JPH0143976B2 - - Google Patents
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- JPH0143976B2 JPH0143976B2 JP21973882A JP21973882A JPH0143976B2 JP H0143976 B2 JPH0143976 B2 JP H0143976B2 JP 21973882 A JP21973882 A JP 21973882A JP 21973882 A JP21973882 A JP 21973882A JP H0143976 B2 JPH0143976 B2 JP H0143976B2
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/13—Solid thermionic cathodes
- H01J1/15—Cathodes heated directly by an electric current
- H01J1/16—Cathodes heated directly by an electric current characterised by the shape
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
- Solid Thermionic Cathode (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、電子放出又は放電に使用される直熱
型フイラメント陰極に関し、詳細には、フイラメ
ントの一端から他端に向つて断面積を増加せしめ
たテーパー形状とすることにより長寿命化したテ
ーパー付フイラメント陰極に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a directly heated filament cathode used for electron emission or discharge, and more particularly to a filament having a tapered shape in which the cross-sectional area increases from one end of the filament to the other end. This invention relates to a tapered filament cathode that has a longer service life.
真空中での電子放出あるいは気体中で放電を行
なわせる場合、タングステン、タンタル等の高融
点金属のフイラメントに外部から通電して高温
（2500〜3500〓）に加熱し、そこから放出される
熱電子を放電電流の維持に利用することは、熱電
子放出型陰極を用いる種々のイオン源、例えば核
融点実験装置に用いられる中性粒子入射装置用の
高出力長パルスイオン源では、従来から広く行な
われてきた。 When emitting electrons in a vacuum or discharging in a gas, a filament of a high-melting point metal such as tungsten or tantalum is heated from the outside to a high temperature (2500 to 3500), and the thermionic electrons emitted from it are heated. The use of ion to maintain the discharge current has been widely used in various ion sources using thermionic-emitting cathodes, such as high-power long-pulse ion sources for neutral particle injection devices used in nuclear melting point experimental devices. It's been coming.
第１図は放電に使用される電気回路を例示する
図である。従来、直熱型フイラメント陰極１の断
面積はフイラメントの長さ方向に一定であり、当
該陰極１は有限の内部抵抗２を有するフイラメン
ト電源３の正端子４と負端子５に接続される。ま
たフイラメント電源３の負端子５は限流抵抗６と
内部抵抗７を有するアーク電源８の負端子９に接
続される。フイラメント電流１０のみを通電した
場合には、フイラメントに沿つた温度分布はフイ
ラメントの中心点１１を最高温度点として対称と
なる。その状態でフイラメント陰極１と陽極１２
の間で放電を行なわしめると、放電電流１３はフ
イラメント電源３の正端子４側に流れる正端子側
放電電流１４と当該電源３の負端子５側に流れる
負端子側放電電流１５に分かれた後、アーク電源
８の負端子９に流入する。この時、フイラメント
正端子１６側では、フイラメント電流１０と逆方
向に流れる正端子側放電電流１４との差に等しい
電流しかフイラメント内を流れないのに対し、フ
イラメント負端子１７側では、フイラメント電流
１０と同方向に流れる負端子側放電電流１５の和
に等しい電流が流れる。その結果、フイラメント
電流１０のみを通電した場合と比べて、フイラメ
ント正端子１６側の温度は下降し、フイラメント
負端子１７側の温度は上昇する。即ち、フイラメ
ント陰極１は、フイラメント正端子１６側からフ
イラメント負端子側１７に向つて正の温度勾配を
有する。ところで、放電電流の大きさは、フイラ
メントの温度、近傍のプラズマ密度等種々の因子
の複雑な関数であるが、そのうちの支配的な因子
であるフイラメントの温度については、フイラメ
ントの温度が高くなれば放電電流の大きさも大き
くなる関係にある。従つて、フイラメント陰極１
は、フイラメント正端子１６側の温度がフイラメ
ント負端子１７側の温度より低いので、フイラメ
ント正端子１６側の放電電流密度は、フイラメン
ト負端子１７側のそれより小さく、フイラメント
正端子１６側からフイラメント負端子１７側に向
つて放電電流密度は正勾配となる。即ち、放電電
流は、フイラメントの有効長の全てにわたり一様
に流れ込まず、フイラメントに沿つて分布する。 FIG. 1 is a diagram illustrating an electric circuit used for discharge. Conventionally, the cross-sectional area of a directly heated filament cathode 1 is constant in the length direction of the filament, and the cathode 1 is connected to a positive terminal 4 and a negative terminal 5 of a filament power supply 3 having a finite internal resistance 2. Further, a negative terminal 5 of the filament power source 3 is connected to a negative terminal 9 of an arc power source 8 having a current limiting resistor 6 and an internal resistor 7. When only the filament current 10 is applied, the temperature distribution along the filament becomes symmetrical with the center point 11 of the filament as the highest temperature point. In that state, filament cathode 1 and anode 12
When discharging occurs between the two, the discharge current 13 is divided into a positive terminal side discharge current 14 flowing to the positive terminal 4 side of the filament power supply 3 and a negative terminal side discharge current 15 flowing to the negative terminal 5 side of the power supply 3. , flows into the negative terminal 9 of the arc power supply 8. At this time, on the filament positive terminal 16 side, only a current equal to the difference between the filament current 10 and the positive terminal side discharge current 14 flowing in the opposite direction flows through the filament, whereas on the filament negative terminal 17 side, the filament current 10 A current equal to the sum of the negative terminal side discharge currents 15 flowing in the same direction flows. As a result, the temperature on the filament positive terminal 16 side decreases and the temperature on the filament negative terminal 17 side increases, compared to the case where only the filament current 10 is applied. That is, the filament cathode 1 has a positive temperature gradient from the filament positive terminal 16 side to the filament negative terminal side 17. By the way, the magnitude of the discharge current is a complex function of various factors such as the filament temperature and the nearby plasma density, but the dominant factor among them is the filament temperature, which increases as the filament temperature increases. There is a relationship in which the magnitude of the discharge current also increases. Therefore, filament cathode 1
Since the temperature on the filament positive terminal 16 side is lower than the temperature on the filament negative terminal 17 side, the discharge current density on the filament positive terminal 16 side is smaller than that on the filament negative terminal 17 side. The discharge current density has a positive gradient toward the terminal 17 side. That is, the discharge current does not flow uniformly over the entire effective length of the filament, but is distributed along the filament.
また、フイラメント電源３の有限の内部抵抗２
が存在するため負端子側放電電流１５は、正端子
側放電電流１４より大きくなる。従つて、フイラ
メント電源３の内部抵抗２は、ない場合と比べて
よりフイラメント負端子１７側を加熱するように
作用する。一般にフイラメント材料の蒸発は、フ
イラメント温度の上昇とともに急激に増加する。
従つて、従来の一定断面のフイラメントを直熱型
陰極として用いた場合には、フイラメント負端子
１７側がフイラメント正端子１６側に比べて速や
かに蒸発して細くなり、最終的にはフイラメント
の断線に到る傾向があつた。特に0.5秒から１秒
以上の長パルスの放電を行う時に、この傾向は顕
著となる。このことにより従来の直熱型フイラメ
ント陰極はその寿命が、フイラメント電流１０の
みを通電している場合と比べて大巾に短縮されて
しまう欠点があつた。 In addition, the finite internal resistance 2 of the filament power supply 3
Therefore, the negative terminal side discharge current 15 becomes larger than the positive terminal side discharge current 14. Therefore, the internal resistance 2 of the filament power supply 3 acts to heat the filament negative terminal 17 side more than in the case without it. Generally, evaporation of filament material increases rapidly as the filament temperature increases.
Therefore, when a conventional filament with a constant cross section is used as a directly heated cathode, the filament negative terminal 17 side evaporates and becomes thinner more quickly than the filament positive terminal 16 side, which ultimately leads to filament breakage. There was a tendency for this to happen. This tendency becomes particularly noticeable when a long pulse discharge of 0.5 seconds to 1 second or more is performed. As a result, the life of the conventional directly heated filament cathode is significantly shortened compared to when only the filament current 10 is applied.
本発明の目的は、前述の理由により短縮されて
いた直熱型フイラメント陰極の寿命を、電子放出
中又は放電中のフイラメント温度がフイラメント
に沿つて均一になるようにフイラメントにテーパ
ーをつけることにより改善したテーパー付フイラ
メント陰極を提供することである。 It is an object of the present invention to improve the lifetime of the directly heated filament cathode, which has been shortened due to the above-mentioned reasons, by tapering the filament so that the filament temperature during electron emission or discharge becomes uniform along the filament. An object of the present invention is to provide a tapered filament cathode.
以下に図面を参照して本発明について詳細に説
明する。 The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
第２図は本発明のテーパー付フイラメント陰極
の実施例を示す図である。第２図ａは三ケ月型断
面のテーパー付フイラメント、第２図ｂは円形断
面のテーパー付フイラメントであり、屈曲する前
の形状を表わす。本発明によるフイラメント形状
は第１図に示されているフイラメント電源３の正
端子４に接続しようとするフイラメント正端子１
６から当該電源３の負端子５に接続しようとする
フイラメント負端子１７に向かつて、フイラメン
ト断面積が次第に増加していくものである。フイ
ラメント正端子１６側の断面積は、従来の一定断
面のフイラメントの断面積と同じとする。一方、
フイラメント負端子１７側の断面積は、当該陰極
１を用いて得ようとしている放電電流１３とフイ
ラメント電流１０の和に等しい電流が当該断面積
を通過しても、その点での温度がフイラメントの
中心点１１の温度と同程度となるように決定す
る。一般に、フイラメントの実効径に比べて十分
大きい長さを有するフイラメントの場合、熱電子
放出可能なほどの高温になつているフイラメント
の支持端からの熱伝導による損失は、フイラメン
ト全体からの熱輻射による熱損失に比べて充分小
さい。従つて、フイラメント温度をフイラメント
内を通過する電流Ｉ（アンペア）による加熱と熱
輻射による冷却が均衡するように決定する。この
ようにすると、フイラメントのある部分を一定温
度に保つためには、次式で表わされる比例関係に
従うように当該部分の実効径ｄ（cm）を定める必
要がある。 FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of the tapered filament cathode of the present invention. FIG. 2a shows a tapered filament with a crescent-shaped cross section, and FIG. 2b shows a tapered filament with a circular cross section, which shows the shape before being bent. The filament shape according to the invention is as shown in FIG.
6 to the filament negative terminal 17 to be connected to the negative terminal 5 of the power source 3, the filament cross-sectional area gradually increases. The cross-sectional area of the filament on the positive terminal 16 side is the same as that of a conventional filament with a constant cross-section. on the other hand,
The cross-sectional area on the filament negative terminal 17 side is such that even if a current equal to the sum of the discharge current 13 and the filament current 10 that is to be obtained using the cathode 1 passes through the cross-sectional area, the temperature at that point is such that the temperature of the filament remains The temperature is determined to be approximately the same as the temperature at the center point 11. Generally, in the case of a filament whose length is sufficiently larger than the effective diameter of the filament, the loss due to heat conduction from the supporting end of the filament, which is hot enough to emit thermionic electrons, is due to heat radiation from the entire filament. It is sufficiently small compared to heat loss. Therefore, the filament temperature is determined so that heating by the current I (ampere) passing through the filament and cooling by thermal radiation are balanced. In this way, in order to maintain a certain part of the filament at a constant temperature, it is necessary to determine the effective diameter d (cm) of the part so as to follow the proportional relationship expressed by the following equation.
ｄ＝KI2/3
比例定数Ｋは、目標とする一定温度の値に依存
する。 d=KI 2/3 The proportionality constant K depends on the target constant temperature value.
フイラメント負端子１７の実効径を決定する例
を以下に示す。 An example of determining the effective diameter of the filament negative terminal 17 is shown below.
例 １
第１図でフイラメント正端子１６側の直径を１
mmとして、フイラメントの有効長を15cmとする。
フイラメント温度を3000〓に保つためには
ｄ＝6.2×10-3I2/3
の式に従つて、フイラメントの実効径ｄを計算す
れば良い。当該フイラメントに65Aのフイラメン
ト電流１０を通電して、33Aの放電電流１３を得
ようとした場合、フイラメント負端子１７の実効
径は1.32mmと計算される。Example 1 In Figure 1, the diameter of the filament positive terminal 16 side is 1
mm, and the effective length of the filament is 15 cm.
In order to maintain the filament temperature at 3000, the effective diameter d of the filament can be calculated according to the formula d=6.2×10 -3 I 2/3 . When attempting to obtain a discharge current 13 of 33 A by passing a filament current 10 of 65 A through the filament, the effective diameter of the filament negative terminal 17 is calculated to be 1.32 mm.
以上の計算結果に基づいて、次のような実験を
行なつた。核融合実験装置の中性粒子入射装置の
イオン源において、有効長が15cmで、実効径が
1.00mmの一様断面を有するフイラメントに代え
て、このフイラメントと有効長とフイラメント正
端子１６の実効径とが同じであるがフイラメント
負端子１７の実効径を1.32mmとし且つフイラメン
ト正端子１６からフイラメント負端子１７に向つ
て一様に太くなつていくテーパ状フイラメントを
用いたところ、前者の一様断面を有するフイラメ
ントに比して８倍程度の寿命の延びが認められ
た。 Based on the above calculation results, the following experiment was conducted. In the ion source of the neutral particle injection device of the nuclear fusion experimental device, the effective length is 15 cm and the effective diameter is
Instead of a filament having a uniform cross section of 1.00 mm, the effective length and effective diameter of the filament positive terminal 16 are the same as that of this filament, but the effective diameter of the filament negative terminal 17 is 1.32 mm, and the filament from the filament positive terminal 16 is When a tapered filament that became uniformly thicker toward the negative terminal 17 was used, it was found that the lifespan was approximately eight times longer than that of the former filament having a uniform cross section.
例 ２
フイラメント正端子１６側の直径を1.80mmとし
て、フイラメントの有効長を20cm、フイラメント
電流を160A、放電電流を80Aに条件設定した場
合は、フイラメント温度を3000〓に保つためのフ
イラメント負端子１７の実効径は例１と同様の計
算により2.36mmとなる。この計算結果に基づき、
核融合実験装置の中性粒子入射装置のイオン源に
おいて、有効長が20cmで実効径が1.80mmの一様断
面を有するフイラメントに代えて、このフイラメ
ントと有効長とフイラメント正端子１６の実効径
とが同じであるがフイラメント負端子１７の実効
径を2.36mmとし且つフイラメント正端子１６から
フイラメント負端子１７に向つて一様に太くなつ
てくるテーパ状フイラメントを用いた。このとき
も、前者の一様断面を有するフイラメントに比し
てその寿命が例１と同様に８倍程度延びる結果が
得られた。Example 2 If the diameter of the filament positive terminal 16 side is 1.80 mm, the effective length of the filament is 20 cm, the filament current is 160 A, and the discharge current is 80 A, then the filament negative terminal 17 is set to maintain the filament temperature at 3000㎓. The effective diameter of is calculated as in Example 1 to be 2.36 mm. Based on this calculation result,
In the ion source of the neutral particle injection device of the nuclear fusion experimental device, instead of using a filament with an effective length of 20 cm and an effective diameter of 1.80 mm in uniform cross section, this filament, the effective length, and the effective diameter of the filament positive terminal 16 are used. were the same, but the effective diameter of the filament negative terminal 17 was set to 2.36 mm, and a tapered filament was used that became uniformly thicker from the filament positive terminal 16 toward the filament negative terminal 17. In this case as well, the life of the filament was extended by about 8 times as in Example 1 compared to the former filament having a uniform cross section.
また、理論的にもフイラメントの最高温度に対
する蒸発率をフイラメントの材質等を考慮して計
算した結果、後者のテーパ付フイラメントは、前
者の一様断面形のフイラメントより数十分の一蒸
発率が低下することがわかつた。従つて、蒸発の
みでフイラメントの寿命が決まると仮定すれば、
本発明に係るテーパ付フイラメントの寿命は、従
来の一様断面形のフイラメントのそれより数十倍
長くなる。 In addition, theoretically, the evaporation rate at the maximum temperature of the filament was calculated taking into consideration the material of the filament, etc., and the latter tapered filament has an evaporation rate of several tenths of that of the former filament with a uniform cross section. It was found that it decreased. Therefore, assuming that the filament life is determined only by evaporation,
The life of the tapered filament according to the present invention is several tens of times longer than that of a conventional filament with a uniform cross section.
第３図は本発明の別の実施例を示す図である。
円形断面で一定断面積を有するタングステン棒を
テーパーカツトして、フイラメント正端子１６側
からフイラメント負端子１７側に向けて断面積が
次第に増加していく形状とする。第３図ａないし
ｅは陰極として使用する場合の各種屈曲形状の実
施例を示す。なお、第３図ｂ，ｃ及びｅに示され
る実施例については、それらの形状の理解を容易
にするため、それぞれ平面図、斜視図、正面図及
び側面図をそれぞれイ，ロ，ハ及びニに示す。 FIG. 3 is a diagram showing another embodiment of the present invention.
A tungsten rod having a circular cross-section and a constant cross-sectional area is tapered to have a shape in which the cross-sectional area gradually increases from the filament positive terminal 16 side to the filament negative terminal 17 side. Figures 3a to 3e show examples of various bent shapes for use as cathodes. For the embodiments shown in FIGS. 3b, c, and e, the plan view, perspective view, front view, and side view are shown in A, B, C, and N, respectively, to facilitate understanding of their shapes. Shown below.
以上述べたように本発明において、第２図に示
される形状のフイラメントを第１図の電気回路の
フイラメント陰極１として使用すると、フイラメ
ント電流１０のみを通電した場合には細くて抵抗
の大きいフイラメント正端子１６側がフイラメン
ト負端子１７側よりも高温となるが、放電中には
フイラメント負端子１７側に放電電流１３の大部
分が負端子放電電流１５として流れ込み、フイラ
メント電流１０と重ね合わさつてフイラメント負
端子１７側を加熱するが、当該端子１７側の温度
はフイラメント正端子１６側の温度と同程度にし
か上昇しない。従つて、フイラメント負端子１７
側でのフイラメント材料の蒸発はフイラメント正
端子１６側での蒸発と同程度となり、フイラメン
ト寿命を大巾に延ばすことが可能となる。 As described above, in the present invention, when the filament having the shape shown in FIG. 2 is used as the filament cathode 1 of the electric circuit shown in FIG. Although the temperature on the terminal 16 side is higher than that on the filament negative terminal 17 side, during discharge, most of the discharge current 13 flows into the filament negative terminal 17 side as a negative terminal discharge current 15, and is superimposed with the filament current 10 to form the filament negative terminal. Although the terminal 17 side is heated, the temperature on the terminal 17 side rises only to the same extent as the temperature on the filament positive terminal 16 side. Therefore, the filament negative terminal 17
The evaporation of the filament material on the side is the same as the evaporation on the filament positive terminal 16 side, making it possible to greatly extend the filament life.
第１図は直熱型フイラメント陰極を用いた放電
に使用される電気回路を示す図、第２図は本発明
のテーパー付フイラメント陰極の実施例を示す
図、第３図ａ，ｂ，ｃ，ｄ及びｅは本発明のテー
パー付フイラメントを陰極として使用する場合の
各種屈曲状の実施例を示す図であり、第３図ｂ，
ｃ及びｅにおいてイ，ロ，ハ及びニは、それぞれ
各実施例の平面図、斜視図、正面図及び側面図で
ある。
１：フイラメント陰極、２：フイラメント電源
の内部抵抗、３：フイラメント電源、４：フイラ
メント電源の正端子、５：フイラメント電源の負
端子、６：限流抵抗、７：アーク電源の内部抵
抗、８：アーク電源、９：アーク電源の負端子、
１０：フイラメント電流、１１：フイラメントの
中心点、１２：陽極、１３：放電電流、１４：正
端子側放電電流、１５：負端子側放電電流、１
６：フイラメント正端子、１７：フイラメント負
端子。
Fig. 1 is a diagram showing an electric circuit used for discharge using a directly heated filament cathode, Fig. 2 is a diagram showing an embodiment of the tapered filament cathode of the present invention, and Figs. 3 a, b, c, d and e are diagrams showing examples of various bent shapes when the tapered filament of the present invention is used as a cathode;
In c and e, a, b, c, and d are a plan view, a perspective view, a front view, and a side view of each embodiment, respectively. 1: Filament cathode, 2: Internal resistance of filament power supply, 3: Filament power supply, 4: Positive terminal of filament power supply, 5: Negative terminal of filament power supply, 6: Current limiting resistor, 7: Internal resistance of arc power supply, 8: Arc power supply, 9: Negative terminal of arc power supply,
10: Filament current, 11: Center point of filament, 12: Anode, 13: Discharge current, 14: Positive terminal side discharge current, 15: Negative terminal side discharge current, 1
6: Filament positive terminal, 17: Filament negative terminal.
Claims (1)
して、フイラメント電源の正端子に接続される側
から、当該電源の負端子に接続される側に向かつ
て、断面積が次第に増加していく形状を有するこ
とを特徴とするテーパー付フイラメント。1. As a directly heated cathode used for electron emission or discharge, the cross-sectional area gradually increases from the side connected to the positive terminal of the filament power source to the side connected to the negative terminal of the power source. A tapered filament characterized by having.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57219738A JPS59111223A (en) | 1982-12-15 | 1982-12-15 | Tapered filament cathode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57219738A JPS59111223A (en) | 1982-12-15 | 1982-12-15 | Tapered filament cathode |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59111223A JPS59111223A (en) | 1984-06-27 |
| JPH0143976B2 true JPH0143976B2 (en) | 1989-09-25 |
Family
ID=16740206
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57219738A Granted JPS59111223A (en) | 1982-12-15 | 1982-12-15 | Tapered filament cathode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59111223A (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6630774B2 (en) | 2001-03-21 | 2003-10-07 | Advanced Electron Beams, Inc. | Electron beam emitter |
-
1982
- 1982-12-15 JP JP57219738A patent/JPS59111223A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59111223A (en) | 1984-06-27 |
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