JPH02250251A - 電子ビーム装置用カソード・ヒータ組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子装置に関し、さらに詳しくは、電子ビー
ム装置用カソード・ヒータ組立体に関する。

本発明は電子技術において利用でき、特にプラズマイン
ジェクタ又は粒子加速器のような大電流電子ビームを発
生する装置に関する。

〔従来の技術〕

電子ビームを整形するマスクの取付けおよびそのエミッ
タをカソード／ヒータ組立体に隣接させる工程は、カソ
ードおよびヒータ組立体の製造工程における最も複雑な
工程の一つである。特に、水平に取り付ける組立体の場
合におけるように、エミッタが自重により下降してしま
うような場合にそうである。

エミッタおよびマスクの取付けを信頼性のあるものとし
たようなカソードおよびヒータ組立体があるが、これら
組立体の構造では、カソードおよびヒータ組立体を電子
装置から引き出してそれを完全に分解しなければ、エミ
ッタを交換することができない（そのエミッタの使用寿
命が尽きたときに）。カソードおよびヒータ組立体は、
高い温度（約１６００℃）で動作しているので、それら
の取付は部品は、分解中に変形したり壊れてしまうこと
がある。従って、もしマスクの取り付けを信頼性よく行
え、しかもエミッタの交換をすばやく容易に行えるもの
があれば、カソードおよびヒータ組立体の全体の信頼性
を高いものとすることができよう。

従来、エミッタを収容するためのリング溝を開放端に有
した円錐状側面を持ったカップ状に形成された耐火性金
属カーバイトまたはグラファイトヒータが組立体本体に
取り付けられたようなカソードおよびヒータ組立体（Ｓ
ｔｌ、Ａ、３７６８２５）が知られている。

組立中に、エミッタは、ヒータにしっかり゛と固定され
るが、エミッタの形成材料（例えば、ヘキサホウ化ラン
タン）とヒータの形成材料（グラファイト）との間の熱
膨張係数の差のだ給に、ギャツブが形成され、大きなギ
ャップの場合には、エミッタがその取り付は位置から下
降してしまうことがある。このために、この種のカソー
ドおよびヒータ組立体は、電子ビーム装置を垂直に取り
付ける場合にしか動作し得ないものとなってしまい、ま
た、性能上の信頼性が低いものとなってしまう原因とな
る。

故障の場合において、エミッタを交換するときには、カ
ソードおよびヒータ組立体の全体を電子ビーム装置から
取り外さねばならず、このために、もろいグラファイト
で形成された部品が破損してしまうことがある。

また、従来、本体が螺旋状ヒータおよび垂直に取付けら
れた円筒状室を収納し、その室内にエミッタを取り付け
、たようなカソード組立体（ＰＲ，Ａ。

２３９５６００）も知られている。この室の底部には、
エミッタの直径より小さな直径の穴が設けられていおり
、そのエミッタは、その室の底部にのり、リングスプリ
ングによってその底部へ押しつけられて、信頼性のある
エミッタの取り付けとされている。その室の底部のその
穴は、マスクとしても作用し、すなわち、電子ビームを
必要とされる断面に整形する。

カソードおよびヒータ組立体のこのような構造によれば
、エミッタの取付けが信頼性のあるものとされるが、エ
ミッタを交換する場合に、組立体を完全に分解しなけれ
ばならない。

エミッタを固定するリングスプリングは、ヒータに直接
的に面しているので、その形成材料が結晶化してしまう
ような高い温度にさらされ、したがって、その弾性特性
が失われてしまい、分解中に破損してしまいがちなもの
となってしまう。その他の場合には、リングスプリング
は、室壁に溶接される。

さらに、室の底部におけるエミッタ側部からのリムは、
電極間ギャップが電気的破壊をより生じ易いものとしま
う。

この技術で広く知られている電子ビーム装置のカソード
・ヒータアセンブリ　（Ｖ、　Ｖ、グレボッフＶ、Ｖ、
グラツバ等、「マルチ・ビームインジェクタにおけるビ
ームリラクゼーションとコンプレッション」、ロシア、
トムスフ、１９８４年、大電流エレクトロエックス第５
回全ユニオン・シンポジウムで提出された報告書）は、
グラファイトヒータとヒータエミγりとディスクの形の
グラファイト・マスクを同軸に且つ順次に配置し、収容
したボデー、そしてこのボデーヘマスクとエミッタとを
固定する手段とを備えている。

この既知のカソード・ヒータアセンブリの設計では、マ
スクとエミッタとをボデーへ固定する手段は、エミッタ
に対して同軸に取りつけた円錐内面を有するシリンダで
あり、エミッタに対して同軸に取り付けられ、マスクは
それの大きい方の端に右いてシリンダの一体部分を構成
している。

このカソード・ヒータアセンブリのボデーはフランジ付
のカップであり、フランジには円錐リングボスを設けて
いる。最大軸方向高さを有するシリンダ壁の周囲の厚み
のある部分はビンでカップのフランジへ固定され、それ
のボスとだけに接触して熱損失を減少するようにしてい
る。

ヒータは、エミッタの作動しない側に嵌めたグラファイ
トのヘリックスである。

上に説明したアセツブの設計から明らかなように、マス
クとエミッタを固定する手段は加工するにはやや吹く、
しかもボデーへ要素を適合させるには精密な加工を必要
とする。高温で実際に作動させている間にピンはグラフ
ァイトシリンダの壁に溶着することがある。エミッタを
取り替えるに必要な解体中ネジを損傷してしまうことが
ある。

これらのことが、この既知のカソード・ヒータアセンブ
リの信頼性を不十分なものとしている。

〔発明が解決しようとする問題〕

本発明が提供しようとする電子ビーム装置のカソード・
ヒータアセンブリはマスクとエミッタをアセンブリに固
定する手段を有し、そしてヒータを有しており、アセン
ブリボデーにおける、マスクとエミッタの固定について
の高い信頼性を保証し、そしてカソード・ヒータアセン
ブリを解体することなくアセンブリのエミッタの取り替
えを簡単化している。

〔問題を解決するための手段〕

この解決のため、ヒータと、その上に順次に同軸にエミ
ッタとディスク形状のグラファイトマスクとを配して収
容しているボデーと、マスクとエミッタとをボデーへ固
定する手段とを備えている電子ビーム装置のカソード・
ヒータアセンブリにおいて、本発明に従ってマスクとエ
ミッタとをボデーへ固定する手段は円錐側面を有するス
プリットグラファイトリングであって、マスクの外側に
配置され、それの側面に対して間隙を設け、リングの大
きなベースはエミッタに面しており、リングの内側面に
マスクに係合するベースを設け、それの内側面には開端
にリング溝を設けてエミッタとスプリットリングとを収
容し、リング溝側面はエミッタの側面とスプリットリン
グの円錐外面とにそれぞれ一致する２つ部分を有する。

スプリットリングとマスクとの軸方向の厚みが同じであ
るのでこれらの部品を一体にするのに適している。

スプリットリングの内面のボスはそれの自由端に対して
対称に配置されているということは合理的である。

マスクに円錐側面を設：す、そしてマスクの大きなベー
スはエミッタに面し、そしてスプリットリングは円錐側
面を有し、マスクの円錐側面とスプリッ）　ＩＪソング
円錐内面との共通軸と母線との間の角度は実質的に等し
くなっているが、このようにしているのは有利だからで
ある。

スブリッ）　ＩＪソング円錐外面の母線とそれの軸との
間の角度はπ／９からπ／７の間にあるが、このように
するのが適当である。

マスクの円錐側面とスプリットリングの円錐外側面との
間のギャップは次の関係に従って決められるのが好まし
い。

１．５ｈｔｇψ≦ａ≦６．１０−’Ｄ２／（ｂ　＋　ｈ
　ｔｇψ）ここで、ａ：マスクの円錐外側面とスプリッ
トリングの円錐外側面との間のギャップ、 ψ：スプリッ）　ＩＪソング円錐外側面の母線と軸との
間の角度、 ｈニスブリットリングの厚さ、 Ｄニスブリットリングの小さい方の底部の外周、 ｂニスブリットリングのより小さい方の底部の半径方向
幅。

マスクの円錐側面とスプリッ）　ＩＪソング円錐内側面
の母線とそれらの共通軸との間の角は次の式に従って決
められることが好ましい。

ａｒｃｔｇ（ａ／Ｈ）　　≦Ｔ≦ａｒｃｔｇ　（４ａ／
３ｈ）ここで、γ　はマスクの円錐側面とスプリットリ
ングの円錐内側面の母線とそれらの 共通軸との間の角。

〔実施例〕

本発明はその詳細な実施例及び添付図面を参照してより
詳細に以下に説明される。

電子ビーム装置用カソード及びヒータアッセンブリは、
スリットを有する円錐カップとして設計されたグラファ
イトヒータ２を収容するボディー１　（第１図）を有し
ている。このカップの内側面には、そのカップの端部に
リング状の溝３が設けられている。例えばランタンへキ
サポライド（ｌａｎｔｈａｎｕｍ　ｈｅｘａｂｏｒｉｄ
ｅ）から成るエミッタ４及びグラファイトマスク５はヒ
ータ２上に同軸且つ順次重ねて設置されている。マスク
５とエミッタ４は、円錐側面を有するスブリットグラフ
ァ、イトリング６として設計される固定手段によって固
定される。スプリットリング６はマスク５の側面に対し
てギャップ“ａ”を有して嵌まっており、エミッタｌの
より大きい方の底部と対面している。

エミッタ４及びスプリットリング６を収納する溝３は、
エミッタ４の側面及びスプリットリング６０円錐側面と
一致する二つの部分を有している。

この実施例において、スプリットリング６とマスク５と
は単体として一体化されており、軸に沿って等しい高さ
“ｈ”を有している。この設計手法は、スプリットリン
グ６をヒータ２の溝３内にマスク５に沿ってマウントす
る際に、適切な曲げ強度、張力及び圧縮力を有するので
、能率的な生産に最も適している。

マスク５にはリングスリット７が設けられており、電子
を発散ビームに形成する。ホゾイーｌは耐熱金属、例え
ばタンタルから形成されており、スクリーン８を有して
いる。電気絶縁材料としては例えばボロン含有窒化炭素
がある。

スプリット・リング６の円錐状外表面の傾斜角度φは、
実験的に決定されているが、π／９ないしπ／７の範囲
に設定されるべきである。この下限値より角度が小さい
と、スプリット・リング６およびマスク５を、ヒータ２
の溝３の内側に、たとえば、カソードおよびヒータアセ
ンブリの水平取り付は部に、保持するのに、摩擦力が不
適当になることが判明している。また、角度がπ／７を
越えると、スプリット・リング６を組み立てる際に、製
造上の問題が生ずる。

マスク５は、円錐状側面を有しており、マスク５の円錐
状側面およびスプリット・リング６の内側面の母面の共
通軸に対する傾斜角度γは、実質的に等しく、ギャップ
“ａ″を通しての直接的視線の不存在の要求により、カ
ソードおよびヒータアセンブリの作動中に、このギャッ
プを、電子が通過しないように、決定される。角度γの
値は、次式により定義される。

ａｒｃｔｇ　（ａ／ｈ）≦γ≦ａｒｃｔｇ（４ａ／３ｈ
）　・・・（１）この下限値に一致する場合には、マス
ク５０大きい方のベースおよびスプリット・リング６の
小さい方のベースが、エミッタ４の軸と平行な直線上に
、確実に位置し、上述の直接的視線が確実に存在しなく
なる。

角度Ｔの上限値は、エミッタの作動領域が、少なくとも
ギャップ“ａ″の１／３だけ確実に重なるという条件が
満足されるように、実験的に決定゛される。

マスク５の形状は、それによって形づけられる電子ビー
ムの径およびカソードならびにヒータアセンブリが使用
される装置の電子光学から定まるその厚み６ｈ”に基づ
いて、設計される。

スプリット・リング６の小さい方のベースの外径Ｄ１小
さい方のベース面内のスプリット・リング６の半径方向
の幅“ｂ”およびギャップ“ａ″は、これらのパーツに
所望の機械的強度を与えるという観点から決定される。

スプリット・リング６およびマスク５の取り付けを容易
にするため、スプリット・リング６の円錐状外表面には
、くぼみ１０（第２図参照）が設けられている。スプリ
ット・リング６は、ヒータ２への取り付は中、その内面
が、くぼみ１０近傍のマスク５の側面と接触するまで、
圧縮される。

このために、ギャップ“ａ″は、ｈ−ｔｇφより大きい
ことが要求される。実験によれば、ギャップａ”は、１
．５ｈ−ｔｇφを越えているべきであり、そうすること
により、マスク５のスプリット・リング６への取り付け
および取り外しが容易になる。

スプリット・リング６の自由端間の間隔は、機械的強度
を考慮し、スプリット・リング６が、くぼみ１００部分
で曲がる量およびグラファイトの弾性係数に対する許容
引張り応力の比を考慮すると、ギャップ“ａ”をその上
限値に設定したとき、少なくとも、２ａであるべきであ
る。したがってギャップ″′ａ”は、次式にしたがって
決定される。

１．５ｔｇφ≦ａ≦６．１Ｏ−３Ｄ’／　（ｂ＋　ｈ　
ｔｇφ）・　・　・（２） これより、ａ≠０では、 １．５ｔｇ　　φ　＝１．１０″′３　Ｄ２／（ｂ＋　
　ｈ　　ｔｇ　　φ）であり、′ｂ″の寸法の上限値は
、 ｂ＝　（４，１（１’″３Ｄ”／　ｈ　ｔｇφ）　−ｈ
ｔｇφ・　・　・　・（３） となる。

“ｂ”の下限値は、機械的強度を考慮して決定される。

計算によれば、”ｂ”の下限値は、その上限値よりオー
ダーが小さく、エミッタ４の重量に依存する。

本実施例においては、スプリット・リング６の内側面上
のボス１１　（第２図参照）は、スプリット・リング６
の両自由端に対して、対称的に位置しており、その輻“
Ｈ”は、機械的強度を考慮して決定される。

マス゛り５には、３つの半径方向に延びるストラップ１
２を備えたリング・スリット７が設けられている。他の
実施例においては、スリット７の形状およびストラップ
１２の数は、異なっていてもよ（、要求される電子ビー
ム断面の形状によって決定される。

この発明の組立体１への固定マスク手段５及びエミッタ
４の設計は、エミッタ４のディメンションの正確さへの
厳格さの少ない要求を主張し、これは、カソード及びヒ
ータ組立体の位置決めにかがわかず、スブリッ）　＋Ｊ
ソングがヒータ２内の信頼性のある固定を確実にするか
らであることを、気付かれたい。

カソード及びヒータ組立体内のスプリットリング６によ
りエミッタ４及びマスク５が取り付は及び固定している
間に、エミッタ４は、セクシミンで溝３内に配置され、
その側表面は、エミッタ４の側表面に適合する。それか
ら、例えば、やっとこを使用して、スプリットリング６
付のマスク５は、次のセクション内に圧縮され、適合さ
れる。

やっとこは、それから、解除され、スプリットリング６
は、その最初の位置にセットする。

必要な場合は、破損されたエミッタ４は、全体のカソー
ド及びヒータ組立体を分解することなしに、迅速且つ容
易に交換されてもよく、あるいは、マスク５は、他のも
のと交換され、電子ビーム断面の異なる特定の形状を与
えている。

カソード及びヒータ組立体は、次のように機能する。

ヒータ２の電流リード（図示せず）に電圧を印加すると
、その加熱は、１９００℃〜２０００℃の運転温度にな
り、そして、エミッタ４は、ヒータ放射により加熱され
る。

運転温度（１４５０℃〜１６５０℃）に加熱されると、
エミッタ４は、マスク５に面する運転側から電子を放出
し、これは、マスク５内のスリット７を通る通路で要求
されるビーム形状を獲得する。

スクリーン８は、カソード及びヒータ組立体の加熱損失
を減少するように作用する。エミッタ４と同時に、マス
ク５及びスプリットリングも加熱されるが、エミッタ４
の温度より低い温度に加熱される。

エミッタ４及びスプリットリング６付のマスク５がそれ
ぞれ製造されるランタン・ヘクサ・ホウ化物及びグラフ
ァイトの熱膨張係数は、スプリットリング６付のマスク
５がエミッタ４よりも膨張し、この結果、スプリットリ
ング６がヒータ２内のリング溝３内で膨張、シ、従って
、エミッタ４の信頼性のある固定を与えるように、なっ
ている。

次の特定の例は、この発明の本質をより良く説明し、こ
の発明の利点を指摘するのに、役立つ。

マスクは、グラファイトで作られており、その厚さｈ　
＝　ｌ　ｍｍである。スプリットリングのより小さいベ
ースの幅は、このベースＤ＝３１ａｕｎの直径で、ｂ＝
１．５ｒｍである。

角度Ｔ＝５０’である。スプリットリングの両自由端の
間のギャップは、５ｍｍであり、角度ψ＝２５°であり
、ギ＋ツブａ　＝　ｌ　ｍｍである。

式（２）から、１．５　ｈｔｇψ＝０．６９１１１１１
１であり、そして、６、１０’　Ｄ”／（ｂ＋　ｈｔｇ
ψ”）　＝２．４　ｆｆ１ｆｆｌであり、従って、選択
されたギャップ（１叩）は、特定された限界の内にある
。

角度Ｔについての上限及び下限は、それぞれ、式（１）
テ設定されるように、ａｒｃｔｇ（４ａ／３ｈ）　＝　
５４゜ａｒｃｔｇ（ａ／ｈ）　＝　４５°であり、従っ
て、選択された値（５０°）も特定された限界の内にあ
る。

カソード・ヒータ組立体は、組立体を真空チャンバ内に
配置することにより、実験的なセットアツプに基づき、
テストされ、ここにおいて、圧力は、（２−３）　　・
１０−Ｓトルである。ランタン・ヘクサ・ホウ化物のエ
ミッタの運転輝度温度は、１１２０℃のマスクの輝度温
度で１４５０℃であった。

これらの試験により、本発明によるマスクおよびエミッ
タの取付は手段の構成によれば、カソードおよびヒータ
組立体を全体的に分解せずにエミッタの交換を何回も行
えることが確認された。

〔発明の効果〕

本発明による電子ビーム装置のためのカソードおよびヒ
ータ組立体によれば、マスクおよびエミッタを本体へ取
り付ける手段がヒータへ固定されるスプリットリングと
して構成されているので、マスクおよびエミッタの組立
体本体への取付けを信頼性のあるものとすることができ
る。

その上、このような構成によれば、カソードおよびヒー
タ組立体を全体的に分解せずにエミッタをすばやく簡単
に交換することができ、したがって、組立体の使用寿命
を延ばすことができる。

本発明のカソードおよびヒータ組立体においては、簡単
な操作で取り付けができマスクの取り付けを信頼性のあ
るものとすることができるようなスプリットリングを有
した種々なマスクを使用することにより、所望の横断面
形状を有する電子ビームを整形することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるカソードおよびヒータ組立体の
縦断面図、第２図は、本発明によるマスクおよびスプリ
ットリングの頂面図である。 １・・・・・・本体、　　　　　２・・・・・・ヒータ
、３・・・・・・リング溝、　　　４・・・・・・エミ
ッタ、５・・・・・・マスク、　　　６・・・・・・ス
プリットリング、７・・・・・・スリット、　　　８・
・・・・・スクリーン、９・・・・・・ベース、　　　
１０・・・・・・凹部、１１・・・・・・ボス、　　　
　１２・・・・・・ストラップ、ａ・・・・・・マスク
の円錐側面とスプリットリングの円錐内面との間のギャ
ップ、 ｂ・・・・・・小さいベースの面におけるスプリットリ
ング幅、 ｈ・・・・・・ベースおよびスプリットリングの厚さ、
Ｈ・・・・・・ボスの高さ、 Ｄ・・・・・・スブリッ）　ＩＪソング小さい方のベー
スの外径、 ψ・・・・・・スプリッ）　ＩＪソング円錐外側面の母
線とエミッタ軸との間の角度、 γ・・・・・・マスクの円錐側面の母線とその軸との間
の角度。 手 続 補 正 書（方式） ％式％ １、事件の表示 平成１年特許願第３１６３３９号 ３、補正をする者 事件との関係

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）グラファイトヒータ（２）を取りつけ、かつ円板
   形状に設計されたエミッタ（４）とグラファイトマスク
   （５）とを前記ヒータ（２）上に同軸状にかつ連続して
   交互に位置決めする本体（１）と、マスク（５）とエミ
   ッタ（４）とを本体（１）に固定する手段とから成る電
   子ビーム装置用カソード・ヒータ組立体において、マス
   ク（５）とエミッタ（４）とを本体（１）に固定する手
   段がスプリットリング（６）として設計され、マスク（
   ５）の外側には円錐状の外側面が配置され、その側面に
   対してギャップが設けられ、エミッタと直面する大きな
   ベースが設けられ、スプリットリング（６）の内側面に
   はマスク（５）と係合するためのボス（１１）が設けら
   れ、ヒータ（２）はカップ形状に形成され、その開放端
   の内側面にはエミッタ（４）とスプリットリング（６）
   を収容するためにリング溝（３）が設けられ、その側面
   はエミッタ（４）の側面とスプリットリング（６）の円
   錐状の外側面とにそれぞれ適合した二つの部分を有する
   ことを特徴とする組立体。 （２）スプリットリング（６）とマスク（５）とが軸方
   向に等しい厚さ（ｈ）を有する単一の装置として設計さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記
   載のカソード・ヒータ組立体。 （３）スプリットリング（６）の内側面上に設けられた
   ボス（１１）がその自由端に対して対称的配置されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項または第
   （２）項に記載のカソード・ヒータ組立体。 （４）マスク（５）が、円錐形状の側面を有し、かつエ
   ミッタと対面する大きなベースを有するように設計され
   、スプリットリング（６）が、円錐形状の側面を有する
   ように設計され、スプリットリング（６）の円錐形状内
   側面の母線とマスク（５）の円錐形状側面の母線とが、
   その共通の軸に対して実質的に等しい角度で傾斜してい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項ないし第
   （３）項の何れか１項に記載のカソード・ヒータ組立体
   。 （５）スプリットリング（６）の円錐形状外面の母線と
   その軸との間の角度（φ）がπ／９ないしπ／７の臨界
   値内にあることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   ないし第（４）項の何れか１項に記載のカソード・ヒー
   タ組立体。 （６）マスク（５）の円錐形状表面とスプリットリング
   （６）の円錐形状外側面との間のギャップ（ａ）が次式
   ： １．５ｈｔｇφ≦ａ≦６．１０＾−＾３Ｄ＾２／（ｂ＋
   ｈｔｇφ）（ここで、Ｄはスプリットリングの小さいベ
   ースの外径であり、ｂはその小さいベースの平面内のス
   プリットリング（６）の半径方向幅である。） により定められることを特徴とする特許請求の範囲第（
   ２）項ないし第（５）項の何れか１項に記載のカソード
   ・ヒータ組立体。 （７）スプリットリング（６）の円錐形状内側面および
   マスク（５）の円錐形状側面の母線がその共通の軸に対
   してなす角度（γ）が次式： ａｒｃｔｇ（ａ／ｈ）≦γ≦ａｒｃｔｇ（４ａ／３ｈ）
   により定められることを特徴とする特許請求の範囲第（
   ４）項ないし第（６）項の何れか１項に記載のカソード
   ・ヒータ組立体。