JPH0143976B2 - - Google Patents
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- Publication number
- 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
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- filament
- negative terminal
- temperature
- terminal
- current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
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Classifications
-
- 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
以下に図面を参照して本発明について詳細に説
明する。
明する。
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。
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。
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。
する。
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。
を以下に示す。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (1)
- １ 電子放出又は放電に使用される直熱型陰極と
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57219738A JPS59111223A (ja) | 1982-12-15 | 1982-12-15 | テ−パ−付フイラメント陰極 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57219738A JPS59111223A (ja) | 1982-12-15 | 1982-12-15 | テ−パ−付フイラメント陰極 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59111223A JPS59111223A (ja) | 1984-06-27 |
| JPH0143976B2 true JPH0143976B2 (ja) | 1989-09-25 |
Family
ID=16740206
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57219738A Granted JPS59111223A (ja) | 1982-12-15 | 1982-12-15 | テ−パ−付フイラメント陰極 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59111223A (ja) |
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/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59111223A (ja) | 1984-06-27 |
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