WO2012108161A1

WO2012108161A1 - 冷陰極装置及びその製造方法

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Publication number: WO2012108161A1
Application number: PCT/JP2012/000746
Authority: WO
Inventors: 智宣中村; 好弘鬼塚; 淳生定塚; 高寿小池
Original assignee: 株式会社鬼塚硝子
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2012-08-16
Also published as: TW201241870A; JP2012164597A

Abstract

冷陰極装置の真空容器内の真空度を高めるため、容器内の真空排気時に冷陰極から吸着ガスを追い出すためにその冷陰極を昇温させることを実現できる冷陰極装置を提供する。電圧の印加により電子を放出する冷陰極（３）と、冷陰極（３）を加熱するフィラメント（４）と、冷陰極（３）を支持する導電性を有した支持軸（６）と、冷陰極（３）、ヒータ（４）及び支持軸（６）を包囲する真空容器であるガラス管（２）と、ガラス管（２）の外部に出ておりフィラメント（４）につながっているヒータ端子（７ａ，７ｂ）と、ガラス管（２）の外部に出ており支持軸（６）につながっている支持体端子（７ｃ）とを有した冷陰極装置（１）である。ヒータ端子（７ａ，７ｂ）と支持体端子（７ｃ）とは互いに電気的に独立しており、それらに独自に所望の電圧を正確に印加できる。

Description

冷陰極装置及びその製造方法

　本発明は、冷陰極に電圧を印加して当該冷陰極から電子を放出する冷陰極装置、すなわち電界放出の原理に従った電子源に関する。

　従来、特許文献１に開示された冷陰極装置が知られている。特許文献１には、本願明細書に添付の図５（特許文献１の図４に相当）に示すように、容器としてのガラス管１０１の一方の端部１０１ａに設けられた複数のステムピン１０２と、そのガラス管１０１の内部においてステムピン１０２の適所に固定された石英プレート１０３と、その石英プレート１０３によって支持された冷陰極１０４と、冷陰極１０４の周囲に設けられており２つのステムピン１０２に接続されたフィラメント１０５とを有した冷陰極装置が開示されている。

　この冷陰極装置では、フィラメント１０５が冷陰極１０４にカーボンペーストによって接着されている。そして、ステムピン１０２及びフィラメント１０５を通して冷陰極１０４に所定の電圧が印加される。この電圧印加により冷陰極１０４から電子が放出される。このとき、フィラメント１０５は通電によって発熱し、これにより冷陰極１０４が加熱される。こうして冷陰極１０４が加熱されることにより、冷陰極１０４から放出される電子の放出量を安定させることができることが特許文献１の［０００６］段落に記載されている。

　つまり、従来の冷陰極装置では、フィラメント１０５は、主として冷陰極１０４に電子放出のための所定の電圧を印加するために設けられたものであり、従として冷陰極１０４からの電子の放出量の安定化のためにヒータとして機能するものである。このため、ヒータとして機能するフィラメント１０５は電子の放出量の安定化を達成できるだけの発熱を行うだけであって、電子の放出量の安定化以外の機能を果たすための発熱を実現することは不可能である。

特開２００８－２２６７６０号公報（第３～４頁、図４）

　通常、図５に示す冷陰極装置おいて、ガラス管１０１の内部は真空又はそれに近い減圧状態（以下、高真空状態という）、例えば１×１０^－６パスカルに設定される。その理由は、効率の高い電子の発生を促すためである。ガラス管１０１の内部を高真空状態に設定することは、冷陰極装置の製造過程においてポンプ等といった排気装置によってガラス管１０１の内部を排気することによって行われる。

　しかしながら、従来の冷陰極装置においては、ガラス管１０１の内部を十分な高真空状態に設定することができず、電子の発生を効率良く行うことができなかった。その理由は、冷陰極１０４には予めガスが吸着しており、冷陰極装置の完成後にその吸着ガスが冷陰極から漏れ出ることにより、ガラス管１０１の内部の真空度が劣化するからである。

　本発明は、従来装置における上記の問題点に鑑みて成されたものであって、冷陰極の周囲に配置されたヒータへの通電量を、冷陰極へ印加する電圧とは独立して正確に設定することを可能にして、容器内の真空度を高めることを可能とし、もって電子発生効率が極めて高い冷陰極装置を提供することを目的とする。
　また、そのように電子発生効率が極めて高い冷陰極装置を安定して確実に製造できる製造方法を提供することを目的とする。

　本発明に係る冷陰極装置は、電圧の印加により電子を放出する冷陰極と、前記冷陰極を加熱するヒータと、前記冷陰極を支持する導電性を有した支持体と、前記冷陰極、前記ヒータ及び前記支持体を包囲する容器と、前記容器の外部に出ており前記ヒータにつながっているヒータ端子と、前記容器の外部に出ており前記支持体につながっている支持体端子とを有しており、前記ヒータ端子と前記支持体端子とは互いに電気的に独立していることを特徴とする。電気的に独立しているとは、互いに電気的に絶縁状態にあるということである。

　本発明によれば、ヒータ端子と支持体端子とが互いに電気的に独立している。従って、冷陰極には電子放出のための電圧を正確に印加することができ、しかも、ヒータには冷陰極を加熱して吸着ガスを放出させるための電圧を、電子放出のための電圧とは別個独立に正確に印加することができる。

　その結果、本発明によれば、容器の排気時に冷陰極の吸着ガスを冷陰極から放出させることにより、容器の内部を高度の真空状態に設定できるようになり、その結果、冷陰極からの電子の放出を多量に安定して行うこと、すなわち電子発生効率を高めることが可能となった。

　本発明に係る冷陰極装置は、前記冷陰極に吸着しているガスが当該冷陰極から放出される温度まで前記冷陰極を加熱できる大きさの電流を前記ヒータ端子に供給する電源を有することが望ましい。そして、その温度は、３００℃～１０００℃の範囲内から選択された任意の温度とすることが望ましい。
　この構成により、冷陰極装置の構成要素である容器の内部を真空状態に排気する際に、冷陰極の吸着ガスを当該冷陰極から十分に放出させることができ、それ故、容器内の真空度を長期にわたって真空状態に保持することができる。

　本発明に係る冷陰極装置において、前記支持体は棒状の形状であり且つ前記冷陰極を挿入できる凹部を有する構成とすることができる。この構成により、冷陰極の周囲の構成を小型で作業し易い構成にすることができる。

　本発明に係る冷陰極装置において、前記冷陰極は、炭素、タングステン、タンタル、その他の高融点材料によって形成することができる。また、冷陰極は、微細構造であるナノ材料、例えばカーボンナノチューブによって形成できる。

　次に、本発明に係る冷陰極装置の製造方法は、電圧の印加により電子を放出する冷陰極と、前記冷陰極を加熱するヒータと、前記冷陰極を支持する導電性を有した支持体と、前記冷陰極、前記ヒータ及び前記支持体を包囲する容器とを有して成る冷陰極装置の製造方法であって、前記冷陰極に吸着しているガスが当該冷陰極から放出される温度まで、前記ヒータにより前記冷陰極を加熱した状態で、前記容器の内部を排気する工程を有することを特徴とする。

　本発明に係る冷陰極装置の製造方法によれば、電子の放出を行う冷陰極が収容されている容器の内部を長期にわたって高度の真空状態に保持できるので、電子発生効率が極めて高い冷陰極装置を安定して確実に製造できる。

　本発明に係る冷陰極装置よれば、ヒータ端子と支持体端子とが互いに電気的に独立している。従って、冷陰極には電子放出のための電圧を正確に印加することができ、しかも、ヒータには冷陰極を加熱して吸着ガスを放出させるための電圧を、電子放出のための電圧とは別個独立に正確に印加することができる。

　その結果、容器の排気時に冷陰極の吸着ガスを冷陰極から放出させることにより、容器の内部を高度の真空状態に設定できるようになり、その結果、冷陰極からの電子の放出を多量に安定して行うこと、すなわち電子発生効率を高めることが可能となった。

本発明に係る冷陰極装置を用いた電子線放出装置の一実施形態を示す正面断面図である。図１のＡ－Ａ線に従った平面断面図である。図１に示す装置の要部である電源の内部構成を示す図であり、特に冷陰極装置の製造時に使用する第１電源回路を示す図である。図１に示す装置の要部である電源の内部構成を示す図であり、特に冷陰極装置の使用時に使用する第２電源回路を示している。従来の冷陰極装置の一例の正面断面図である。

１．冷陰極装置、　２．ガラス管（容器）、　２ａ．端部、　３．冷陰極、　４．フィラメント（ヒータ）、　６．支持軸（支持体）、　７ａ、７ｂ．ステムピン（ヒータ端子）、　７ｃ．ステムピン（支持体端子）、　７ｄ．ステムピン、　８．電線、　１１．電子線放出装置、　１２．電子透過膜、　１３．グリッド電極（電子引出電極）、　１４．電源、　１４ａ．第１電源回路、　１４ｂ．第２電源回路、　１６．凹部、　１７．導電線、　Ｖ１．フィラメント電圧、　Ｖ２．冷陰極電圧、　Ｖ３．グリッド電圧

　以下、本発明に係る冷陰極装置を実施形態に基づいて説明する。なお、本発明がこの実施形態に限定されないことはもちろんである。また、これ以降の説明では図面を参照するが、その図面では特徴的な部分を分かり易く示すために実際のものとは異なった比率で構成要素を示す場合がある。

　図１は、本発明に係る冷陰極装置の一実施形態を含んでいる電子線放出装置の一実施形態を示している。図２は、図１におけるＡ－Ａ線に従った平面断面図を示している。これらの図において、冷陰極装置１は、容器としてのガラス管２と、冷陰極３と、ヒータとしてのフィラメント４と、冷陰極３を支持している支持体としての支持軸６と、ガラス管２の端部２ａを貫通して設けられている端子としての複数（本実施形態では３個）のステムピン７ａ～７ｃとを有している。

　電子線放出装置１１は、上記の冷陰極装置１と、ガラス管２の他方の端部に設けられた電子透過膜１２と、電子引出電極であるグリッド電極１３と、ガラス管２の端部２ａを貫通して設けられている端子としてのステムピン７ｄとを有している。ステムピン７ａ～７ｄには、複数の電線８を介して電源１４が電気的に接続されている。

　冷陰極３は電子を放出する要素であり、エミッタと呼ばれることがある。冷陰極３は、概ね円柱形状であり、電子を放出する側の先端が円錐状に尖った形状に形成されている。冷陰極３は、例えば導電材料、例えば炭素によって形成されている。冷陰極３は、微小な粒子の集合体である、いわゆるナノ材料、例えばカーボンナノチューブによって形成されることが望ましい。

　支持軸６は、冷陰極３よりも直径が大きい円柱形状に形成されている。支持軸６は、その下端においてガラス管２の下端部２ａに固着、例えばスポット溶接によって接着されている。支持軸６は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｔａ（タンタル）、ステンレス等といった高融点で導電性を有する材料によって形成されている。支持軸６は、支持体端子として機能するステムピン７ｃに接続している。

　支持軸６の先端には円柱状の凹部１６が設けられており、その凹部１６の中に冷陰極３が挿入されている。冷陰極３は凹部１６の中に挿入された上で接着剤、例えばカーボン接着剤によって支持軸６に固着されている。

　フィラメント４はコイル状に巻かれた部分を有しており、そのコイル状部分を冷陰極３が貫通している。これにより、フィラメント４が発熱したときには冷陰極３が加熱される。また、冷陰極３が位置変位することをフィラメント４によって防止することもできる。フィラメント４の両端は、それぞれ、ヒータ端子として機能するステムピン７ａ及び７ｂに接続している。フィラメント４は、例えばＷ（タングステン）によって形成されている。

　電子線放出装置１１を構成しているグリッド電極１３の外観形状は、本実施形態では図２に示すように円形状である。しかしながら、グリッド電極１３の外観形状は矩形状、その他の任意の形状であっても良い。グリッド電極１３は、多数の細い線材を網目状に配列した構成を有している。図１において、グリッド電極１３は１つのステム端子７ｄに接続している。

　ガラス管２の端子側の端部２ａの反対側の端部に設けられた電子透過膜１２は、ガラス管２の内部を気密に保持し、さらに電子を通過させることができる材質及び構造から成っている。

　電源１４は、図３に示す第１電源回路１４ａと、図４に示す第２電源回路１４ｂとを含んでいる。第１電源回路１４ａと第２電源回路１４ｂとは、必要に応じて、選択して使用することができる。

　第１電源回路１４ａは、フィラメント４に接続されたヒータ端子７ａとヒータ端子７ｂとの間に電圧Ｖ１を印加する回路である。フィラメント電圧Ｖ１は、フィラメント４に所定の大きさの電流を流すための電圧である。この通電により、フィラメント４は所定の温度まで昇温する。

　炭素によって形成された冷陰極３は、大気中のガスを吸着し易い性質を有している。特に、冷陰極３がナノ材料等といった表面積の大きな材料によって形成されている場合には、ガスを吸着する性質がより一層促進される。フィラメント４によって加熱された冷陰極３の温度は、冷陰極３に吸着しているガスをその冷陰極３から放出することができるに十分である高さの温度である。具体的には、例えば、３００℃～１０００℃の温度範囲内の適宜の温度である。

　つまり、図３において、フィラメント４に電圧Ｖ１を印加すると、フィラメント４が発熱し、冷陰極３に吸着したガスをその冷陰極３の外部へ放出させるのに十分な温度、すなわち３００℃～１０００℃の範囲内の適宜の温度へ、その冷陰極３を昇温させる。

　第２電源回路１４ｂは、フィラメント４に接続されたヒータ端子７ａ及びヒータ端子７ｂと、支持軸６に接続された支持体端子７ｃとを共通電位となるように共通に接続し、その共通となった端子に電圧Ｖ２を印加し、さらにグリッド電極１３に接続された端子７ｄに電圧Ｖ３を印加する回路である。電圧Ｖ２は、支持軸６を介して冷陰極３に印加される電圧であり、この冷陰極電圧Ｖ２は、例えば負の数十ｋＶである。また、グリッド電圧Ｖ３は、例えば冷陰極３に対して正の１５００Ｖ程度である。

（冷陰極装置１及び電子線放出装置１１の製造方法）
　以下、冷陰極装置１及び電子線放出装置１１の製造方法について説明する。
　当初、図１のガラス管２の端部２ａに相当する部分はガラス管２と分離している。この状態の端部２ａの所定位置にはステムピン７ａ～７ｄが貫通状態で固定されている。

　次に、支持軸６の下端を支持体端子としてのステムピン７ｃの所の表面にスポット溶接によって固着する。次に、フィラメント４の両端を、それぞれ、ヒータ端子としてのステムピン７ａ及び７ｂに接続、例えば溶接する。次に、冷陰極３の下端に接着剤、例えばカーボンペーストを塗った上で、又は支持軸６の上端の凹部１６内に接着剤、例えばカーボンペーストを塗った上で、冷陰極３をその下端部からフィラメント４のコイル巻き部分を貫通させ、冷陰極３の下端部を支持軸６の凹部１６内に挿入し、そして冷陰極３を支持軸６の上端に固着する。

　本実施形態ではフィラメント４は冷陰極３を所定温度に加熱させるという作用を果たすものであり、電子放出のための電圧を冷陰極３へ印加するという作用をフィラメント４に持たせるということではないので、フィラメント４と冷陰極３とをカーボンペースト等によって互いに接着させる必要は無い。

　次に、グリッド電極１３を冷陰極３の上方の所定位置に配設し、さらに導電線１７によってグリッド電極１３とステムピン７ｄを導通する。次に、端部２ａの上にガラス管２を被せ、そして、電源１４の回路構成を図３に示す第１電源回路１４ａに設定する。この回路設定により、フィラメント４に通電が成されて当該フィラメント４が発熱し、冷陰極３が加熱され、その結果、当該冷陰極３に吸着しているガスが当該冷陰極３から放出される。

　電源１４を第１電源回路１４ａに設定するのと同期させて、具体的には、その設定タイミングよりも所定時間の前に、その設定と同時に、又はその設定タイミングよりも所定時間の後に、ガラス管２の内部の排気処理を開始する。この排気処理は、例えば排気ポンプ等といった排気装置によって行われる。この排気処理により、ガラス管２の内部の空気が排気され、さらに冷陰極３から放出されたガスが排気される。この排気処理の結果、ガラス管２の内部は、高度の真空状態、例えば１×１０^－６パスカル程度の減圧状態に設定される。

　この排気処理により冷陰極３の吸着ガスがガラス管２の外部に排気されるので、ガラス管２の内部はその後、長期にわたって高度の真空状態に維持される。その結果、後述する冷陰極３からの電子の放出を長期間にわたって、大きな放出量を維持して、安定して行うことが可能となる。

　本実施形態ではフィラメント４によって冷陰極３の温度を昇温させて当該冷陰極３から吸着ガスを放出させるのであるが、その際の冷陰極３の温度は、自身に吸着しているガスを自身から放出することができるのに十分である高さの温度である。この温度は、冷陰極３の材質及び排気処理を行う時間に応じて変わるものであるが、実用上は、３００℃～１０００℃の温度範囲内の適宜の温度である。３００℃程度の低温度であっても排気処理時間を長く設定することにより、吸着ガスの放出を確実に行うことができる。

（冷陰極装置１及び電子線放出装置１１の使用方法）
　以下、冷陰極装置１及び電子線放出装置１１の使用方法について説明する。
　冷陰極装置１及び電子線放出装置１１を使用する際には、電源１４の回路構成を図４に示す第２電源回路１４ｂに設定する。この回路設定により、冷陰極３に負の高電圧Ｖ２、例えば数十ｋＶの電圧が印加される。さらに、冷陰極３とグリッド電極１３との間に所定の電圧Ｖ３、例えば１５００Ｖ程度の電圧が印加される。

　以上の電圧設定の結果、グリッド電極１３によって電子を引き出しつつ、冷陰極３から電界放電に基づいて電子が放出される。ガラス管２の内部は高度の真空状態に設定されているので、電子の放出は安定して行われる。

　図５に示した従来の冷陰極装置によれば、冷陰極１０４は絶縁体である石英プレート１０３によって支持されており、フィラメント１０５が、電子放出のための冷陰極１０４への電圧印加と、電子放出の安定化のための冷陰極１０４の加熱との両方の作用を行っていた。この場合、冷陰極１０４の加熱は副次的な作用であって、吸着ガスの放出といった特定の作用を達成するための加熱ではない。

　これに対し、本実施形態によれば、図１に示すようにヒータ端子７ａ，７ｂと支持体端子７ｃとが互いに電気的に独立している、すなわち互いに電気的に絶縁している。従って、冷陰極３には電子放出のための電圧を正確に印加することができ、しかも、フィラメント４には冷陰極３を加熱して吸着ガスを放出させるための電圧を、電子放出のための電圧とは別個独立に正確に印加することができる。

　こうして、本実施形態によれば、容器であるガラス管２内の排気時に冷陰極３の吸着ガスを冷陰極３から放出させることにより、ガラス管２の内部を高度の真空状態に設定できるようになった。そしてその結果、冷陰極３からの電子の放出を多量に安定して行うことが可能となった。

　また、本実施形態では、フィラメント４は冷陰極３に接着されることが無いので、フィラメント４が冷陰極３に無用な力を及ぼすことが無い。このため、冷陰極３の姿勢が崩れたり、冷陰極３が破損することを防止できる。

　（その他の実施形態）
　以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々に改変できる。

　例えば、上記の実施形態は、本発明に係る冷陰極装置（実施形態では符号１で示す装置）を電子を放出するための装置である電子線放出装置（実施形態では符号１１で示す装置）の構成要素として適用した場合の実施形態であるが、本発明に係る冷陰極装置は電子線放出装置以外の電子利用装置にも適用できる。

　例えば、本発明に係る冷陰極装置は、Ｘ線管のような放射線放射装置や、フィールドエミッションランプ（すなわち、電界放出ランプ）のような発光装置等にも適用できる。本発明に係る冷陰極装置を放射線放射装置に適用する場合には、図１において冷陰極３から放出された電子をターゲット（すなわち対陰極、すなわち陽極）に衝突させてそのターゲットから放射線、例えばＸ線を放射する。

　本発明に係る冷陰極装置を発光装置に適用する場合には、図１において冷陰極３から放出された電子を蛍光体等といった発光要素に照射して、その発光要素を発光させる。

　図１に示した実施形態では、冷陰極３に対向させてグリッド電極１３を設けたが、冷陰極３への電圧印加だけで十分量の電子を発生させることができる場合には、グリッド電極１３を設けなくても良い。

　本実施形態ではガラス管２によって容器を構成したが、容器はガラス以外の任意の材料から成る容器とすることができる。

　上記実施形態では、冷陰極３を加熱するためのヒータをコイル状の巻き回し部分を備えたフィラメント４によって構成した。しかしながら、ヒータはフィラメント４以外の任意の構造の加熱要素とすることができる。

Claims

　電圧の印加により電子を放出する冷陰極と、
　前記冷陰極を加熱するヒータと、
　前記冷陰極を支持する導電性を有した支持体と、
　前記冷陰極、前記ヒータ及び前記支持体を包囲する容器と、
　前記容器の外部に出ており前記ヒータにつながっているヒータ端子と、
　前記容器の外部に出ており前記支持体につながっている支持体端子と、を有しており、
　前記ヒータ端子と前記支持体端子とは互いに電気的に独立している
ことを特徴とする冷陰極装置。
　前記冷陰極に吸着しているガスが当該冷陰極から放出される温度まで前記冷陰極を加熱できる大きさの電流を前記ヒータ端子に供給する電源を有することを特徴とする請求項１記載の冷陰極装置。
　前記冷陰極に吸着しているガスが当該冷陰極から放出される温度は、３００℃～１０００℃の範囲内から選択された任意の温度であることを特徴とする請求項２記載の冷陰極装置。
　前記支持体は棒状の形状であり且つ前記冷陰極を挿入できる凹部を有していることを特徴とする請求項３記載の冷陰極装置。
　前記冷陰極は、炭素、タングステン、タンタル、その他の高融点材料であることを特徴とする請求項４記載の冷陰極装置。
　前記支持体は棒状の形状であり且つ前記冷陰極を挿入できる凹部を有していることを特徴とする請求項１記載の冷陰極装置。
　前記冷陰極は、炭素、タングステン、タンタル、その他の高融点材料であることを特徴とする請求項１記載の冷陰極装置。
　電圧の印加により電子を放出する冷陰極と、
　前記冷陰極を加熱するヒータと、
　前記冷陰極を支持する導電性を有した支持体と、
　前記冷陰極、前記ヒータ及び前記支持体を包囲する容器と、
を有して成る冷陰極装置の製造方法であって、
　前記冷陰極に吸着しているガスが当該冷陰極から放出される温度まで、前記ヒータにより前記冷陰極を加熱した状態で、前記容器の内部を排気する工程
を有することを特徴とする冷陰極装置の製造方法。