WO2025005128A1 - 電界放射装置 - Google Patents

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    • H01J35/12—Cooling non-rotary anodes

Definitions

  • the present invention relates to the structure of a cold cathode type field emission device.
  • the field emission device 1 shown in Fig. 4 which is applicable to X-ray devices, electron tubes, lighting devices, etc., applies a voltage between the cathode 2 and anode 3 in a vacuum vessel 10, and causes the electron beam emitted from the emitter 20 of the cathode 2 to collide with the target 30 of the anode 3 to perform the desired function (Patent Document 1).
  • Patent Document 1 For example, in the case of an X-ray device, it is used for fluoroscopy by X-ray irradiation.
  • the electron emission of the emitter 20 is determined by the electric field applied to the emitter 20.
  • the current is fixed at a one-to-one ratio with the voltage ( Figure 5), and the voltage and current cannot be adjusted separately.
  • the anode 3 can be grounded, making it possible to directly cool the anode 3.
  • a floating power supply may be combined in place of the DC power supply 7.
  • the outer circumferential surface of the anode 3 as the ground surface, such as the large-diameter cylindrical portion 31 of the anode 3 surrounding the vacuum vessel 10 shown in FIG. 8, or the cathode-side peripheral wall portion 34 provided at one end of the large-diameter cylindrical portion 31 of the anode 3 shown in FIG. 9.
  • these configurations make the device configuration more complex and larger, and also increase manufacturing costs.
  • the present invention aims to reduce the number of parts in a field emission device and make it smaller.
  • one aspect of the field emission device of the present invention includes an insulator joined to a cathode and an anode to form a vacuum vessel, an intermediate electrode joined to the insulator between the cathode and the anode within the vacuum vessel and having a hole through which the electron beam emitted from the cathode to the anode passes, and a conductor protruding from the intermediate electrode, drawn from the insulator along the axial direction of the vacuum vessel, grounded via a DC power source, and connected to the anode.
  • the insulator in the field emission device, has a hollow plate portion that seals a central opening and is joined to the cathode and is also joined to the anode.
  • the insulator in the field emission device, has a cylinder to one end of which the cathode is joined, and a hollow disk portion provided on the outer periphery of the other end of the cylinder and joined to the anode.
  • the anode in the field emission device, has a large-diameter cylindrical portion that is joined to the insulator, and a small-diameter cylindrical portion that communicates with the large-diameter cylindrical portion and contains a target that receives the electron beam.
  • one end of the large diameter cylindrical portion is provided with a cathode side peripheral wall portion that extends along the axial direction.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a field emission device including an intermediate electrode according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a sectional perspective view of a field emission device according to a first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a field emission device according to a second embodiment.
  • 1 is a schematic cross-sectional view of a field emission device having a diode structure. The relationship between voltage and current of a diode-type field emission device.
  • 1 is a schematic cross-sectional view of a field emission device having a triode structure.
  • 1 is a schematic cross-sectional view of a field emission device having a triode structure with an intermediate electrode grounded.
  • 1 is a schematic cross-sectional view of a field emission device having a triode structure with the outer circumferential surface being a ground surface.
  • 1 is a schematic cross-sectional view of a field emission device having a triode structure with the outer circumferential surface being a ground surface.
  • the field emission device 1 of embodiment 1, which is one aspect of the present invention shown in Figure 1, has a cathode 2, an anode 3, an insulator 4, and an intermediate electrode 5.
  • the cathode 2 is joined to one end of the insulator 4 coaxially with the anode 3, insulator 4, and intermediate electrode 5, forming a vacuum vessel 10 together with the anode 3 and insulator 4, and is provided with an emitter 20 that emits an electron beam to the target 30 of the anode 3 within this vacuum vessel 10.
  • the cathode 2 is grounded via a DC power supply 6 and connected to the anode 3.
  • the anode 3 is a cylinder of different diameters coaxial with the cathode 2, insulator 4, and intermediate electrode 5, and has a large-diameter cylindrical portion 31 and a small-diameter cylindrical portion 32 that is connected to the large-diameter cylindrical portion 31 and has a smaller diameter than the large-diameter cylindrical portion 31.
  • the inner surface of one end edge of the large-diameter cylindrical portion 31 is joined to the hollow disk portion 42 of the insulator 4.
  • the inner surface of the end of the small-diameter cylindrical portion 32 is provided with a target 30 having an inclined surface 301 that receives an electron beam from the emitter 20 and emits X-rays.
  • a beam window 33 that emits the X-rays to the outside is provided on the side wall of the small-diameter cylindrical portion 32.
  • the anode 3 is connected to a DC power source 6 and is grounded.
  • one end of the large-diameter cylindrical portion 31 of the anode 3 along the outer periphery of the hollow disk portion 42 of the insulator 4 is provided with a cathode-side peripheral wall portion 34 that extends along the axial direction of the large-diameter cylindrical portion 31 (vacuum vessel 10).
  • the insulator 4 is joined to the cathode 2 and anode 3 to form the vacuum vessel 10.
  • the insulator 4 is made of a ceramic member coaxial with the cathode 2, anode 3, and intermediate electrode 5, and has a cylindrical portion 41 to one end of which the cathode 2 is joined, and a hollow plate portion 42 provided on the outer periphery of the other end of the cylindrical portion 41 and joined to the anode 3.
  • the hollow plate portion 42 also has an extraction hole 43 formed therein for the conductor 52 of the intermediate electrode 5 from within the vacuum vessel 10.
  • the intermediate electrode 5 is joined to the insulator 4 between the cathode 2 and the anode 3 in the vacuum vessel 10 as shown in Figs. 1 and 2, and has a hollow plate portion 50 in which a hole 51 is formed through which the electron beam emitted from the emitter 20 of the cathode 2 to the target 30 of the anode 3 passes. Furthermore, a conductor 52 protrudes from the hollow plate portion 50. The conductor 52 is drawn out along the axial direction of the vacuum vessel 10 from the drawing hole 43 of the hollow plate portion 42 of the insulator 4, and is grounded via the DC power source 7 and connected to the anode 3.
  • the cathode 2, anode 3, insulator 4, and intermediate electrode 5 are then vacuum brazed (for example, silver brazing) to seal the cathode 2, anode 3, insulator 4, and intermediate electrode 5, forming the vacuum vessel 10.
  • vacuum brazed for example, silver brazing
  • the cathode 2, anode 3, insulator 4, and intermediate electrode 5 are assembled and vacuum brazed.
  • the conductor 52 of the intermediate electrode 5 and the extraction hole 43 of the insulator 4 are also vacuum brazed.
  • the joint of the insulator 4 is metallized to make it easier to braze, but depending on the brazing material used, the joint of the insulator 4 may not need to be metallized.
  • the ceramic material area on the cathode 2 side and the ceramic material area on the anode 3 side are integrated, as in the insulator 4, so it is possible to reduce the number of parts in the field emission device 1.
  • the configuration of the field emission device 1 is simplified, making it possible to reduce the size of the field emission device 1 and reduce costs.
  • the cathode 2 is grounded via the DC power supply 6 and connected to the anode 3, and the conductor 52 is drawn out from the hollow plate portion 42 along the axial direction of the intermediate electrode 5, grounded via the DC power supply 7, and connected to the anode 3, so that the outer periphery of the field emission device 1 becomes the ground surface. Therefore, the advantage of the anode 3 being grounded is utilized, and direct cooling of the anode 3 is also possible.
  • cathode side peripheral wall portion 34 which extends from one end of the large diameter cylindrical portion 31 of the anode 3 toward the cathode 2 along the axial direction of the large diameter cylindrical portion 31, allows it to be fitted with surrounding application components, making it easier to incorporate the field emission device 1 into a compact device such as an X-ray source.
  • the insulator 4 may not have a cylindrical portion 41 like the insulator 4 of embodiment 2 illustrated in FIG. 3, as long as it is joined to the cathode 2 and anode 3 to form the vacuum vessel 10.
  • the insulator 4 in the same figure seals the central opening 40 of the hollow plate portion 42 to be joined to the cathode 2 and also to the anode 3.
  • the insulator 4 may also be a cylinder, with the cathode 2 joined to the center of one end surface of the cylinder and the anode 3 joined to the other end surface of the cylinder, and the conductor 52 of the intermediate electrode 5 drawn out from the one end surface.
  • Reference Signs List 1...field emission device, 10...vacuum vessel, 2...cathode, 20...emitter, 3...anode, 30...target, 301...inclined surface, 31...large diameter cylinder portion, 32...small diameter cylinder portion, 33...beam window, 34...cathode side peripheral wall portion, 4...insulator, 40...central opening, 41...cylindrical portion, 42...hollow plate portion, 43...drawing hole, 5...intermediate electrode, 50...hollow plate portion, 51...hole, 52...conductor, 6, 7...DC power source

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Abstract

電界放射装置１は、陰極２及び陽極３と接合して真空容器１０を成す絶縁体４と、真空容器１０内にて陰極２と陽極３との間で絶縁体４に接合され、陰極２から陽極３に放出される電子ビームが通過する孔５１が形成された中間極５を有する。中間極５は、絶縁体４から真空容器１０の軸方向に沿って引き出されて直流電源７を介して接地されると共に陽極３に接続される導体５２を備える。

Description

電界放射装置
　本発明は冷陰極型の電界放射装置の構造に関する。
　Ｘ線装置，電子管，照明装置等に適用される図４に示された電界放射装置１は、真空容器１０内の陰極２と陽極３との間に電圧を印加し、陰極２のエミッタ２０から放出された電子ビームを陽極３のターゲット３０に衝突させて所望の機能を発揮する（特許文献１）。例えば、Ｘ線装置の場合はＸ線照射による透視に使用される。
　エミッタ２０の電子放出は、エミッタ２０に印加される電界により決定される。図４に示された２極管構造のＸ線管の場合、その電流は電圧と１対１で固定され（図５）、電圧と電流を個別に調整できない。
　電界放射装置１の電圧と電流の個別の調整は図６に示したように絶縁体４を介して陰極２と陽極３との間に中間極５を配した３極管構造とすれば可能となる（特許文献２）。
特開２０１２－１０４２８３号公報 特開２０１１－１１９０８４号公報
　Ｘ線の発生効率は３％以下と非常に悪く、残りはほぼ熱へと変換される。したがって、ターゲット３０を有する陽極３の冷却が課題となる。２極管構造の場合、図４に示したように陽極３を接地とすることでフィンやファンを用いた直接冷却が可能となる。
　一方、図６に示した３極管構造の場合、中間極５を接地とすると、陽極３はプラスＤＣ電圧が印加されるので直接冷却が困難となる。
　３極管構造は、図７に示された態様のように、エミッタ２０に加える電界を、陰極２に接続される直流電源６と中間極５に接続される直流電源７との差分で作り出せば、陽極３を接地とすることができ、陽極３の直接冷却が可能となる。直流電源７のかわりにフローティング電源を組み合わせてもよい。
　また、陽極接地となるメリットをより生かすためには、図８に示された真空容器１０を包囲する陽極３の大径筒部３１や図９に示された陽極３の大径筒部３１の一端に設けられる陰極側周壁部３４のように陽極３の外周面を接地面とすることが望ましい。しかしながら、これらの態様は装置構成が複雑及び大型化し、また、製造コストも上がる。
　本発明は、以上のことを鑑み、電界放射装置の部品点数の削減と小型化を図ることを課題とする。
　そこで、本発明の電界放射装置の一態様は、陰極及び陽極と接合して真空容器を成す絶縁体と、前記真空容器内にて前記陰極と前記陽極との間で前記絶縁体に接合され、前記陰極から前記陽極に放出される電子ビームが通過する孔が形成された中間極と、この中間極に突設され、前記絶縁体から前記真空容器の軸方向に沿って引き出されて直流電源を介して接地されると共に前記陽極に接続される導体と、を有する。
　本発明の一態様は、前記電界放射装置において、前記絶縁体は、中央開口部を密閉して前記陰極と接合すると共に前記陽極と接合する中空盤部を有する。
　本発明の一態様は、前記電界放射装置において、前記絶縁体は、一端に前記陰極が接合する筒体と、この筒体の他端外周に設けられて前記陽極と接合する中空盤部と、を有する。
　本発明の一態様は、前記電界放射装置において、前記陽極は、前記絶縁体と接合する大径筒部と、この大径筒部と連通し、前記電子ビームを受けるターゲットを収容する小径筒部と、を有する。
　本発明の一態様は、前記電界放射装置において、前記大径筒部の一端には、前記軸方向に沿って延伸する陰極側周壁部が備えられる。
　以上の本発明によれば、電界放射装置の部品点数の削減と小型化を図ることができる。
本発明の実施形態１の中間極を備えた電界放射装置の概略断面図。 実施形態１の電界放射装置の断面斜視図。 実施形態２の電界放射装置の概略断面図。 ２極管構造の電界放射装置の概略断面図。 ２極管構造の電界放射装置の電圧と電流の関係。 ３極管構造の電界放射装置の概略断面図。 中間極を接地とする３極管構造の電界放射装置の概略断面図。 外周面を接地面とする３極管構造の電界放射装置の概略断面図。 外周面を接地面とする３極管構造の電界放射装置の概略断面図。
　以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
　図１に示された本発明の一態様である実施形態１の電界放射装置１は、陰極２、陽極３、絶縁体４及び中間極５を有する。
　陰極２は、陽極３、絶縁体４及び中間極５と同軸に絶縁体４の一端に接合して陽極３及び絶縁体４とで真空容器１０を成し、この真空容器１０内にて陽極３のターゲット３０に電子ビームを放出するエミッタ２０を備える。そして、この陰極２は直流電源６を介して接地されると共に陽極３に接続される。
　陽極３は、陰極２、絶縁体４及び中間極５と同軸の異径の円筒体を成し、大径筒部３１と、この大径筒部３１と連通する大径筒部３１よりも小径な小径筒部３２を有する。大径筒部３１の一端縁の内面は、絶縁体４の中空盤部４２と接合する。小径筒部３２の端部の内面には、エミッタ２０から電子ビームを受けてＸ線を放出する傾斜面３０１を有するターゲット３０が備えられる。また、小径筒部３２の側壁部には、前記Ｘ線を外部に放出するビーム窓３３が設けられる。そして、この陽極３は直流電源６に接続されると共に接地される。
　また、絶縁体４の中空盤部４２の外周に沿う陽極３の大径筒部３１の一端には、大径筒部３１（真空容器１０）の軸方向に沿って延伸する陰極側周壁部３４が備えられる。
　絶縁体４は、陰極２及び陽極３と接合して真空容器１０を成す。絶縁体４は、陰極２，陽極３及び中間極５と同軸のセラミック部材から成り、一端に陰極２が接合する円筒部４１と、この円筒部４１の他端外周に設けられて陽極３と接合する中空盤部４２を有する。また、中空盤部４２には、真空容器１０内からの中間極５の導体５２の引き出し孔４３が形成される。
　中間極５は、図１，２に示したように真空容器１０内にて陰極２と陽極３との間で絶縁体４に接合され、陰極２のエミッタ２０から陽極３のターゲット３０に放出される電子ビームが通過する孔５１が形成された中空盤部５０を備える。さらに、中空盤部５０には導体５２が突設される。導体５２は、絶縁体４の中空盤部４２の引き出し孔４３から真空容器１０の軸方向に沿って引き出され、直流電源７を介して接地される共に陽極３に接続される。
　そして、陰極２、陽極３、絶縁体４及び中間極５は、真空ろう付け（例えば銀蝋付け）による接合により封止されて真空容器１０が構成される。真空ろう付けにより真空封止する際には陰極２、陽極３、絶縁体４及び中間極５が組み込まれて真空ろう付けされる。中間極５の導体５２と絶縁体４の引き出し孔４３との間も真空ろう付けされる。絶縁体４の接合部には、メタライズ処理を施してろう付けしやすくしておくが、使用するろう材によっては、絶縁体４の接合部をメタライズ処理しなくてもよい。
　以上の電界放射装置１によれば、絶縁体４のように陰極２側のセラミック部材の領域と陽極３側のセラミック部材の領域が一体化しているので、電界放射装置１の部品点数の削減が可能となる。また、電界放射装置１の構成が簡素となり、電界放射装置１の小型化と共にコストの削減も可能となる。
　さらに、陰極２が直流電源６を介して接地されると共に陽極３と接続され、また、導体５２が中空盤部４２から中間極５の軸方向に沿って引き出されて直流電源７を介して接地される共に陽極３に接続されることで、電界放射装置１の外周面が接地面となる。したがって、陽極３が接地となるメリットが生かされ、陽極３の直接冷却も可能となる。
　また、陽極３の大径筒部３１の一端から陰極２側に大径筒部３１の軸方向に沿って延伸する陰極側周壁部３４により、周辺の印加部品と嵌合可能となり、電界放射装置１をＸ線源等の装置にコンパクトに組み込み易くなる。
　尚、絶縁体４は、陰極２及び陽極３と接合して真空容器１０を成せばよいので、図３に例示された実施形態２の絶縁体４のように円筒部４１を備えていなくてもよい。同図の絶縁体４は、中空盤部４２の中央開口部４０を密閉して陰極２と接合すると共に陽極３と接合する。また、絶縁体４は、筒体を成し、当該筒体の一端面の中央部に陰極２が接合し、当該筒体の他端面に陽極３が接合し、当該一端面から中間極５の導体５２が引き出される態様であってもよい。これらの態様によっても上述の実施形態１と同様の効果が得られる。
１…電界放射装置、１０…真空容器
２…陰極、２０…エミッタ
３…陽極、３０…ターゲット、３０１…傾斜面、３１…大径筒部、３２…小径筒部、３３…ビーム窓、３４…陰極側周壁部
４…絶縁体、４０…中央開口部、４１…円筒部、４２…中空盤部、４３…引き出し孔
５…中間極、５０…中空盤部、５１…孔、５２…導体
６，７…直流電源
 

Claims (5)

  1. 　陰極及び陽極と接合して真空容器を成す絶縁体と、
    　前記真空容器内にて前記陰極と前記陽極との間で前記絶縁体に接合され、前記陰極から前記陽極に放出される電子ビームが通過する孔が形成された中間極と、
    　この中間極に突設され、前記絶縁体から前記真空容器の軸方向に沿って引き出されて直流電源を介して接地されると共に前記陽極に接続される導体と、
    を有することを特徴とする電界放射装置。
  2. 　前記絶縁体は、中央開口部を密閉して前記陰極と接合すると共に前記陽極と接合する中空盤部を有することを特徴とする請求項１に記載の電界放射装置。
  3. 　前記絶縁体は、
    一端に前記陰極が接合する筒体と、
    この筒体の他端外周に設けられて前記陽極と接合する中空盤部と、
    を有することを特徴とする請求項１に記載の電界放射装置。
  4. 　前記陽極は、
    前記絶縁体と接合する大径筒部と、
    この大径筒部と連通し、前記電子ビームを受けるターゲットを収容する小径筒部と、
    を有することを特徴とする請求項１に記載の電界放射装置。
  5. 　前記大径筒部の一端には、前記軸方向に沿って延伸する陰極側周壁部が備えられたことを特徴とする請求項４に記載の電界放射装置。
     
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