JPH0122699B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 説明の要約： 陰極の表面と接触する制御グリツドを有する電
子銃において、その制御グリツドの表面に窒化ホ
ウ素の薄い（１ミクロン以下）被覆をつけること
によつて、陰極からの望ましからぬ熱電子放射を
有効に抑制することが出来る。窒化ホウ素はそれ
自体低い熱電子放射性を持ち、且つそれに加え
て、窒化ホウ素層と接触するようになるバリウム
若しくはその酸化物などのような熱電子放射性物
質の被着を脱落させて無くする異常な能力を持つ
ている。最良の性能と最長の寿命を得るために
は、窒化ホウ素層は、それ自体電導性グリツドと
なる熱分解グラフアイトの層の上に被着される。

本発明は一般に望ましからぬ熱電子放射の抑制
に関するものであり、詳しく言えば、グリツド付
き熱電子源の制御グリツドからのこのような望ま
しからぬ熱電子放射の抑制に関するものである。
制御グリツドが陰極の電子放射面と接触する絶縁
性部材の上に実際に支持される場合には、グリツ
ドの温度はこのような条件の下で陰極温度に極め
て近い高温になるので、本発明はこのような場合
に特に適用できる。

このようなグリツド制御される電子源は、平面
電極三極管などのような高周波管の中や、ビーム
型マイクロ波管用の電子銃の中で使用される。高
周波用三極管の中の制御グリツドは、陰極グリツ
ド間の電子走行時間が最小にされるように、陰極
の表面に極めて接近していなければならない。

直線状ビーム・マイクロ波管用の電子銃やグリ
ツド制御電力増巾管の陰極などのようなその他の
グリツド制御される電子源においては、相互コン
ダクタンスや増巾定数を最大にするために、陰極
表面に極めて接近して置かれた網目の細かい制御
グリツドが使用される。このような電子管の或る
ものでは、グリツドからの望ましからぬ電子放射
の問題が、(1)電導性グリツドが薄い絶縁層のみを
介して陰極の表面上に実際に取付けられる処の接
着グリツド構造を使用することにより、また(2)デ
イスペンサー型陰極を使用することにより、更に
一層増大される。

接着グリツド構造を使用すると、グリツドが陰
極表面から間隔をあけて置かれる時に可能なよう
な低い温度ではなく、陰極温度に極めて近い温度
でグリツドが動作することが、事実上確かなこと
となる。

デイスペンサー型の陰極は電子放射性物質（典
型的なものとしては、バリウム若しくはその酸化
物）の蒸気を発生し、その物質は電子管の中の近
傍表面上に附着する。この望ましからぬ被着物は
その表面が陰極よりも充分低い温度にある限りは
特に有害なものではないが、その被着物の温度が
陰極温度に近付くと、それは可成りの大きさの制
御不可能な熱電子放射を生ぜしめることとなる。

接着グリツドは、それが陰極に極めて接近して
いるためと、典型的な場合にそれは陰極の温度に
極めて近い温度で動作するという事のために、デ
イスペンサー陰極の存在する場合の望ましからぬ
熱電子放射の問題を起し易い。

本願発明の発明者とアーリング・エル・リーン
（Erling L.Lien）との共同出願に係る〓接着制御
グリツドを有する熱電子源（Thermionic
Electron Source with Bonded Control Grid）〓
という発明の名称の1976年５月10日付で出願され
た米国特許出願第684689号には、制御グリツドが
比較的薄い絶縁層を用いて陰極の電子放射面上に
支持されその絶縁層が実際の制御グリツドと陰極
電子放射面との間に接着されている制着グリツド
陰極が、詳細に説明されている。この従前の電子
源においては、制御グリツドをチタンやジルコニ
ウムなどのような電子放射性物質で作ることによ
り、制御グリツドからの熱電子放射を充分に抑制
することが出来た。然しながら、多くの応用にお
いて、このような手段のみにより行われる熱電子
放射抑制の程度は不充分である。特に、何時間も
の使用の後には電子放射のレベルは動作の開始時
における電子放射レベルの何倍にもなるというよ
うに、その電子放射レベルは電子管の連続使用と
共に増大するという事が解つた。

本発明の一目的は加熱された電極からの熱電子
放射を抑制するための機構を提供することであ
る。

本発明の他の一目的は、制御グリツドからの熱
電子放射が著しく抑制される処のグリツド制御電
子源を提供することである。

上述の目的は、その表面からの熱電子放射を抑
制すべき表面を窒化ホウ素の薄い層で被覆するこ
とによつて達成される。詳しく言えば、熱電子放
射を抑制すべきグリツドの表面が窒化ホウ素の薄
い層で被覆される。好都合な一実施例では、熱電
子放射を抑制された制御グリツドは、電導性制御
グリツドとして働く熱分解グラフアイトの層で覆
われた窒化ホウ素などのような絶縁性物質のウエ
ーフアと、その熱分解グラフアイトを覆う窒化ホ
ウ素の薄い層とから成り、そのグリツド組立体は
孔をあけられており、陰極の熱電子放射面に対し
て接着されるか、又は締付けられる。

第１図は本発明による電子源の小部分の構造を
例示する。溶融されたアルミン酸バリウムを含浸
された多孔性タングステン地などのような熱電子
陰極１０は、酸化アルミニウムの層によつて絶縁
されたタングステン・ヒータ線のコイルによつて
加熱される（第３図に最も良く示されている）。
陰極１０の熱電子放射面１２は、その陰極から電
子電流を引出すために適当な正電位で動作する陽
極に対面するような形に作られている。

グリツド・ウエブ部材１１はその下地層の障壁
層１４を有してもよく、その障壁層は機械的締結
又は圧力下での熱拡散などによつて陰極の電子放
射面に直接に接合される。障壁層１４は、陰極１
０を劣化させることなく、また陰極１０とグリツ
ド・ウエブ１１の他の材料との化学的相互作用を
防止するような物質で作られている。層１４は、
熱及び圧力の存在の下で熱拡散により陰極に接着
する金属でもよいし、或いはそれは熱分解グラフ
アイトなどのような安定な形の炭素の層であつて
もよい。

下地層の障壁層１４には、例えば窒化ホウ素な
どのような絶縁材料の層１６が接着される。絶縁
層１６の上側には電導性の層１８が接着され、そ
の層１８は金属層でもよいが、好都合な一実施例
では、熱分解グラフアイトであることが望ましい
安定な形の炭素で作られる。層１８は層１６によ
つて陰極から絶縁され、制御グリツド電極として
働く。

ウエブ部材１１は網目の孔１９を持つた網をな
して接続されることが望ましく、その網目の孔を
通して陰極１０から電子電流が引き出される。第
３図から最も良く解るように、ウエブ構造の周辺
には積層体の巾の広いリングがあり、その積層体
の電導層１８は制御グリツドにバイアス電圧を供
給するための電導性コンネクタを形成する。

先に述べたように、好都合な一実施例では、層
１８は、良好な熱伝導度と電気伝導度とを有する
機械的に比較的安定な形の炭素である熱分解グラ
フアイトで構成されている。窒化ホウ素絶縁体の
表面上に熱分解グラフアイトの比較的高品質の層
を形成することは可成り専門化された技術であ
り、本願発明者は、熱分解グラフアイトの所望の
被覆を作ることを専門とする業者に窒化ホウ素ウ
エーフアを出して被覆させることにより、最善の
品質と最高の接着性とを持つ被覆が得られること
を発見した。本願発明者は、米国オハイオ州クリ
ーブランドのユニオン・カーバイド・コープレー
シヨン（Union Carbide Corporation）により、
また米国カリフオルニア州サンタ・フエ・スプリ
ングス、サウス・ノーウオーク・ブーリバード
11120番のスーパー・テンプ・カンパニー
（Super―Temp Company）により作られた被覆
に、必要とする品質を得ることが出来た。

本発明によれば、層１８からの熱電子放射を抑
制するために、電導性１８の表面上に窒化ホウ素
の追加の層２１が形成される。層２１は、その表
面が電導性１８の電位とは異つた表面電荷誘導電
位を発生する恐れのある純粋な絶縁体としてふる
まうことがないよう防止するために、適当な電導
度（漏洩による）が得られる程に充分に薄くされ
なければならない。本願発明者は、この点に関し
て、約１ミクロン以下の厚さの層２１を作ること
により良好な結果を得られることを発見した。障
壁層１４は１―50ミクロンの厚さ、絶縁層１６は
50ミクロンの厚さ、制御電極層１８は25ミクロン
の厚さとすればよい。ウエブ部材１１は巾20ミク
ロンでよい。ウエブ部材１１の間の網目の孔１９
は、グリツド・ウエブ部材１１を電子放射領域の
総ての部分に接近して維持しながら最大の開口面
積比率が得られるようにするために、細長い長方
形の形にすると好都合である。

第２ａ図は窒化ホウ素の絶縁シート２６の両側
に熱分解グラフアイト若しくは金属の層２２及び
２４を被着することにより形成された積層シート
２０の断面を示す。それから層２４の上面はそれ
を清浄化するためにイオン・スパツタ・エツチン
グ作用を受け、窒化ホウ素の約１ミクロンの層２
３が被着される。

第２ｂ図において、所望のグリツド・ウエブ構
造の形状を持つマスク２７がその積層シートの上
に置かれる。マスク２７は通常のフオト・エツチ
ング技術によつて形成された開口を有する金属シ
ートから成る。高圧空気のジエツトによつて噴射
される細かい研摩材粉末がマスク２７の開口２８
を通して積層シート２０の部分１９を切取り、元
のシート２０と同一構成の積層構造を有するウエ
ブ部材１１を残す。整列して置かれたマスクを通
して両側から切取ることによつて、精度を改善さ
れた研摩が実現された。

第３図は本発明の電子源を実施する平板電極三
極管を示す。この電子管は、鉄コバルト・ニツケ
ル合金などで作られた金属フランジ３６を介し
て、酸化アルミニウム・セラミツクなどで作られ
た円筒状セラミツク絶縁体３４に封着された、銅
などで作られた金属陽極３２によつて一部が構成
される、真空包囲壁３０を具備する。上記合金な
どで作られた電導性のフランジ３８が円筒状セラ
ミツク絶縁体３４と第２の円筒状セラミツク絶縁
体４０との間に封着される。フランジ３８は、モ
リブデン又はタンタル・タングステン・ニオブ合
金などで作られたスプリング導体４１によつてグ
リツド電極４２に接続され、そのスプリング導体
４１は、陰極１０′に固定されたグリツド４２の
位置に適合させるために充分な可撓性を持つてい
る。陰極１０′は金属製ヘツダー４４に対して機
械的且つ電気的に取付けられ、そのヘツダー４４
は第２の円筒状セラミツク絶縁体４０の下端を横
切つて封着されて真空包囲壁を完結し、また総て
の電極に対して高周波電流接触を行えるようにす
る。

陰極１０′は、酸化アルミニウムの被覆５０に
よつて絶縁されたタングステン線４８のコイルに
よつて形成される放射ヒータ４６によつて加熱さ
れる。ろう付けなどによつてヘツダー４４に封着
される絶縁された引込線５２が加熱電流を流す。

動作時には、同軸共振器などのような共振空胴
無線周波回路が、陰極フランジ５３とグリツド・
フランジ３８の間、並びにグリツド・フランジ３
８と陽極フランジ３６との間に接続される。これ
らの共振器（図示されていない）は、陽極３２に
正電圧を印加し陰極１０′とグリツド４２との間
にバイアス直流電圧を印加できるようにするた
め、直列バイパス・コンデンサを含んでいる。よ
り詳細に説明すれば、第３図で示す平板電極三極
管は、回路の２つのマイクロ波共振器の間で直接
結合していないため「グリツド接地」回路として
通常知られるマイクロ波回路に結合されるとき実
際に動作するものである。そのマイクロ波共振器
の一方は陰極とグリツドとの間の電界を支持し、
他方はグリツドと陽極との間の電界を支持する。
これらの回路は通常同軸共振器であり、主要部分
が円筒状共振空胴である。これら空胴は、三極管
の中心軸（第３図で垂直軸）である軸まわりの回
転形状をもつ。陰極対グリツド空胴は、その開放
端で陰極フランジ５３の周囲に接続した中空で中
心部の円筒状コンダクタを有する。その外部の中
空の円筒状コンダクタが、その開放端でグリツ
ド・フランジ３８の周囲に接続している。これら
の底端は、平板伝導環よつてマイクロ波のために
短絡される。この環は、代表的に誘電フイルムに
よつて隔てられた２枚の伝導シートから成つてい
る。その一方のシートはグリツド・フランジ３８
に直接接続しており、他方のシートは陰極フラン
ジ４４に接続していて、バイパス・コンデンサを
形成する。そのバイパス・コンデンサは、マイク
ロ波を短絡させるが、グリツド４２と陰極４６と
の間の直流バイアスのために絶縁をもたらす。増
幅されるべき入力マイクロ波信号は、信号源から
同軸伝送線の端部にある共振器の片側でカツプリ
ング・ループによつて同軸グリツド対陰極共振器
に結合される。共振器のマイク波短絡端は、空胴
の共振周波数に従つてしばしば軸方向に移動可能
である。変形同調方法は、空胴の内部に移動可能
な数個の誘電体又は金属を含む。回路の残部は、
その開放端でグリツド・フランジ３８及び陽極フ
ランジ３０に取り付けられた非常に類似した同軸
共振器である。その出力同軸伝送線は、電子管の
出力マイクロ波をアンテナのような有用なロード
（load）に結合するものである。この共振空胴無
線周波回路を有する平板電極三極管において、無
線周波駆動エネルギーが陰極１０′とグリツド４
２との間に印加されて、陰極１０′から陽極３２
への電子流を変調する。

本発明により実現し得る極めて小さい陰極対グ
リツド間隔を用いれば、陰極とグリツドとの間の
電子の走行時間は極めて短いので、極めて高周波
の信号を増巾することが出来る。同時に、陰極に
対するグリツド電極のしつかりとした支持方法
は、マイクロホニツク振動による変調をなくし、
またグリツド構造の変形による短絡を防止する。

第４図は、クライストロンや進行波管の中で使
用するためのグリツド制御される直線状電子ビー
ムを作るのに適した本発明による電子銃を例示す
る。陰極１０″は電子を陰極１０″の面積より可成
り小さいビームに収束するための凹球面状電子放
射面１２″を有している。グリツド４２″は第３図
の平面電極三極管における全く同様に、陰極１
０″に対して接着される。窒化ホウ素シート２
６″は化学蒸着法などによつて球面キヤツプとし
て形成され、それから複合グリツド４２″が平板
状グリツドに対して上に説明されたようにして作
られる。電子銃のその他の部品は、陽極５４がビ
ーム軸に関して対称で中心孔５６を有する凹み形
電極であり、その中心孔５６を電子ビーム５８が
通過してマイクロ波管中で使用されるという事を
除いては、第３図の三極管の部品と同様である。

本発明による窒化ホウ素の熱電子放射抑制層
は、約25.4ミクロン（１ミル）の厚さの熱分解グ
ラフアイトから成る好都合なグリツド層１８の上
に被着される時には、グリツドが陰極の面と接触
している時でも、多数の孔をあけられたグリツド
の表面からの熱電子放射の極めて有効な抑制作用
を結果的に生ずることを、本願発明者は発見し
た。実際に、本願添附図面の第４図に例示された
ものに相当する電子管中で1500時間以上の動作を
行つた後に、そのグリツドからの測定し得る程の
熱電子放射は存在しなかつた。金属タングステン
若しくはモリブデンなどのようなその他の制御グ
リツド材料の上に被着された窒化ホウ素の同様の
層を用いた実験では、熱電子放射が電子管の連続
動作と共に増加するけれども、そのグリツドから
の熱電子放射の初期抑制作用はやはり優れたもの
であつた。

本願発明者は、熱電子放射抑制層としての窒化
ホウ素のこの優れた性能は、陰極表面から絶えず
放出されるバリウム及びその化合物が少くとも通
常の電子管の動作で遭遇するような温度では窒化
ホウ素に附着するようには見えないという事実に
よるものと考える。窒化ホウ素熱電子放射抑制層
が熱分解グラフアイト制御グリツド層の上に被着
される時にその性能が更に向上することは、現在
の処では、理論的に説明することが出来ない。

本発明のその他の多数の実施例や用途が当該業
者には明らかであるから、上述の実施例は単に例
示的なもので限定的なものではない。特に、窒化
ホウ素熱電子放射抑制用被覆は、電子管やその他
の関連装置において多くの用途を見出すものと期
待される。従つて本発明は先の特許請求の範囲の
記載と、それに対する特許法上の均等物にのみ限
定されるべきものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電子源の断面を示し、第
２図（第２ａ図及び第２ｂ図から成る）は第１図
の電子源を製造する段階を例示し、第３図は本発
明の平面電極三極管の実施例を例示し、第４図は
直線状ビーム・マイクロ波管に使用するための本
発明を実施する収束性ビーム電子銃を例示する。 １０……熱電子陰極、１１……グリツド・ウエ
ブ部材；１２……熱電子放射面；１４，２２……
障壁層；１６，２６……絶縁層；１８，２４……
制御グリツド電極（電導性の層）；１９……網目
の孔；２１，２３……窒化ホウ素層；２０……制
御グリツド積層構造体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子放射面を有する熱電子陰極と、多数の孔
   をあけられた絶縁層と、前記電子放射面を覆う多
   数の孔をあけられた制御グリツドとを具備するグ
   リツド制御電子源であつて、 前記制御グリツドは前記絶縁層によつて前記熱
   電子陰極から電気的に絶縁された多数の孔をあけ
   られた電導性の層から成り、 前記絶縁層は前記制御グリツドに接着されてい
   て且つ前記陰極と前記グリツドとの化学的相互作
   用を防止する障壁層を有し得るもので、 前記導電性の層の前記陰極から遠い方の表面は
   窒化ホウ素の薄層で被覆されていることを特徴と
   するグリツド制御電子源。 ２ 前記障壁層は機械的な締結又は圧力下での熱
   拡散によつて前記陰極の電子放射面に直接に結合
   されている特許請求の範囲第１項記載のグリツド
   制御電子源。 ３ 前記多数の孔をあけられた電導性の層が炭素
   の層である特許請求の範囲第１項記載のグリツド
   制御電子源。 ４ 前記炭素の層が熱分解グラフアイトで作られ
   ている特許請求の範囲第３項記載のグリツド制御
   電子源。 ５ 前記窒化ホウ素薄層が１ミクロン以下の厚み
   を有する特許請求の範囲第１項記載のグリツド制
   御電子源。 ６ 前記絶縁層が窒化ホウ素から成る特許請求の
   範囲第１項記載のグリツド制御電子源。 ７ 前記障壁層が前記電子放射面に接着した金属
   である特許請求の範囲第２項記載のグリツド制御
   電子源。 ８ 前記障壁層が安定な形の炭素の層である特許
   請求の範囲第２項記載のグリツド制御電子源。