JP6930906B2 - カソード形成方法 - Google Patents
カソード形成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6930906B2 JP6930906B2 JP2017235482A JP2017235482A JP6930906B2 JP 6930906 B2 JP6930906 B2 JP 6930906B2 JP 2017235482 A JP2017235482 A JP 2017235482A JP 2017235482 A JP2017235482 A JP 2017235482A JP 6930906 B2 JP6930906 B2 JP 6930906B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cathode
- lab
- forming method
- precursor
- hours
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
- C30B29/66—Crystals of complex geometrical shape, e.g. tubes, cylinders
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
- H01J9/04—Manufacture of electrodes or electrode systems of thermionic cathodes
- H01J9/042—Manufacture, activation of the emissive part
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
- B05D3/04—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to gases
- B05D3/0466—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to gases the gas being a non-reacting gas
- B05D3/048—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to gases the gas being a non-reacting gas for cooling
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/13—Solid thermionic cathodes
- H01J1/14—Solid thermionic cathodes characterised by the material
- H01J1/148—Solid thermionic cathodes characterised by the material with compounds having metallic conductive properties, e.g. lanthanum boride, as an emissive material
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Solid Thermionic Cathode (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Description
本発明は、カソード形成方法に係り、例えば、カーボンコーティングされたLaB6カソードの仕事関数(WF)を該カソードの製造中に高い輝度及びビーム電流密度のカソードが与えられるように下げるための方法に関する。
単結晶六ホウ化ランタン(LaB6)又は六ホウ化ランタンカソード(一般にLaB6カソードと称される)は、描画ツール、走査型電子顕微鏡(SEM)、及び、透過型電子顕微鏡(TEM)を含む様々な電子線ツールにおける電子源として使用される。以下の説明の全体にわたって、化学式LaB6は、従来の慣例にしたがってLaB6として記載される六ホウ化ランタン材料及びカソード構造を表わすために使用される。典型的なLaB6カソードエミッタは、先細っており或いは円錐形状を成しており、特定のサイズ、円錐角、及び、チップ又は切頂端を伴う。チップ(切頂端)は、平坦であってもよく、又は、5〜100μmの範囲の直径を有する球状であってもよく、また、円錐角は、用途に応じて60〜110度であってもよい。チップは一般に(100)結晶面に相当する。円錐形状及びチップの一体性を保ち、したがって、熱イオンエミッタとしてのカソードの耐用寿命を延ばすために、カーボンコーティング剤が少なくともカソード錐体表面に塗布される(例えば、特許文献1,2参照)。カーボンコーティングされたカソードは米国特許第7,176,610号(特許文献1に対応)及び米国特許第9,165,737号(特許文献2に対応)に記載されている。
六ホウ化ランタン(LaB6)は2210℃の融点を有する耐熱結晶材料である。六ホウ化ランタンは、結晶材料として紫色であり、水及び塩酸に溶けない。しかしながら、LaB6は吸湿性があり、そのため、従来から、製造中及び保管中に、LaB6カソードは水分が無い不活性環境下に保たれる。
LaB6は立方晶構造を有し、そのため、従来から、市販のカソードは、カーボンコーティングされない平坦なチップが、最も安定していると見なされるとともに、比較的低い仕事関数(WF)を有する(100)結晶面に相当するように形成される。電子角度強度及び輝度に関するLaB6カソードの性能は、(100)結晶面に関するチップの形態学的純度に関連している。カソード動作温度において、LaB6は、温度及び真空圧によって決まる速度で蒸発する。典型的な蒸発損失速度は、100動作時間あたり約1ミクロン程度となり得る。一般に、動作温度が高ければ高いほど、蒸発速度が速くなり、また、この蒸発の結果は、(100)面がもはや露出されないチップ構造の最終的な損失であり、それにより、カソードの光学素子及び放出が悪影響を受ける。したがって、カソードの有効動作寿命が制限される。そのため、作業に必要な放出電流密度を依然として与える最も低い可能な温度でカソードを動作させること、すなわち、LaB6カソードが最も低いWFを伴うことが有益である。
カソードエミッタは、一般に、当業者に知られる方法によって得られる単結晶から成形されて切り込まれる。チップは、市販のカソードの製造中に研磨されてもよいある程度の表面粗さをもたらす機械的な切削工程によって得られる場合がある。しかしながら、精密研磨でさえ、ほんの1ミクロンほどの薄さのいわゆる損傷結晶表面下層(damaged crystalline sub−surface layer)が残存し、そのため、この層から電子が放出される。カソードのWF及び輝度は、チップの品質に直接に関連付けられる。
したがって、設定温度でより高いカソード輝度が得られるように或いはより低い作動温度で動作設定輝度を得ることができるように高い形態学的純度のチップを有するカーボンコーティングされたLaB6カソードを製造するための製造方法の必要性がある。このようにすると、カソードの動作寿命を高めることができる。
そこで、本発明の一態様は、カソードチップの形態学的完全性を高めることが可能なカソード製造方法を提供する。
本発明の一態様のカソード形成方法は、
六ホウ化ランタン(LaB6)カソードを形成するためのカソード形成方法において、
下側円柱部又は下側矩形部と、円錐形状面を有する上側テーパ部と、平坦面切頂チップと、を備える、LaB6単結晶のエミッタ構造を形成するステップと、
前駆体LaB6カソードを得るために切頂チップの平坦面をカーボンコーティングが無い状態に保ちつつ少なくとも上側テーパ部の円錐面にカーボンコーティングを塗布するステップと、
前駆体LaB6カソードを1×10−7〜1×10−8Torrの真空下で1700K〜2000Kの温度まで初期加熱を行うステップと、
初期加熱が施された前駆体LaB6カソードを周囲温度まで冷却するステップと、
周囲温度の前駆体LaB6カソードを、水蒸気を含む大気に晒すステップと、
LaB6カソードを得るために1×10−7〜1×10−8Torrの真空下において1700K〜2000Kの放出温度で前駆体LaB6カソードの第2の加熱を行なうステップと、
を備えることを特徴とする。
六ホウ化ランタン(LaB6)カソードを形成するためのカソード形成方法において、
下側円柱部又は下側矩形部と、円錐形状面を有する上側テーパ部と、平坦面切頂チップと、を備える、LaB6単結晶のエミッタ構造を形成するステップと、
前駆体LaB6カソードを得るために切頂チップの平坦面をカーボンコーティングが無い状態に保ちつつ少なくとも上側テーパ部の円錐面にカーボンコーティングを塗布するステップと、
前駆体LaB6カソードを1×10−7〜1×10−8Torrの真空下で1700K〜2000Kの温度まで初期加熱を行うステップと、
初期加熱が施された前駆体LaB6カソードを周囲温度まで冷却するステップと、
周囲温度の前駆体LaB6カソードを、水蒸気を含む大気に晒すステップと、
LaB6カソードを得るために1×10−7〜1×10−8Torrの真空下において1700K〜2000Kの放出温度で前駆体LaB6カソードの第2の加熱を行なうステップと、
を備えることを特徴とする。
また、水蒸気を含む大気の相対湿度が70〜95%であると好適である。
また、水蒸気を含む大気に晒す時間が30分〜8時間であると好適である。
また、初期加熱の時間が6〜24時間であると好適である。
また、第2の加熱の時間が3〜6時間であると好適である。
また、前駆体LaB6の仕事関数値(WF1)とLaB6カソードの仕事関数値(WF2)との間の差が以下の関係式(3)、すなわち、
(3) WF1−WF2≧0.01eV
を満たすと好適である。
(3) WF1−WF2≧0.01eV
を満たすと好適である。
また、初期加熱からLaB6カソードを得るまでの方法の総時間が10〜36時間であると好適である。
また、水蒸気を含む大気が外気であると好適である。
また、水蒸気を含む大気がLaB6との反応に対して不活性なガスであると好適である。
また、不活性ガスは、アルゴンと窒素とから成る群から選択される少なくとも1つであると好適である。
本発明の一態様によれば、仕事関数WFが低いカソードを提供できる。言い換えれば、寿命が長い、及び/又は、所与の動作温度でより高い輝度を有するカソードをもたらすことができる。さらに言い換えれば、カソードチップの形態学的完全性を高める、すなわち、損傷表面を形成しにくくできる。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1におけるカソード形成方法の要部工程を示す図である。図1において、実施の形態1におけるカソード形成方法は、エミッタ構造形成工程(S102)と、カーボンコーティング工程(S104)と、初期加熱(第1の加熱処理)工程(S106)と、冷却工程(S108)と、曝露工程(S110)と、加熱(第2の加熱処理)工程(S112)と、いう一連の工程を実施する。
図1は、実施の形態1におけるカソード形成方法の要部工程を示す図である。図1において、実施の形態1におけるカソード形成方法は、エミッタ構造形成工程(S102)と、カーボンコーティング工程(S104)と、初期加熱(第1の加熱処理)工程(S106)と、冷却工程(S108)と、曝露工程(S110)と、加熱(第2の加熱処理)工程(S112)と、いう一連の工程を実施する。
エミッタ構造形成工程(S102)として、六ホウ化ランタン(LaB6)カソードを形成するためのLaB6単結晶のエミッタ構造を形成する。
図2は、実施の形態1におけるエミッタ構造と、エミッタ円錐角及び90°の円錐角を伴うチップの概略とを示す図である。図2(b)に示すように、実施の形態1におけるLaB6単結晶100のエミッタ構造は、エミッタ本体30(下側円柱部又は下側矩形部)と、円錐形状面を有する上側テーパ部32と、(100)面が露出された平坦面切頂チップ34と、を有する単結晶により形成される。形成の仕方は、上述した特許文献と同様で構わない。
エミッタ本体30は、一般に、形状が図2(c)に示すように円柱状又は略円柱状であり、カーボンコーティング剤でコーティングされてもよい直線状の側面を有する。エミッタ本体30の長さは一般に約0.50〜約3mmの範囲である。エミッタ本体30の断面は、図2(c)に示す円形の他、図2(d)に示す矩形であっても良く、約200μm〜約800μmの範囲の直径(又は、矩形の場合には幅)を有する。
エミッタ構造の上側部分、例えばエミッタ結晶の上側50〜200μm付近の上側テーパ部32は、一般に、形状が約20°〜約90°の範囲の円錐角を有する円錐台であってもよく、この円錐角は約60〜約90度であることが好ましい。ある実施形態では、円錐角が60度である。90度の典型的な円錐角が図2(a)に示される。
エミッタ構造の上側テーパ部32の上面部分は、約10μm〜約100μm幅であってもよく、すなわち、幅が約10、20、30、40、50、60、70、80、90、或いは100μmであってもよい。
エミッタ構造の上側テーパ部32の上部(円錐台上面)は、図2(a)又は図2(b)に示すように、頂面が平坦状に切り取られた平坦面切頂チップ34に形成される。平坦面切頂チップ34は、平坦状の他、球状であってもよい。また、上述した例では、切頂端の直径が約10μm〜約100μm幅に構成されるが、所望の用途に応じて、直径が約5μm程度の小さいサイズから約400μm程度の大きいサイズにまで及んでもよい。
カーボンコーティング工程(S104)として、前駆体LaB6カソードを得るために切頂チップ34の平坦面をカーボンコーティングが無い状態に保ちつつ少なくとも上側テーパ部32の円錐面にカーボンコーティングを施す(カーボン膜を塗布する)。
カーボンコーティングは、少なくとも錐体の外表面に塗布されており、下側円柱部又は下側矩形部といったエミッタ本体30の一部又は全部も同様に覆ってもよい。カーボン層又はコーティングは任意の適した材料から形成されてもよく、その材料の例としては、黒鉛、コロイド黒鉛(例えばアクアダッグ)、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、熱分解カーボン等が挙げられるが、これらに限定されない。カーボンコーティングは好ましくは熱分解カーボン又はダイヤモンドライクカーボン(DLC)であってもよく、また、カーボンコーティングの厚さは、最大で100μm、好ましくは8〜10μmであってもよい。
カーボンコーティングは、LaB6表面と直接に接触してもよく、又は、特許文献2に記載されるように上側テーパ部32の円錐面とカーボン膜との間が隙間によって分離されてもよい。
カーボンコーティングにおいて、成形されたLaB6単結晶100は、炭素に富むガス、例えばプロパン又はブタンで満たされるチャンバ内に配置されてもよく、また、ガスを熱分解して熱分解カーボンコーティングをエミッタ上に形成するのに十分な温度まで加熱されてもよい。切頂チップ34上に堆積されるカーボンは、(100)面を再び露出させるようにコーティングの後に研磨によって除去されてもよい。
初期加熱(第1の加熱処理)工程(S106)として、カーボンコーティングが施されたLaB6単結晶100(前駆体LaB6カソード)を1×10−7〜1×10−8Torrの真空下で1700K〜2000Kの温度まで初期加熱を行う。
具体的には、前駆体LaB6カソードは、1×10−7〜1×10−8Torr、好ましくは約1×10−7Torrの真空下の真空チャンバ内に配置されて、1600K〜2000K、好ましくは1700K〜1900K、及び、最も好ましくは1750〜1850Kの温度まで加熱されてもよい。この初期処理の時間は、6〜24時間、好ましくは6〜12時間、及び、最も好ましくは6〜8時間であってもよい。
冷却工程(S108)として、初期加熱が施された前駆体LaB6カソードを周囲温度(18〜25℃)まで冷却する。
曝露工程(S110)として、周囲温度の前駆体LaB6カソードを、水蒸気を含む大気に晒す。従来のやり方とは異なり、加熱処理された前駆体LaB6カソードを、水蒸気を含む大気に晒す。水を含む大気の相対湿度は、70〜95%、好ましくは80〜95%、及び、最も好ましくは85〜95%であってもよい。晒す時間は、30分〜8時間、好ましくは1〜5時間、最も好ましくは2〜4時間であるとよい。水を含む大気は、開示された相対湿度を有する周囲大気に対して真空チャンバを通気することによって得られてもよく、或いは、水分で飽和したアルゴン及び/又は窒素などの不活性ガスをチャンバ内へ通すことによって得られてもよい。これらは実施形態を限定するものではなく、当業者は、切頂チップ34を水分に晒す他の適した方法を想起できる。
加熱(第2の加熱処理)工程(S112)として、水分に晒した後、LaB6カソードを得るために1×10−7〜1×10−8Torrの真空下において1700K〜2000Kの放出温度で前駆体LaB6カソードの第2の加熱を行なう。
第2の加熱処理は3〜6時間の期間にわたってもよく、また、好ましい温度は1750〜1850Kであってもよい。第1の加熱処理の場合と同様に、第2の加熱処理のための真空度は約1×10−7Torr以上であってもよい。
方法の結果は、第1の加熱処理後であって水分に晒す前の前駆体LaB6カソードの仕事関数(WF1)と、水分に晒した後の第2の加熱処理の後のLaB6カソードの仕事関数(WF2)との比較によって監視される。所与の表面における仕事関数WFは、以下の方程式(1)によって規定されると好適である。
(1) WF=−eφ−EF
(1) WF=−eφ−EF
ここで、−eは電子の電荷であり、φは、表面付近の真空中の静電ポテンシャルであり、また、EFは、LaB6の内側の電子のフェルミ準位又は電気化学ポテンシャルである。項−eφは、表面付近の真空中の静止電子のエネルギーである。仕事関数は、電子を材料から除去するために必要な熱力学的な仕事の指標と見なされてもよく、また、カソードが有効な熱電エミッタである温度に関連付けられてもよい。言い換えると、カソードのWF値が低ければ低いほど、電子が放出される温度が低いとともに、同じ動作温度でより高いカソード輝度が得られる。
実施の形態1では、設定温度でより高い輝度を有するカソード、又は、より低い作動温度で動作設定輝度を得ることができるカソードを提供する。
したがって、実施の形態1は、WFの測定及び監視を含む。ここで、驚くべきことに、吸湿性LaB6が水分に晒されないように保護される当分野における従来の見識に反して、水分への制御された暴露がより低いWFを有するカソードをもたらし、したがって、設定温度でより高い輝度を有するカソード、又は、より低い作動温度で動作設定輝度を得るといった目的を満たすことを見出した。
理論により拘束されることなく、本発明者は、第1の加熱処理後のチップの制御された暴露が表面下層の構造内のチップ結晶格子中への水の吸収をもたらすと考える。したがって、第2の加熱処理中、水は、初期の結晶(100)面に生じる粗面からのLaB6の蒸発を促進させ得る、又は、水は、(100)面を残して蒸発するLaO及びBO等のより揮発性のある酸化物を形成するためにLaB6表面と反応し得る。
カソードのWF値の測定は、熱電子放出(TE)方法、電界放出逆電位(FERP)方法、及び、光電子方法(Gesley et al,Surface Science,146,1984,583−599及び本明細書で挙げられる引用文献参照)を含む方法によって行なわれてもよい。本発明者は、LaB6カソード製造環境において従来から見出される機器を使用してカソードのWF値を測定して監視するための簡略化された直接的な方法を考え出して実施した。
この機器は、安定したアノード電圧を有する高電圧電源(HVPS)、安定したヒータ回路、及び、バイアス制御による放出制御器によって駆動される50kV三極管銃を含む。このシステムを用いると、例えば図3に示されるようなエミッション電流Iemとバイアス電圧Ubiasによる電流対電圧曲線(Iem,μA対Ubias,V)がもたらされる。
本発明者は、ゼロ磁場放出を使用すると、同じカソードにおいて飽和放出電流値の広範囲に及ぶ変化がもたらされることを実験的に突き止めた。したがって、I−V曲線の上昇区間及び平坦域の線形近似が用いられ、また、2つの線の交点におけるエミッション電流Iemの値が、検査されているカソードにおける飽和放出電流として定められる。これが図3に明示されており、図3において、破線は、実データにおける曲線であり、また、実線は、計算された線形近似を表わす。図4は、I−V曲線のデータポイントを示す。このとき、複数の実験I−V曲線とMEBS(商標)ソフトウェアを用いて計算される曲線とを比較することにより、80A/cm2・K2のリチャードソン定数(A)が決定された。
リチャードソン−ダッシュマン(RD)方程式(2)は、熱電子放出の電流密度を放出材料の温度(T)及び仕事関数(W)に関連付ける。
(2) js=AT2exp(−W/kT)
(2) js=AT2exp(−W/kT)
ここで、jsは放出の電流密度(mA/mm2)であり、Aはリチャードソン定数であり、Tは温度(K)であり、Wは、仕事関数、ここではカソード材料のWF(eV)であり、また、kはボルツマン定数(8.6173324×10−5eVK−1)である。
したがって、実施の形態1のカーボンコーティングされたカソードのWF値は、特定の温度でカソードのI−V曲線を得て、飽和放出電流値(js)を得るべく線形近似を行なうとともに、RD方程式からWF値を計算することによって決定されてもよい。この計算は、自動化されて、ほんの1分程度で行なうことができ、したがって、製造環境において迅速かつ容易なWF測定が可能となる。
例えば、図3では、実験値の決定がT=1833Kにおいてであった。飽和放出電流は391.2μAであった。検査されるカソードのチップ直径は50.1μmであり、jsは19.8A/cm2であり、したがって、RD方程式から、2.598eVのWF値が決定された。
実施の形態1の方法の使用を伴うことなく形成された前述の従来のカーボンコーティングされたカソードにおけるWF値は、2.670〜2.720eV以上となる場合がある。
しかしながら、本発明者は、驚くべきことに、上述した方法に係るカーボンコーティングされたカソードの処理により、最終的なカソードのWF値が第1の加熱処理後に得られるカソードのWF値と比べて減少することを見出した。したがって、第1の加熱処理後の前駆体LaB6の仕事関数値(WF1)と水分への暴露及び第2の加熱処理の後に得られるLaB6カソードの仕事関数値(WF2)との間の差が以下の関係式(3)を満たす。
(3) WF1−WF2≧0.01eV
(3) WF1−WF2≧0.01eV
一般に、差(WF1−WF2)が0.01〜0.05eVであってもよい。
実施の形態1として説明された処理シーケンスは、WF2の対応する減少を伴って1回以上繰り返されてもよい。前述したLaB6カソードに関して得られる最小のWFは2.590eVであり、したがって、実施の形態1の処理シーケンスを繰り返すと、WF減少の値に対して費やされる製造時間に関する戻りを減らすレベルに達し得る。
初期加熱からLaB6カソードの取得に至るまでの実施の形態1の方法における総時間は、10〜36時間、好ましくは10〜24時間、及び、最も好ましくは10〜12時間であってもよい。当業者であれば分かるように、処理時間、処理温度、及び、湿度レベルは、所望の結果を得るために本発明の開示内で変えられてもよい。
実施の形態1の利点は、特に添付の特許請求の範囲で指摘されるように実現されて得られてもよい。当然のことながら、本発明は、他の異なる実施形態が可能であり、また、本発明から何ら逸脱することなく、その幾つかの細部を様々な自明な観点で変更できる。これに関し、本明細書中の説明は、本質的に例示であると理解されるべきであり、限定的であると理解されるべきでない。
カソード#4321として定められる新たに形成されるカーボンコーティングされたLaB6カソードが、1780Kの動作温度で2.701eVのWF値を有すると決定された。カソードが周囲温度まで冷えることができるようにし、その後、システムを大気へ開放することによって真空が解放された。カソードは、30分間にわたって周囲の温度及び圧力に保たれた。その後、システムは、密閉されて、4×10−8Torrの圧力まで真空引きされるとともに、1840Kまで加熱された。カソードは、12時間にわたって真空下で1840Kに維持された。この処理後、カソードが前述したように検査され、1780KでWF値が2.668eVであると決定された。したがって、WF1−WF2値は0.033eVであった。図3及び図4は、WF決定のためのI−V曲線を示す。図3は線形近似を示し、また、図4は、得られた実際のデータポイントを示す。
以上のように、実施の形態1によれば、仕事関数WFが低いカソードを提供できる。言い換えれば、寿命が長い、及び/又は、所与の動作温度でより高い輝度を有するカソードをもたらすことができる。さらに、言い換えれば、カソードチップの形態学的完全性を高める、すなわち、損傷表面を形成しにくくできる。
以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのカソード形成方法は、本発明の範囲に包含される。
30 エミッタ本体
32 上側テーパ部
34 切頂チップ
100 LaB6単結晶
32 上側テーパ部
34 切頂チップ
100 LaB6単結晶
Claims (10)
- 六ホウ化ランタン(LaB6)カソードを形成するためのカソード形成方法において、
下側円柱部又は下側矩形部と、円錐形状面を有する上側テーパ部と、平坦面切頂チップと、を備える、LaB6単結晶のエミッタ構造を形成するステップと、
前駆体LaB6カソードを得るために前記切頂チップの平坦面をカーボンコーティングが無い状態に保ちつつ少なくとも前記上側テーパ部の円錐面にカーボンコーティングを塗布するステップと、
前記前駆体LaB6カソードを1×10−7〜1×10−8Torrの真空下で1700K〜2000Kの温度まで初期加熱を行うステップと、
前記初期加熱が施された前記前駆体LaB6カソードを周囲温度まで冷却するステップと、
周囲温度の前記前駆体LaB6カソードを、水蒸気を含む大気に晒すステップと、
LaB6カソードを得るために1×10−7〜1×10−8Torrの真空下において1700K〜2000Kの放出温度で前記前駆体LaB6カソードの第2の加熱を行なうステップと、
を備えることを特徴とするカソード形成方法。 - 前記水蒸気を含む大気の相対湿度が70〜95%であることを特徴とする請求項1記載のカソード形成方法。
- 前記水蒸気を含む大気に晒す時間が30分〜8時間であることを特徴とする請求項1又は2記載のカソード形成方法。
- 前記初期加熱の時間が6〜24時間であることを特徴とする請求項1〜3いずれか記載のカソード形成方法。
- 前記第2の加熱の時間が3〜6時間であることを特徴とする請求項1〜4いずれか記載のカソード形成方法。
- 前記前駆体LaB6の仕事関数値(WF1)と前記LaB6カソードの仕事関数値(WF2)との間の差が以下の関係式(3)、すなわち、
(3) WF1−WF2≧0.01eV
を満たすことを特徴とする請求項1〜5いずれか記載のカソード形成方法。 - 前記初期加熱から前記LaB6カソードを得るまでの方法の総時間が10〜36時間であることを特徴とする請求項1〜6いずれか記載のカソード形成方法。
- 前記水蒸気を含む大気が外気であることを特徴とする請求項1〜7いずれか記載のカソード形成方法。
- 前記水蒸気を含む大気がLaB6との反応に対して不活性なガスであることを特徴とする請求項1〜7いずれか記載のカソード形成方法。
- 前記不活性ガスは、アルゴンと窒素とから成る群から選択される少なくとも1つであることを特徴とする請求項9に記載のカソード形成方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US15/400,427 US9790620B1 (en) | 2017-01-06 | 2017-01-06 | Method of reducing work function in carbon coated LaB6 cathodes |
US15/400,427 | 2017-01-06 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018113250A JP2018113250A (ja) | 2018-07-19 |
JP6930906B2 true JP6930906B2 (ja) | 2021-09-01 |
Family
ID=60021728
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017235482A Active JP6930906B2 (ja) | 2017-01-06 | 2017-12-07 | カソード形成方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9790620B1 (ja) |
JP (1) | JP6930906B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10545258B2 (en) * | 2016-03-24 | 2020-01-28 | Schlumberger Technology Corporation | Charged particle emitter assembly for radiation generator |
US10679816B1 (en) * | 2016-07-08 | 2020-06-09 | Triad National Security, Llc | Thermionic cathode with a graphene sealing layer and method of making the same |
US10354828B1 (en) | 2016-07-08 | 2019-07-16 | Triad National Security, Llc | Photocathodes with protective in-situ graphene gas barrier films and method of making the same |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4055780A (en) * | 1975-04-10 | 1977-10-25 | National Institute For Researches In Inorganic Materials | Thermionic emission cathode having a tip of a single crystal of lanthanum hexaboride |
JPS57196443A (en) * | 1981-05-29 | 1982-12-02 | Denki Kagaku Kogyo Kk | Manufacture of hot cathode |
US4528474A (en) * | 1982-03-05 | 1985-07-09 | Kim Jason J | Method and apparatus for producing an electron beam from a thermionic cathode |
US7176610B2 (en) | 2004-02-10 | 2007-02-13 | Toshiba Machine America, Inc. | High brightness thermionic cathode |
US9165737B2 (en) | 2012-10-04 | 2015-10-20 | Nuflare Technology, Inc. | High-brightness, long life thermionic cathode and methods of its fabrication |
JP6087108B2 (ja) * | 2012-10-30 | 2017-03-01 | 株式会社ニューフレアテクノロジー | カソード選別方法 |
JP2014102929A (ja) * | 2012-11-19 | 2014-06-05 | Nuflare Technology Inc | カソード、カソードの製造方法 |
-
2017
- 2017-01-06 US US15/400,427 patent/US9790620B1/en active Active
- 2017-12-07 JP JP2017235482A patent/JP6930906B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US9790620B1 (en) | 2017-10-17 |
JP2018113250A (ja) | 2018-07-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI729157B (zh) | 電子發射裝置及方法 | |
JP6930906B2 (ja) | カソード形成方法 | |
JP5794598B2 (ja) | 六ホウ化金属冷電界エミッター、その製造方法及び電子銃 | |
TWI731202B (zh) | 用以電子發射的設備,方法及系統 | |
JP2008181876A5 (ja) | ||
JP4792404B2 (ja) | 電子源の製造方法 | |
TW202013410A (zh) | 用於具有一擴散障壁之電子發射器之金屬保護層 | |
JP2005190758A (ja) | 電子源 | |
US10593505B1 (en) | Low temperature, high-brightness, cathode | |
Swanson et al. | Recent progress in thermal field electron source performance | |
JP2009205800A (ja) | 電子源 | |
JP5363413B2 (ja) | 電子源 | |
JPWO2004073010A1 (ja) | 電子銃 | |
JP2008004411A (ja) | 電子源 | |
US10553388B1 (en) | High-brightness lanthanum hexaboride cathode and method for manufacturing of cathode | |
Shesterkin et al. | Carbon Materials in Heat-Loaded Units of Traveling Wave Tubes and Klystrons | |
US9251990B2 (en) | Method for producing a thermoelectron emission source and method for producing a cathode | |
JPH0612973A (ja) | 熱電界放射陰極の操作方法 | |
Hlahol et al. | Determination of zero field work functions of discharge lamp electrode materials | |
JP2005285550A (ja) | 電子源の製造方法 | |
Mitra | A small high current-density thermionic emitter | |
Schmidt et al. | Nanoemitter: ultra-high-resolution electron source for CD metrology | |
JP2001319559A (ja) | 電子放射陰極 | |
JP2006032195A (ja) | 電子放射源 | |
JPS63231842A (ja) | 電界電離型イオン源 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20201109 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210803 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210812 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6930906 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |