JPS61253755A - カソ−ド装置 - 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】 以下の順序で本発明を説明する。

Ａ、産業上の利用分野 Ｂ、従来技術 Ｃ０発明が解決しようとする問題点 り１問題点を解決するための手段 Ｅ、実施例 Ｆ１発明の効果 Ａ。産業上の利用分野 この発明は、電子を放射するための中空なカソード構造
体に関するものである。

Ｂ、従来技術 中空力ンードは、さまざまなデバイスにおいて電子放射
を行うために使用される。適正なガス流のもとでは、放
射された電子にはイオンが伴っておシ、これによシ、カ
ソードの外側に導電プラズマが発生する。このプラズマ
がない場合、電子の流れは空間電荷によって限定される
ことになろう。

プラズマの存在によシ、例えば１０＝Ｏボルト以下の低
い電圧で、１０〜１００アンペア程度の高い電流が可能
となる。

従来の中空カソードは、発生される電流のほとんどを熱
電子放射に依存している。その結果、放射面は熱くなら
ざるを得ない。この面が高温であることによシ、直接的
または間接的に、従来の中空カソード装置の大部分の欠
点が生じてくる。主要な放射機構としてイオン衝突によ
る２次放射を用いることによシ、カソードの動作は相当
程度に、放射面の温度に依存しなくなる。もし適当な冷
却手段が設けられるならば、熱い面がなくとも高い電流
の電子を放射することが可能となる。

米国特許第５５１５９３２号には、中空カソードの内壁
の仕事関数を低減するために、バリウム、ストロンチウ
ムまたは酸化カルシウムなどの低仕事関数の物質を使用
することに基づく構造が開示されている。仕事関数を低
減することは、高仕事関数の物質よりも低い温度で電子
が熱電子放射されることを可能とする。この場合の低い
温度とは９００℃程度である。この温度を達成するため
に、中空カン−トーチツブを、外部ヒーターまたは個別
のフィラメントにより加熱する必要がある。

上記特許は、高い温度によって中空カソード中に電子が
放射される熱電子過程を記述するものである。しかるに
、本発明は、熱電子素子を用いず、単に２次電子過程に
ょ多動作を行う。このように、１本発明の構造は、上記
特許とは著しく異なる。後の説明から明らかになるが、
本発明の装置は、上記特許に対して、多数の自明でない
長所を持っている。

１米国特許第３３２０４７５号には、中空型のカソード
を有するきわめて初期の時代のプラズマ装置が開示され
ている。この装置は、きわめて高い電圧（２００００Ｖ
）と、高い放電圧（５〜１２ｍｔｏｒｒ　）で動作する
。その動作は直流グロー放電の単純な変動としてあられ
れる。また、その動作電流はきわめて低い（２０ｍＡ　
）。この装置は、多くの点で本発明とは異なる。すなわ
ち、圧力とカソードは有していない。

米国特許第４３２５０００号には、チップのがたちの電
界放射デバイスが開示されている。このチップは、低い
温度での熱電子放射を可能ならしめるために低仕事関数
の物質で被覆されている。

しかし、それは中空のカソードではなく２次電子効果も
使用していないので、本発明とは関連がない。

米国特許第４２９８８１７号には、電子倍増器に基づく
装置が開示されている。電子倍増器は、絶縁された管ま
たは通路の長さ方向にきわめて高い電圧を加えることに
より動作する。この通路内の電子は、正の電位により吸
引され、きわめて高いエネルギーで管の側壁に衝突し、
（その電子から形成された）２次電子の形成をもたらす
。この特許は、この知見を、通路内でイオンを生成し、
またはある場合には電子を生成するだめに利用している
。この装置は、主としてイオン源として用いることを意
図されているように思われる。

この特許は、単一粒子の装置であシ、プラズマ装置でな
い点において本発明とは異なる。この装置は高い電界（
１〜２０００Ｖ）により、比較的低い電流で動作する。

この装置は、主要な過程として電子から２次電子を生成
するが、本発明の装置は、イオンから２次電子を生成す
る。

米国特許第４５７．７．７７３号には、フィラメント・
カソードの代ゎシに中空カソード電子源を用いたイオン
源が開示されている。この装置は中空カソード技術の簡
単な応用であるか、電子源として熱電子中空カソードを
使用している。本発明との相違は１本発明が非熱電子的
な２次電子放射用中空カソードを使用していることであ
る。

上述の従来技術の特許には、本発明のような２次電子中
空カソード装置についての記載が見出されなかった。

第３図は、典型的な従来技術の図である。第６図拠おい
て、外枠体（管）２は円筒形である。この管の一端には
イオン化可能なガス４が導入され、他端の開口６からは
電子が放出される。放射された電子は矢印８の方向に進
む。放射された電子の大部分はもとよシ熱電子であるた
め、開口６の付近の管２の内壁１ｏは熱電子温度に近い
温度である必要がある。このことは、中空カソードをと
り囲む熱電子加熱コイル３を使用することによシ達成す
ることができる。イオン衝突による２次放射と高い電界
による加速とによシ、放射は完全に熱電子的とはならな
い。しかし、放射面が熱電子放射に必要な温度近くの温
度でないと動作が維持されないので、放射の大部分は本
来的に熱電子である。特に、その面が冷却されることが
あると、電子の放射量が急激に下降するとともに、電子
を送出するだめの電圧が増大する。

電子放射面１０の加熱は、イオン衝突によって達成され
る。その動作の間に、管の内壁がプラズマで満たされる
ようになる。このプラズマは、電子が放射される開口６
の付近で最も濃度が高い。

全体の動作電圧のほとんどは、このプラズマと管２の間
の電位差としてあられれる。このプラズマを離れてゆく
イオンはこの電位差に対応するエネルギーを要し、それ
らのイオンが衝突する管の内壁を加熱する。そして、プ
ラズマは開口６の付近で最も濃度が高いので、この開口
付近の内壁１０が最も加熱される。

通常、動作は、管２の開口６付近の端部の高電圧放電に
よシ開始される。そして、内壁１ｏが動作温度まで加熱
されるとすぐに、通常の高電流低電圧放電が実現される
。

放射面からの熱の散逸を抑えて必要な加熱用の電力を低
減するためにさまざまの設計変更が行なわれている。電
気的空間推進機構に使用されるカンード用に開発された
技術がこの場合、最もすぐれた技術である。そのような
カソードは第４図に示されている。

第４図においても管１２が存在し、その一端にはイオン
化可能なガスが流入する。電子の放射は他端のオリフィ
ス１６を介して行われる。第１図の装置と同様に、熱電
子ヒーター１３が放射素子゛１３付近の管１２をとシ囲
んでいる。放射された電子は矢印１８方向に流出する。

この場合電子放射は、挿入体２０を被覆またはとシ囲む
バリウムまたは酸化ストロンチウムとｓ　Ａ　Ｚ　２０
３またはＭＰＯのセルメットから送出されたものである
。

挿入体２０の詳細は第５図に示されている。典型的には
、挿入体２０は、薄膜物質からなる複数の覆われた層で
構成されている。そのような酸化物の存在によシ、より
低い温度で熱電子放射が行われるので、この挿入体は第
１図の装置の対応する面１Ｄよシも低い温度で作用する
。さらに、挿入体２０はまわシの空間に直接放射を行う
のではなくて、管１２によシ遮蔽されている。それゆえ
、第４図の構成では、必要な加熱量が実質的に低減し、
このことは（第３図の構成と比較して）同一の放射量に
ついてより低い電圧で動作を行いうる能力をもたらす。

第４図のさらなる改良においては、放射オリフィス１６
は管の開口端（第３図の開口６）ではなく、管１２の一
端を覆うプレート２２である。このプレートは管１２に
溶着されるかまたは単に接触するように保持されている
。これによれば、管の開口端に比較してオリフィスの面
積が減少したことによシ゛、カソード内の動作圧力（典
型的には１０　ｔｏｒｒまたは１３００パスカル）を維
持するために必要とされるガス流が低減される。

第４図の構成においては、動作を開始するために高電圧
放電も使用される。しかし、この放電に必要な電力を低
減するために、第３図と同様に、加熱素子１３は管１２
のまわシをとシ囲んでいる。

動作の開始後は、通常の動作の間に必要な放射レベルに
応じて、加熱用電力も要求されることになる。

しかし、第３図及び第４図に関連して説明したこれらの
従来技術の中空カソード装置にはいくつかの欠点がある
。すなわち、どの場合にも放射の主体は、本質的に熱電
子であシ、このことは熱い表面を必、要とする。この熱
い表面は、感熱性の表面への熱放射を行うがゆえに、熱
的に望ましくない。

さらにしばしば起こる問題は、熱い面に化学反応が存在
することである。例えば、窒素や酸素の雰囲気で電子を
放射する必要がある場合が少くない。しかし、中空のカ
ソードを構成するために使用される（典型的にはタンタ
ル及びタングステンの）耐火金属は、高い温度では窒素
まだは酸素に侵食される。

従来の装置に関連する別の問題は、電子源の拡張である
。プラズマにおける高い電流の側内が要望されるような
広い領域に均一に電子を印加すべく拡張された電子源を
設けることが望ましいことがある。そのような拡張され
た電子源に単一の中空カソードを設けるための手段とし
て、多重孔または長孔が試みられている。そのような拡
張された電子源に対しては、拡張された電子放射面を形
成することが必要である。しかし、拡張された放射面の
温度の不均一は放射の不均一につながる。

この放射、の不′！！ｊＪ−７″はｌ−、イオンが放射
電子と中性原子との衝突によ多形成されている限シにお
いて、放射面付近のプラズマの不均一さを′むたらす。

プラズマの不均一さは、電子放射面へのプラズマの不均
一な衝突を来たし、これによシ初期温度の偏差が増大す
る。このように、電子放射は拡張された電子放射面のわ
ずかな部分にのみ限定されることになろう。

Ｃ８発明が解決しようとする問題点 この発明の主な目的は、室温付近で動作し得る中空カソ
ード電子プラズマ源を提供することにある。

□　この発明の別の目的は、中空カソード・チェンバ内
の適当な表面からの２次電子放射によシ所望のプラズマ
を生成し得る中空カソード装置を提供することにある。

この発明のさらに別の目的は、初期開始動作の後は高い
動作電圧を必要としない中空カソード装置を提供するこ
とにある。

この発明のさらに別の目的は、通常熱電子カソード装置
に付随する高い動作温度が有害であるような場合Ｋ特に
有用である中空力ンード装置を提供することにある。

この発明のさらに別の目的は、不均一な熱電子放射機構
に依存しないことによシ、拡張された放射面が可能であ
るような中空カソード装置を提供することにある。

Ｄ０問題点を解決するだめの手段 本発明の目的と特徴と利点は、次のような中空力ンード
装置によって実現される。すなわち、この装置は、中空
カソードΦチェンバ内でイオン化可能なガスを利用する
カソード電子ビーム源と、電子放射面から２次放射機構
によって電子放射を生成するべく、上記チェンバ内の電
子放射面にイオンの衝突を起こさせるようにガスの初期
イオン化をもたらすための高電圧手段とい開始電圧を除
去してカソードに低電圧放射継続バイアスを維持するた
めの手段とを具備している。これにょシ、２次放射効果
によって電子放射が継続されるとともに、デバイスが室
温で動作し得ることになる。

Ｅ、実施例 本発明は、第１図を参照することにょシ最もよく理解さ
れる。第１図において、包囲体３２が設けられておシ、
その一端には壁面３４が存在し、壁面３４は電子放射用
の開口３６を有している。

包囲体３２の他端には別の壁面３８が存在し、この壁面
３８は、イオン化可能なガス４２の流入のための入口４
０を有している。包囲体３２と壁面３４及び３８は、チ
ェンバ４４を規定する。そして、動作の間はこのチェン
バ４４がプラズマで満たされ、電子は開口３６から放射
され矢印４６方向に流出される。

動作を開始するために（すなわち、初期放電を行うため
に）、外部高電圧放電を利用することができる。あるい
は、包囲体３２の一部を、その他の箇所から電気的に絶
縁してもよい。この場合、壁面３８が絶縁体４日によっ
て包囲体５２から絶縁されている。絶一体４日の付近の
電極（この場合壁面３８）の形状は、放電面とイオン衝
突面とが直接向き合わないように輪郭を規定されている
。

このようにして、絶縁体４日上に導電被覆が形成される
のが防止される。

次に、動作を開始させるために、壁面３日が包囲体３２
及び壁面３４に対して正電圧に設定される。この電圧は
典型的には数百ボルトである。これは第１図において電
源５４とスイッチ５６によって示されている。これによ
る放電で形成されたイオンは電子放射面５０に衝突し、
これにより放電を継続するための電子が放射される。す
ると、チェンバ４４の大部分は導電性のプラズマで満た
されるようになる。開口３６を介してこのプラズマから
送出される電子放射は、（例えば第１図のアノード５８
のような）１個またはそれ以上の外部アノ−°ドに電気
的接触をはかる働きをする。これらのアノードへの電流
が達成されると、例えばスイッチ５６をオフにすること
によって壁面３Ｂに加えられている電圧をオフにするこ
とができ、この後通常の動作が継続される。

通常の動作においては、チェンノく４４中のプラズマと
放射面５０との間に２００ボルト程度の電位差が設定さ
れなくてはならない。この電位差は、中空カソード構造
体の壁面３２とアノード５８の間に接続された電源５７
によって設定される。チェンバ４４中のプラズマは高濃
度であるので、この電位差のほとんどは、プラズマの外
辺部を横切つて、その外辺の境界５２と電子放射面５０
０間にあられれる。放射面５０から放射された電子は、
その面から垂直に案内されてチェンノ（４４中の中性原
子及び分子と衝突する。これらの電子のエネルギーのた
め、電子のエネルギーを１ｓＶ〜数ｅＶにまで低下させ
るには多数回の衝突が必要である。

放射面５０の形状と位置は、プラズマの外辺部を介して
加速された電子が開口３６に導かれることなく、開口３
６から出てゆく前に必ず中性原子との衝突を行うように
選択されている。さらに、例えば壁面３８などの他の面
からも多少の２次電子が放射される。この場合、壁面６
８の内面の輪郭は、開口３６に導かれる放射電子の数を
極小化するように設定されている。

第１図の中空カソードの効率的な動作を保証するために
、放射面５０による２次電子の放射を高める必要がある
。この効率向上は、ガス４２として軽いガスイオンを使
用し、放射面５０に適切な化合物を使用することによっ
て達成される。

効率的な動作のための典型的なガスは、水素、ヘリウム
及びネオンである。これらのガスを、Ｎ２゜または０２
などの反応性ガスと混合することにより、２次電子の高
い歩どまシを与える面を保持するための、酸化物の形成
などの化学反応を導入するのに適当な混合ガスが得られ
る。電子放射面には、酸化物及び）・ロゲン化物が典型
的な化合物である。有用な、高い２次電子を放射する面
は、ＭｆＯ１ＭｆＦ２、Ａｔ２０３、Ｂａｄ、　ＳｒＱ
、　ＮａＣ４１ＺｎＳ及びこれら°と別の酸化物及びノ
・ロゲン化物の組み合わせを有している。２次電子放射
の特性は酸化アルミニウムと酸化マグネシウムについて
は知られてはいないが、これらもまた適当な化合物であ
ろうと考えられている。そのような化合物は通常、絶縁
体であるので、これらの化合物を、不活性の導電体と絶
縁化合物の焼結混合物として使用することが望ましいこ
とがある。あるいは、包囲体を適切な物質で構成しわず
かな反応ガスを作用させることにより、包囲体３２の内
側面に所望の化合物からなる薄い層を形成することも好
適である。

例えば、包囲体３２をマグネシウムで形成し、入口４０
からの導入または開口３６からの流入によシわずかな量
の酸素を存在させることができる。

尚、イオンが放射面５０と衝突することによシ熱が生じ
るけれども、この放射面は高い温度に保たれなくとも満
足のゆく動作を行うことに注意されたい。従って、放射
の損失が、その面の表面温度を低く維持するには十分で
ないなら、包囲体３２に冷却用流体を流入するための管
を付設してもよい。

放射面の温度が低いと、反応性ガスの反応速度が低下す
る。また、温度を高くする必要がない場合、物質は、温
度特性よシもむしろ耐腐食性で選択することができる。

それゆえ、反応性ガスによる拡張された動作が可能とな
る。

熱電子放射が重要々要因でない場合、拡張された電子源
を与えるために、拡張された放射面を開口の拡張または
孔の数を複数にすることによシ動作させる必要がある。

本発明の別の実施例は、第２図の部分断面図を参照する
ことによシ理解される。第２図においても包囲体６２が
存在している。この包囲体６２は、磁極体６４とともに
、包囲されたチェンバ６６を規定する。そして、電子放
射面６８とのイオン衝突により発生された電子は、開ロ
ア０を介して矢印７−２の方向へ送出される。

この実施例は、チェンバ６６中のほとんどまたはすべて
の中性原子が、開ロア０を介して周囲の雰囲気から流入
するような低圧動作に適している。

この流入により供給されたガスの場合、そのガスの原子
の濃度は低くなる。それゆえ、チェンノぐ６６内で発生
されたプラズマもまた低い濃度を有することになる。そ
の結果、相当な量の電子流の送出を可能とするために広
い開口領域が必要とされる。この広い開口領域は、エネ
ルギーをもつ多数の電子の送出を可能とするが、永久磁
石７６によってつくり出される磁界線７６は電子に対し
て送出方向とは異なる方向の力を及ぼす。磁界は、各々
が磁性をもつ物質からなる包囲体６２と磁極体６４とを
構成することにより、開ロア０に集中される。磁界の強
さは、エネルギーをもつ電子が開ロア０から逃げ出すよ
シもチェンバ６６内に保持されるように設定される。こ
の保持により、高いエネルギーではなく中程度のエネル
ギーのみをもつ逃出電子が得られる。エネルギーの大き
い電子を保持しておくことは、イオンの生成を増大し、
このイオンが放射面６８に衝突するので、２次電子の放
射を高めることになる。

Ｆ０発明の効果 本発明の主要な長所は、低い温度で動作させ得ることに
ある。低い温度における動作の特別の利点は、温度感知
性の素子に対する熱放射が低減すること、反応性ガスの
カンードに対する化学反応などの影響が低減すること、
拡張された電子源を空間的に制御する能力が高められる
ことである。

本発明は、電子放射プラズマ・システム中で以前よシ知
られてはいるが面倒で通常は抑止される２次電子放射と
いう問題を利用するものである。

導電性の、２次電子の高い放射効率をもつ面を適正に選
択することによシ、上述したような特性をもつ２次電子
放射中空カソード装置が構成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に係るカソード装置の図式的
な断面図、 第２図は、本発明の他の実施例に係るカソード装置の一
部の図式的な断面図、 第３図及び第４図は、従来の典型的なカソード装置の図
式的な断面図、 第５図は、第４図の装置に配置される挿入体の斜視図で
ある。 ３４．６２・・・・包囲体、３４・・・・第１の壁面、
３８・・・・第２の壁面、３６．７０・・・・開口、４
０・・・・イオン化可能なガスを流入するための入口、
５０．６８・・・・低仕事関数の物質で被覆された電子
放射面、３４．６４．７６・・・・チェンバをイオン化
されたガス・プラズマで満たすための手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ａ）電子ビームを排出するための開口が形成された一
   端の第１の壁面と、他端の第２の壁面とを有しチエンバ
   を規定する包囲体と、 （ｂ）上記チエンバ中にイオン化可能なガスを流入させ
   るための手段と、 （ｃ）上記ガスのイオンの衝突により電子を放射するよ
   うに上記包囲体の、上記第１及び第２の壁面以外の所定
   の内面に被覆された低仕事関数の物質と、 （ｄ）上記チエンバをイオン化されたガス・プラズマで
   満たすための手段、 とを具備するカソード装置。