JPS59146129A - 熱電子カソードを製造する方法 - 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】 〔本発明の技術分野〕 本発明は、アノード回路を励起するための高周波で変調
された電子流を生ずるための３極管や４極管に使用され
る格子制御電子源に関する。格子制御源はまた、ビーム
電流を短かい一連の・卆ルスに変調するだめの線形ビー
ムマイクロ波管にも使用される。いずれの場合において
も大電力の電子流が発生するため、ピーク電流が流れる
とき熱電子カソードの前面の制御格子がカソードに対し
て正の電位となる。次に制御格子は電子を引付け、電子
の一部を遮断するため加熱されるという望１しくない結
果を招く。本発明はそのような有害な加熱を避けるため
の改良されたカソード製造方法を提供するものである。

〔従来技術の説明〕

格子の遮断を避けるため、これまで多大の努力がなされ
て来た。即ち、（１）Ｎ子を格子の導体からはずれる弾
道軌道にのせるようなカソード−格子構造体の幾伺学的
形状、（２）カソード構造体の電子放出部分を放出温度
以下に保つことによって、あるいは電子放出部分の表面
をカソードの所望の放出部分より放出を少なくすること
によって電子放出部分から格子に放出されるはずの電子
放出を防ぐ、（３）上記の方法の組合せ、が行われて来
た。

Ｄ、Ｌ、Ｗｌｎｓｏｒを発明者とし１９７０年３月１０
日に発行された米国特許第３，５００，１１０号明細書
にはカソード電位のもとで、開口を設けた導体をカソー
ドと制御格子の間に置き、その格子素子を制御格子の素
子の背後に配列する「陰影格子」（ｓｈａｄｏｗ　ｇｒ
ｉｄ　）の１例が記載されている。陰影格子素子は、電
子の通路を制御格子素子からそらせる集束電界を閉じら
れた放出部分に生ずる。陰影格子素子は制御格子素子の
真下にあるため陰影格子素子からの放出電子は直接制御
格子に向かうこととなる。しかしガから、陰影格子はカ
ソードと良好な熱接触をしないために比較的低温度で作
動１−７、それ放熱電子放出は少ないこととなる１、Ｇ
、Ｖ、Ｍｉｒａｍ　　を発明者とし１９７１年１月２６
日に発行され、本願の出願人に譲渡された米国特許ｍ３
，５５８，９６７号の明細書には更に精巧な陰影格子が
記載されている。この米国％杵においては、陰影格子メ
ツシュ内部のカソード放出部分は凹形表面を形成するよ
うにへこまされ、それによって制御格子開口を通る電子
の集束は増大シ２、放出はカソード表面全体について更
に均一となった。

重要で有益な改良であったけれども、陰影格子方法は幾
つかの問題、特に機械的な問題をもっている。格子をカ
ソードのすぐ近くに設けなければ々らないため、大きな
放出電流が流れることがある。０．００１インチ（０，
０２５喘）のすきまが必要であることもしばしばある。

すきまは加熱過程を通じて維持され々ければならず、熱
膨張による差分を倉入りに補整しなければならない。も
し陰影格子がカソードに接触すれば、それは熱伝導によ
って局所的に過熱して電子放出を行ない、一方力ソード
は冷却してその電子放出が減少する。また、制御格子と
の間に精密な配列関係を作るための陰影格子の構造と取
付けには幾つかの機械的な困難がある。更にまた、陰影
格子構造に要求される厳密な公差と位置決めによって、
電子源の電子特性は衝撃や振動によって引起されるわず
かな変位にも敏感となる。

格子遮断を解決する他の方法は、制御格子導体の背後に
あるカソード自体を不活性化することであった。Ｗｌｌ
ｌｌａｍ　　５ａｌｎを発明者とし１９７４年６月４日
に発行され、本願の出願人に譲渡された米国特許第３，
８１４，９７２号の明細書には、筒と、この筒の中に形
成され、活性な放出性の材料で被覆されていないカソー
ド地金よシ作られた不活性カソード部分が記載されてい
る。この技術は・、Ｉ　リウム、ストロンチウム及びカ
ルシウムの酸化物で被覆されたニッケルカソードには極
めて有効である。しかしながら小量の活性バリウムが無
被覆のニッケル地金の表面に移動するため無被覆部分は
完全な不放出部分に維持されない。この技術は溶融酸化
活性剤を含浸させた多孔質タングステンカソードには適
用できない。

〔本発明の概要〕

本発明の主要な目的は、制御格子によって電子を遮断す
ることが少なく簡単な構造の格子制御電子源に使用され
る熱電子カソードの製造方法を提供することである。

本発明の他の目的は、含浸形カソードを有し、制御格子
遮断の少ない含浸型熱電子カソードの製造方法を提供す
ることである。

本発明の更に他の目的は１．がん丈な機械的特性を有し
、制御格子遮断の少ない電子源に使用される熱電子カソ
ードの製造方法を提供することである。

本発明の更に他の目的は、制御格子遮断の少ない電子源
に用いる精密な製造技術を提供することにある。

本発明の上記の目的は、制御格子導体の背後のカソード
部分の上に、カソード動作温度では／ことえカソードか
らしみ出る活性材料が存在しても不放出性のゾルコニウ
ムのような材料の層を形成することによって達成される
。含浸形カッ〜ドーヒに被覆された不放出性の材料は、
多孔質金属本体の表面を密封する密度の高い不活性金属
の層を最初に形成することによって含浸剤との化学反応
が避けられる。その密封は多孔質金属の表面を局所的に
溶解することによって、あるいは密度の高い表面層の形
成によって行われる５゜ 小くぼみのあるカソード構造は、（１）カソード正面の
表面全体に密度の高い密封層を形成し、（２）密封層の
−Ｆに不放出性の材料の層を形成し、（３）小くぼみを
カソード地金材料まで加工して表面層を切り離ｌ−７、
小くぼみと小くぼみの間は表面層で被覆された壕まにし
ておくことによって製造することができる。

〔好適な実施態様の説明〕

第１図は大電力の・セルスクライストロン（ｐｕｌｓｅ
ｄｋｌｙｓｔｒｏｎ　）　、あるいは進行波管などに使
用される格子制御電子銃を示すものである。格子制御電
子源２からの電子１の集束ビームは、銅のような材料よ
り成る再入アノード３に向って引出され、中央開口４を
通過し、高周波エネルギーを発生するだめの図示しない
マイクロ波回路との相互作用を行なうのに適した円筒状
の線型ビームとして現われる。電子源２の周囲の真空外
囲は、カソードルアノード電源６の直流電圧に耐えるア
ルミナセラミックのような材料よυ成る誘電体円筒５を
有する。円筒５はその両端を、鉄、ニッケル並びにコバ
ルトの合金のようにセラミック（誘電体円筒）５と熱膨
張率が近い材料より成る薄い金属のスリーブ７に、ろう
付けのような方法によって接合される。スリーブ７はろ
う伺けや溶接のような方法によってアノード３と、銅を
含浸した多孔質タングステンのような材料より成るフラ
ンジ伺き金属製電子銃支持円筒８とに接合される。真空
外囲の端は、電子銃支持円筒８に溶接のような方法で接
合されたオーステナイト・ステンレス鋼のような材料よ
り成るコツプ形のヘッダー９によって密閉される。

アルミン酸バリウムを含浸した多孔質タングステンのよ
うな材料より成る熱電子カソード１０は、モリブデンの
よう々材料より成り熱伝導体でもある中空円筒支持スリ
ーブ１１に溶接のような方法で取付けられる。スリーブ
１１は、熱ダムとして働キモリブデンーレニウム合金の
ような材料より成る薄い金属スリーブ１２を介して、電
子銃支持円筒８に点溶接のような方法で支持される。カ
ソード１０は、タングステンワイヤのような材料より成
るらせんヒーター１３からの放射によって加熱される。

ヒーター１３の端は、モリブデン−レニウム合金のよう
々材料より成るタブ１４によってスリーブ１１とヒータ
ー引込みワイヤ１５とに接続される。ワイヤ１５はモリ
ブデンのような材料より成り、セラミック製絶縁体１６
を介して真空外囲を貫通する。ヒーターの電流はワイヤ
１５と電子銃支持円筒８との間の変圧器１７より供給さ
れる。

カソード１０の正面の放出面は大ざっばに表現すると凹
形球面形である。１電子源２からの電子ビーム電流の制
御は開口の設けられた球形格子２０によって行われる。

球形格子２０は、モリブデン−リニウム合金のような材
料より成り、カソード１０の正面にカソードと間隔をあ
けて配置され、ろう付けのような方法によって円筒状の
誘電体リング２１に取付けられる。誘電体リング２１は
酸化ベリリウムセラミックのような材料よシ成シ、これ
は電子銃支持円筒８にろう付けされ、熱伝導によって球
形格子２０を冷却する。集束電極２２は球形格子２０に
接続されると共に、誘電体リング２１にろう付けされて
電子ビームの端に適当な形の電界を形成する。球形格子
２０は、誘電体リング２１の小孔と電子銃支持円筒８と
ヘッダー９と第２のセラミック製絶縁体１６′とを貫通
するワイヤ２３によって接続される。

球形格子２０は直流電圧源２４によってカソード１０に
対してわずかに正の電位にバイアスされる。ビーム電流
が流される場合には、球形格子２゜には・Ｐルナ−２５
によってパルス化した電流が流され、カソード１０に対
して正の電位に保たれる。

カソード１０の正面の大体球面形の表面には小さな凹形
球面形のくぼみ２６の・セターンでくほみが作られてい
る。球面格子２ｏの開口２７はくほみ２６と重なり合う
ため、くぼみ２６の表面からの電子流は球形格子２０の
導体部材２８を衝撃することなく開口２７を通って集束
される。

小ビーム群は一体となり、その結果電子ビーム１を形成
する。各くぼみ２６の間のカソード１０の「陸地」部分
３０け格子のメツシュ部材（導体部材）２８の真下に位
置する。本発明においては、陸地部分３０けこの部分か
ら上方の導体部材２８にＩＨ接流れる電子流を除くため
放出を禁する材料で被覆される。

第２図は格子２０の開口２７と導体部材２８に対応する
カソード１０上のくぼみ２６と「陸地」３０の、ｆター
ンを示すものである。

第３図は放出陸地がなく、＜はみを設けたカソードの製
造方法の好適な方法の各段階を示すものである。（ａ）
銅あるいは熱可塑性ノラスチックのような充填剤を含浸
したタングステンのような材料より成るぜタン形の多孔
質の金属が加工されてこの金属の前面全体をおおう凹形
球面３１が形成される。次に充填剤が除去される。（ｂ
’ｌ密度の高い不活性金属３２の層が前面表面に形成さ
れ、孔が密封される。密封は、表面をおおっている・母
ターンをレーザー溶接によって地金を孔に流入するに十
分なほどの深さ捷で溶かすことによって行なうことがで
きる。また、密度の高い表面層３２は、例えば六フッ化
タングステン蒸気から高温のカソード１０にタングステ
ンを化学蒸着法（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒ　ｄｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ）により付着させることにより形成する
ことができる。多孔質の地金はアルミン酸バリウムのよ
うな電子放出性材料を含浸させられる。（ｃ）不放出性
材料の層３３が密封層（不活性金属の層）３２の上に形
成させられる。含浸カソードの動作温度、即ち約１０５
０℃、においてはたとえ酸化バリウムや金属・々リウム
のようなカソードの活性な蒸発物質が生じてこれにさら
されても不放出性を保つ材料が知られている。これら材
料はジルコニウムとチタンのような活性金属、炭素、及
び炭化モリブデンのような金属炭化物を含む。これらの
材料の大部分は強力な還元剤であり、アルミン酸バリウ
ムのような活性材料と化学的に反応する。不活性な密封
層３２の目的は２つの反応性材料の接触を減少させるこ
とである。層３３は真空蒸着、がスス・母ツター１化学
蒸着法等によって形成させられる。（ｄ）小さな球形の
くぼみ２６は、ＪＰ−ルフライスのようなもので大きな
球面３１まで切削される。活性な放出性の材料はくぼみ
表面に露出されるが、不放出性の層３３は間の陸地部分
３０にとりのこされる。

第３図の方法はまた、広いカソード面を平面または円筒
と１〜で形成し、球形小くぼみの代わシに放出部分用と
して円筒断面の凹形溝を切削することによって３極管に
も使用することができる。

第４図は酸化被覆カソードを有する電子管の一実施態様
を示すもので、ここでは説明のだめ平面３極管を描いて
いる。ここで、カソードの地金１０／／／は含浸形多孔
質金属の代わりにニッケルのような材料より成る金属厚
板である。方法は第３図の場合とほぼ同様であるが、孔
密封層３２（段階ｂ）が不必要である点だけは異なる。

次に溝２６７を地金まで加工して不放出層３３〃′を溝
の間の陸地部分に残しておく。炭酸バリウム−ストロン
チウム−カルシウム粉末のような活性材料で表面をおお
い、不放出部分３３“から活性材料をけずり落とすこと
などによって除去する。それと同時に陸地部分と陸地部
分の間の酸化放出表面３４が滑らかになるようにけずら
れる。炭酸塩を加熱して酸化することによってカソード
が活性化された後、格子導体の背後の不放出層３３／′
は放出部分からの活性材料の拡散による活性化に抵抗す
る。

本願発明に従うと、電子放出表面領域と電子不放出表面
領域との境界が明確に形成される。

また、電子不放出材料層とその下の母材とを一緒に除去
する工程により、カソードの最上層に電子不放出材別の
層を形成でき、且つその電子不放出材料の層の境界周囲
においても確実な厚さを形成できるので、電子不放出表
面領域全域にわたって、電子の放出が防止される。

すなわち、カソード動作温度では、電子放出表面領域に
含浸した活性剤が電子不放出表面領域内にその周囲から
浸透し、その周囲を活性化し、電子を放出させやすい状
態にするが、本願発明に従うと、その活性化される周囲
の上にも確実な厚さの電子不放出材料層が形成されてい
るので、その周囲においても電子放出が確実に防止され
、従って電子不放出表面領域全域にわたって、電子の放
出が防止される。

本発明の他の多くの実施態様は当業者にとって明白であ
ろう。前述の実施態様は単に説明として記載されたもの
であって本発明がそれらのみに限定されるものではない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従い線形ビームマイクロ波管に適し、
小くぼみを設けたカソードを有する電子銃の軸方向断面
図である。 第２図は、第１図のカソードを電子銃の軸に垂面な方向
から見た部分図である。 第３図は、第１図の電子銃のカソード構造物を製造する
一連の工程を概略的に示した図である。 第４図は、酸化被覆カソードを有する平面３極管の断面
図である。 〔主要符号の説明〕 １・・・電子　　　　　　　　２・・・電子源３・・・
アノード　　　　　　ｉｏ、ｉｏ”・・・カソード２０
・・・球形格子　　　　　２６・・・くぼみ２６／／／
　・・・溝　　　　　　　２８〃・・・導体部分（格子
）３０・・・陸地部分　　　　　３ｏ／　、　３　ｏ／
／／　　・・・不放出部分３１・・・球面　　　　　　
　３２・・・不活性金属の層（密封層）３３．３３″′
・・・不放出性材料の層　　３４・・・放出表面特許出
願人　パリアンΦアソシエイツ 、トー・シ、− 代理人　弁理士　竹　内　　澄　夫　斥へ”五 し１　ユ　　・５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、母体材料上に電子不放出表面領域と多数の電子放出
   表面領域とを有して成る熱電子カソードを製造する方法
   であって、 ａ）滑らかな表面を前記母体材料に形成する工程と、 ｂ）次に、前記滑らかな表面上に電子不放出材料の層を
   形成する工程と、 Ｃ）次に、前記電子放出表面領域を形成するために前記
   電子不放出材料層とその下の母体材料の一部を一緒に除
   去する工程と、 から成り、 前記電子不放出材料層とその下の母体材料の一部を一緒
   に除去することによって、前記電子不放出表面領域と前
   記電子放出表面領域との境界を明確にし、前記電子不放
   出表面領域からの電子の放出を確実に防止できるように
   したことを特徴とするところの方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法であって、前記母
   体材料は多孔質金属本体で、 該多孔質金属本体は、活性材料で含浸され、その上に密
   度の高い金属層を形成することで密封されるところの方
   法。 ３、特許請求の範囲第１項記載の方法であって、更に、
   前記電子放出表面領域を電子放出材料で被覆する工程を
   有するところの方法。