JPS6040134B2 - 熱電子カソードを製造する方法 - Google Patents

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、ビーム電流を短かし・一連のパルス
に変調するた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‘こ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
されるという望ま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、‘１１電子を格子の導体からはずれる弾性軌道に
のせるようなカソード−格子構造体の幾何学的形状、■
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．
Ｗｉｎｓｏｒを発明者とし１９７ぴ王３月１０日に発行
された米国特許第３５００１１０号明細書にはカソード
電位のもとで、閉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餌ｉｄ）の１列が記
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東電界を放出部分に生ずる。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
しながら、陰影格子はカソードと良好な熱接触をしＺな
いために比較的低温で作動し、それ故熱電子放出は少な
いこととなる。○．Ｖ．Ｍｉｒａｍを発明者として１９
７１年１月２６日に発行され、本願の出願人に譲渡され
た米国特許第３５５８９６７号の明細書には更に精巧な
陰影格子が記載されている。

この米国特許においては、陰影格子メッシュ内部のカソ
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閉口を通る電子の集東は増大し、
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ならないため
、大きな放出電流が流れることがある。０．皿１インチ
（０．０２５側）のすきまが必要であることもいまいま
ある。

すきまは加熱過程を通じて維持されなければならず、熱
膨張による差分を念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‘こ接触すれば、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、一方カソー
ド‘ま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。

ＷｍｉａｍＳａｉｎを発明者とし１９７必王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３８１
４９７２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
より作られた不活性カソード部分が記載されている。こ
の技術はバリウム、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‘こは極めて有効で
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−ド‘こは適用できな
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、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たとえカソードから
しみ出る活性材料（電子放出材料）が存在しても不放出
性のジ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。

含浸形カソード上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熔解
することによって、あるいは密度の高に表面層の形成に
よって行われる。小くぼみのあるカソード構造は、‘１
ーカソード正面の表面全体に密度の高い密封層を形成し
、■密封層の上に不放出性の材料の層を形成し、｛３’
小〈ぼみをカソード地金材料まで加工して表面層を切り
離し「小くぼみと小〈ぼみの間は表面層で被覆されたま
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図は大電力のパルスクラィストロン （ｐ山ｓｅｄｋｌｙｓｔｒｏｎ）、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の集東ビームは、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
央閉口４を通過し、高周波エネルギーを発生するための
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
囲の真空外因は、カソードーアノード電源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り成る絶縁
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（絶縁体
円筒）６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はろう付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付き金属製電子銃支持円筒８とに接
合される。円筒５によりアノード３と金属製電子銃支持
円筒８との間が絶縁される。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ィ
ト・ステンレス鋼のような材料より成るコップ形のへッ
ダー９によって密閉される。アルミン酸バリウムを合浸
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、モリブデンのような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に熔接のような方
法で取付けられる。スリーブ１１は、熱ダムとして働き
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
ブデンーレニウム合金のような材料より成るタブ１４に
よってスリーブ１１とヒータ一引込みワイヤ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を介して真空外圏を貫通す
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
の放出面は大ざっぱに表現すると凹形球面形である。

電子源２からの電子ビーム電流の制御は開□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
リブデンーレ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げて配置され、ろう
付けのような方法によって円筒状の絶縁体リング２１に
取付けられる。絶縁体リング２１は酸化ベリリウムセラ
ミックのような材料より成り、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。集東電極２２は球形格子２川こ接続されると共に、
電子銃支持円筒８との間を絶縁する絶縁体リング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、絶縁体リング２１の小孔と電子
銃支持円筒８とへッダ−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２川ま直流電圧源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２０１こはパ
ルサー２５によってパルス化した電流が流され、カソー
ド１川こ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２
６のパターンでくぼみが作られている。

球面格子２０の開□２７はくぼみ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□２７を通って集東され
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〈ぼみ２６の間のカソード１０の『陸地』部分３川ま
格子のメッシュ部材（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はこの部分から上方
の導体部材２８に直接流れる電子流を除くため放出を禁
ずる材料で被覆される。第２図は格子２０の開□２７と
導体部村２８もこ対応するカソード１０上のくぼみ２６
と『陣地』３０のパターンを示すものである。

第３図は放出陸地がなく、くぼ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’鋼あるいは熱可塑性プ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ボタン形
の多孔質の金属が機械削りにより加工されて、以下で形
成する層の形成に通し、且つ放出される電子がアノード
３の中央開□４に向うように、この金属の前面全体をお
おう滑らかな凹形球面３１が形成される。次に充填剤が
除去される。｛ｂ｝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。この密封はしーザ
ー溶接によって行うことができる。すなわち、表面全体
にわたって、高出力レーザービームを走査させる。する
と、金属の表面領域が熔けて、孔が満され、これにより
高密度の層が形成される。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（ｃｈｅｍｉｃａｌ
ｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）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が含浸させられる
。‘ｃー不放出性材料の層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１０５０ｑＣ、においてはたとえ酸化バリウ
ムや金属バ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。これら材料に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
物がある（これらの材料については、米国特許第３６０
４９７び号を参照）。これらの材料の大部分は強力な還
元剤であり、ァ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、ガススパッター、化学蒸着法によって形成させら
れる。【ｄ｝小さな球形のくぼみ２６はボールフライス
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３川ことりのこされる。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して形
成し、球形小くぼみの代わり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。

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
料層とその下の母村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料の層を形成でき、且つ
その電子不放出材料の層の境界周面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めのであっ
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−ムマィクロ波管に適し、
小〈ぼみを設けたカソードを有する電子銃の軸万向断面
図である。 第２図は、第１図のカソードを電子銃の軸に垂直な方向
から見た部分図である。第３図は、第１図の電子銃カソ
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。〔主要符号の説明〕１・・・電子、２・・・電子
源、３…アノード、１０・・・カソード、２０・・・球
形格子、２６・・・くぼみ、３０・・・陸地部分、３１
・・・球面、３２・・・不活性金属の層（密封層）、３
３…不放出性材料の層、３４・・・放出表面。 ＦＩＧ．ｌ ＦＩＧ．２ ＦＩＧ．３０ ＦＩＧ．３ｂ ＦＩＧ．３Ｃ ＦＩＧ．３ｄ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多孔質金属本体上に複数の電子放出表面領域と電子
   不放出表面領域とを有して成る熱電子カソードを製造す
   る方法であつて、ａ 前記本体に滑らかな表面を機械削
   りにより形成し、前記本体を電子放出材料で含浸する工
   程、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をその下の多
   孔質金属本体の一部とともに除去する工程と、から成る
   方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載された方法であつて、
   前記電子不放出材料の層を形成する前に、表面上に密
   度の高い金属層を形成することで密封するところの方法
   。