JP6947436B2 - 同軸型電子銃 - Google Patents

Description

本明細書の発明は、新規の素材およびコーティングの製作の分野であり、電子ビーム技術の装置、特に、真空または反応性ガス雰囲気中での材料の電子銃加熱、電子銃溶解、および電子銃蒸着用に設計される電子銃に関する。

直線状（linear）の熱陰極を備えた熱電子銃はすでに公知であり、特に、これらは特許文献１（B.A. Movchan, V.A. Timashov, Ye.L. Piyuk）、特許文献２（B.A. Movchan, O.Ya. Gavrilyuk）、特許文献３（V.A. Timashov, O.L. Zhdanov, S.I. Ryabenko, A.A. Tsepkalov, S. Berns）、および他の文献の発明についての特許に記載されている。これらの構造は、ビームガイド、加速陽極、ならびに、マウントまたは陰極板、絶縁体、陰極ホルダ、および集束電極を備える陰極アセンブリを特徴としている。集束電極は、直線状熱陰極と同軸に配置されており、そのために、これらの電子銃は同軸型（axial）銃と名付けられている。

さらに、同軸型電子銃は、ガスタービンエンジンのタービンブレード上に熱絶縁特性を有するＺｒＯ₂、Ｇｄ₂Ｏ₃または他の酸化物を基材とするセラミック材料を電子ビーム蒸着するプロセスにおいて広く使用されている。大量生産の量での新規の材料およびコーティングの製作は、均一な物理的および機械的特性ならびに同一の性能を有する最終製品を得ることを想定している。これらの要求は、その極めて長い寿命中に、技術的プロセスパラメータを一定に維持する場合にのみ遵守され得る。

現在、既知の設計の電子銃の安定した動作は、陰極の作用表面に関して結晶成長軸の精緻な配列を有する単結晶タングステンから作製された陰極を使用されることによって確保され得る。これは、かかる銃の使用により製作される製品だけでなく、銃自体の高コストを招来する。より安価な多結晶タングステンから作製される陰極が適用される場合には、いくつかの問題が生じる。高温の影響下では、陰極はその形状を変化させ、銃の電子光学系において、これは当初の位置からの変位を招来し、電子ビームの焦点および位置を変化させる。これらの影響により、電子ビームは、その後の銃の加速陽極の溶解および閃光を伴って、ビームガイドの内部部分に衝突することがある。そのうえ、同軸電子銃のパラメータの安定性および動作の信頼性は、著しく低下する。

このように多結晶タングステンの直線状の熱陰極を有する電子銃の既知の設計の一般的な不具合は、電子銃の光学軸に関する、陰極の高温変形に起因する電子ビームの軸ずれ（misalignment）およびその位置変化による、これらの動作の低い安定性である。そのため、開示される本発明の目的は、これらのパラメータの安定性を確保することによって、電子銃の動作の安定性を向上させることである。ユナイテッド・テクノロジーズ・コーポレーションに帰属する特許文献４のV.A. Timashovおよび共著者によって設計された同軸型電子銃が、原型（prototype）として選択されている。

ウクライナ特許出願公開第２１４４０号明細書 ウクライナ特許出願公開第４３９２７号明細書 ウクライナ特許出願公開第９３１８２号明細書 米国特許第８１５９１１８号明細書 米国特許第３５５６６００号明細書

開示される本発明の技術的課題は、多結晶タングステンの補助陰極が使用される場合に、同軸型電子銃の広範囲の動作電圧において安定した電子ビームを確保することである。

本発明は、電子銃を開示し、特に、１次陰極と、２次陰極とを備え、同軸型銃の電子ビームに対する２次陰極の安定位置が突出形状ホルダの使用により維持され、パルス電圧が陰極間に印加される設計を特徴とする。同軸型電子銃（図１）は、偏向装置（２）と、集束コイル（４）および交換可能な陽極（５）を含む加速陽極（３）の水冷体と接合するためのフランジと、を備えるビームガイド（１）からなる。陰極プレート（７）は、３つの高圧絶縁体（６）を介して加速陽極（３）上に取り付けられ、陰極アセンブリ（８）は、陰極プレート（７）上に取り付けられている。

陰極アセンブリ（図２）は、熱遮蔽体（１４）によって保護されたタングステンワイヤ１次陰極（１３）の部分において、２つの電流リード（１１）が２つの面状セラミック絶縁体（１０）を介して取り付けられた本体（９）を示し、１次集束電極（１５）は、クランプ（１２）の使用によって電流リード（１１）に取り付けられている。２次（主）集束電極（１９）もまた、結合ナット（１６）、熱遮蔽体（１７）、およびクランプ（１８）を介して本体（９）に固定されている。２次（主）電極（２０）は、その円筒状の側面上にリング形状の溝を有しており、タングステンワイヤから作製された所定形状（figure-shaped）のホルダ（２１）の使用により、２次集束電極（１９）とクランプ（１８）との間に取り付けられており、平面正三角形（図３ａ）、四角形（図３ｂ）、五角形（図３ｃ）、または六角形（図３ｄ）の形状にされている。このホルダ（２１）は、２次集束電極（１９）の孔の溝内において、２次陰極（２０）の位置をセンタリングして固定することを保証する。

特許文献４に記載された原型の電子銃において、２次陰極は、円形リングの使用によって、集束電極とクランプとの間に取り付けられている（図４）。ウェスティングハウス・エレクトリック・コーポレーションに帰属する特許文献５に記載された同軸型電子銃および同類の装置は公知である。これらの装置において、２次電極は、直径１ｍｍ以下の棒
状の３つの薄肉のタングステン捩り体（tungsten torsion）の使用によって固定されており、互いに対して１２０°の角度で陰極の外側面上において対応する孔に取り付けられている（図５）。

明記された技術的課題は、平面正三角形、四角形、五角形、または六角形の形態の所定形状のセンタリングホルダによって、陰極を円形状のセンタリングリングと交換するか、または陰極を棒状の捩り体と交換することによって、解決されている。２次陰極は、円筒状の側面上にリング溝を有する。集束電極もまた、対応する陰極のマウント板の深さおよび直径の溝を有する。所定形状のホルダは、陰極の溝上に載置され、その後、ホルダを有する陰極は、付加的なクランプに固定される集束電極の溝内に載置される（図６）。具体的な形状のホルダの選定は、２次陰極および集束電極に対する直径比に依存する。加熱の際に、多結晶の２次陰極は変形する。しかしながら、ホルダ面は、陰極形状の変化を補償するバネとして作用し、同軸型銃の電子ビーム軸に対する陰極の位置を維持し始める（図７）。著者により実施された研究は、この新規の所定形状のホルダが、熱膨張および熱収縮の両方によるタングステン陰極の大きさの変化を補償することを示している。この技術的解決策は、粉末加圧法によって製作されるより安価なタングステン陰極を成功裡に適用することを可能とする。

リング溝とリング状の形にされた固定電極とを有する２次陰極（図４）が使用された際に、陰極の変形の結果として電子ビーム集束の損失により、生産プロセスの度々の中断が認められている。そのうえ、いくつかの場合において、陰極は、抜け落ちてＨＶ電源を短絡させ、技術的プロセスの完全停止を招来し、予備の銃の使用さえも不可能となっていた。結果として、プロセスチャンバの内側に設置された全部品が、再処理（コーティングの除去と再適用）の対象とされる必要があった。さらに、セラミックコーティングの蒸発プロセスの最後には、リング状の形にされた固定ホルダとリング溝の領域内の２次陰極との間の空隙の汚染物の疑似影響（spurious effect）が認められた。この影響は、作業チャンバ（成膜チャンバ）と銃付帯チャンバとの間の残余の酸素圧の差によるものであった。一般的に、熱抵抗セラミックは、室温では誘電体である。そのため、リングホルダと２次陰極との間の比較的均一な空隙内での誘電体層の形成は、同軸型銃がオフにされて完全に冷却された後に、この誘電体層の破壊および２次陰極上での定格電位−２０ｋＶの回復にかなりの時間が必要とされるという状況を招来していた。

３つの捩り体によって固定された２次陰極が使用された際に（図５）、陰極および捩り体自体の変形による電子ビーム集束の中断が、電子銃の短い動作の後に生じていた。そのうえ、これらの変形は、電子銃の光学軸に対する陰極の位置の変化を伴っていた。集束の中断により、増大した数の電子が加速陽極に衝突し、度々の加速電圧の放電を生じていた。そのうえ、セラミックインゴットの蒸発率は著しく減少し、部品へのセラミックコーティングの蒸着時間は増加していた。

２次陰極がリング溝および平面正三角形状のホルダによって固定された場合（図６）、同軸型電子銃の動作の安定性の著しい向上が、陰極の全推定寿命に対して達成された。

銃の推定寿命の終了までに、電子ビーム集束のいくらかの劣化が、陰極の物理的劣化に起因して認められた。しかしながら、加速電圧の放電の頻度と同様に、集束は、許容限界内のままであった。平面正三角形状のホルダの使用は、ホルダと陰極との間の空隙内での幾何学的増加を許容する。結果として、空隙上でのコーティングの偽蒸着の影響の著しい低下が達成され、定格モードに入る前であって同軸型電子銃の冷却が完了した後の偽誘電体層の除去のための時間損失が、円形状のホルダと比較して著しく低減された。

ホルダ形状の最適化へのさらなる研究は、規則的な形状（四角形、五角形、または六角形）の陰極ホルダへの適用はまた、１００時間以上の陰極寿命を保証するという結論を導いている。そのうえ、電子銃の故障確率は、全ての場合において、１０パーセント以下であった。四角形、五角形、または六角形のホルダ形状について、同軸型銃に対するホルダ形状と故障確率との間の明らかな相関の欠如は、もっぱらタングステンワイヤの品質およびホルダ作製の製造性によることが立証されている。この場合、用語「製造性」は、規則的な平面幾何学形状（三角形、四角形、五角形、または六角形）のホルダが作製される際に、表面クラックの形成なしに、特定の直径のタングステンワイヤの特定の角度の曲げを保証する設備の能力に関連がある。

実験はまた、以下のことを立証している。その直径（そして結果として、その体積）に応じて２次陰極のホルダの最適形状が存在する。プロセスの開始時およびセラミック材料の集中的な蒸発の定常状態プロセスの段階の両方におけるホルダ形状と同軸型電子銃の動作信頼性との関係の観点と、銃チャンバ内の０．６７Ｐａ（５×１０^-3Ｔｏｒｒ）以下の残余の酸素圧でのホルダと２次陰極との間の空隙におけるセラミック層の疑似成膜を考慮すると、陰極の直径とホルダ形状との最も有効な組合せは以下の通りであることが、実際に立証され、明らかにされている。
８〜１０ｍｍの陰極の直径の場合には三角形
１０〜１４ｍｍの陰極の直径の場合には三角形または四角形
１４〜１６ｍｍの陰極の直径の場合には四角形
１６〜１８ｍｍの陰極の直径の場合には五角形
１８ｍｍ以上の陰極の直径の場合には六角形

安定化された一定電圧は、通常、２次電極の電子衝突のために使用される。しかしながら、１次電極（１３）と２次電極（２０）との間の小空間および不充分な真空レベルにより、イオン−プラズマ放電が陰極間に生じることがある。これらの放電は、２次陰極の無制御の加熱および電子銃ビーム電流の無制御の上昇を招来する。このプロセスを防止するために、我々は、２次電極（２０）の電子衝突のためにパルス電圧を印加することを提案する。この電圧は新たに生じるプラズマアーク放電を抑制するであろうし、同軸型電子銃内での無制御のプロセスが防止され、電子銃の動作がより安定になるであろう。比較的大きな体積の２次陰極（２０）によって、パルス衝撃電圧は、その温度の対応するパルス変化を生じさせず、結果として、電子銃のビーム電流の振動は生じないであろう。

開示される本発明は、以下に示す図面を参照することにより、一層理解されるが、これに限定されるものではない。

同軸型電子銃の主要な構造要素の縦断面である。 陰極のアセンブリの構造の縦断面である。 ２次陰極に対する平面正多角形の形状にされたホルダの位置である。 ２次陰極に対する平面正多角形の形状にされたホルダの位置である。 ２次陰極に対する平面正多角形の形状にされたホルダの位置である。 ２次陰極に対する平面正多角形の形状にされたホルダの位置である。 Ｏリングの使用による２次陰極の設置の概要の縦断面および横断面である。 棒状捩り体ホルダの使用による２次陰極の設置の概要の縦断面および横断面である。 平面正三角形の形状にされたホルダの使用による２次陰極の設置の概要の縦断面および横断面である。 平面正三角形の形状にされたホルダの使用による２次陰極の高温変形の補償である。 同軸型電子銃の動作時間と２次陰極との固定方法との関係の表である。

陰極アセンブリ（図２）を備える同軸型電子銃（図１）は、以下のように動作する。２０〜８０Ａの範囲の加熱電流がタングステンワイヤの１次陰極（１３）に流れて加熱するように、４〜１０ＶＡＣの交流電圧が、電流リード（１１）に印加される。−０．５〜２．５ｋＶの範囲の衝撃電圧が、１次陰極（１３）と２次陰極（２０）との間に印加される。１次陰極から放出された電子は、２次陰極に衝突して２次陰極を約２８００℃の温度に加熱する。２次陰極（２０）の加熱度合は、１次陰極（１３）の加熱電流および衝撃電圧に依存する。１８〜３０ｋＶの範囲の加速電圧が、平面正多角形の形にされたホルダに固定された２次陰極（２０）と陽極（５）との間に印加される。この電圧の影響下において、電子は陰極（２０）を出て集束電極（１５）により集束され、加速陽極（５）中の孔を通過して同軸型電子銃（１）のビームガイドに進む。このように形成された電子ビームは、集束コイル（４）によって付加的に集束され、偏向装置（２）によって適切な方向に偏向される。偏向装置はまた、電子ビームの走査（scanning）を行う。１次陰極（１３）の加熱電流値を変更するようにして、２次陰極（２０）の衝撃電流値を制御し、また銃のビーム電流も制御することが可能である。

図８は、同軸型電子銃の動作時間と２次陰極との固定方法との関係の表を示している。
１．リング状の形にされたホルダによる陰極の固定
２．３つの別個の捩り体による陰極の固定
３．開示された正三角形状のホルダによる陰極の固定

提示された表は、開示された技術的解決策が、原型と比較する場合には、３倍およびそれ以上、捩り体による２次陰極の固定と比較する場合には、約１．５倍、正常モードで動作する同軸型電子銃の作業期間（work duration）の増加を保証することを示している。

Claims (3)

1. １次陰極、２次陰極、集束電極、加速陽極、ビームガイド、集束コイル、偏向装置、電源装置、真空装置を備える同軸型電子銃であって、
   多結晶タングステンワイヤから作製され、平面視で閉じた正三角形、四角形、五角形、または六角形の形態の前記２次陰極の所定形状のホルダが用いられ、前記２次陰極の前記所定形状のホルダが、前記２次陰極の円筒状の側面上のリング溝において、その側方で載置され、前記集束電極の内側のリング溝において、その頂点で載置される、
   ことを特徴とする、同軸型電子銃。
2. 前記２次陰極の前記所定形状のホルダが、
   ８〜１０ｍｍの直径を有する前記２次陰極に対して、平面視で閉じた三角形、
   １０〜１４ｍｍの直径を有する前記２次陰極に対して、平面視で閉じた三角形または四角形、
   １４〜１６ｍｍの直径を有する前記２次陰極に対して、平面視で閉じた四角形、
   １６〜１８ｍｍの直径を有する前記２次陰極に対して、平面視で閉じた五角形、
   １８ｍｍ以上の直径を有する前記２次陰極に対して、平面視で閉じた六角形
   である、請求項１記載の同軸型電子銃。
3. 前記２次陰極の電子衝撃に対して、パルス電圧が、前記２次陰極と前記１次陰極との間に印加される、請求項１記載の同軸型電子銃。

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