JPH06150859A - 電子銃 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低パルス電圧においても強力な電子ビーム強
度を得ることができる、効率の良い電子銃を提供する。 【構成】 陰極５の表面に数ミクロン程度の微小な凹凸
２０が多数形成されている。なお、他の構成は図３に示
した従来型と同様である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高電力電子銃に係り、
特に、電子ビーム強度を容易に増加させることができる
ように改良を施した電子銃に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、化学反応、顕微鏡、分析、溶接等
の多くの先端材料の分野で電子ビームが使用され、この
電子ビームの発生源として電子銃が用いられている。図
３に従来から用いられている電子銃の一例を示した。即
ち、電子銃は、陽極ワイヤ１をその内部に配置したイオ
ン化室２と、後述する導電性抽出グリッド４を介して前
記イオン化室２と連通する高電圧室６とから構成されて
いる。また、前記イオン化室２には、高電圧室６とは反
対側に、電子に対して透過性のある出口窓１１が形成さ
れ、さらに、高電圧室６との連結部には、出口窓１１の
電圧に等しい電圧の導電性抽出グリッド４が形成されて
いる。

【０００３】一方、前記高電圧室６内には、高い負のバ
イアス電圧にある陰極５が絶縁物８に支持されて収納さ
れ、この陰極５から高電圧室６の外部へ高電圧導入端子
９が引き出されている。また、高電圧室６には排気口１
０が設けられ、これを排気装置（図示せず）に連結する
ことによって、前記イオン化室２及び高電圧室６内の圧
力を制御できるように構成されている。

【０００４】なお、イオン化室２と高電圧室６の両者
は、陽イオン化を達成できる極めて低い圧力の気体を含
有しており、通常は、１０〜５０ミリ・トールのヘリウ
ムが用いられている。また、イオン化室２の壁３と高電
圧室６の壁７は、共にアース電位になっている。さら
に、イオン化を行う際には、陽極ワイヤ１とイオン化室
の壁３との間に、〜１０キロ・ボルトのパルス電圧が印
加される。

【０００５】一方、陰極５は、高電圧供給源（図示せ
ず）に接続された高電圧導入端子９を通じて、負のバイ
アス電圧（例えば、−１５０キロ・ボルト）に恒常的に
維持されている。また、出口窓１１は、高エネルギーに
対して透過性のある幾分薄いシートで構成されている。
このシートは、アルミニウムまたはチタンのような金属
で作成することが可能であり、数１０マイクロ・メータ
の厚さを有している。さらに、この窓幅としては、多く
の適用例、特に照射による材料の処理に関連した適用例
においては、１ｃｍを越える窓幅を要している。

【０００６】この様に構成された従来の電子銃において
は、以下に述べる様にして、電子ビーム源となる電子が
放出される。即ち、イオン化室２に配置された陽極ワイ
ヤ１に、低圧力下でパルス電圧を印加すると、アース電
位にあるイオン化室の壁３との間にワイヤ放電が起こ
り、イオン化室２内の陽極ワイヤとイオン化室の壁との
間にプラズマが発生する。

【０００７】一方、高電圧室６内に配設された陰極５
は、前記プラズマ中から導電性抽出グリッド４を通して
陽イオンを引き出す。この陽イオンは、イオン化室２と
高電圧室６との間に配設された導電性抽出グリッド４を
通って高電圧室６内に侵入し、陰極５に衝突する。する
と、陰極５の表面において、前記陽イオンの衝撃によっ
て電子が放出される。

【０００８】この様にして放出された電子は、陽イオン
とは逆方向に進み、導電性抽出グリッド４に向かって加
速され、さらに、イオン化室２を通過して出口窓１１に
至り、電子ビーム源として供給される。

【０００９】ここで、導電性抽出グリッド４の近辺にお
ける陽イオンの初期エネルギーを無視し、陰極５におけ
る負のバイアス電圧をＶHT、陽イオンの電荷量をｅとす
れば、陽イオンは（単一の荷電イオンに関係があること
を念頭におけば）、ｅ・ＶHTに等しいエネルギーをもっ
て陰極５に到達するものと考えることができる。また、
陰極５の表面上で、抽出グリッドより引き出された陽イ
オンの衝撃により２次放出された電子は、導電性抽出グ
リッド４に向かって加速され、そこで電子は、ｅ・ＶHT
のエネルギーに到達する。これらの状態下において、１
個の陽イオンと、この陽イオンによって放出される電子
は、同じ電場線に対応して、ほぼ重畳する軌道を呈す
る。

【００１０】上記の様な電子銃は、主として、電子銃を
電子励起によるガス・レーザー、マグネット・ハイドロ
ダイナミック発電機に、また、出口窓１１をＸ線発生用
ターゲットに置き換えることで、Ｘ線発生装置に適用し
得るものである。

【００１１】ところで、電子銃より発生する電子ビーム
強度は、適用対象（例えば、電子励起によるガス・レー
ザ等）に著しく依存するものである。そこで、従来は、
上記のビーム強度対策として、図３に示した陽極ワイヤ
１に印加するパルス電圧を変えることによりイオン化室
２内のプラズマ密度を変化させ、高電圧室６に引き出す
陽イオン数を変化させることで、陽イオンによって放出
される電子数を変え、電子ビーム強度を制御する方法が
用いられていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た様な従来の電子銃には、以下に述べる様な解決すべき
課題があった。即ち、電子ビーム強度を増加させるため
には、上記の様に、陽イオン数を増加させれば良いわけ
であるが、従来は、この手段として、イオン化室内のプ
ラズマ密度の増加、即ち、陽極ワイヤへ印加するパルス
電圧を増加させることが必要となっていた。そのため、
電子ビーム強度を増加させるためには、パルス電源容量
を大きくしなければならず、非常に効率の悪いものであ
った。

【００１３】本発明は、上記の様な従来技術の欠点を解
消するために提案されたものであり、その目的は、低パ
ルス電圧において強力な電子ビーム強度を得ることがで
きる、効率の良い電子銃を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、電子に対して透過性のある出口窓と、その反対側に
設けられた導電性抽出グリッドを備え、また、低圧力で
イオン化すべき気体と、この気体を電離させて陽イオン
を発生させる陽極ワイヤを備えたイオン化室と、前記導
電性抽出グリッドを介してイオン化室と連通され、導電
性抽出グリッドに対向する位置に陰極を収納した高電圧
室から成る電子銃において、前記陰極の表面に、微小な
凹凸を多数形成したことを特徴とするものである。

【００１５】請求項２に記載の発明は、表面に微小な多
数の凹凸が形成されたカーボンフェルトを、陰極の表面
に取り付けたことを特徴とするものである。

【００１６】

【作用】本発明の電子銃によれば、高電圧室に収納され
た陰極の表面に、微小な多数の凹凸を設けることによ
り、イオン化室内より引き出された陽イオンが陰極に衝
突することにより放出される電子数を、電界放出効果に
よって大幅に増加させることができる。その結果、電子
ビーム強度を容易に増加させることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１及び図２に基づ
いて具体的に説明する。なお、図３に示した従来型と同
一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。

【００１８】（１）第１実施例 本実施例においては、図１に示した様に、陰極５の表面
に数ミクロン程度の微小な凹凸２０が多数形成されてい
る。なお、他の構成は図３に示した従来型と同様であ
る。

【００１９】この様な構成を有する本実施例の電子銃に
おいては、以下に述べる様にして、電子ビーム強度を容
易に増加させることができる。即ち、イオン化室２内に
配設された陽極ワイヤ１とイオン化室の壁３との間にパ
ルス電圧を印加すると、陽極ワイヤとイオン化室の壁と
の間で容易にワイヤ放電が点弧し、プラズマが生成され
る。

【００２０】こうして生成したプラズマ中の陽イオン
は、高電圧室６内の陰極５に向かって加速され、導電性
抽出グリッド４を通過して、陰極５に衝突する。この
時、本実施例の電子銃においては、陰極５の表面に数ミ
クロン程度の微小な凹凸２０が形成されているため、電
極表面近傍での電界が強くなる。その結果、陽イオンに
よって２次放出される電子に加えて、電界放出によって
も多数の電子が供給されることになるため、電子数が大
幅に増加し、電子ビーム強度も増大する。従って、陽極
ワイヤ１とイオン化室の壁３との間に印加されるパルス
電圧が低い場合であっても、大きな電子ビーム強度を得
ることができる。

【００２１】さらに、本実施例は、従来型に対して付加
的電気回路の増設や構造的な改造を伴わないので、高い
電子ビーム強度が得られるにもかかわらず、装置は従来
例と同様に非常に簡便な構成で済むという利点もある。

【００２２】この様に本実施例によれば、陰極より放出
される電子数を容易に増加させることができ、また、従
来と同じ電子ビーム強度を得る場合でも、陽極ワイヤに
印加するパルス電圧を低減することができる。さらに、
陽極ワイヤに印加するパルス電圧を低減することができ
るので、パルス電源の長寿命化及びパルスの高繰返し化
が容易に実現できる。

【００２３】（２）第２実施例 本実施例においては、図２に示した様に、金属製の陰極
２１には、導電性抽出グリッド４と対向する面の全体に
わたって、カーボンフェルト２２が取り付けられてい
る。このカーボンフェルト２２には、その表面にミクロ
ンオーダーの微小な凹凸が多数形成されている。なお、
金属製の陰極２１にカーボンフェルト２２を取り付ける
方法としては、陰極２１の所定の部分を数ミリ程度の深
さで切削し、その切削部を充填できる厚さ及び形状を有
するカーボンフェルト２２を切削部に配設する方法が用
いられている。なお、他の構成は図３に示した従来型と
同様である。

【００２４】この様な構成を有する本実施例の電子銃に
おいては、以下に述べる様にして、電子ビーム強度を容
易に増加させることができる。即ち、イオン化室２内に
配設された陽極ワイヤ１とイオン化室の壁３との間にパ
ルス電圧を印加すると、陽極ワイヤとイオン化室の壁と
の間で容易にワイヤ放電が点弧し、プラズマが生成され
る。

【００２５】こうして生成したプラズマ中の陽イオン
は、高電圧室６内の陰極２１に向かって加速され、導電
性抽出グリッド４を通過して、陰極２１上に取り付けら
れたカーボンフェルト２２に衝突する。この時、カーボ
ンフェルト２２の表面には数ミクロンオーダーの微小な
凹凸が形成されているため、電極表面近傍での電界が強
くなる。その結果、陽イオンによって２次放出される電
子に加えて、電界放出によっても多数の電子が供給され
ることになるため、電子数が大幅に増加し、電子ビーム
強度も増大する。従って、陽極ワイヤ１とイオン化室の
壁３との間に印加されるパルス電圧が低い場合であって
も、大きな電子ビーム強度を得ることができる。

【００２６】また、本実施例においても、従来型に対し
て付加的電気回路の増設や構造的な改造を伴わないの
で、高い電子ビーム強度が得られるにもかかわらず、装
置は従来例と同様に非常に簡便な構成で済むという利点
もある。

【００２７】この様に本実施例においても、第１実施例
と同様に、陰極より放出される電子数を容易に増加させ
ることができ、また、従来と同じ電子ビーム強度を得る
場合でも、陽極ワイヤに印加するパルス電圧を低減する
ことができる。さらに、陽極ワイヤに印加するパルス電
圧を低減することができるので、パルス電源の長寿命化
及びパルスの高繰返し化が容易に実現できる。

【００２８】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、従来から用いられている陰極の表面の
所定の部分に、その表面にミクロンオーダーの微小な凹
凸が形成されたカーボンフェルト箔を貼り付けても、上
記実施例と同様の効果が得られる。

【００２９】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明によれば、陰極
の表面に微小な凹凸を多数形成し、あるいは、表面に微
小な多数の凹凸が形成されたカーボンフェルトを、陰極
の表面に取り付けることにより、低パルス電圧において
強力な電子ビーム強度を得ることができる、効率の良い
電子銃を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子銃の第１実施例を示す断面図

【図２】本発明の電子銃の第２実施例を示す断面図

【図３】従来の電子銃の一例を示す断面図

【符号の説明】

１…陽極ワイヤ ２…イオン化室 ３…イオン化室の壁 ４…導電性抽出グリッド ５…陰極 ６…高電圧室 ７…高電圧室の壁 ８…絶縁物 ９…高電圧導入端子 １０…排気口 １１…出口窓 ２０…凹凸 ２１…陰極 ２２…カーボンフェルト

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子に対して透過性のある出口窓と、そ
   の反対側に設けられた導電性抽出グリッドを備え、ま
   た、低圧力でイオン化すべき気体と、この気体を電離さ
   せて陽イオンを発生させる陽極ワイヤを備えたイオン化
   室と、前記導電性抽出グリッドを介してイオン化室と連
   通され、導電性抽出グリッドに対向する位置に陰極を収
   納した高電圧室から成る電子銃において、 前記陰極の表面に、微小な凹凸を多数形成したことを特
   徴とする電子銃。
2. 【請求項２】 電子に対して透過性のある出口窓と、そ
   の反対側に設けられた導電性抽出グリッドを備え、ま
   た、低圧力でイオン化すべき気体と、この気体を電離さ
   せて陽イオンを発生させる陽極ワイヤを備えたイオン化
   室と、前記導電性抽出グリッドを介してイオン化室と連
   通され、導電性抽出グリッドに対向する位置に陰極を収
   納した高電圧室から成る電子銃において、 表面に微小な多数の凹凸が形成されたカーボンフェルト
   を、前記陰極の表面に取り付けたことを特徴とする電子
   銃。