JPH10134702A - 冷陰極電子銃およびこれを備えたマイクロ波管装置 - Google Patents
冷陰極電子銃およびこれを備えたマイクロ波管装置Info
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- JPH10134702A JPH10134702A JP29145396A JP29145396A JPH10134702A JP H10134702 A JPH10134702 A JP H10134702A JP 29145396 A JP29145396 A JP 29145396A JP 29145396 A JP29145396 A JP 29145396A JP H10134702 A JPH10134702 A JP H10134702A
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- H01J2223/02—Electrodes; Magnetic control means; Screens
- H01J2223/04—Cathodes
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- Microwave Tubes (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 冷陰極から放出された電子を集束して、電流
密度が高く、リップルが小さい電子ビームを形成する冷
陰極電子銃を提供する。 【解決手段】 少くとも一つの表面が導電性を示す陰極
基板５と、陰極基板５に形成し、先端を先鋭化したエミ
ッタ１０と、エミッタ１０およびその付近を除いて基板
５の上に積層された絶縁層６と、絶縁層６の上に積層さ
れ、エミッタ１０を取り囲む開口を持ち、リング状を呈
するゲート電極７と、絶縁層６の上に積層され、ゲート
電極７の内側に形成された内部電極８と、絶縁層６の上
に積層され、ゲート電極７の外側に形成された外部電極
９とを有している。エミッタ１０の電位を基準として、
ゲート電極７、内部電極８、および外部電極９に印加す
る電圧をそれぞれ、ＥG 、ＥI 、およびＥO としたと
き、ＥG ≧ＥI 、かつＥG ≧ＥO である。
密度が高く、リップルが小さい電子ビームを形成する冷
陰極電子銃を提供する。 【解決手段】 少くとも一つの表面が導電性を示す陰極
基板５と、陰極基板５に形成し、先端を先鋭化したエミ
ッタ１０と、エミッタ１０およびその付近を除いて基板
５の上に積層された絶縁層６と、絶縁層６の上に積層さ
れ、エミッタ１０を取り囲む開口を持ち、リング状を呈
するゲート電極７と、絶縁層６の上に積層され、ゲート
電極７の内側に形成された内部電極８と、絶縁層６の上
に積層され、ゲート電極７の外側に形成された外部電極
９とを有している。エミッタ１０の電位を基準として、
ゲート電極７、内部電極８、および外部電極９に印加す
る電圧をそれぞれ、ＥG 、ＥI 、およびＥO としたと
き、ＥG ≧ＥI 、かつＥG ≧ＥO である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、微細構造を持ち、
薄膜技術等によって製作する電界放射陰極アレイ（ＦＥ
Ａ）型の冷陰極を用いて電子ビームを形成する冷陰極電
子銃、ならびにこの冷陰極電子銃を備えた進行波管やク
ライストロンなどのマイクロ波管装置に関する。
薄膜技術等によって製作する電界放射陰極アレイ（ＦＥ
Ａ）型の冷陰極を用いて電子ビームを形成する冷陰極電
子銃、ならびにこの冷陰極電子銃を備えた進行波管やク
ライストロンなどのマイクロ波管装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】微小な円錐状のエミッタ（電子放出電
極）と、エミッタのすぐ近くに形成され、エミッタから
の電流を引き出す機能ならびに電流制御機能を持つゲー
ト電極（制御電極）とにより構成された微小冷陰極を、
アレイ状に並べた電界放射冷陰極が、Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎ
ｄｔ等によって提案されている（C.A.Spindt,A Thin-Fi
lmField-Emission Cathode,Journal of Apptied Physic
s,Vol.39,No.7,pp.3504,1986 ）。図８（ａ）〜（ｃ）
は、この電界放射冷陰極の構造を示す図であり、（ａ）
はその一部の斜視図、（ｂ）はこの電界放射冷陰極を構
成する一つの微小冷陰極１０７の縦断面図、（ｃ）微小
冷陰極の変形例を示す。図８（ａ）および（ｂ）におい
て、この電界放射冷陰極は、シリコンの基板１０１と、
シリコン酸化物の絶縁層１０２と、絶縁層１０２の上に
積層されたゲート電極１０３とを有している。さらに、
絶縁層１０２およびゲート電極１０３の一部は除去され
て空洞１０９が形成され、空洞１０９中の基板１０１の
上に先端が尖ったエミッタ１０４が形成されている。微
小冷陰極１０７は、エミッタ１０４およびゲート電極１
０３と、絶縁層１０２に形成された空洞１０９とで構成
される。微小冷陰極１０７はアレイ状に並べられ、これ
により、平面状の電子放出領域を持つ冷陰極１０８が構
成される。
極）と、エミッタのすぐ近くに形成され、エミッタから
の電流を引き出す機能ならびに電流制御機能を持つゲー
ト電極（制御電極）とにより構成された微小冷陰極を、
アレイ状に並べた電界放射冷陰極が、Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎ
ｄｔ等によって提案されている（C.A.Spindt,A Thin-Fi
lmField-Emission Cathode,Journal of Apptied Physic
s,Vol.39,No.7,pp.3504,1986 ）。図８（ａ）〜（ｃ）
は、この電界放射冷陰極の構造を示す図であり、（ａ）
はその一部の斜視図、（ｂ）はこの電界放射冷陰極を構
成する一つの微小冷陰極１０７の縦断面図、（ｃ）微小
冷陰極の変形例を示す。図８（ａ）および（ｂ）におい
て、この電界放射冷陰極は、シリコンの基板１０１と、
シリコン酸化物の絶縁層１０２と、絶縁層１０２の上に
積層されたゲート電極１０３とを有している。さらに、
絶縁層１０２およびゲート電極１０３の一部は除去され
て空洞１０９が形成され、空洞１０９中の基板１０１の
上に先端が尖ったエミッタ１０４が形成されている。微
小冷陰極１０７は、エミッタ１０４およびゲート電極１
０３と、絶縁層１０２に形成された空洞１０９とで構成
される。微小冷陰極１０７はアレイ状に並べられ、これ
により、平面状の電子放出領域を持つ冷陰極１０８が構
成される。
【０００３】図８（ｃ）は、ゲート電極１０３の上に絶
縁層１０５を介して集束電極１０６を積層した微小冷陰
極の断面構造である。エミッタ１０４から放出された電
子の軌道は、集束電極１０６によって集束される。
縁層１０５を介して集束電極１０６を積層した微小冷陰
極の断面構造である。エミッタ１０４から放出された電
子の軌道は、集束電極１０６によって集束される。
【０００４】図８（ａ）および（ｂ）を参照して、基板
１０１とエミッタ１０４とは電気的に接続されており、
エミッタ１０４とゲート電極１０３との間には約５０Ｖ
の電圧が印加される。絶縁層１０２の厚さは約１μｍ、
ゲート電極１０３の開口径も約１μｍと狭く、エミッタ
１０４の先端は１０ｎｍ程度と極めて尖鋭に作られてい
るので、エミッタ１０４の先端には強い電界が加わる。
この電界が２〜５×１０7 Ｖ／ｃｍ以上になると、エミ
ッタ１０４の先端から電子が放出される。このような構
造の微小冷陰極を基板１０１の上にアレイ状に並べるこ
とにより、大きな電流を放出する平面状の陰極（ＦＥ
Ａ）が構成される。さらに、微細加工技術を利用して微
小冷陰極を高密度に並べれば、従来の熱陰極の５〜１０
倍以上の陰極電流密度を実現できる。
１０１とエミッタ１０４とは電気的に接続されており、
エミッタ１０４とゲート電極１０３との間には約５０Ｖ
の電圧が印加される。絶縁層１０２の厚さは約１μｍ、
ゲート電極１０３の開口径も約１μｍと狭く、エミッタ
１０４の先端は１０ｎｍ程度と極めて尖鋭に作られてい
るので、エミッタ１０４の先端には強い電界が加わる。
この電界が２〜５×１０7 Ｖ／ｃｍ以上になると、エミ
ッタ１０４の先端から電子が放出される。このような構
造の微小冷陰極を基板１０１の上にアレイ状に並べるこ
とにより、大きな電流を放出する平面状の陰極（ＦＥ
Ａ）が構成される。さらに、微細加工技術を利用して微
小冷陰極を高密度に並べれば、従来の熱陰極の５〜１０
倍以上の陰極電流密度を実現できる。
【０００５】このスピント（Ｓｐｉｎｄｔ）型冷陰極
は、熱陰極と比較して高い陰極電流密度が得られ、放出
電子の速度分散が小さい等の利点を持っている。また、
単一の電界放射エミッタと比較して電流雑音が小さく、
約１０〜数１０Ｖの低い電圧で動作し、比較的悪い真空
度の環境中でも動作する。
は、熱陰極と比較して高い陰極電流密度が得られ、放出
電子の速度分散が小さい等の利点を持っている。また、
単一の電界放射エミッタと比較して電流雑音が小さく、
約１０〜数１０Ｖの低い電圧で動作し、比較的悪い真空
度の環境中でも動作する。
【０００６】この冷陰極を、進行波管（ＴＷＴ）やクラ
イストロンなどのマイクロ波管に適用できれば、陰極の
加熱電力が不要であるので低消費電極であり、かつ陰極
電流密度が高いので高出力であり、高周波の領域におい
て効率の高い増幅装置を実現できる可能性がある。さら
に、陰極の加熱が不要であるために、マイクロ波管、特
に、電子銃部の構造を小型化できる可能性がある。
イストロンなどのマイクロ波管に適用できれば、陰極の
加熱電力が不要であるので低消費電極であり、かつ陰極
電流密度が高いので高出力であり、高周波の領域におい
て効率の高い増幅装置を実現できる可能性がある。さら
に、陰極の加熱が不要であるために、マイクロ波管、特
に、電子銃部の構造を小型化できる可能性がある。
【０００７】しかし、マイクロ波管などの電子ビーム装
置にこの冷陰極を導入する場合には、以下の問題〜
が懸念される。
置にこの冷陰極を導入する場合には、以下の問題〜
が懸念される。
【０００８】 陰極から放出される電子のなかには、
個々のエミッタ先端付近の強く歪んだ電界分布の影響を
受け、横方向の速度成分を持つ電子が存在する。
個々のエミッタ先端付近の強く歪んだ電界分布の影響を
受け、横方向の速度成分を持つ電子が存在する。
【０００９】 冷陰極が平面の上に形成され、かつ電
子放出領域が平面状になっているため、Ｐｉｅｒｃｅ電
子銃の設計条件を満たさない。
子放出領域が平面状になっているため、Ｐｉｅｒｃｅ電
子銃の設計条件を満たさない。
【００１０】このため、電子ビームにリップルが生じ、
電子ビームとマイクロ波との強い相互作用を実現できな
いので、利得、効率などで高い性能を実現できないとい
う不都合が生じる。さらに、電子ビームのリップルが大
きいと、らせんなどの低速波回路に電子ビームの一部が
流入し、管内の真空度を低下させて信頼性を悪化させる
虞がある。このため、冷陰極が高い陰極電流密度で動作
できるにも拘らず、この利点を生かせず、マイクロ波管
の性能向上には結びつかなかった。
電子ビームとマイクロ波との強い相互作用を実現できな
いので、利得、効率などで高い性能を実現できないとい
う不都合が生じる。さらに、電子ビームのリップルが大
きいと、らせんなどの低速波回路に電子ビームの一部が
流入し、管内の真空度を低下させて信頼性を悪化させる
虞がある。このため、冷陰極が高い陰極電流密度で動作
できるにも拘らず、この利点を生かせず、マイクロ波管
の性能向上には結びつかなかった。
【００１１】このような状況に対し、問題について
は、図８（ｃ）に示すような集束電極をゲート電極の上
に設け、横方向速度成分の抑圧を図る方法が知られてい
る。
は、図８（ｃ）に示すような集束電極をゲート電極の上
に設け、横方向速度成分の抑圧を図る方法が知られてい
る。
【００１２】に対しては、図９（ａ）および（ｂ）に
示すような陰極の構成が、特開平７−１４５０１号公報
に開示されている。図９（ａ）および（ｂ）において、
基板２０１上の絶縁層２０２の上に形成されたゲート電
極２０３は、ゲート電極部２０３ａと、これを取り囲む
周辺電極部２０３ｂとに分割されている。周辺電極部２
０３ｂには、ゲート電極部２０３ａとは異なる電圧が印
加できるようになっている。これによって、陰極周辺部
の電位の軸対称性を良好な状態に保持しながら、電子ビ
ームの集束状態の微調整を可能にしている。
示すような陰極の構成が、特開平７−１４５０１号公報
に開示されている。図９（ａ）および（ｂ）において、
基板２０１上の絶縁層２０２の上に形成されたゲート電
極２０３は、ゲート電極部２０３ａと、これを取り囲む
周辺電極部２０３ｂとに分割されている。周辺電極部２
０３ｂには、ゲート電極部２０３ａとは異なる電圧が印
加できるようになっている。これによって、陰極周辺部
の電位の軸対称性を良好な状態に保持しながら、電子ビ
ームの集束状態の微調整を可能にしている。
【００１３】次に、他の従来の陰極、ならびに電子銃構
造の例を図１０〜１２に示す。
造の例を図１０〜１２に示す。
【００１４】図１０は、A.Staprans,et al.,High-Power
Lineare-Beam Tubes,Proceedingsof the IEEE,Vol.61,
No.3,p.299-330,1973. にて開示された熱陰極電子銃で
ある。この熱陰極電子銃では、熱陰極の中央部および周
辺部にそれぞれビームコントロール電極３０１ａおよび
３０１ｂを配置している。ビームコントロール電極３０
１ａおよび３０１ｂには、同一の電圧を印加し、この電
圧を変えて電子ビームのオン／オフを行う。この熱陰極
電子銃は、オン状態のときに、Ｐｉｅｒｃｅ電子銃に近
い電界分布で電子ビームを集束する。しかし、ビームコ
ントロール電極３０１ａおよび３０１ｂの電圧を変える
と、電子ビームの集束状態が変化するため、電子ビーム
電流量の制御には使用されない。
Lineare-Beam Tubes,Proceedingsof the IEEE,Vol.61,
No.3,p.299-330,1973. にて開示された熱陰極電子銃で
ある。この熱陰極電子銃では、熱陰極の中央部および周
辺部にそれぞれビームコントロール電極３０１ａおよび
３０１ｂを配置している。ビームコントロール電極３０
１ａおよび３０１ｂには、同一の電圧を印加し、この電
圧を変えて電子ビームのオン／オフを行う。この熱陰極
電子銃は、オン状態のときに、Ｐｉｅｒｃｅ電子銃に近
い電界分布で電子ビームを集束する。しかし、ビームコ
ントロール電極３０１ａおよび３０１ｂの電圧を変える
と、電子ビームの集束状態が変化するため、電子ビーム
電流量の制御には使用されない。
【００１５】図１１（ｂ）は、特開平５−３０７９３０
号公報に開示された冷陰極の構成を示す。この冷陰極で
は、多数の微小冷陰極が形成された電子放出領域の中央
部おいて、微小冷陰極を形成せずに、耐スパッタ性の優
れた金属層である金属層４０１（図１１（ａ））および
金属層４０２（図１１（ｂ））を形成している。そし
て、軸対称の電磁界を持つマイクロ波管の低速波回路部
分で発生した正イオンをこの部分に衝突させ、正イオン
が微小冷陰極に衝突するのを防ぎ、エミッタとゲート電
極とが短絡して陰極が動作不能になるのを防ぐことを目
的としている。
号公報に開示された冷陰極の構成を示す。この冷陰極で
は、多数の微小冷陰極が形成された電子放出領域の中央
部おいて、微小冷陰極を形成せずに、耐スパッタ性の優
れた金属層である金属層４０１（図１１（ａ））および
金属層４０２（図１１（ｂ））を形成している。そし
て、軸対称の電磁界を持つマイクロ波管の低速波回路部
分で発生した正イオンをこの部分に衝突させ、正イオン
が微小冷陰極に衝突するのを防ぎ、エミッタとゲート電
極とが短絡して陰極が動作不能になるのを防ぐことを目
的としている。
【００１６】図１２（ａ）および（ｂ）は、特開平６−
２４３７７７号公報に開示された冷陰極の構成を示す。
図１２（ａ）および（ｂ）において、半導体基板５０１
上にて隣り合うエミッタ５０４間にゲート電極５０３と
は絶縁沿う５０２に形成した絶縁層溝５０５により絶縁
された遮蔽電極５０６を形成した冷陰極の構造である。
この構造では、隣り合うエミッタ５０４が互いの動作の
影響を受けるのが防がれる。
２４３７７７号公報に開示された冷陰極の構成を示す。
図１２（ａ）および（ｂ）において、半導体基板５０１
上にて隣り合うエミッタ５０４間にゲート電極５０３と
は絶縁沿う５０２に形成した絶縁層溝５０５により絶縁
された遮蔽電極５０６を形成した冷陰極の構造である。
この構造では、隣り合うエミッタ５０４が互いの動作の
影響を受けるのが防がれる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】図８（ｃ）に示した集
束電極付きの冷陰極では、個々のエミッタからの電子ビ
ームの横方向速度成分が抑圧されたとしても、前述の問
題に伴うリップルは抑圧することができない。このた
め、十分に良好な電子ビームを形成することは、期待で
きない。さらに、集束電極で十分な集束効果を実現する
ためには、集束電極電位をエミッタ電位に近い値に設定
する必要があり、ゲート電極と集束電極との間の耐圧、
集束電極によるエミッション抑圧効果などの問題が生じ
る。
束電極付きの冷陰極では、個々のエミッタからの電子ビ
ームの横方向速度成分が抑圧されたとしても、前述の問
題に伴うリップルは抑圧することができない。このた
め、十分に良好な電子ビームを形成することは、期待で
きない。さらに、集束電極で十分な集束効果を実現する
ためには、集束電極電位をエミッタ電位に近い値に設定
する必要があり、ゲート電極と集束電極との間の耐圧、
集束電極によるエミッション抑圧効果などの問題が生じ
る。
【００１８】図９に示した構造では、前述の問題に示
す横方向成分を十分に抑圧することができず、問題に
伴うリップルも完全に抑えることはできない。
す横方向成分を十分に抑圧することができず、問題に
伴うリップルも完全に抑えることはできない。
【００１９】本発明の技術的課題は、冷陰極から放出さ
れた電子ビームを集束して、電流密度が高く、リップル
が小さい電子ビームを形成する冷陰極電子銃を提供する
ことである。
れた電子ビームを集束して、電流密度が高く、リップル
が小さい電子ビームを形成する冷陰極電子銃を提供する
ことである。
【００２０】本発明の他の技術的課題は、ＴＷＴのよう
なマイクロ波管の主に低速波回路で生成された正イオン
が冷陰極の中心部を衝撃して、エミッタ・ゲート電極間
の絶縁を劣化させ、ついには冷陰極を使用不能にするの
を防止することである。
なマイクロ波管の主に低速波回路で生成された正イオン
が冷陰極の中心部を衝撃して、エミッタ・ゲート電極間
の絶縁を劣化させ、ついには冷陰極を使用不能にするの
を防止することである。
【００２１】本発明のさらに他の技術的課題は、この電
子銃を電子源として、小型で、利得が高く、動作が安定
で、信頼性が高く、寿命の長いマイクロ波管装置を提供
することである。
子銃を電子源として、小型で、利得が高く、動作が安定
で、信頼性が高く、寿命の長いマイクロ波管装置を提供
することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、少くと
も一つの表面が導電性を示す陰極基板と、前記陰極基板
に形成し、先端を先鋭化したエミッタと、前記エミッタ
およびその付近を除いて前記陰極基板の上に積層された
絶縁層と、前記絶縁層の上に積層され、前記エミッタを
取り囲む開口を持ち、リング状を呈するゲート電極と、
前記絶縁層の上に積層され、前記ゲート電極の内側に形
成された内部電極と、前記絶縁層の上に積層され、前記
ゲート電極の外側に形成された外部電極とを有し、前記
エミッタの電位を基準として、前記ゲート電極、前記内
部電極、および前記外部電極に印加する電圧をそれぞ
れ、ＥG 、ＥI 、およびＥO としたとき、ＥG ≧ＥI 、
かつＥG ≧ＥO であることを特徴とする冷陰極電子銃が
得られる。
も一つの表面が導電性を示す陰極基板と、前記陰極基板
に形成し、先端を先鋭化したエミッタと、前記エミッタ
およびその付近を除いて前記陰極基板の上に積層された
絶縁層と、前記絶縁層の上に積層され、前記エミッタを
取り囲む開口を持ち、リング状を呈するゲート電極と、
前記絶縁層の上に積層され、前記ゲート電極の内側に形
成された内部電極と、前記絶縁層の上に積層され、前記
ゲート電極の外側に形成された外部電極とを有し、前記
エミッタの電位を基準として、前記ゲート電極、前記内
部電極、および前記外部電極に印加する電圧をそれぞ
れ、ＥG 、ＥI 、およびＥO としたとき、ＥG ≧ＥI 、
かつＥG ≧ＥO であることを特徴とする冷陰極電子銃が
得られる。
【００２３】本発明によればまた、前記内部電極および
前記外部電極のうちの少くとも一方は、前記絶縁層の上
に積層した絶縁層上絶縁層の上に形成されることを特徴
とする前記冷陰極電子銃が得られる。
前記外部電極のうちの少くとも一方は、前記絶縁層の上
に積層した絶縁層上絶縁層の上に形成されることを特徴
とする前記冷陰極電子銃が得られる。
【００２４】本発明によればさらに、少くとも一つの表
面が導電性を示す陰極基板と、前記陰極基板に形成さ
れ、先端が先鋭化されたエミッタと、前記エミッタおよ
びその付近を除いて前記陰極基板の上に積層された絶縁
層と、前記絶縁層の上に積層され、前記エミッタを取り
囲む開口を持つゲート電極と、前記ゲート電極の上に積
層され、前記絶縁層と共通の空洞を形成したゲート電極
上絶縁層と、前記ゲート電極上絶縁層の上に積層され、
開口が前記絶縁層および前記ゲート電極上絶縁層と共通
の空洞を形成し、リング状を呈する集束電極と、前記ゲ
ート電極上絶縁層の上に積層され、前記集束電極の内側
に形成した内部電極と、前記ゲート電極上絶縁層の上に
積層され、前記集束電極の外側に形成された外部電極と
を有し、前記エミッタの電位を基準として、前記集束電
極、前記内部電極、および前記外部電極に印加する電圧
をそれぞれ、Ｅf 、ＥI 、およびＥO としたとき、Ｅf
≧ＥI 、かつＥf ≧ＥO であることを特徴とする冷陰極
電子銃が得られる。
面が導電性を示す陰極基板と、前記陰極基板に形成さ
れ、先端が先鋭化されたエミッタと、前記エミッタおよ
びその付近を除いて前記陰極基板の上に積層された絶縁
層と、前記絶縁層の上に積層され、前記エミッタを取り
囲む開口を持つゲート電極と、前記ゲート電極の上に積
層され、前記絶縁層と共通の空洞を形成したゲート電極
上絶縁層と、前記ゲート電極上絶縁層の上に積層され、
開口が前記絶縁層および前記ゲート電極上絶縁層と共通
の空洞を形成し、リング状を呈する集束電極と、前記ゲ
ート電極上絶縁層の上に積層され、前記集束電極の内側
に形成した内部電極と、前記ゲート電極上絶縁層の上に
積層され、前記集束電極の外側に形成された外部電極と
を有し、前記エミッタの電位を基準として、前記集束電
極、前記内部電極、および前記外部電極に印加する電圧
をそれぞれ、Ｅf 、ＥI 、およびＥO としたとき、Ｅf
≧ＥI 、かつＥf ≧ＥO であることを特徴とする冷陰極
電子銃が得られる。
【００２５】本発明によればまた、少くとも一つの表面
が導電性を示す陰極基板、前記陰極基板のリング状の領
域に形成され、先端が先鋭化されたエミッタ、前記エミ
ッタとその付近を除いて前記陰極基板の上に積層された
絶縁層、ならびに前記絶縁層の上に積層され、前記エミ
ッタを取り囲む開口を持つゲート電極により構成される
冷陰極と、前記冷陰極の前記エミッタを形成したリング
状の電子放出領域を取り囲む第１のウエーネルト電極
と、前記電子放出領域の内側に設置された第２のウエー
ネルト電極とを有し、前記冷陰極の前記エミッタの電位
を基準として、前記冷陰極の前記ゲート電極、前記第１
のウエーネルト電極、および前記第２のウエーネルト電
極に印加する電圧をそれぞれ、ＥG 、ＥW1、およびＥW2
としたとき、ＥG ≧ＥW1、かつＥG ≧ＥW2であり、前記
電子放出領域の外径および内径をそれぞれ、Ｄ０および
Ｄ１としたとき、Ｄ１／Ｄ０≧０．８であることを特徴
とする冷陰極電子銃が得られる。
が導電性を示す陰極基板、前記陰極基板のリング状の領
域に形成され、先端が先鋭化されたエミッタ、前記エミ
ッタとその付近を除いて前記陰極基板の上に積層された
絶縁層、ならびに前記絶縁層の上に積層され、前記エミ
ッタを取り囲む開口を持つゲート電極により構成される
冷陰極と、前記冷陰極の前記エミッタを形成したリング
状の電子放出領域を取り囲む第１のウエーネルト電極
と、前記電子放出領域の内側に設置された第２のウエー
ネルト電極とを有し、前記冷陰極の前記エミッタの電位
を基準として、前記冷陰極の前記ゲート電極、前記第１
のウエーネルト電極、および前記第２のウエーネルト電
極に印加する電圧をそれぞれ、ＥG 、ＥW1、およびＥW2
としたとき、ＥG ≧ＥW1、かつＥG ≧ＥW2であり、前記
電子放出領域の外径および内径をそれぞれ、Ｄ０および
Ｄ１としたとき、Ｄ１／Ｄ０≧０．８であることを特徴
とする冷陰極電子銃が得られる。
【００２６】本発明によればさらに、前記第１のウエー
ネルト電極の先端の前記冷陰極の表面からの距離が、前
記第２のウエーネルト電極の先端の前記冷陰極の表面か
らの距離以上であることを特徴とする前記冷陰極電子銃
が得られる。
ネルト電極の先端の前記冷陰極の表面からの距離が、前
記第２のウエーネルト電極の先端の前記冷陰極の表面か
らの距離以上であることを特徴とする前記冷陰極電子銃
が得られる。
【００２７】本発明によればまた、前記第１のウエーネ
ルト電極の内側から前記電子放出領域の外側までの距離
が、前記第２のウエーネルト電極の外側から前記電子放
出領域の内側までの距離以下であることを特徴とする前
記冷陰極電子銃が得られる。
ルト電極の内側から前記電子放出領域の外側までの距離
が、前記第２のウエーネルト電極の外側から前記電子放
出領域の内側までの距離以下であることを特徴とする前
記冷陰極電子銃が得られる。
【００２８】本発明によればまた、前記冷陰極電子銃の
いずれかを少くとも一つ備えたマイクロ波管装置が得ら
れる。
いずれかを少くとも一つ備えたマイクロ波管装置が得ら
れる。
【００２９】本発明による冷陰極電子銃においては、エ
ミッタ・ゲート電極間の電圧を変えて、電子ビームの電
流量を変化させても、内部電極と外部電極の電圧を調整
することによって、常に良好な集束が実現できる。よっ
て、リップルの小さい高品質の電子ビームを形成でき
る。さらに、低速波回路部で生成した正イオンが衝撃す
る部分には電子を放出する微細構造がないので、エミッ
タ・ゲート電極間の短絡による故障が発生する恐れがな
く、高い信頼性を実現できる。
ミッタ・ゲート電極間の電圧を変えて、電子ビームの電
流量を変化させても、内部電極と外部電極の電圧を調整
することによって、常に良好な集束が実現できる。よっ
て、リップルの小さい高品質の電子ビームを形成でき
る。さらに、低速波回路部で生成した正イオンが衝撃す
る部分には電子を放出する微細構造がないので、エミッ
タ・ゲート電極間の短絡による故障が発生する恐れがな
く、高い信頼性を実現できる。
【００３０】この冷陰極電子銃を使用したマイクロ波管
装置では、高品質の電子ビームが形成できるので、高い
装置性能が実現できれる。特に、ＴＷＴなどのマイクロ
波管装置においては、従来例と比較して装置の大幅な小
型化が可能であり、高いＤＣ−ＲＦ変換効率が実現でき
る。
装置では、高品質の電子ビームが形成できるので、高い
装置性能が実現できれる。特に、ＴＷＴなどのマイクロ
波管装置においては、従来例と比較して装置の大幅な小
型化が可能であり、高いＤＣ−ＲＦ変換効率が実現でき
る。
【００３１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態による電子銃およびこれを備えたマイクロ波
管装置を説明する。
実施の形態による電子銃およびこれを備えたマイクロ波
管装置を説明する。
【００３２】［実施の形態１］図１は、本発明の実施の
形態１による冷陰極電子銃の模式的な構造を示す断面図
である。図１において、本冷陰極電子銃は、真空中に自
由電子を放出する冷陰極１と、電子ビーム４を集束する
ウエーネルト電極２と、電子ビーム４を加速・形成する
陽極３とを有している。尚、図１には示さないが、冷陰
極電子銃全体は、真空の外囲器内に納められている。
形態１による冷陰極電子銃の模式的な構造を示す断面図
である。図１において、本冷陰極電子銃は、真空中に自
由電子を放出する冷陰極１と、電子ビーム４を集束する
ウエーネルト電極２と、電子ビーム４を加速・形成する
陽極３とを有している。尚、図１には示さないが、冷陰
極電子銃全体は、真空の外囲器内に納められている。
【００３３】冷陰極１は、陰極基板５、絶縁層６、ゲー
ト電極７、内部電極８、外部電極９、およびエミッタ１
０で構成されている。絶縁層６は、少くとも表面に導電
層を持つ陰極基板５の上に積層され、ゲート電極７、内
部電極８、および外部電極９は、絶縁層６の上に積層さ
れた金属層を同心円状に３分割したものである。最も内
側の円形電極が内部電極８、中央のリング状電極がゲー
ト電極７、外側の電極が外部電極９である。ゲート電極
７と絶縁層６とには、共通の多数の空洞が形成され、こ
の空洞の底で、かつ陰極基板５の上には、電子放出電極
であるエミッタ１０が形成されている。
ト電極７、内部電極８、外部電極９、およびエミッタ１
０で構成されている。絶縁層６は、少くとも表面に導電
層を持つ陰極基板５の上に積層され、ゲート電極７、内
部電極８、および外部電極９は、絶縁層６の上に積層さ
れた金属層を同心円状に３分割したものである。最も内
側の円形電極が内部電極８、中央のリング状電極がゲー
ト電極７、外側の電極が外部電極９である。ゲート電極
７と絶縁層６とには、共通の多数の空洞が形成され、こ
の空洞の底で、かつ陰極基板５の上には、電子放出電極
であるエミッタ１０が形成されている。
【００３４】溝１７は、ゲート電極７と内部電極８とが
接する部分、ならびにゲート電極７と外部電極９とが接
する部分の絶縁層６に設けられている。溝１７は、ゲー
ト電極７と内部電極８との間の表面絶縁距離、ならびに
ゲート電極７と外部電極９との間の表面絶縁距離を延長
して、汚染物質や汚染粒子などによって耐圧が低下する
のを防止する。尚、絶縁層６に溝を形成する代わりに、
この部分の絶縁層を除去したり、あるいは、逆にリング
状の絶縁物を積み重ねても同様の効果が期待できる。
接する部分、ならびにゲート電極７と外部電極９とが接
する部分の絶縁層６に設けられている。溝１７は、ゲー
ト電極７と内部電極８との間の表面絶縁距離、ならびに
ゲート電極７と外部電極９との間の表面絶縁距離を延長
して、汚染物質や汚染粒子などによって耐圧が低下する
のを防止する。尚、絶縁層６に溝を形成する代わりに、
この部分の絶縁層を除去したり、あるいは、逆にリング
状の絶縁物を積み重ねても同様の効果が期待できる。
【００３５】図２は、図１に示す冷陰極電子銃の模式的
な平面図であり、陽極側から陽極３を除去して見た、冷
陰極１とウエーネルト電極２を示している。
な平面図であり、陽極側から陽極３を除去して見た、冷
陰極１とウエーネルト電極２を示している。
【００３６】尚、各電極の配線は、真空外囲器を通して
外部に引き出され（図１および図２には示さず）、直流
電源１１〜１５に接続されている。各電源は、陰極基板
５を基準として接続され、内部電極８、外部電極９、ゲ
ート電極７、ウエーネルト電極２、および陽極３にはそ
れぞれ、直流電源１１〜１５から、陰極基板５を基準と
した電圧ＥI 、ＥO 、ＥG 、ＥW 、およびＥA が印加さ
れている。
外部に引き出され（図１および図２には示さず）、直流
電源１１〜１５に接続されている。各電源は、陰極基板
５を基準として接続され、内部電極８、外部電極９、ゲ
ート電極７、ウエーネルト電極２、および陽極３にはそ
れぞれ、直流電源１１〜１５から、陰極基板５を基準と
した電圧ＥI 、ＥO 、ＥG 、ＥW 、およびＥA が印加さ
れている。
【００３７】本冷陰極電子銃を動作させるには、陰極基
板５を基準として、ゲート電極７に約５０Ｖの電圧ＥG
を印加し、電子を各エミッタ１０の先端から放出させ
る。内部電極８および外部電極９には、電圧条件ＥG ≧
ＥI 、ＥG ≧ＥO を満たす電圧ＥI 、ＥO が印加されて
いる。さらに、陽極３には、マイクロ波管の用途に応じ
て、１ｋＶ以下〜１０ｋＶ以上の電圧が印加される。
板５を基準として、ゲート電極７に約５０Ｖの電圧ＥG
を印加し、電子を各エミッタ１０の先端から放出させ
る。内部電極８および外部電極９には、電圧条件ＥG ≧
ＥI 、ＥG ≧ＥO を満たす電圧ＥI 、ＥO が印加されて
いる。さらに、陽極３には、マイクロ波管の用途に応じ
て、１ｋＶ以下〜１０ｋＶ以上の電圧が印加される。
【００３８】エミッタ１０の先端から陰極基板５と垂直
方向に放出された電子（以後、中心電子と呼ぶ）は、冷
陰極１の付近では、内部電極８、外部電極９、およびゲ
ート電極７で形成された電界分布によって電子ビームの
中心軸、即ち陰極基板５に垂直でかつゲート電極７の中
心部を通る軸に向かう方向へ曲げられ、全体としては集
束されていく。さらに、電子が冷陰極１を離れると、主
にウエーネルト電極２で形成された電界分布の影響を受
け、さらに集束を受けて電子ビームは陽極３付近に達す
る。
方向に放出された電子（以後、中心電子と呼ぶ）は、冷
陰極１の付近では、内部電極８、外部電極９、およびゲ
ート電極７で形成された電界分布によって電子ビームの
中心軸、即ち陰極基板５に垂直でかつゲート電極７の中
心部を通る軸に向かう方向へ曲げられ、全体としては集
束されていく。さらに、電子が冷陰極１を離れると、主
にウエーネルト電極２で形成された電界分布の影響を受
け、さらに集束を受けて電子ビームは陽極３付近に達す
る。
【００３９】リング状のゲート電極７は、両側からゲー
ト電極７よりも電位の低い内部電極８と外部電極９とで
挟まれているので、エミッタ１０から放出され、陰極基
板５と並行方向の速度成分を持つ電子（以後、周辺電子
と呼ぶ）は、冷陰極１の付近では、内部電極８、外部電
極９、およびゲート電極７で形成された電界分布によっ
て中心電子の進行方向に曲げられ、中心電子に近い軌道
を通って、陽極３で形成された電界で加速される。
ト電極７よりも電位の低い内部電極８と外部電極９とで
挟まれているので、エミッタ１０から放出され、陰極基
板５と並行方向の速度成分を持つ電子（以後、周辺電子
と呼ぶ）は、冷陰極１の付近では、内部電極８、外部電
極９、およびゲート電極７で形成された電界分布によっ
て中心電子の進行方向に曲げられ、中心電子に近い軌道
を通って、陽極３で形成された電界で加速される。
【００４０】このように、周辺電子は中心電子の方向に
集束される一方、中心電子は電子ビームの中心軸に向か
って集束される。
集束される一方、中心電子は電子ビームの中心軸に向か
って集束される。
【００４１】エミッタ６は、タングステンあるいはモリ
ブデンのような耐熱金属で作られる。ゲート電極７は、
タングステン、モリブデン、ニオブ、またはタングステ
ンシリサイド等の金属あるいは金属化合物で作られる。
絶縁層６には、例えばシリコンの酸化物、シリコンの窒
化物等の単一あるいは複合層構造を使用する。ゲート電
極７の開口の直径は約１μｍ、エミッタ１０の高さは約
０．５〜１μｍ、第１絶縁層６の厚さは約０．４〜０．
８μｍ、ならびにゲート電極７の厚さは約０．２μｍで
ある。
ブデンのような耐熱金属で作られる。ゲート電極７は、
タングステン、モリブデン、ニオブ、またはタングステ
ンシリサイド等の金属あるいは金属化合物で作られる。
絶縁層６には、例えばシリコンの酸化物、シリコンの窒
化物等の単一あるいは複合層構造を使用する。ゲート電
極７の開口の直径は約１μｍ、エミッタ１０の高さは約
０．５〜１μｍ、第１絶縁層６の厚さは約０．４〜０．
８μｍ、ならびにゲート電極７の厚さは約０．２μｍで
ある。
【００４２】この陰極を製作するには、基本的には文献
（Journal of Applied Physics,Vol.39,No.7,pp.3504,1
968 ）等に開示されているように、ゲート電極７と絶縁
層６に空洞を形成した後、ウエハを回転させながら斜め
方向から犠牲層を堆積し、次にエミッタ材料をウエハの
真上から堆積すればよい。
（Journal of Applied Physics,Vol.39,No.7,pp.3504,1
968 ）等に開示されているように、ゲート電極７と絶縁
層６に空洞を形成した後、ウエハを回転させながら斜め
方向から犠牲層を堆積し、次にエミッタ材料をウエハの
真上から堆積すればよい。
【００４３】本実施の形態においては、電子ビーム４の
速度が遅く外部の電界の影響を受けやすい冷陰極１付近
の電子ビーム形状を、電極パターンを冷陰極１上に正確
に形成できる内部電極８および外部電極９によって制御
している。よって、電子ビーム４の高精度の制御が可能
になり、リップルの少い電子ビーム４が形成できる。さ
らに、リング状の電子放出領域から放出されたリング状
の断面を持つ電子ビームは、ゲート電極７よりも低い電
位の内部電極８および外部電極９によって形成される、
両側から押さえつけるような電位分布の中を進行するの
で、横方向速度成分が抑圧される。
速度が遅く外部の電界の影響を受けやすい冷陰極１付近
の電子ビーム形状を、電極パターンを冷陰極１上に正確
に形成できる内部電極８および外部電極９によって制御
している。よって、電子ビーム４の高精度の制御が可能
になり、リップルの少い電子ビーム４が形成できる。さ
らに、リング状の電子放出領域から放出されたリング状
の断面を持つ電子ビームは、ゲート電極７よりも低い電
位の内部電極８および外部電極９によって形成される、
両側から押さえつけるような電位分布の中を進行するの
で、横方向速度成分が抑圧される。
【００４４】さらに、内部電極８と外部電極９との間の
電圧関係を変えることによって、集束状況を変えること
ができる。よって、ゲート電圧を変えて電子ビーム電流
量を変えた場合にも、最適な集束状態に容易に再設定す
ることができる。
電圧関係を変えることによって、集束状況を変えること
ができる。よって、ゲート電圧を変えて電子ビーム電流
量を変えた場合にも、最適な集束状態に容易に再設定す
ることができる。
【００４５】［実施の形態２］図３は、本発明の実施の
形態２による冷陰極電子銃の模式的な構造を示す図であ
る。図１に示した実施の形態１と異なる点は、ゲート電
極７の上にゲート電極上絶縁層２１を介してリング状の
集束電極２２を追加し、集束電極２２を挟む内部電極８
および外部電極９をゲート電極上絶縁層２１の上に形成
した点である。実施の形態２では、実施の形態１と比較
して、周辺電子がより強く集束作用を受ける。
形態２による冷陰極電子銃の模式的な構造を示す図であ
る。図１に示した実施の形態１と異なる点は、ゲート電
極７の上にゲート電極上絶縁層２１を介してリング状の
集束電極２２を追加し、集束電極２２を挟む内部電極８
および外部電極９をゲート電極上絶縁層２１の上に形成
した点である。実施の形態２では、実施の形態１と比較
して、周辺電子がより強く集束作用を受ける。
【００４６】ゲート電極７に印加する電圧ＥG には、約
５０Ｖを印加する。あるいは、集束電極２２の電圧の影
響を受けてエミッション電流が低下するので、約５０Ｖ
よりも僅かに高い電圧を印加する。集束電極２２に印加
する電圧Ｅf は約１０Ｖである。内部電極８および外部
電極９には、電圧条件Ｅf ≧ＥI 、Ｅf ≧ＥO を満たす
電圧ＥI 、ＥO が印加されている。尚、冷陰極構造の設
計によっては、Ｅf 、ＥI 、およびＥO は、負の電圧に
なることもある。
５０Ｖを印加する。あるいは、集束電極２２の電圧の影
響を受けてエミッション電流が低下するので、約５０Ｖ
よりも僅かに高い電圧を印加する。集束電極２２に印加
する電圧Ｅf は約１０Ｖである。内部電極８および外部
電極９には、電圧条件Ｅf ≧ＥI 、Ｅf ≧ＥO を満たす
電圧ＥI 、ＥO が印加されている。尚、冷陰極構造の設
計によっては、Ｅf 、ＥI 、およびＥO は、負の電圧に
なることもある。
【００４７】各エミッタ１０から放出された周辺電子
は、はじめに集束電極２２によって集束を受け、横方向
速度成分が抑圧される。さらに、実施の形態１と同じよ
うに、集束電極２２を挟む内部電極８および外部電極９
で形成される電界で集束を受け、横方向速度成分が抑圧
される。さらに、内部電極８、外部電極９、ウエーネル
ト電極２、および陽極３で形成された電界分布によって
集束を受ける。
は、はじめに集束電極２２によって集束を受け、横方向
速度成分が抑圧される。さらに、実施の形態１と同じよ
うに、集束電極２２を挟む内部電極８および外部電極９
で形成される電界で集束を受け、横方向速度成分が抑圧
される。さらに、内部電極８、外部電極９、ウエーネル
ト電極２、および陽極３で形成された電界分布によって
集束を受ける。
【００４８】［実施の形態３］図４は、本発明の実施の
形態３による冷陰極電子銃の模式的な構造を示す図であ
る。実施の形態３が図１に示した実施の形態１と異なる
のは、ゲート電極７が形成されている領域を除いて、絶
縁層６の上に絶縁層上絶縁層３１を積層し、絶縁層上絶
縁層３１の上に内部電極８および外部電極９を形成した
点である。絶縁層上絶縁層３１は、絶縁層６と比較して
厚く形成されている。よって、実施の形態１と比較し
て、内部電極８と外部電極９の電位が、冷陰極１から軸
方向に離れた位置にまで電界形成に影響を及ぼすことが
でき、より強い電界レンズが形成できる。このため、放
出された電子がより強く集束作用を受ける。
形態３による冷陰極電子銃の模式的な構造を示す図であ
る。実施の形態３が図１に示した実施の形態１と異なる
のは、ゲート電極７が形成されている領域を除いて、絶
縁層６の上に絶縁層上絶縁層３１を積層し、絶縁層上絶
縁層３１の上に内部電極８および外部電極９を形成した
点である。絶縁層上絶縁層３１は、絶縁層６と比較して
厚く形成されている。よって、実施の形態１と比較し
て、内部電極８と外部電極９の電位が、冷陰極１から軸
方向に離れた位置にまで電界形成に影響を及ぼすことが
でき、より強い電界レンズが形成できる。このため、放
出された電子がより強く集束作用を受ける。
【００４９】［実施の形態４］図５は、本発明の実施の
形態４をによる冷陰極電子銃の模式的な構造を示す図で
ある。図１、３、および４に示した実施の形態１、２、
および３と異なる点は、電子放出領域を形成した冷陰極
４１をリング状に形成し、外側に金属からなる第１のウ
エーネルト電極４２、リングの中央に同じく金属からな
る第２のウエーネルト電極４３設けている点である。冷
陰極４１は、実施の形態１、２、および３にある内部電
極８と外部電極９を有していない。本実施の形態では、
実施の形態１、２、および３と比較して、中央部の第２
のウエーネルト電極４３の高さを、内部電極８よりも大
幅に高くできる。例えば、実施の形態３の内部電極８が
ゲート電極７よりも高々数μｍ程度高いだけなのに対
し、第２のウエーネルト電極４３は、０．５ｍｍ以上の
高さを持ち、１００倍以上の差がある。したがって、第
１のウエーネルト電極４２と第２のウエーネルト電極４
３によって、実施形態例１、２、３と比較してさらに強
い集束作用が実現できる。
形態４をによる冷陰極電子銃の模式的な構造を示す図で
ある。図１、３、および４に示した実施の形態１、２、
および３と異なる点は、電子放出領域を形成した冷陰極
４１をリング状に形成し、外側に金属からなる第１のウ
エーネルト電極４２、リングの中央に同じく金属からな
る第２のウエーネルト電極４３設けている点である。冷
陰極４１は、実施の形態１、２、および３にある内部電
極８と外部電極９を有していない。本実施の形態では、
実施の形態１、２、および３と比較して、中央部の第２
のウエーネルト電極４３の高さを、内部電極８よりも大
幅に高くできる。例えば、実施の形態３の内部電極８が
ゲート電極７よりも高々数μｍ程度高いだけなのに対
し、第２のウエーネルト電極４３は、０．５ｍｍ以上の
高さを持ち、１００倍以上の差がある。したがって、第
１のウエーネルト電極４２と第２のウエーネルト電極４
３によって、実施形態例１、２、３と比較してさらに強
い集束作用が実現できる。
【００５０】図５において、多数のエミッタを形成した
電子放出領域も、冷陰極４１と同様に、リング状になっ
ている。第１のウエーネルト電極４２と第２のウエーネ
ルト電極４３には、独立の電圧ＥW1、ＥW2が印加され
る。電圧ＥW1、ＥW2は、ゲート電極電圧ＥG に対して、
次の電圧条件を満たしている。電圧条件ＥG ≧ＥW1、Ｅ
G ≧ＥW2。第１のウエーネルト電極４２の高さと第２の
ウエーネルト電極４３の高さとの関係、即ち冷陰極４１
の表面から第１のウエーネルト電極４２の先端までの距
離と冷陰極４の表面から第２のウエーネルト電極４３の
先端までの距離との関係については、第１のウエーネル
ト電極４２の方を高くすることによって、全体の電子ビ
ームをより効果的に集束することができる。
電子放出領域も、冷陰極４１と同様に、リング状になっ
ている。第１のウエーネルト電極４２と第２のウエーネ
ルト電極４３には、独立の電圧ＥW1、ＥW2が印加され
る。電圧ＥW1、ＥW2は、ゲート電極電圧ＥG に対して、
次の電圧条件を満たしている。電圧条件ＥG ≧ＥW1、Ｅ
G ≧ＥW2。第１のウエーネルト電極４２の高さと第２の
ウエーネルト電極４３の高さとの関係、即ち冷陰極４１
の表面から第１のウエーネルト電極４２の先端までの距
離と冷陰極４の表面から第２のウエーネルト電極４３の
先端までの距離との関係については、第１のウエーネル
ト電極４２の方を高くすることによって、全体の電子ビ
ームをより効果的に集束することができる。
【００５１】さらに、第１のウエーネルト電極４２の内
側から電子放出領域の外側までの距離をｄｏ、第２のウ
エーネルト電極４３の外側から電子放出領域の内側まで
の距離ｄｉとしたとき、ｄｉ≧ｄｏ、即ち電子放出領域
を外側にある第１のウエーネルト電極４２に近づけるこ
とによって、外側から電子ビームの中心軸に向かう力を
強くできる。よって、電子ビームを強く集束することが
できる。
側から電子放出領域の外側までの距離をｄｏ、第２のウ
エーネルト電極４３の外側から電子放出領域の内側まで
の距離ｄｉとしたとき、ｄｉ≧ｄｏ、即ち電子放出領域
を外側にある第１のウエーネルト電極４２に近づけるこ
とによって、外側から電子ビームの中心軸に向かう力を
強くできる。よって、電子ビームを強く集束することが
できる。
【００５２】このように、リング状電子放出領域から放
出された電子は、これを挟む内側と外側のウエーネルト
電極により強い集束電界を受けるので、Ｐｉｅｒｃｅ電
子銃とは異なった集束条件で電子ビームを形成する。
出された電子は、これを挟む内側と外側のウエーネルト
電極により強い集束電界を受けるので、Ｐｉｅｒｃｅ電
子銃とは異なった集束条件で電子ビームを形成する。
【００５３】図６には、実施の形態４による冷陰極電子
銃で形成された電子ビーム軌道の計算結果の一例を示
す。図６では、電子ビーム軌道と共に、電極構造、電位
分布、および軸方向磁束密度分布をもに示す。図６を参
照して、リング状に並んだエミッタから横方向速度成分
を持つ電子を含む電子の軌道が示されている。電子は、
電子銃における電界と軸方向磁束によって集束を受け
て、らせんを通り抜ける細い電子ビームとなる。
銃で形成された電子ビーム軌道の計算結果の一例を示
す。図６では、電子ビーム軌道と共に、電極構造、電位
分布、および軸方向磁束密度分布をもに示す。図６を参
照して、リング状に並んだエミッタから横方向速度成分
を持つ電子を含む電子の軌道が示されている。電子は、
電子銃における電界と軸方向磁束によって集束を受け
て、らせんを通り抜ける細い電子ビームとなる。
【００５４】電子ビーム軌道の計算結果から、リップル
の小さい良好な電子ビームを得るためには、電子放出領
域の内径、外径をそれぞれＤＩ、ＤＯとすると、ＤＩ／
ＤＯ≧０．８の関係を満たす必要があることがわかっ
た。また、実際のマイクロ波管の構造、ならびに電子ビ
ーム集束用周期磁石の設計条件を考慮すると、らせんな
どの低速波回路部分における電子ビームの直径をＤｂと
すると、ＤＯ／Ｄｂを４．５前後に設定するのがよいこ
とがわかった。
の小さい良好な電子ビームを得るためには、電子放出領
域の内径、外径をそれぞれＤＩ、ＤＯとすると、ＤＩ／
ＤＯ≧０．８の関係を満たす必要があることがわかっ
た。また、実際のマイクロ波管の構造、ならびに電子ビ
ーム集束用周期磁石の設計条件を考慮すると、らせんな
どの低速波回路部分における電子ビームの直径をＤｂと
すると、ＤＯ／Ｄｂを４．５前後に設定するのがよいこ
とがわかった。
【００５５】尚、実施の形態４において、ゲート電極の
上にゲート電極上絶縁層を介して集束電極を積層した構
造の冷陰極４１を使用しても、同様の効果が得られるの
は明らかである。
上にゲート電極上絶縁層を介して集束電極を積層した構
造の冷陰極４１を使用しても、同様の効果が得られるの
は明らかである。
【００５６】［実施の形態５］図７は、本発明の実施の
形態５によるマイクロ波管装置を示す断面図である。実
施の形態５は、冷陰極電子銃を備えた電子ビーム装置と
して代表的なマイクロ波管装置であるＴＷＴ（進行波
管）である。図７において、本マイクロ波管装置は、冷
陰極８１、ウエーネルト電極８２、および陽極８３によ
り構成された電子銃８６を有している。冷陰極８１から
放出された電子は、電子銃８６で作られた静電界と磁石
８８で作られた磁界で集束され、所定形状の電子ビーム
８７に形成される。電子ビーム８７は、内径が１ｍｍ程
度またはこれ以下の低速波回路であるらせん９０の中を
通り抜け、コレクタ８９で捕捉される。らせん９０に印
加された入力ＲＦ信号は、密度変調した電子ビーム８７
を作り、電子ビーム８７はらせん９０の中を通過する間
にらせん９０との相互作用により、らせん９０にＲＦ信
号を誘起し、さらにこれを増幅して出力信号を作る。直
流電源９１，９２，９３，および９４は、それぞれウエ
ーネルト電極８２、陽極８３、らせん９０、およびコレ
クタ８９に直流電圧を供給する。尚、図７では、冷陰極
８１のゲート電極や内部電極等に電圧を印加するための
配線と電源は、省略している。
形態５によるマイクロ波管装置を示す断面図である。実
施の形態５は、冷陰極電子銃を備えた電子ビーム装置と
して代表的なマイクロ波管装置であるＴＷＴ（進行波
管）である。図７において、本マイクロ波管装置は、冷
陰極８１、ウエーネルト電極８２、および陽極８３によ
り構成された電子銃８６を有している。冷陰極８１から
放出された電子は、電子銃８６で作られた静電界と磁石
８８で作られた磁界で集束され、所定形状の電子ビーム
８７に形成される。電子ビーム８７は、内径が１ｍｍ程
度またはこれ以下の低速波回路であるらせん９０の中を
通り抜け、コレクタ８９で捕捉される。らせん９０に印
加された入力ＲＦ信号は、密度変調した電子ビーム８７
を作り、電子ビーム８７はらせん９０の中を通過する間
にらせん９０との相互作用により、らせん９０にＲＦ信
号を誘起し、さらにこれを増幅して出力信号を作る。直
流電源９１，９２，９３，および９４は、それぞれウエ
ーネルト電極８２、陽極８３、らせん９０、およびコレ
クタ８９に直流電圧を供給する。尚、図７では、冷陰極
８１のゲート電極や内部電極等に電圧を印加するための
配線と電源は、省略している。
【００５７】本装置は、電子ビームのリップルが小さい
ため、電子ビームとらせんとの結合を強くできる。よっ
て、らせん単位長さ当たりの利得を高くできるので、ら
せんの全長を大幅に短縮でき、ＴＷＴを大幅に小型化で
きる。さらに、電流密度の高い電子ビームが形成できる
ため、ＲＦ−ＤＣ変換効率の高いＴＷＴが実現できる。
ため、電子ビームとらせんとの結合を強くできる。よっ
て、らせん単位長さ当たりの利得を高くできるので、ら
せんの全長を大幅に短縮でき、ＴＷＴを大幅に小型化で
きる。さらに、電流密度の高い電子ビームが形成できる
ため、ＲＦ−ＤＣ変換効率の高いＴＷＴが実現できる。
【００５８】一般に、管内の残留ガスと電子が衝突する
ことによってガス分子はイオン化され、正イオンは陰極
を衝撃して、陰極に損傷を与える虞がある。陽極８３が
最高電位であった場合には、らせん９０やコレクタ８９
部分で生成された正イオンは陽極８３で作られた電位の
山を乗り越えられないので冷陰極８１には到達しない。
一方、冷陰極８１から陽極８３までの電子銃部で生成さ
れた正イオンは、冷陰極８１を衝撃する。他方、らせん
９０が最高位であった場合には、特にらせん９０部分で
生成された正イオンは、らせん９０中心軸付近にトラッ
プされる。電子銃部に到達した一部の正イオンは、らせ
ん９０と冷陰極８１との間の電位差で加速され、冷陰極
８１の中心部を衝撃する。しかし、この場合でも、本発
明の冷陰極８１の中心部にはイオン衝撃の影響を強く受
けるエミッタが形成されていないので、信頼性に影響を
与える虞はない。
ことによってガス分子はイオン化され、正イオンは陰極
を衝撃して、陰極に損傷を与える虞がある。陽極８３が
最高電位であった場合には、らせん９０やコレクタ８９
部分で生成された正イオンは陽極８３で作られた電位の
山を乗り越えられないので冷陰極８１には到達しない。
一方、冷陰極８１から陽極８３までの電子銃部で生成さ
れた正イオンは、冷陰極８１を衝撃する。他方、らせん
９０が最高位であった場合には、特にらせん９０部分で
生成された正イオンは、らせん９０中心軸付近にトラッ
プされる。電子銃部に到達した一部の正イオンは、らせ
ん９０と冷陰極８１との間の電位差で加速され、冷陰極
８１の中心部を衝撃する。しかし、この場合でも、本発
明の冷陰極８１の中心部にはイオン衝撃の影響を強く受
けるエミッタが形成されていないので、信頼性に影響を
与える虞はない。
【００５９】尚、実施の形態５では、低速波回路として
らせんを用いたＴＷＴの例を示しているが、らせんに限
らず、結合空洞やリングループ等のＴＷＴにも適用でき
る。さらに、ＴＷＴに限らず、クライストロンやジャイ
ロトロンのようなマイクロ波管装置に、本発明の冷陰極
を適用しても、その利点を活用することができる。
らせんを用いたＴＷＴの例を示しているが、らせんに限
らず、結合空洞やリングループ等のＴＷＴにも適用でき
る。さらに、ＴＷＴに限らず、クライストロンやジャイ
ロトロンのようなマイクロ波管装置に、本発明の冷陰極
を適用しても、その利点を活用することができる。
【００６０】また、Ｓｐｉｎｄｔタイプの冷陰極の他
に、半導体基板のエッチングによってエミッタを形成す
るＧｒａｙタイプや、微小な鋳型の中に電子放出層を堆
積してエミッタを形成するモールドタイプの冷陰極にも
本発明が適用できることは、明らかである。
に、半導体基板のエッチングによってエミッタを形成す
るＧｒａｙタイプや、微小な鋳型の中に電子放出層を堆
積してエミッタを形成するモールドタイプの冷陰極にも
本発明が適用できることは、明らかである。
【００６１】
【発明の効果】本発明による冷陰極電子銃は、少くとも
一つの表面が導電性を示す基板と、陰極基板に形成し、
先端を先鋭化したエミッタと、エミッタおよびその付近
を除いて陰極基板の上に積層された絶縁層と、絶縁層の
上に積層され、エミッタを取り囲む開口を持ち、リング
状を呈するゲート電極と、絶縁層の上に積層され、ゲー
ト電極の内側に形成された内部電極と、絶縁層の上に積
層され、ゲート電極の外側に形成された外部電極とを有
している。エミッタの電位を基準として、ゲート電極、
内部電極、および外部電極に印加する電圧をそれぞれ、
ＥG 、ＥI 、およびＥO としたとき、ＥG ≧ＥI 、かつ
ＥG ≧ＥO であるため、ゲート・エミッタ間の電圧を変
化させ、電子ビームの電流量を変えても常に良好な集束
を実現できる。よって、リップルの小さい高品質の電子
ビームが形成できる。さらに、低速波回路部で生成した
正イオンが衝撃する部分には電子を放出する微細構造が
ないので、エミッタ・ゲート間の短絡による故障が発生
する虞がなく、高い信頼性を実現できる。
一つの表面が導電性を示す基板と、陰極基板に形成し、
先端を先鋭化したエミッタと、エミッタおよびその付近
を除いて陰極基板の上に積層された絶縁層と、絶縁層の
上に積層され、エミッタを取り囲む開口を持ち、リング
状を呈するゲート電極と、絶縁層の上に積層され、ゲー
ト電極の内側に形成された内部電極と、絶縁層の上に積
層され、ゲート電極の外側に形成された外部電極とを有
している。エミッタの電位を基準として、ゲート電極、
内部電極、および外部電極に印加する電圧をそれぞれ、
ＥG 、ＥI 、およびＥO としたとき、ＥG ≧ＥI 、かつ
ＥG ≧ＥO であるため、ゲート・エミッタ間の電圧を変
化させ、電子ビームの電流量を変えても常に良好な集束
を実現できる。よって、リップルの小さい高品質の電子
ビームが形成できる。さらに、低速波回路部で生成した
正イオンが衝撃する部分には電子を放出する微細構造が
ないので、エミッタ・ゲート間の短絡による故障が発生
する虞がなく、高い信頼性を実現できる。
【００６２】また、本発明による冷陰極電子銃を備えた
マイクロ波管装置は、高品質の電子ビームを形成できる
ので、高い装置性能が実現できる。特に、ＴＷＴなどの
マイクロ波管装置においては、従来例と比較して装置の
大幅な小型化が可能であり、高いＤＣ−ＲＦ変換効率を
実現できる。
マイクロ波管装置は、高品質の電子ビームを形成できる
ので、高い装置性能が実現できる。特に、ＴＷＴなどの
マイクロ波管装置においては、従来例と比較して装置の
大幅な小型化が可能であり、高いＤＣ−ＲＦ変換効率を
実現できる。
【図１】本発明の実施の形態１による冷陰極電子銃の模
式的な構造を示す図である。
式的な構造を示す図である。
【図２】図１に示す冷陰極電子銃の模式的な平面図であ
る。
る。
【図３】本発明の実施の形態２による冷陰極電子銃の模
式的な構造を示す図である。
式的な構造を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態３による冷陰極電子銃の模
式的な構造を示す図である。
式的な構造を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態４による冷陰極電子銃の模
式的な構造を示す図である。
式的な構造を示す図である。
【図６】図５に示す冷陰極電子銃で形成された電子ビー
ム軌道の計算結果の一例である。
ム軌道の計算結果の一例である。
【図７】本発明の実施の形態５によるマイクロ波管装置
としてのＴＷＴの構造を示す断面図である。
としてのＴＷＴの構造を示す断面図である。
【図８】従来例によるＳｐｉｎｄｔタイプの冷陰極を示
す図であり、（ａ）は冷陰極の構造を示し、（ｂ）およ
び（ｃ）は微小冷陰極の断面を示す。
す図であり、（ａ）は冷陰極の構造を示し、（ｂ）およ
び（ｃ）は微小冷陰極の断面を示す。
【図９】（ａ）および（ｂ）共に、従来例による冷陰極
を示す図である。
を示す図である。
【図１０】従来例による熱陰極電子銃を示す図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は、従来例による冷陰極
をその製造工程の一部に即して示す図である。
をその製造工程の一部に即して示す図である。
【図１２】（ａ）および（ｂ）共に、従来例による冷陰
極を示す図である。
極を示す図である。
１ 冷陰極 ２ ウエーネルト電極 ３ 陽極 ４ 電子ビーム ５ 陰極基板 ６ 絶縁層 ７ ゲート電極 ８ 内部電極 ９ 外部電極 １０ エミッタ １１〜１５ 直流電源 １６ 正イオン １７ 溝 ２１ ゲート電極上絶縁層 ２２ 集束電極 ２３ 直流電源 ３１ 絶縁層上絶縁層 ４１ 冷陰極 ４２ 第１のウエーネルト電極 ４３ 第２のウエーネルト電極 ４４ 陽極 ８１ 冷陰極 ８２ ウエーネルト電極 ８３ 陽極 ８６ 電子銃 ８７ 電子ビーム ８８ 磁石 ８９ コレクタ ９０ らせん ９１〜９４ 直流電源 １０１ 基板 １０２ 絶縁層 １０３ ゲート電極（制御電極） １０４ エミッタ １０５ 絶縁層 １０６ 集束電極 １０７ 微小冷陰極 １０８ 陰極 １０９ 空洞
Claims (7)
- 【請求項１】 少くとも一つの表面が導電性を示す陰極
基板と、前記陰極基板に形成し、先端を先鋭化したエミ
ッタと、前記エミッタおよびその付近を除いて前記陰極
基板の上に積層された絶縁層と、前記絶縁層の上に積層
され、前記エミッタを取り囲む開口を持ち、リング状を
呈するゲート電極と、前記絶縁層の上に積層され、前記
ゲート電極の内側に形成された内部電極と、前記絶縁層
の上に積層され、前記ゲート電極の外側に形成された外
部電極とを有し、前記エミッタの電位を基準として、前
記ゲート電極、前記内部電極、および前記外部電極に印
加する電圧をそれぞれ、ＥG 、ＥI 、およびＥO とした
とき、ＥG ≧ＥI 、かつＥG ≧ＥO であることを特徴と
する冷陰極電子銃。 - 【請求項２】 前記内部電極および前記外部電極のうち
の少くとも一方は、前記絶縁層の上に積層した絶縁層上
絶縁層の上に形成されることを特徴とする請求項１に記
載の冷陰極電子銃。 - 【請求項３】 少くとも一つの表面が導電性を示す陰極
基板と、前記陰極基板に形成され、先端が先鋭化された
エミッタと、前記エミッタおよびその付近を除いて前記
陰極基板の上に積層された絶縁層と、前記絶縁層の上に
積層され、前記エミッタを取り囲む開口を持つゲート電
極と、前記ゲート電極の上に積層され、前記絶縁層と共
通の空洞を形成したゲート電極上絶縁層と、前記ゲート
電極上絶縁層の上に積層され、開口が前記絶縁層および
前記ゲート電極上絶縁層と共通の空洞を形成し、リング
状を呈する集束電極と、前記ゲート電極上絶縁層の上に
積層され、前記集束電極の内側に形成した内部電極と、
前記ゲート電極上絶縁層の上に積層され、前記集束電極
の外側に形成された外部電極とを有し、前記エミッタの
電位を基準として、前記集束電極、前記内部電極、およ
び前記外部電極に印加する電圧をそれぞれ、Ｅf 、
ＥI 、およびＥO としたとき、Ｅf ≧ＥI 、かつＥf ≧
ＥO であることを特徴とする冷陰極電子銃。 - 【請求項４】 少くとも一つの表面が導電性を示す陰極
基板、前記陰極基板のリング状の領域に形成され、先端
が先鋭化されたエミッタ、前記エミッタとその付近を除
いて前記陰極基板の上に積層された絶縁層、ならびに前
記絶縁層の上に積層され、前記エミッタを取り囲む開口
を持つゲート電極により構成される冷陰極と、前記冷陰
極の前記エミッタを形成したリング状の電子放出領域を
取り囲む第１のウエーネルト電極と、前記電子放出領域
の内側に設置された第２のウエーネルト電極とを有し、
前記冷陰極の前記エミッタの電位を基準として、前記冷
陰極の前記ゲート電極、前記第１のウエーネルト電極、
および前記第２のウエーネルト電極に印加する電圧をそ
れぞれ、ＥG 、ＥW1、およびＥW2としたとき、ＥG ≧Ｅ
W1、かつＥG ≧ＥW2であり、前記電子放出領域の外径お
よび内径をそれぞれ、Ｄ０およびＤ１としたとき、Ｄ１
／Ｄ０≧０．８であることを特徴とする冷陰極電子銃。 - 【請求項５】 前記第１のウエーネルト電極の先端の前
記冷陰極の表面からの距離が、前記第２のウエーネルト
電極の先端の前記冷陰極の表面からの距離以上であるこ
とを特徴とする請求項４に記載の冷陰極電子銃。 - 【請求項６】 前記第１のウエーネルト電極の内側から
前記電子放出領域の外側までの距離が、前記第２のウエ
ーネルト電極の外側から前記電子放出領域の内側までの
距離以下であることを特徴とする請求項４に記載の冷陰
極電子銃。 - 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれかに記載の冷陰
極電子銃を少くとも一つ備えたマイクロ波管装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29145396A JP2939943B2 (ja) | 1996-11-01 | 1996-11-01 | 冷陰極電子銃およびこれを備えたマイクロ波管装置 |
| EP97118985A EP0840345A1 (en) | 1996-11-01 | 1997-10-30 | Field-emission cathode capable of forming an electron beam having a high current density and a little ripple |
| US08/962,874 US5929557A (en) | 1996-11-01 | 1997-11-03 | Field-emission cathode capable of forming an electron beam having a high current density and a low ripple |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29145396A JP2939943B2 (ja) | 1996-11-01 | 1996-11-01 | 冷陰極電子銃およびこれを備えたマイクロ波管装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10134702A true JPH10134702A (ja) | 1998-05-22 |
| JP2939943B2 JP2939943B2 (ja) | 1999-08-25 |
Family
ID=17769069
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29145396A Expired - Fee Related JP2939943B2 (ja) | 1996-11-01 | 1996-11-01 | 冷陰極電子銃およびこれを備えたマイクロ波管装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5929557A (ja) |
| EP (1) | EP0840345A1 (ja) |
| JP (1) | JP2939943B2 (ja) |
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| KR100866980B1 (ko) * | 2006-11-16 | 2008-11-05 | 한국전기연구원 | 평판형 냉음극 전자총 |
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| JP4129082B2 (ja) * | 1998-07-30 | 2008-07-30 | 三菱電機株式会社 | 圧接型半導体装置及びそのリング状ゲート端子並びに電力応用装置 |
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| CN103068142A (zh) * | 2012-12-26 | 2013-04-24 | 江苏达胜加速器制造有限公司 | 一种中间电极及应用该中间电极的加速管 |
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- 1996-11-01 JP JP29145396A patent/JP2939943B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-10-30 EP EP97118985A patent/EP0840345A1/en not_active Withdrawn
- 1997-11-03 US US08/962,874 patent/US5929557A/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US6255768B1 (en) | 1999-07-19 | 2001-07-03 | Extreme Devices, Inc. | Compact field emission electron gun and focus lens |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0840345A1 (en) | 1998-05-06 |
| JP2939943B2 (ja) | 1999-08-25 |
| US5929557A (en) | 1999-07-27 |
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