JPS63308853A - 熱電子型ヘヤピン陰極 - 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、熱電子型のヘヤピン隘極に関する。

［従来の技術］ 高融点の金属、特にタングステンの素線で作ったヘヤピ
ン陰極は、現在一般に標準電子諒として、たとえば電子
顕微鏡やその他の電子光学Ｖｔ２？に使用されている。

高い無線ビーム値を必要とし、したがって通常比較的高
い使用温度、２７００〜２８００　Ｋで用いる電子顕微
鏡の場合には特に、陰極寿命は概して２０〜５０時間に
過ぎない。これが電子顕微鏡の発明以来よかれ悪しかれ
妥協して来た煩わしさの一要因である。

しかしながら、従来慣用の陰極形状につき、寿命に影響
を及ぼす諸要因を詳細に検討すると、従来知られておら
ずかつ利用されていない寿命向上の可能性が存在すると
共に、電子光学的特性を損うことなく寿命を数倍も延ば
せることが判明した。

電子顕微鏡に現在使用されているタングステンヘヤピン
陰極は、純粋もしくはトリウム化された直径０．１２〜
０．１４層のタングステン線で製作される。この場合、
頂点における内側の曲げ半径は少なくとも０．０５〜０
，１履である。このヘヤピンは、その両脚端部にて点溶
接により陰極ベースの加熱電流供給部に接続される。両
脚の長さを同一にすることによって、放射頂点をヘヤピ
ンの冷端部から等距離に配置し、かつこれにより使用中
最高温度が得られるようにせねばならない。したがって
、同様にこの位置では気化による最大の材料削磨が起る
と共に、この位置における温度と素線の太さとにより寿
命を決定せねばならない。

しかしながら経験によると、陰極は常に彎曲点の近傍で
溶は落ちる（第４図も参照）。彎曲点の近くには、放射
中心より温度が高くなる領域があるに相違ない。

ヘヤピン陰極を電子顕微鏡の外で真空下において加熱し
、頂点温度を一定に保持しながら温度分布を長時間にわ
たり高温計で追跡することにより、これをｖＡ察するこ
とができる。最初は、頂点とこれに直接隣接する脚領域
との間には検出可能な温度差は認められない。長時間後
初めて、一方の脚がより熱くなることをはっきり認める
。次いで、最も熱い箇所で溶は落ちる迄この温度差は加
速的に増大する。

２８００Ｋにおいて１０にだけのの温度上昇により、既
に気化率が約１２％増大づると考えると、温度分布の微
々たる非対称でも既に壊滅的作用を及ぼすことが分る。

素線の各部分につき、供給するジュール熱と、素線に沿
った放射および熱伝導による熱損失とから生じるエネル
ギ収支を検討することで解明される。従来慣用されてい
るヘヤピン陰極の場合、エネルギの理由から、頂点にお
いて期待最高温度を発生させるのは全く不可能であるこ
とが判る。すなわち彎曲領域において短小な素線界面を
検討すると、隣接する素線界面に対する放射は、隣接す
る脚領域におけるよりも、彎曲点の内側に向かって小さ
くなると共に、外側に向かって大きくなる。

したがって、第１図に実線で図示したような温度分布が
得られる。ここでは、頂点から左側および右側の距離ｄ
につき温度Ｔをプロットしている。

タングステンの良好な熱伝導率のために、頂点における
温度低下は高温計では殆ど測定できない。

この温度低下は極く僅かな程度である。頂点から左側お
よび右側で同一の最高温度を得るための前提は、両脚の
熱平衡が正確に対称をなすことである。これが事実でな
い場合は、破線で示したような非対称な温度分布になる
。この非対称性は時間の経過につれて一層増強される。

何故なら、片側において気化により抵抗が益々上昇する
だけでなく、他の側では、頂点における温度が一定に保
たれる限り、温度低下による分解も減少するからである
。したがって、温度差は点破線で第１図に示したように
脚の壊滅的溶は落ちに至るまで増大する。

温度分布の非対称性には、次のような多くの原因がある
。

１　両脚の不揃いな長さ ２　不良溶接、すなわち電流供給部に対する脚の不良熱
伝導 ３　陰極ベースの一方の接触ビンの電気的接触不良およ
び熱伝導不良 ４　陰極材料の不均質性 ５　両脚における温度勾配の結果として生ずるトムソン
効果で、一方の脚における入熱および他方の脚における
排熱を起こす電流方向に依存する。

この効果は、通常の加工条件では軽視することができず
、これによって生ずる温度差は２０〜３０Ｋにもなり゛
うる。

これらの異なる原因はその作用が加篩されることもある
が、全体的または部分的に相殺されることもある。原因
１〜３は陰極の慎重な製作により回避することができる
と共に、陰極材料の不均質は稀であるのに対し、トムソ
ン効果は、交流加熱或いは電流方向の頻繁な転極による
以外に除去する方法はない。

［発明の目的］ 本発明の目的は、頂点における温度降下と同時に温度分
布の不安定化傾向を減少させると共に、この領域におけ
る気化損失を適当な手段により低下させることによって
、ヘヤピン陰極の寿命を増大させることにある。

この温度降下を減少させるか或いは全く回避するための
安易な手段は、ジュール熱発生を局部的に増大させるこ
とにより温度上昇を達成するように、彎曲点における素
線断面を縮小することであろう。しかしながら、そのた
めには断面積のかなりの縮小を必要とし、これは勿論寿
命に対しマイナスに作用する。なかんずく真空条件が最
適でなく、かつ陰極微粒化による削磨を考慮しなければ
ならないとすれば、得るところは全くないか又は少ない
。

［発明の要点］ 本発明の課題は、特許請求の範囲第１項による熱電子型
ヘヤピン陰極により解決される。即ち、本発明では、金
属素線の断面積を減らすことなく両脚に沿った排熱を増
加させることにより、頂点近傍の過度勾配を高めること
を特徴とする熱電子型ヘヤピン隘極を提供している。

本発明の第１実施例によれば、本発明の目的は、頂点か
ら脚長の１０〜５０％に相当する距離における熱放射を
、素線の断面積を殆ど減らすことなく、表面積を局部的
に増加させることにより達成される。

本発明のさらに好適な実施例では、素線の両脚の頂点に
近接する領域において、素線を（断面積の実質的変化な
しに）変形させることによって、素線が半円形の断面を
有すると同時に、両側の偏平側面が互いに最小距離を保
つようにすることによって目的を達成している。

さらに本発明により、脚に沿い頂点から始まる温度勾配
を実質的に一層急にすることも達成している。その場合
には、第２図に示すような温度分布が得られる。実線で
示した曲線は理想的条件下での独創的な温度分布を示し
、また点破線は頂点から約２ＭＩＩ！すれた脚位置にお
いて、表面積を増加した模で得られる分布を示す。この
場合、脚の全長は８ｍである。

このようにして、最高温度の位置を頂点に一層近ずける
か或いは完全にこの点に移動させることによって、陰極
の寿命を、当該位置における素線の太さおよび温度によ
ってのみ決定することが可能となる。しかし、この例に
おいては、各脚の表面積を約０，１履２増加させると、
加熱電流を約１０％上昇させることが必要である。必要
に応じて、７％だけ索線の太さを減らすことによってこ
れを補償することができる。しかしながら、これによっ
て寿命が縮まることは、利点に比較でれば重要ではない
。何故なら、この手段により従来慣用のヘヤピン陰極の
寿命を、殆ど数倍に延ばすことができるからである。

断面積を保持することによって放射および気化表面積が
減少するように、ヘヤピンの頂点領域を形成することに
よってさらに長い寿命を達成することができる。これは
、たとえば押抜き機により、彎曲点領域で両脚を相当に
接近させることにより、半円形の素線断面を形成するこ
とにより行う。その際、偏平側面をまず第一に相接触さ
せる。次いで、両脚を再び僅かに広げて、形成した短絡
を再び解除させる。しかし、その間隔を常に小さくする
ことにより、該表面における放射損失および気化損失を
無視しうるように保つ。

このようにして、同様に両脚に沿ってより大きい温度勾
配を設けることにより、最高温度を先端により近ずける
。同時に気化損失を約２５％減少させることにより、さ
らに寿命を延ばすことができる。

この手段で得られる人為的な温度勾配の増大により、万
一の場合の脚長の不揃いのみならずトムソン効果および
その他の作用による影響は充分に相殺される。この手段
によりＲ高温度をさらに頂点中心から僅かだけ移動させ
ることができる。

［実　施　例］ 以下、図面を参照して本発明を実施例につきさらに詳細
に説明する。

第５図の実施例においては、頂点から約２履の距離に、
良亭約０．６ＪＩｌ直径０．４．のタングステンうずま
き線（３）を巻き付ることにより、放射表面の局部的増
大が達成される。堅固に着座させるため、このうずまき
線は僅かに偏平に圧し潰す。

陰極を増加した後、これを拡散溶接により心線と結合さ
せて、必要とする良好な熱接触を得る。

この箇所における約ｏ、ｙｓ２の放射表面積の増大によ
り、２９００にの場合、頂点から約２３０にの温度低下
が生じ、これは従前よりも約２倍の大きさとなる。

第６図は、２９００にの頂点温度にて４８時間使用後の
同じ陰極をその寿命末期で示している。この過度に高め
た温度では、試験時間を短縮すべきである。最高湯度の
位Ｗ（５）は頂点近傍に移動し、これにより寿命は数倍
も向上できたことが判る。達成される寿命は、通常の使
用にて約２７５０にという一般的な陰極温度の場合、６
〜７倍すなわち、２０〜５０時間の代りに３００〜３５
０時間になるであろう。

ただし陰極の温度もしくは放射は一定に保たれることを
前提とする。

同じ目的を有する第７図の実施例においては、タングス
テン線の偏平プレスにより局部的な放（ト）向上が得ら
れる。この場合、偏平プレス領域（４）の最小厚さが予
定値を下廻ってはならないことに注意すべきである。何
故なら、さもなければ、当該位置における１時間当りの
断面積減少率が頂点におけるよりも大となって、過度の
局部的抵抗増加により温度勾配が次第に消失するという
危険が生ずるからである。しかしながら、充分な表面積
増大を達成するには、偏平プレス領域を第１実施例にお
けるうずまき線よりも艮くせねばならない。

適切な寸法を得るには、たとえば長さ約１．５Ｍ、幅０
．ｌ＋ｗ＋のスタッピングである。これはさらに、前記
実施例と同様に、約０．７ｍ２の局部的表面増大を与え
る。

第８〜１１図は、ヘヤピン陰極の頂点領域を母型にて３
００〜４００℃の温度で変形させて、第１０図に示した
ように両脚が半円形の断面（６）を得るようにした実施
例に関する。スタンピングは０．３〜０．５ｍの長さに
わたって行われる。先ず最初に偏平側面が相接触し、短
絡を形成する。次いで脚を僅かに拡げることによって、
幅Ｏ〜３０μｍの横状スリットが生ずる。この狭いスリ
ットにおいては、互いに対向する側面の放射は殆ど無く
、また相当量の材料が外部へ気化することも不可能であ
る。

このようにして、この陰極界面における放射損失および
気化損失は約２５％減少する。

残念ながら、温度勾配が充分大きくなれば、この形状も
不利な結果をもたらす。すなわち、互いに対向する面の
温度が異なると、一方の脚が他方の脚を犠牲にして凝縮
し、さらに脚の変形してない部分まで移行するとき、湿
度が頂点におけるよりも２０〜３０に低くなければ、こ
こでは型打領域におけるよりも多量の材料が気化して陰
極がここで溶は落ちる。したがって、この実施例におい
ては、一層急な温度勾配が特に重要となる。

脚のスタンピングは、さらに重要な利点をもたらす。す
なわち、ヘヤピンの頂点にはほぼ半円形の陰極一端部（
８）が生ずる。その結果、従来の搗円形を有する放射面
の虚像でなく、電子光学的に極めて有利な円形が得られ
る。第８図および第９図に破線で示したように、この半
球部では、円錐もしく角錐（９）を形成して、より長い
寿命を持った点陰極が得られる。しかも、スタンピング
にり、生じた尖頭部の比較的大きい材料集積が、このよ
うにしてその大きな放射損失を許容しつる程度まで低下
させ、かつこれにより尖頭近傍の温度勾配が増大するの
で、さらに寿命の向上を助長する。

第１１図は、第５図におけるような付加的な冷却うずま
き線、但し、鋭い尖頭を持たないものを設けた陰極が、
２９００Ｋにおける５０時間の使用後にどのような形状
になるかを示している。寿命はこの使用時間後もまだ終
らず、尖頭の研磨により型打製領域に発生した非対称と
温度勾配の増大とをより一層強く抑ｉｔ、１３−！ｊる
ことにより、さらに長寿命が得られる。

ヘヤピン陰極が正確な対称性をもって製作され、発生す
る対称性のずれに対する木質的根拠が明白となれば、勿
論トムソン効果が一層大となり、温度勾配がますます高
められる。このトムソン効果の作用がより強く抑制され
れば、一層長い寿命を達成することができる。電流方向
を周期的に変化さゼる試験は、このことを実証した。

適切な解決策は、脚長を意図的に変化させるか、或いは
放射増強を施した脚ｆ！４１ｉＸを、頂点から異なる距
離に配列するか又は表面積の大きさを変えることによっ
てこれを行うかである。配列と電流方向とを互いに並行
さＵで保持づるためには、陰惨ベースにおける電流供給
部の接続箇所に印をつけるか或いは混同しないようにし
なければならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のヘヤピン陰極の頂点近傍における両脚の
温度分布を示す特性曲線図、 第２図は本発明の一実施例により得られるヘヤピン陰極
の両脚に沿った温度分布の特性曲線図、第３図は現在電
子顕微鏡で使用されていると同様な形状の陰極ソケット
に組込まれたヘヤピン陰極の略図（尺度４：１）、 第４図は従来使用されている形状のヘヤピン陰極におけ
る寿命末期の頂点領域の略図（尺度５０；１）、 第５図は放射を局部的に増大させるためうずまき線を設
けた、本発明のヘヤピン陰極の１変型を示す略図（尺度
２０：１）、 第６図はこの陰極の頂点領域における２９００にの使用
温度での寿命末期の略図（尺度５０：１）、第７図は放
射を局部的に増大させるため偏平プレスによる脚界面を
備える本発明のヘヤピン陰極の１変型を示す略図（尺度
２０＋１）、第８．９および１０図はざらに他の変型に
よる型打頂点領域における正面図および側面図（尺焼１
００：１　）　、並びに型打領域におけるこの陰極の断
面図（同じ尺度）、 第１１図は２９００　Ｋにて５０時間使用後に第８図の
陰極が形状変化した様子を示す略図であって、比較のた
め出発状態の略図をも示す。 １・・・陰極ソケット　　　２・・・ヘヤピン陰極３・
・・うずまき線　　　　４・・・偏平プレス領域Ｆｉｇ
、２

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）耐久度を向上させた難融性の金属素線から成る熱
   電子型ヘヤピン陰極であつて、前記金属素線の断面積を
   減少させることなく、両脚に沿つた排熱を増加させるこ
   とにより、頂点付近の温度勾配を高めることを特徴とす
   る熱電子型ヘヤピン陰極。
2. （２）前記金属素線の断面積を減少させることなく、表
   面積を増加させることによつて、頂点から脚長の１０〜
   ５０％の距離において、熱放射を局部的に増大させるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のヘヤピン
   陰極。
3. （３）前記金属素線の両脚上で頂点に隣接する領域にお
   いて、該金属素線を変形させることにより、両脚の偏平
   面側が最小距離で相対するように、該金属素線の断面を
   半円形にすることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載のヘヤピン陰極。
4. （４）前記ヘヤピン両脚の排熱を調整することによって
   、トムソン効果を補償することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載のヘヤピン陰極。