JP3187016B2 - 冷陰極及びそれを用いたマイクロ波管 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、進行波管等のマ
イクロ波管の陰極として電界放射エミッタアレイ等に適
用される冷陰極及びそれを用いたマイクロ波管に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】これまでに、微小な円錐状のエミッタ
と、このエミッタの近傍に形成され、このエミッタから
電流を引き出す機能および電流制御機能を有する制御電
極（ゲート電極）とから構成される微小冷陰極を配列し
た電界放射冷陰極が提案されている。

【０００３】図１４は、こういった従来の電界放射冷陰
極の構造を示す構成図、また図１５はこの電界放射冷陰
極を構成する一つの微小冷陰極１０７の詳細な構成を示
す断面図である。

【０００４】これら図１４および図１５において、１０
１はシリコンの基板、１０２はシリコン酸化物の絶縁層
で、絶縁層１０２の上に制御用のゲート電極１０３が積
層されている。

【０００５】絶縁層１０２と制御用のゲート電極１０３
の一部には空洞１０９が形成されており、この空洞１０
９中の基板１０１の上に尖頭形状の導体によりエミッタ
１０４が形成され、これらによって微小冷陰極１０７が
形成されている。また、複数の微小冷陰極１０７，１０
７…が配列されて、平面状の電子放出領域を持つ冷陰極
１０８が形成されている。

【０００６】この例では、基板１０１とエミッタ１０４
とは電気的に接続されており、エミッタ１０４とゲート
電極１０３の間には約５０［Ｖ］の電圧が印加される。
ここで、絶縁層１０２の厚さは約１［μｍ］、ゲート電
極１０３の開口径は約１［μｍ］と極めて狭く、またエ
ミッタ１０４の先端径は１０［ｎｍ］程度と極めて尖鋭
に作られている。このため、エミッタ１０４の先端には
強い電界が加わる。

【０００７】この電界強度が２〜５×１０^７［Ｖ／ｃ
ｍ］以上になるとエミッタ１０４の先端から電子が放出
される。このような構造の微小冷陰極１０７，１０７…
を基板１０１上に配列することにより大きな電流を放出
する平面状のＦＥＡ陰極（Ｆield Ｅmitter Ａrray：電
界放射冷陰極）が構成される。

【０００８】さらに、微細加工技術を利用して上述の微
小冷陰極１０７，１０７…を高密度に配列すれば、陰極
電流密度を従来の熱陰極の５から１０倍以上にまで高め
ることができる。

【０００９】こうして形成されるスピント（Ｓpindt)型
冷陰極は、熱陰極と比較して高い陰極電流密度が得ら
れ、放出電子の速度分散が小さい等の利点を持つ。ま
た、単一の電界放射エミッタと比較して電流雑音が小さ
く、約１０〜数１０［Ｖ］の低い電圧で動作し、１０
^−５［Ｐａ］程度といった比較的低い真空度の環境中で
も動作する。

【００１０】ところが、エミッタから放出する電子はエ
ミッタ先端の湾曲された等電位面で加速されるため、基
板に垂直な軸方向の速度成分ばかりでなく、基板に平行
な半径方向の速度成分を持つ。

【００１１】即ち、こういった陰極を進行波管の様なマ
イクロ波管に使用すると、半径方向の速度成分が電子ビ
ームのリプルの原因となる。電子ビームにリプルが生じ
ると、一部の電子は螺旋等の低速波回路に衝突し、これ
を加熱して管内の真空度を低下させる等の悪影響を与え
る。

【００１２】また、こういった不具合を防ぐために平均
の電子ビーム径を螺旋内径よりも十分に小さく設定する
と、効率や利得あるいは出力等の性能が低下する。一
方、こういった不具合を解消するために、半径方向の速
度成分を抑圧する方法もある。図１６は、半径方向の速
度成分を抑圧したＦＥＡ陰極の構成例を示す断面図であ
る。

【００１３】図１６に示す例ではゲート電極１０３の上
に、絶縁層１０５を挟んで集束ゲート電極１０６を集積
して、２段ゲート型の冷陰極を形成している。この例で
は、図に示す２段ゲートの内、上段に位置する集束ゲー
ト電極１０６の電位を下段に位置する引き出しゲート電
極１０３に対して負にバイアスすることで、半径方向の
広がりが抑圧している。

【００１４】一方特開平１０−１２５２４２号公報に
は、１段ゲートの冷陰極を進行波管等のマイクロ波管の
例が示されている。図１７は、こういったマイクロ波管
の構成例を示す側断面図である。

【００１５】この図に示す例では、陰極支持体１１１に
マウントされた冷陰極１１２をバネ１１３によって、最
も近傍にある集束電極（ウェーネルト電極）１１４に圧
接固着している。

【００１６】この例によれば、ボンディングワイヤやタ
ブを用いずに冷陰極を電子銃電極に接続することができ
るので、構造が簡単で信頼性が高く、また高い精度で組
み立てることができる。

【００１７】さらに、図１７に示す構成の各部材は中心
軸に対して非対称性を持たない。このため、軸対称性に
優れた電位分布が得られ、高品質の電子ビームＢ_ｅｌを
形成することができる。

【００１８】図１８は、２段ゲートを持つ冷陰極の構造
および電極の結線の様子を示す断面図、また図１９は同
平面図であり、特開平９−５０７５８号公報に示される
ものである。一方、図２０は３段ゲートを持つ冷陰極の
構造および電極の結線の様子を示す断面図、また図２１
は同平面図である。

【００１９】図１８、図１９に示す構成では、２種類の
ゲート電極（引き出し電極、集束電極）とカソード電極
とは、導線によって陰極から電子管電極に接続されてい
る。また図２０、図２１に示す構成では、陰極の電極は
導線によって電子管電極に接続されている。

【００２０】そして、隣接する最下段のゲート電極と中
段のゲート電極とを電子放出領域から離れたボンディン
グパッド部で導通させ、電極端子数を３に減らしてい
る。さらに上述の構成に加えて、ゲート開口を利用して
隣接する２層のゲート電極を接続するものもある。

【００２１】ところが、ボンディングワイヤ（導線）や
タブを使用せずに２段ゲートの冷陰極を配線しようとす
ると、複雑で精密な絶縁部材を必要とすることになる。
そこで、部分的にメタライズ加工をしたセラミックス部
材を使用する例もある。

【００２２】図２２は、セラミックスに部分的なメタラ
イズ加工を施した部材を使用した２段ゲート冷陰極搭載
の電子銃の一例を示す断面図であり、図２３は図２２に
示す電子銃の中心部を拡大した断面図である。これらの
図において、斜線で示す部分が、メタライズ領域であ
る。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、１段ゲ
ートＦＥＡ陰極では、エミッタ先端の等電位面分布の湾
曲によって、エミッタ先端から放出される電子が半径方
向（横方向）速度成分を持つ。

【００２４】このため、こういった従来のＦＥＡを進行
波管等のマイクロ波管の陰極に使用すると、電子ビーム
にリプルが生じ、その結果マイクロ波管の高周波化や高
性能化が困難になる。

【００２５】ところが、電子の進行方向を軸方向に揃え
るために、通常のゲート電極の上にこれより低い電圧を
印加する集束ゲート電極を設けた２段ゲートＦＥＡ陰極
では、電極数が増加するために電子銃の構造が複雑にな
るという問題が生じる。

【００２６】また、進行波管のようなマイクロ波管にお
いては、電子ビームによるＲＦ信号との相互作用を効率
よく行わせ、高い利得を実現させている。このため、例
えば動作周波数１０［ＧＨｚ］の場合、１［ｍｍ］程度
の小さな内径で１００［ｍｍ］以上の長い螺旋の中を通
過させる必要がある。

【００２７】さらに、電子ビームが螺旋に衝突すると、
螺旋を加熱して管内の真空度を低下させる可能性があ
る。このため、リプルやうねりの少ない電子ビームが必
要になる。ところが、陰極から放出される電子に横方向
速度成分が多いと、リプルやうねりの原因となってしま
う。

【００２８】この発明は、このような背景の下になされ
たもので、高性能で高い周波数を扱うマイクロ波管に適
用され、且つ簡単に構成できる冷陰極及びそれを用いた
マイクロ波管を提供することを目的としている。

【００２９】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に記
載の発明の要旨は、基板上に形成された電子を放出する
複数の微小陰極から構成される冷陰極であって、前記基
板と略平行し前記電子の放出量を制御する第１の制御電
極（４，４ａ）と、前記第１の制御電極に対し前記基板
と反対側において当該基板と略平行し前記電子の軌道を
集束させる第２の制御電極（６）と、前記第２の制御電
極と電気的に接続された接続手段（９_−１）とを具備
し、前記接続手段が前記複数の微小陰極の中心に配置さ
れることを特徴とする冷陰極に存する。また、この発明
の請求項２に記載の発明の要旨は、前記第１の制御電極
と前記第２の制御電極とは互いに同軸の開口部を有し、
前記接続手段は管筒形状に形成されるとともに軸方向の
片端部が前記第２の制御電極に形成された開口部の内周
部に接続され当該第２の制御電極側に開口する空洞
（９）をなすことを特徴とする請求項１に記載の冷陰極
に存する。また、この発明の請求項３に記載の発明の要
旨は、絶縁基材（２ａ）上に形成される導体（５０）
と、前記絶縁基材とで前記導体を挟む形で形成される第
１の絶縁部材（３）と、前記第１の制御電極と、前記第
１の制御電極と前記第２の制御電極との間に挟持される
第２の絶縁部材（５）と、前記第２の制御電極とによる
積層構造からなり、エミッタ（８）は前記導体上に形成
され、前記絶縁基材と 前記第１の絶縁部材は前記第１の
制御電極で覆われており、前記導体と前記接続手段とは
電気的に接続されることを特徴とする請求項１または請
求項２の何れかに記載の冷陰極に存する。また、この発
明の請求項４に記載の発明の要旨は、前記微小陰極をな
す導体（２）と、前記導体と前記第１の制御電極との間
に挟持される第１の絶縁部材と、前記第１の制御電極
と、前記第１の制御電極と前記第２の制御電極との間に
挟持される第２の絶縁部材と、前記第２の制御電極とに
よる積層構造からなり、前記導体と前記接続手段とは電
気的に接続されることを特徴とする請求項１または請求
項２の何れかに記載の冷陰極に存する。また、この発明
の請求項５に記載の発明の要旨は、前記第１の制御電極
の外周は前記第２の絶縁部材の外周および前記第２の制
御電極の外周より大きく、前記第１の制御電極の上面と
前記基板の裏面とから加圧された状態で挟み込まれてマ
イクロ波管内に支持され、前記導体と前記第１の制御電
極との間に制御電圧が印加され、前記第１の制御電極の
外周は前記第２の絶縁部材の外周及び前記第２の制御電
極の外周より大きいことを特徴とする請求項４に記載の
冷陰極に存する。また、この発明の請求項６に記載の発
明の要旨は、絶縁体の基材（２ｂ）と、前記微小陰極を
なす導体（６０）と、前記導体と前記第１の制御電極と
の間に挟持される第１の絶縁部材と、前記第１の制御電
極と、前記第１の制御電極と前記第２の制御電極との間
に挟持される第２の絶縁部材と、前記第２の制御電極と
による積層構造からなり、前記導体は前記基材を覆い、
前記導体と前記接続手段とは電気的に接続されることを
特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の冷
陰極に存する。また、この発明の請求項７に記載の発明
の要旨は、前記第１の制御電極の外周は前記第２の絶縁
部材の外周および前記第２の制御電極の外周より大き
く、前記第１の制御電極の上面と前記基板の裏面とから
加圧された状態で挟み込まれてマイクロ波管内に支持さ
れ、前記導体と前記第１の制御電極との間に制御電圧が
印加され、前記第１の制御電極の外周は前記第２の絶縁
部材の外周及び前記第２の制御電極の外周より大きいこ
とを特徴とする請求項６に記載の冷陰極に存する。ま
た、この発明の請求項８に記載の発明の要旨は、絶縁体
の基材（２ｃ）と、前記微小陰極をなすとともに前記接
続手段と対応する部分が開口した導体（７０）と、前記
導体と前記第１の制御電極との間に挟持される第１の絶
縁部材と、前記第１の制御電極と、前記第１の制御電極
と前記第２の制御電極との間に挟持される第２の絶縁部
材と、前記第２の制御電極とによる積層構造からなり、
前記導体は前記基材を覆い、前記第１の制御電極と前記
接続手段とは第１の抵抗（７１）を介して電気的に接続
され、前記導体と前記接続手段とは第２の抵抗（７２）
を介して電気的に接続されることを特徴とする請求項１
または請求項２の何れかに記載の冷陰極に存する。ま
た、この発明の請求項９に記載の発明の要旨は、前記第
１の制御電極の外周は前記第２の絶縁部材の外周および
前記第２の制御電極の外周より大きく、前記第１の制御
電極の上面と前記基板の裏面とから加圧された状態で挟
み込まれてマイクロ波管内に支持され、前記第１の制御
電極の外周は前記第２の絶縁部材の外周及び前記第２の
制御電極の外周より大きいことを特徴とする請求項８に
記載の冷陰極に存する。また、この発明の請求項１０に
記載の発明の要旨は、前記微小陰極をなすとともに前記
接続手段と対応する部分に凹部を有する導体（２ｄ）
と、前記導体が有する凹部内に形成された絶縁体（７
５）と、前記導体と前記第１の制御電極との間に挟持さ
れる第１の絶縁部材と、前記第１の制御電極と、前記第
１の制御電極と前記第２の制御電極との間に挟持される
第２の絶縁部材と、前記第２の制御電極とによる積層構
造からなり、前記第１の制御電極と前記接続手段とは第
１の抵抗を介して電気的に接続され、前記導体と前記接
続手段とは第２の抵抗を介して電気的に接続されること
を特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の
冷陰極に存する。また、この発明の請求項１１に記載の
発明の要旨は、前記第１の制御電極の外周は前記第２の
絶縁部材の外周および前記第２の制御電極の外周より大
きく、前記第１の制御電極の上面と前記基板の裏面とか
ら加圧された状態で挟み込まれてマイクロ波管内に支持
され、前記第１の制御電極の外周は前記第２の絶縁部材
の外周及び前記第２の制御電極の外周より大きいことを
特徴とする請求項９に記載の冷陰極に存する。また、こ
の発明の請求項１２に記載の発明の要旨は、前記第１の
制御電極と前記微小陰極との間には制御電源（７３）か
ら供給される第１の制御電圧が印加され、前記第２の制
御電極と前記微小陰極との間には前記制御電圧を前記第
１の抵抗および前記第２の抵抗によって分圧した第２の
制御電圧が印加されることを特徴とする請求項８ないし
請求項１１までの何れかに記載の冷陰極に存する。ま
た、この発明の請求項１３に記載の発明の要旨は、前記
第２の制御電圧と前記第１の制御電圧との電圧比は、
０．２ないし０．７までの値であることを特徴とする請
求項１２に記載の冷陰極に存する。また、この発明の請
求項１４に記載の発明の要旨は、前記複数の微小陰極の
各々は、前記第１の制御電極に設けられた第１の微小開
口部（４ _−１ ）と、前記第１の微小開口部と同軸に前記
第２の制御電極に設けられた第２の微小開口部
（６ _−１ ）と、前記微小陰極における電子の放出面に形
成され前記第１および第２の微小開口部と同軸の垂線方
向に頂点軸を有する導体の微小突起（８）とからなるこ
とを特徴とする請求項１ないし請求項１３までの何れか
に記載の冷陰極に存する。また、この発明の請求項１５
に記載の発明の要旨は、前記複数の微小陰極の各々は、
前記第１の制御電極に設けられた第１の微小開口部と、
前記第１の微小開口部と同軸に前記第２の制御電極に設
けられた第２の微小開口部と、前記微小陰極における電
子の放出面に形成され前記第１および第２の微小開口部
と同軸の垂線方向に頂点軸を有する導体の微小突起とか
らなり、前記第１の微小開口部と前記第２の微小開口部
とに対応して前記第１の絶縁部材と前記第２の絶縁部材
とに形成された複数の微小空洞（７）の各々の内部に前
記微小陰極を設けることを特徴とする請求項３ないし請
求項１３までの何れかに記載の冷陰極に存する。また、
この発明の請求項１６に記載の発明の要旨は、請求項１
ないし請求項１５のいずれかに記載の冷陰極を備えたマ
イクロ波管に存する。

【００３０】この発明によれば、電子を放出する陰極と
第１の絶縁部材と陰極における電子の放出面と略平行し
電子の放出量を制御する第１の制御電極と第２の絶縁部
材と第１の制御電極における陰極と面対称側において陰
極の電子の放出面と略平行し電子の軌跡を集束させる第
２の制御電極とを積層し、第２の制御電極から陰極側に
空洞を形成し、空洞内面に第２の制御電極と電気的に接
続された接続手段を形成するとともに、接続手段を中心
に複数の微小陰極を形成する。

【００３１】

【発明の実施の形態】Ａ．第１の実施の形態 以下に、本発明について説明する。図１は、本発明の第
１の実施の形態にかかる冷陰極構成を示す平面図であ
る。また、図２は図１に示す冷陰極１を図中のＡ−Ａ’
線を含む平面で見た断面図、図３は図２に示す微小陰極
１_−１の詳細な構成を示す断面図である。

【００３２】これらの図において、１は真空中に電子を
放出する電界放射の冷陰極である。この冷陰極１は、金
属あるいは半導体材料によって形成された基板２、絶縁
層３、ゲート電極４、絶縁層５、集束ゲート電極６から
構成され、各々エミッタ８を有する複数の微小陰極１
_−１が配列されている。

【００３３】ゲート電極４と集束ゲート電極６とには互
いに同軸に各々開口部４_−１あるいは開口部６_−１が形
成されており、これらを中心として絶縁層３および絶縁
層５には空洞７が形成されている。この空洞７の底にエ
ミッタ８が円錐形状に形成され、これらによって各々微
小陰極１_−１を構成している。

【００３４】絶縁層３および絶縁層５ならびにゲート電
極４および集束ゲート電極６は中心部が開口して空洞９
が形成されており、この空洞９の内面には導体により接
続子９_−１が形成されている。集束ゲート電極６は、こ
の接続子９_−１を介して基板２と電気的に接続されてい
る。

【００３５】なおゲート電極４は、接続子９_−１との電
気的接触を防ぐため、中心部が除去された円環形状に形
成されている。また、絶縁層５の外径ならびに集束ゲー
ト電極６の外径はゲート電極４の外径よりも小さく形成
されており、その周縁部においてはゲート電極４が最上
層になっている。

【００３６】図４は、図１ないし図３に示す冷陰極１を
適用したマイクロ波管の電子銃部の原理的構造を示す断
面図である。図４において、冷陰極１は陰極支持体１０
にマウントされ、また陰極支持体１０はバネ１１の力に
よって図４における上方に付勢されている。

【００３７】これによって、ゲート電極４の周辺部が電
子ビームの集束作用を行うウェーネルト電極１２に当接
して電気的に接続され、ウェーネルト電極１２に対する
冷陰極１の位置が固定される。

【００３８】図１ないし図４において、エミッタ８は基
板２と電気的に接触しているので、外部から陰極支持体
１０に印加された電圧はエミッタ８に伝えられる。

【００３９】一方、ゲート電極４の周辺部はバネ１１の
付勢力によってウェーネルト電極１２に当接されている
ので、ゲート電極４にはウェーネルト電極１２を介して
エミッタ８の電位に対して約５０［Ｖ］の正電圧が印加
される。そして集束ゲート電極６は、接続子９_−１を介
して基板２に接続されているので、エミッタ８と同じ電
位になっている。

【００４０】このエミッタ８とゲート電極４との間に印
加された約５０［Ｖ］の電圧によって、エミッタ８の先
端からは電子が放出される。しかし、エミッタ８の先端
には湾曲した等電位面が形成される。このため放出され
る電子には、基板２の上面と垂直方向の電子ばかりでな
く、基板２のと平行方向の速度成分を持つ電子も含まれ
る。

【００４１】これに対して集束ゲート電極６には、エミ
ッタ８と同電位、即ちゲート電極４に対して約５０
［Ｖ］の負電位が印加されているので、エミッタ８の先
端から放出された電子は、エミッタ８およびゲート電極
４の開口部４ _−１ そして集束ゲート電極６の開口部６
_−１ に共通の中心軸を中心として集束される。

【００４２】本実施の形態では、回転対称の電磁界から
電子軌道を求める一般的なシミュレーションプログラム
を使用することで、ゲート電極４の開口径や集束ゲート
電極６の開口径あるいは絶縁層５の厚さ等を適切に選択
することができる。これによって、エミッタ８から放出
される電子のほとんどの軌跡が共通の中心軸と平行にな
るように設計することが可能である。

【００４３】なお、電子軌道計算シミュレーションによ
る結果の一例を示すと、ゲート電極４の開口径が０．６
５［μｍ］ならびに絶縁層３の厚さが０．５［μｍ］の
時に、絶縁層５の厚さが２［μｍ］そして集束ゲート電
極６の開口径が８［μｍ］となり、このときほぼ平行な
電子ビームが形成される。

【００４４】冷陰極１を上述のように構成することで、
電子放出領域を形成するエミッタ８から放出されるほと
んどの電子の進行方向を基板２の上面に対してほぼ垂直
に揃えることができる。

【００４５】また冷陰極１には、エミッタ８とゲート電
極４の２つの配線を接続すればよいので、電子管の電子
銃構造を極めて簡単にすることができる。さらに、ボン
ディングワイアやタブ等で接続する必要がないため、組
立が簡単で、信頼性の高い接続が可能となる。さらに、
軸非対称の電界が生じる可能性がないので、軸対称性の
良い電子ビームが形成できる。

【００４６】図５は本実施の形態にかかる冷陰極１を適
用したＴＷＴ（Ｔraveling-ＷaveＴube：進行波管）の
原理的構造を示す断面図である。なお図５において、図
１ないし図４に示す各部と対応する部分には同一の符号
を付し、その説明は省略する。

【００４７】図５において、１３は電子ビームを形成す
る電子銃部、１４は電子ビームとＲＦ（Ｒadio Ｆreque
ncy:高周波）信号との結合によって信号を増幅するＲＦ
回路部、１５は結合の終了した電子ビームＢ_ｅｌを捕捉
するコレクタ部である。

【００４８】電子銃部１３の主要部は、電子を放出する
冷陰極１と電子ビームＢ_ｅｌを静電的に集束するウェー
ネルト電極１２、そして電子ビームを加速する陽極１７
とから構成されている。

【００４９】ＲＦ回路部１４の主要部は、ＲＦ信号を伝
播させて電子ビームＢ_ｅｌとの間で相互作用を生じさせ
る螺旋１９と電子ビームＢ_ｅｌを集束させて螺旋１９の
中を通過させるため周期磁界を発生させる磁石２０なら
びに磁極２１、螺旋１９に供給されるＲＦ信号が外部か
ら入力されるＲＦ入力部２２、そして増幅したＲＦ信号
を外部に出力するＲＦ出力部２３とから構成されてい
る。

【００５０】上述のコレクタ部１５とＲＦ回路部１４と
の間は、円環状セラミックス等から構成される絶縁部材
２５によって電気的に絶縁されている。これによって、
コレクタ部１５には螺旋１９よりも低い電圧を印加し
て、総合的な効率を改善している。

【００５１】図５に示す構成において、電子銃部１３の
冷陰極１から放出された電子ビームＢ_ｅｌは、陽極１７
に印加された高電圧により加速される。さらにこの電子
ビームＢ_ｅｌは、ウェーネルト電極１２および陽極１７
によって生じる電界と磁石２０が発生する磁界とによっ
て集束される。

【００５２】陽極１７の中心の開口部を通過した電子ビ
ームＢ_ｅｌは、さらに磁界によって集束され、螺旋１９
の中に導入され、この螺旋１９上には、ＲＦ入力部２２
を介して供給されるＲＦ信号が伝播する。

【００５３】なおこの螺旋１９の直径およびピッチは、
螺旋１９に沿ってＴＷＴの中心軸方向に進行する所定の
動作周波数のＲＦ信号の速度が、電子ビームＢ_ｅｌの速
度と概ね等しくなるように予め決定される。

【００５４】こうしてＲＦ信号が電子ビームと同じ速度
で伝播することによって、両者の間には相互作用が生
じ、電子ビームＢ_ｅｌからエネルギーが与えられて増幅
される。増幅されたＲＦ信号は、ＲＦ出力部２３から出
力される。一方ＲＦ信号との相互作用を終えた電子ビー
ムＢ_ｅｌは、コレクタ部１５に捕捉され、熱エネルギー
に変換されてＴＷＴ外に放出される。

【００５５】電子ビームと衝突した管内残留ガスは正イ
オンになるが、螺旋部分で発生した正イオンは電子ビー
ムの電荷で形成される電位のため、螺旋内の中心軸付近
に集まる。

【００５６】本実施の形態のように陽極１７の電位が螺
旋１９の電位と等しいか、あるいはこれよりも低い場
合、陽極１７の中心孔を通って冷陰極１の中心部に衝突
する。本実施の形態の場合、冷陰極１の中心部にはエミ
ッタ８が形成されていないので、この正イオンが衝突し
ても特性に影響することはない。

【００５７】これに加えて、正イオンが衝突する部分は
凹状に形成されているので、この部分の金属材料が正イ
オンの衝撃によって飛散しても、ゲート電極４と集束ゲ
ート電極６との間および集束ゲート電極６とエミッタ８
との間の絶縁を劣化させる可能性は極めて低くなる。

【００５８】このように本実施の形態によれば、冷陰極
からは横方向速度成分の少ない電子ビームが取り出せる
ので、リプルやうねりの極めて小さい電子ビームが形成
できる。

【００５９】このため螺旋に衝突する電子が減少し、ほ
とんどの電子は螺旋の中を通過してＲＦ信号との相互作
用に寄与し、コレクタ部１５に達する。従ってＴＷＴの
信頼性が向上し、直流−ＲＦ変換効率が向上し、高い性
能が実現できる。

【００６０】さらに陰極加熱用のヒータが不要となり、
２段ゲート構造であるにも拘わらず陰極には２種類の配
線を接続するだけでよいので、電子銃部の構造が簡単に
なり、組立に要する時間を大幅に短縮できる。

【００６１】Ｂ．第２の実施の形態 図６は、本発明の第２の実施の形態にかかる冷陰極構成
を示す平面図である。また図７は、図６に示す冷陰極１
ａを図中のＢ−Ｂ’線を含む平面で見た断面図である。
なおこれらの図において、図１ないし図３に示す各部と
対応する部分には同一の符号を付し、その説明は省略す
る。また、図６および図７に示す冷陰極１ａは、図４に
示す冷陰極１と同様に電子銃にマウントされ、図５に示
すようなＴＷＴ等のマイクロ波管に適用される。

【００６２】本実施の形態の基板２ａには絶縁材料を使
用し、この基板２ａの上面に積層された絶縁層３の上面
に形成されたゲート電極４ａは、絶縁層３の側面ならび
に基板２ａの側面および下面の一部あるいは全部を覆う
構成となっており、基板２ａの下面において電子銃部１
３の電極と接続される。

【００６３】また、基板２ａと絶縁層３との間には、ゲ
ート電極４ａとは接触しないカソード電極５０が形成さ
れ、このカソード電極５０上にエミッタ８，８…が形成
されるとともに、集束ゲート電極６はこのカソード電極
５０と接触し、電気的に接続されている。即ち本実施の
形態では、集束ゲート電極６とカソード電極５０とが同
電位となっている。

【００６４】さらに絶縁層５と集束ゲート電極６の外径
は、電子放出領域の外径よりも大きく形成されており、
その周辺部において集束ゲート電極６が最上層になって
いる。従ってこの周辺部で、集束ゲート電極６は電子銃
部１３のウェーネルト電極１２と接触する。

【００６５】このような構成において、集束ゲート電極
６とカソード電極５０にはウェーネルト電極１２を介し
て基準電圧（例えば接地電位）が印加され、ゲート電極
４ａには陰極支持体１０を介して約５０［Ｖ］の電圧が
印加される。

【００６６】即ち、集束ゲート電極６とウェーネルト電
極１２とには、ゲート電極４ａに対して約−５０［Ｖ］
の電圧が印加されている。これによって、エミッタ８，
８…の各々から放出された電子ビームは軌跡が互いに平
行となるように走行方向が揃えられるとともに、全体の
電子ビームは電子管の中心軸に向かって集束され、細い
電子ビームが形成される。

【００６７】本実施の形態では、ウェーネルト電極１２
がエミッタ８と同じ電位であるため、電子ビーム集束効
果が極めて高く、集束比（陰極電子放出領域面積/電子
ビーム断面積）の大きい電子銃部１３に適している。

【００６８】Ｃ．第３の実施の形態 図８は、本発明の第３の実施の形態にかかる冷陰極構成
を示す平面図である。また図９は、図８に示す冷陰極１
ｂを図中のＣ−Ｃ’線を含む平面で見た断面図である。
なおこれらの図において、図１ないし図３、図６あるい
は図７に示す各部と対応する部分には同一の符号を付
し、その説明は省略する。また、図８および図９に示す
冷陰極１ｂは、図４に示す冷陰極１と同様に電子銃部１
３にマウントされ、図５に示すようなＴＷＴ等のマイク
ロ波管に適用される。

【００６９】本実施の形態の基板２ｂにも絶縁材料を使
用し、この基板２ｂの上面に積層された絶縁層３との間
に形成されたカソード電極６０は、基板２ｂの側面およ
び下面の一部あるいは全部を覆う構成となっており、基
板２ｂの下面において電子銃部１３の電極と接続され
る。

【００７０】このカソード電極６０上にエミッタ８，８
…が形成されるとともに、集束ゲート電極６はこのカソ
ード電極６０と接触し、電気的に接続されている。即ち
本実施の形態では、集束ゲート電極６とカソード電極６
０とが同電位となっている。

【００７１】本実施の形態において、カソード電極６０
とエミッタ８，８…および集束ゲート電極６とには陰極
支持体１０を介して電圧が印加され、ゲート電極４の周
辺部にはウェーネルト電極１２を介して電圧が印加され
る。

【００７２】Ｄ．第４の実施の形態 図１０は、本発明の第４の実施の形態にかかる冷陰極構
成を示す断面図である。なおこの図において、図１ない
し図３、図６ないし図９に示す各部と対応する部分には
同一の符号を付し、その説明は省略する。また、図１０
に示す冷陰極１ｃは、図４に示す冷陰極１と同様に電子
銃部１３にマウントされ、図５に示すようなＴＷＴ等の
マイクロ波管に適用される。

【００７３】本実施の形態の基板２ｃにも絶縁材料を使
用し、この基板２ｃの上面に積層された絶縁層３との間
に形成されたカソード電極７０は、基板２ｃの側面およ
び下面の一部あるいは全部を覆う構成となっており、基
板２ｃの下面において電子銃の電極と接続される。

【００７４】またこのカソード電極７０上にはエミッタ
８，８…が形成されるとともに中心部が開口しており、
この開口部には抵抗体７２が形成され、カソード電極７
０と電気的に接続されている。

【００７５】集束ゲート電極６は、接続子９_−１を介し
てこの抵抗体７２と接続される。一方、接続子９_−１と
ゲート電極４の開口部４ _−１ との間は、抵抗体７１によ
って接続されている。これら抵抗体７１および抵抗体７
２は、均一な薄膜状構造でもよく、渦巻き状あるいはジ
グザグ状の構造であってもよい。

【００７６】図１１は、図１０に示す冷陰極の等価回路
を示す接続図である。本実施の形態においては、カソー
ド電極７０とエミッタ８，８…とには陰極支持体１０を
介して電圧が印加され、ゲート電極４の周辺部にはウェ
ーネルト電極１２を介して電圧が印加される。

【００７７】一方の集束ゲート電極６は、抵抗体７１な
らびに抵抗体７２から構成される抵抗分圧器の中間点に
接続され、カソード電極７０とゲート電極４との間に印
加されるゲート電源７３を分圧した電圧が加えられる。

【００７８】このように本実施の形態では、カソード電
極７０とゲート電極４との間に印加される電圧が分圧さ
れて集束ゲート電極６に加えられる。このため、ゲート
電圧が変化してもカソード電極７０の電圧を基準とした
ゲート電極４の電圧と集束電極６の電圧との比は、常に
一定に保たれる。

【００７９】従って、ゲート電源７３の電圧が変化した
場合にも、エミッタ８，８…の先端から集束ゲート電極
６付近までの等電位面の形状が一定に保たれ、電子ビー
ムＢ _ｅｌ の集束条件も常に一定に保たれる。

【００８０】なお、電子軌道計算シミュレーションによ
る結果の一例を示すと、ゲート電極４の開口径が０．６
５［μｍ］および絶縁層３の厚さが０．５［μｍ］、絶
縁層５の厚さ１［μｍ］、そして集束ゲート電極６の開
口径が２［μｍ］の時に、ゲート電極４の電圧の２０％
から７０％の電圧を集束ゲート電極６に印加すれば、ほ
ぼ平行な電子ビームが形成される。

【００８１】即ちこの場合、集束ゲート電極６とカソー
ド電極７０との間の抵抗値をR_ｋ、集束ゲート電極６と
ゲート電極４との間の抵抗値をR_ｇとした時、R_ｋ／（R
_ｋ＋R_ｇ）の値が０．２から０．７の範囲にあればよい
ことになる。

【００８２】このように本実施の形態によれば、ゲート
電極電圧と制御ゲート電極（集束電極）電圧との比が一
定に保たれるため、ゲート電極電圧が変化してもエミッ
タ８，８…の先端から集束ゲート電極６付近までの等電
位面の形状は、常にほぼ一定に保たれる。従って、電子
ビームＢ _ｅｌ の集束条件も常に一定に保たれ、常に横方
向成分の小さな平行ビームが形成される。

【００８３】また本実施の形態では、分圧器の抵抗値の
比によってゲート電極電圧と集束電極電圧との比を設定
できるので、設計の自由度が大きくなる。従って例え
ば、最適な条件にするために絶縁層の厚さを十分厚くし
たり、集束ゲート電極６の開口径を大きくする必要はな
くなり、エミッタ８，８…の実装密度が低下する等の不
都合が生じることはない。

【００８４】Ｅ．第５の実施の形態 図１２は、本発明の第５の実施の形態にかかる冷陰極構
成を示す断面図である。なおこの図において、図１ない
し図３、図６ないし図１０に示す各部と対応する部分に
は同一の符号を付し、その説明は省略する。また、図１
２に示す冷陰極１ｄは、図４に示す冷陰極１と同様に電
子銃部１３にマウントされ、図５に示すようなＴＷＴ等
のマイクロ波管に適用される。

【００８５】本実施の形態においては、基板２ｄに導電
性材料を使用し、抵抗体７２と接続子９_−１との接続点
の直下に絶縁層７５を設けている。一方、集束ゲート電
極６と電気的に接続される接続子９_−１とゲート電極４
との間は抵抗体７１によって接続されている。

【００８６】図１３は、図１２に示す冷陰極の等価回路
を示す接続図である。本実施の形態においては、基板２
ｄとエミッタ８，８…とには陰極支持体１０を介して電
圧が印加され、ゲート電極４の周辺部にはウェーネルト
電極１２を介して電圧が印加される。

【００８７】一方の集束ゲート電極６は、抵抗体７１な
らびに抵抗体７２から構成される抵抗分圧器の中間点に
接続され、基板２ｄとゲート電極４との間に印加される
ゲート電源７３を分圧した電圧が加えられる。

【００８８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、電子を放出する陰極と第１の絶縁部材と陰極におけ
る電子の放出面と略平行し電子の放出量を制御する第１
の制御電極と第２の絶縁部材と第１の制御電極における
陰極と面対称側において陰極の電子の放出面と略平行し
電子の軌跡を集束させる第２の制御電極とを積層し、第
２の制御電極から陰極側に空洞を形成し、空洞内面に第
２の制御電極と電気的に接続された接続手段を形成する
とともに、接続手段を中心に複数の微小陰極を形成する
ので、高性能で高い周波数を扱うマイクロ波管に適用さ
れ、且つ簡単に構成できる冷陰極が実現可能であるとい
う効果が得られる。

【００８９】即ち本発明によれば、電子放出領域の中央
において集束ゲート電極とカソード電極を接続し、陰極
から取り出す電極数を２本にして、陰極と電子管電極と
の接続のための構造を大幅に簡単にしている。

【００９０】ＴＷＴの様な直線ビームデバイスでは陰極
中央に螺旋等の低速波回路部で発生した正イオンが衝突
するため、中央の接続部はイオンのトラップに使用す
る。このため、陰極表面の有効利用が妨げられることは
なく、スパッタによる絶縁劣化が防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる冷陰極構成
を示す平面図である。

【図２】図１に示す冷陰極を図中のＡ−Ａ’線を含む平
面で見た断面図である。

【図３】図２に示す微小陰極の詳細な構成を示す断面図
である。

【図４】図１ないし図３に示す冷陰極を適用したマイク
ロ波管の電子銃部の原理的構造を示す断面図である。

【図５】同実施の形態にかかる冷陰極を適用したＴＷＴ
の原理的構造を示す断面図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態にかかる冷陰極構成
を示す平面図である。

【図７】図６に示す冷陰極を図中のＢ−Ｂ’線を含む平
面で見た断面図である。

【図８】本発明の第３の実施の形態にかかる冷陰極構成
を示す平面図である。

【図９】図８に示す冷陰極を図中のＣ−Ｃ’線を含む平
面で見た断面図である。

【図１０】本発明の第４の実施の形態にかかる冷陰極構
成を示す断面図である。

【図１１】図１０に示す冷陰極の等価回路を示す接続図
である。

【図１２】本発明の第５の実施の形態にかかる冷陰極構
成を示す断面図である。

【図１３】図１２に示す冷陰極の等価回路を示す接続図
である。

【図１４】従来の電界放射冷陰極の構造を示す構成図で
ある。

【図１５】図１４に示す電界放射冷陰極を構成する一つ
の微小冷陰極の詳細な構成を示す断面図である。

【図１６】半径方向の速度成分を抑圧したＦＥＡ陰極の
構成例を示す断面図である。

【図１７】図１６に示すＦＥＡ陰極を適用したマイクロ
波管の構成例を示す側断面図である。

【図１８】２段ゲートを持つ冷陰極の構造および電極の
結線の様子を示す断面図である。

【図１９】２段ゲートを持つ冷陰極の構造および電極の
結線の様子を示す平面図である。

【図２０】３段ゲートを持つ冷陰極の構造および電極の
結線の様子を示す断面図である。

【図２１】３段ゲートを持つ冷陰極の構造および電極の
結線の様子を示す平面図である。

【図２２】セラミックスに部分的なメタライズ加工を施
した部材を使用した２段ゲート冷陰極搭載の電子銃の一
例を示す断面図である。

【図２３】図２２に示す電子銃の中心部を拡大した断面
図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 冷陰極 １_−１ 微小陰極 ２ 基板（導体） ２ａ，２ｄ 基板（基材） ２ｂ，２ｃ 基板（基材） ３ 絶縁層（第１の絶縁部材） ４，４ａ ゲート電極（第１の制御電極） ４_−１ 開口部（第１の微小開口部） ５ 絶縁層（第２の絶縁部材） ６ 集束ゲート電極（第２の制御電極） ６_−１ 開口部（第２の微小開口部） ７，７… 空洞（微小空洞） ８，８… エミッタ（微小突起） ９ 空洞 ９_−１ 接続子（接続手段） １０ 陰極支持体 １１ バネ １２ ウェーネルト電極 １３ 電子銃部 １４ ＲＦ回路部 １５ コレクタ部 １７ 陽極 １９ 螺旋 ２０ 磁石 ２１ 磁極 ２２ ＲＦ入力部 ２３ ＲＦ出力部 ２５ 絶縁部材 ５０，６０，７０ カソード電極（導体） ７１ 抵抗体（第１の抵抗） ７２ 抵抗体（第２の抵抗） ７３ ゲート電源（制御電源） ７５ 絶縁層（絶縁体） １０１ 基板 １０２ 絶縁層 １０３ ゲート電極 １０４ エミッタ １０５ 絶縁層 １０６ 集束ゲート電極 １０７ 微小冷陰極 １０９ 空洞 １１１ 陰極支持体 １１２ 冷陰極 １１３ バネ １１４ 集束電極 Ｂ_ｅｌ 電子ビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 1/304

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成された電子を放出する複数
   の微小陰極から構成される冷陰極であって、 前記基板と 略平行し前記電子の放出量を制御する第１の
   制御電極（４，４ａ）と、 前記第１の制御電極に対し前記基板と反対側において当
   該基板と略平行し前記電子の軌道を集束させる第２の制
   御電極（６）と、 前記第２の制御電極と電気的に接続された接続手段（９
   _−１）とを具備し、 前記接続手段が前記複数の微小陰極の中心に配置される
   ことを特徴とする冷陰極。
2. 【請求項２】 前記第１の制御電極と前記第２の制御電
   極とは互いに同軸の開口部を有し、 前記接続手段は管筒形状に形成されるとともに軸方向の
   片端部が前記第２の制御電極に形成された開口部の内周
   部に接続され当該第２の制御電極側に開口する空洞
   （９）をなすことを特徴とする請求項１に記載の冷陰
   極。
3. 【請求項３】 絶縁基材（２ａ）上に形成される導体
   （５０）と、 前記絶縁基材とで前記導体を挟む形で形成される第１の
   絶縁部材（３）と、 前記第１の制御電極と、 前記第１の制御電極と前記第２の制御電極との間に挟持
   される第２の絶縁部材（５）と、 前記第２の制御電極とによる積層構造からなり、エミッタ（８）は前記導体上に形成され、 前記絶縁基材と前記第１の絶縁部材は前記第１の制御電
   極で覆われており、 前記導体と前記接続手段とは電気的に接続されることを
   特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の冷
   陰極。
4. 【請求項４】 前記微小陰極をなす導体（２）と、 前記導体と前記第１の制御電極との間に挟持される第１
   の絶縁部材と、 前記第１の制御電極と、 前記第１の制御電極と前記第２の制御電極との間に挟持
   される第２の絶縁部材と、 前記第２の制御電極とによる積層構造からなり、 前記導体と前記接続手段とは電気的に接続されることを
   特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の冷
   陰極。
5. 【請求項５】 前記第１の制御電極の外周は前記第２の
   絶縁部材の外周および前記第２の制御電極の外周より大
   きく、 前記第１の制御電極の上面と前記基板の裏面とから加圧
   された状態で挟み込まれてマイクロ波管内に支持され、 前記導体と前記第１の制御電極との間に制御電圧が印加
   され、 前記第１の制御電極の外周は前記第２の絶縁部材の外周
   及び前記第２の制御電極の外周より大きい ことを特徴と
   する請求項４に記載の冷陰極。
6. 【請求項６】 絶縁体の基材（２ｂ）と、 前記微小陰極をなす導体（６０）と、 前記導体と前記第１の制御電極との間に挟持される第１
   の絶縁部材と、 前記第１の制御電極と、 前記第１の制御電極と前記第２の制御電極との間に挟持
   される第２の絶縁部材と、 前記第２の制御電極とによる積層構造からなり、 前記導体は前記基材を覆い、 前記導体と前記接続手段とは電気的に接続されることを
   特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の冷
   陰極。
7. 【請求項７】 前記第１の制御電極の外周は前記第２の
   絶縁部材の外周および前記第２の制御電極の外周より大
   きく、 前記第１の制御電極の上面と前記基板の裏面とから加圧
   された状態で挟み込まれてマイクロ波管内に支持され、 前記導体と前記第１の制御電極との間に制御電圧が印加
   され、 前記第１の制御電極の外周は前記第２の絶縁部材の外周
   及び前記第２の制御電極の外周より大きい ことを特徴と
   する請求項６に記載の冷陰極。
8. 【請求項８】 絶縁体の基材（２ｃ）と、 前記微小陰極をなすとともに前記接続手段と対応する部
   分が開口した導体（７０）と、 前記導体と前記第１の制御電極との間に挟持される第１
   の絶縁部材と、 前記第１の制御電極と、 前記第１の制御電極と前記第２の制御電極との間に挟持
   される第２の絶縁部材と、 前記第２の制御電極とによる積層構造からなり、 前記導体は前記基材を覆い、 前記第１の制御電極と前記接続手段とは第１の抵抗（７
   １）を介して電気的に接続され、 前記導体と前記接続手段とは第２の抵抗（７２）を介し
   て電気的に接続されることを特徴とする請求項１または
   請求項２の何れかに記載の冷陰極。
9. 【請求項９】 前記第１の制御電極の外周は前記第２の
   絶縁部材の外周および前記第２の制御電極の外周より大
   きく、 前記第１の制御電極の上面と前記基板の裏面とから加圧
   された状態で挟み込まれてマイクロ波管内に支持され、 前記第１の制御電極の外周は前記第２の絶縁部材の外周
   及び前記第２の制御電極の外周より大きい ことを特徴と
   する請求項８に記載の冷陰極。
10. 【請求項１０】 前記微小陰極をなすとともに前記接続
    手段と対応する部分に凹部を有する導体（２ｄ）と、 前記導体が有する凹部内に形成された絶縁体（７５）
    と、 前記導体と前記第１の制御電極との間に挟持される第１
    の絶縁部材と、 前記第１の制御電極と、 前記第１の制御電極と前記第２の制御電極との間に挟持
    される第２の絶縁部材と、 前記第２の制御電極とによる積層構造からなり、 前記第１の制御電極と前記接続手段とは第１の抵抗を介
    して電気的に接続され、 前記導体と前記接続手段とは第２の抵抗を介して電気的
    に接続されることを特徴とする請求項１または請求項２
    の何れかに記載の冷陰極。
11. 【請求項１１】 前記第１の制御電極の外周は前記第２
    の絶縁部材の外周および前記第２の制御電極の外周より
    大きく、 前記第１の制御電極の上面と前記基板の裏面とから加圧
    された状態で挟み込まれてマイクロ波管内に支持され、 前記第１の制御電極の外周は前記第２の絶縁部材の外周
    及び前記第２の制御電極の外周より大きい ことを特徴と
    する請求項９に記載の冷陰極。
12. 【請求項１２】 前記第１の制御電極と前記微小陰極と
    の間には制御電源（７３）から供給される第１の制御電
    圧が印加され、 前記第２の制御電極と前記微小陰極との間には前記制御
    電圧を前記第１の抵抗および前記第２の抵抗によって分
    圧した第２の制御電圧が印加されることを特徴とする請
    求項８ないし請求項１１までの何れかに記載の冷陰極。
13. 【請求項１３】 前記第２の制御電圧と前記第１の制御
    電圧との電圧比は、 ０．２ないし０．７までの値であることを特徴とする請
    求項１２に記載の冷陰極。
14. 【請求項１４】 前記複数の微小陰極の各々は、 前記第１の制御電極に設けられた第１の微小開口部（４
    _−１）と、 前記第１の微小開口部と同軸に前記第２の制御電極に設
    けられた第２の微小開口部（６_−１）と、 前記微小陰極における電子の放出面に形成され前記第１
    および第２の微小開口部と同軸の垂線方向に頂点軸を有
    する導体の微小突起（８）とからなることを特徴とする
    請求項１ないし請求項１３までの何れかに記載の冷陰
    極。
15. 【請求項１５】 前記複数の微小陰極の各々は、 前記第１の制御電極に設けられた第１の微小開口部と、 前記第１の微小開口部と同軸に前記第２の制御電極に設
    けられた第２の微小開口部と、 前記微小陰極における電子の放出面に形成され前記第１
    および第２の微小開口部と同軸の垂線方向に頂点軸を有
    する導体の微小突起とからなり、 前記第１の微小開口部と前記第２の微小開口部とに対応
    して前記第１の絶縁部材と前記第２の絶縁部材とに形成
    された複数の微小空洞（７）の各々の内部に前記微小陰
    極を設けることを特徴とする請求項３ないし請求項１３
    までの何れかに記載の冷陰極。
16. 【請求項１６】 請求項１ないし請求項１５のいずれか
    に記載の冷陰極を備えたマイクロ波管。