銃に取り付けられる脚部を折り曲げ形成すること、
を備え、
前記板材を準備することは、タンタル金属板とタングステン金属板とからなる金属積層板を準備すること、及び、前記カソード電極と対向することとなる金属板を前記タンタル金属板とすることを含み、
前記脚部は、前記電子銃にて、前記カソード電極と対向する前記平面に対して前記カソード電極とは反対側に向けて延びる電子銃用フィラメントの製造方法。 - 前記タンタル金属板と前記タングステン金属板とは各々圧延形成され、前記タンタル金属板と前記タングステン金属板とは各金属板の圧延方向が互いに交差するように積層されている、請求項1に記載の電子銃用フィラメントの製造方法。
- 前記電子銃用フィラメントの線材を前記板材から切り出すことは、ワイヤ放電加工によって前記板材から前記線材を切り出すことを含む、請求項1又は2に記載の電子銃用フィラメントの製造方法。
- 電子銃が備えるカソード電極の加熱に用いられるフィラメントであって、
金属材料により形成され、少なくとも1つの屈曲を有する線材を備え、前記線材が断面矩形状を有し、
前記線材が、タンタル金属板とタングステン金属板との積層板からなり、
前記線材の両端部の各々には、
前記電子銃に取り付けられる脚部が、前記屈曲の全体を含む平面の法線方向に沿って折り曲げ形成され、
前記脚部は、前記電子銃にて、前記カソード電極と対向する前記平面に対して前記カソ
ード電極とは反対側に向けて延び、
前記線材では、
前記タンタル金属板と前記タングステン金属板とが、前記カソード電極側から順に積層されているフィラメント。 - 熱電子放射密度が0.4A/cm 2 以上の状態で使用される請求項4に記載のフィラメント。
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