JPH0633643Y2 - 電子銃のカソード支持構造 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この考案は電子ビーム加工などに使用される電子ビーム
を発生させる電子銃のカソード支持構造に関し、傍熱式
のカソードの位置調整を正確にできるようにし、カソー
ドやヒータなどの寿命増大を図るようにしたものであ
り、特に、六硼化ランタン（LaB₆）を用いた高輝度カソ
ードの支持に好適なものである。

［従来の技術］ 大きな運動エネルギを持って一定方向に流れる電子ビー
ムを電磁レンズで絞って固体表面に焦点を結ばせること
でパワー密度を高め、電子の持つ運動エネルギの大部分
を熱エネルギに変えて材料表面の気化蒸発によって加工
を行う電子ビーム加工は、微細加工ができ、高融点材料
への加工ができるなど優れた特長を持つことから、蒸
着、溶解、溶接、半導体製造、各種化学反応、電子線解
析など各方面で使われるようになっている。

このような電子ビームを発生させるための装置として電
子銃が使用されており、カソードの加熱方式によって直
熱式と傍熱式の２つに大別される。

カソードに直接カーボンヒータなどを巻付けるなどして
加熱する直熱式の電子銃では、10kw以上の大出力を必要
とする場合、大型のカソードが必要となり、これを加熱
すると、カソード支持部分に熱変形が生じ易く、カソー
ドの位置ずれを起こし易いという欠点がある。

そこで、大出力の電子銃では、傍熱式が採用されてお
り、例えば第７図に実願昭61-109027号で開示した電子
銃１の主要部を示すように、中央部に孔があけられてド
ーナツ状とされた六硼化ランタン製のカソード２が用い
られ、その背面に当てられた耐熱金属製のホルダ３を介
して耐熱金属製の支柱４に支持されている。そして、カ
ソード２の後方には、加熱用のヒータ５が配置され、カ
ソード２の前方には、ウエーネルト６が設けられととも
に、アノード７が設けられている。さらに、電子銃１の
各部には、所定の電圧が各電源によって印加されるよう
になっている。

このような電子銃１では、ヒータ５による輻射熱でカソ
ード２が加熱されるとともに、ヒータ５から放出される
熱電子がホルダ３に衝突し、熱エネルギに変換され、ホ
ルダ３を介しての熱伝導によってもカソード２が加熱さ
れ、加熱温度が1500〜1800℃程度になる。

［考案が解決しようとする課題］ このような電子銃１のカソード構造では、ヒータ５から
の熱電子がホルダ３に衝突し、ホルダ３を介して熱伝導
によりカソード２が加熱されるため、熱電子による熱エ
ネルギの有効利用が図れないという問題がある。

また、電子銃１の組立の際、カソード２の軸心とウエー
ネルト６やアノード７の軸心とが一致した状態にならな
いと、第６図（ｂ）に示すように、イオンスパッタ現象
によりカソード２が消耗したり、電子ビームでアノード
７が消耗し、電子銃１のカソード２等の寿命が短くなっ
てしまうという問題がある。

さらに、カソード２が消耗したり、損傷した場合には、
交換する必要があるが、この場合には、電子銃１全体を
分解し、ホルダ３からカソード２を外した後、新たなカ
ソード２と交換しなければならず、交換が繁雑であると
いう問題がある。

この考案は、かかる従来技術の課題に鑑みてなされたも
ので、カソードの位置を外部から調整することを可能と
し、長寿命で安定した電子ビームを得ることができる電
子銃のカソード支持構造を提供しようとするものであ
る。

また、この考案は、カソードの交換などメンテナンスも
容易な電子銃のカソード支持構造を提供しようとするも
のである。

［課題を解決するための手段］ 上記従来技術が有する課題を解決するため、この考案の
電子銃のカソード支持構造は、ほぼ同一の平面内に内外
二重の１次ホルダと２次ホルダとを設け、内側の１次ホ
ルダを炭素材で形成するとともに、この１次ホルダに、
中央部に貫通孔が形成された導電性セラミックスのカソ
ードを装着し、このカソードの近傍後方に加熱用のヒー
タを設ける一方、前記２次ホルダと１次ホルダとの間に
前記カソードを平面内の所定位置に位置調整する少なく
とも３本の耐熱金属製の調整ロッドを備えた位置調整機
構を設け、この位置調整機構の操作を前記カソード前方
のウエーネルトに形成した操作孔から操作可能としたこ
とを特徴とするものである。

また、この考案の電子銃のカソード支持構造は、前記カ
ソードを六硼化ランタンとするとともに、前記２次ホル
ダを分割構造とし、電子銃の組立状態でもカソードの取
替えを可能としたことを特徴とするものである。

［作用］ この電子銃のカソード支持構造によれば、ほぼ同一の平
面内に二重にホルダを配置して内側の１次ホルダにカソ
ードを側面から支持するよう取付け、１次ホルダと２次
ホルダの間に少なくとも３本の調整ロッドを備えた位置
調整機構を設けて位置調整ができるようにし、さらに、
この位置調整機構をウエーネルトの孔から操作して外部
から調整できるようにしてある。

したがって、ヒータから放出される電子で直接カソード
を加熱でき、高出力化を図ることができるとともに、位
置調整ができるので、イオンスパッタによる消耗を極力
減少し長寿命化をはかることができる。

また、２次ホルダを分割構造とするようにすれば、カソ
ードをヒータなどと干渉しないように外部に取り出すこ
とができ、メンテナンスを容易とすることができるとと
もに、カソードを六硼化ランタンとすることで、一層イ
オンスパッタによる消耗を減少することができる。

［実施例］ 以下、この考案の一実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。

第１図〜第３図はこの考案の電子銃のカソード支持構造
の一実施例にかかり、第１図は主要部の断面図、第２図
はウエーネルトを除いた状態の上面図、第３図は電子銃
の概略構成図である。

この電子銃のカソード支持構造10は、第４図に概略構造
を示す電子銃のカソード室11内に適用される。

このカソード室11内には、第１図及び第２図に示すよう
に、カソード室11の上部に固定されるホルダ支持棒12を
介して下方に２次ホルダ13が固定されている。

この２次ホルダ13は、リングの一部分に２つの切欠き部
を形成して形成される２つの円弧状の大ホルダ13aと小
ホルダ13bとで構成され、一方の大ホルダ13aはリングの
大部分をなす約270度程度の円弧状とされ、もう一方の
小ホルダ13bはリングの極僅かな部分をなす円弧状とな
っており、大ホルダ13aと小ホルダ13bとの間に均等な隙
間が形成されている。

この２次ホルダ13と同一平面内で、しかもこの２次ホル
ダ13と同心上に１次ホルダ14が配置されている。この１
次ホルダ14はリングの極一部をなす円弧状の４つのホル
ダ14aで構成され、カソードの腐蝕防止及び耐熱性確保
のため炭素材で作られている。

この１次ホルダ14は２次ホルダ13に平面内の位置を調整
することができるよう位置調整機構15を介して支持され
ている。

この位置調整機構15は、２次ホルダ13の直角に交わる４
つの放射方向に配置された４本の調整ロッド16を備えて
おり、これら調整ロッド16がタングステン、タンタル、
モリブデンなどの耐熱金属材料で作られ、その先端部に
それぞれホルダ14aが取り付けられている。

これら４本の調整ロッド16のうち、３本については、そ
の基端部が大ホルダ13aに挿通され、大ホルダ13aの外側
から捩じ込まれた調整ねじ17によって突出量を調整でき
るようになっている。同様に、残りの１本の調整ロッド
16が小ホルダ13bに挿通され、外側から捩じ込まれた調
整ねじ17によって突出量を調整できるようになってい
る。

また、調整ロッド16を所定の位置で固定するため大ホル
ダ13a及び小ホルダ13bの調整ロッド16の位置に対応して
下側に固定ねじ18が取付けてある。

この１次ホルダ14に取付けられて電子を放出するカソー
ド19は、導電性セラミックスの一つである六硼化ランタ
ン（LaB₆）でつくられており、中央に孔19aが形成され
てリング状になっている。

このリング状のカソード19は、その側面に各調整ロッド
16先端のホルダ14aが当てられて四方から押し付けるよ
うにして１次ホルダ14に支持されるとともに、２次ホル
ダ13に対する調整ロッド16の突出量を変えることで、カ
ソード19を平面内で動かすことができる。

このカソード19の上方には、カソード加熱用のフィラメ
ントヒータ20が配置され、両端部がそれぞれフィラメン
トホルダ21に固定されている。

２つのフィラメントホルダ21は、カソード室11の上部に
固定された支持棒22に取付けられるとともに、２次ホル
ダ13の大ホルダ13aと小ホルダ13bの隙間に対応する大き
さに形成され、これらの隙間の上方に配置されている。

さらに、カソード19の下方には、カソード19から出た電
子ビームの軌道を調整するウエーネルト23が設けられ中
央部の孔がカソード19の下方に配置され、他の部分で２
次ホルダ13の外側を覆うようになっている。このウエー
ネルト23は、第４図に示すように、カソード室11に対し
て機械的な位置精度を有するように固定されている。

また、このウエーネルト23には、２次ホルダ13に捩じ込
まれた位置調整機構15の調整ねじ17及び固定ねじ18を外
部から操作することができるよう操作孔24が対応する位
置に形成してある。

さらに、このウエーネルト23の下方には、第３図に示す
ように、アノード25が設けられており、このアノード25
も、第４図に示すように、カソード室11に対してウエー
ネルト23と同様に機械的な位置精度を有して固定されて
いる。

そして、フィラメントヒータ20には、ヒータ電源26が接
続されとともに、カソード電子放出用電源27が接続さ
れ、カソード19とアノード25との間に加速用電源28が接
続されている。

また、アノード25から放出される電子ビームを制御する
ためアノード25の下方にビーム制御用レンズ29が設けら
れている。

次に、このようなカソード支持構造10を備えた電子銃の
電子ビームの放出とカソード19の位置調整について説明
する。

（１）電子ビームの放出。

フィラメントヒータ20にヒータ電源26を用いて通電する
とともに、カソード電子放出用電源27は使用せず配線に
より短絡状態としてカソード19を背面から加熱するか、
または通電加熱する。

これと同時、フィラメントヒータ20とカソード19との間
にカソード電子放出用電源27を用いてカソード19側をプ
ラスバイアスとなるよう500〜1500Vの電圧を印加する。

すると、フィラメントヒータ20から放出される熱電子が
カソード19に衝突し、熱エネルギに変換されてカソード
19が加熱され、カソード19からも熱電子が放出される。

このカソード19からの熱電子は、カソード19に相対する
アノード25間に加速用電源28を用いてカソード19側にマ
イナスバイアスとなるよう印加された電圧で加速され、
電子ビームとなって放出される。

放出された電子ビームはビーム制御用レンズ29によって
軌道が制御され、図示しない処理室などに送られて電子
ビーム加工などに利用される。

したがって、電子ビームの放出の場合、フィラメントヒ
ータ20からの熱電子が直接カソード19の表面に衝突する
ので、カソード19を効率よく加熱でき、同一仕様で出力
の増大を図ることができる。

また、カソード19を炭素材で作られた１次ホルダ14と耐
熱金属製の調整ロッド16を介して２次ホルダ13で支持す
るようにしているので、大出力、例えば10〜200kwとす
る場合にもカソード19とフィラメントヒータ20の大きさ
を大きくするだけで対応でき、カソード19を大きくして
もカソード19などの支持部部分となる１次ホルダ14や調
整ロッド16に高温腐蝕や熱変形を生じることがない。

さらに、カソード19を炭素材の１次ホルダ14と細い耐熱
金属製の調整ロッド16で支持するようにしているので、
熱伝導によってカソード19が冷却されることを極力防止
することができ、高温化、大出力化を図ることができ
る。

（２）カソードの位置調整。

まず、カソード19の１次ホルダ14及び２次ホルダ13への
取付けは、次のようにして行う。

カソード19を２次ホルダ13の中心軸上に１次ホルダ14を
介して固定するため、第５図に示すように、取付治具30
を用意しておく。

この取付治具30には、中央部の１次ホルダ14の取付部30
aに対して機械加工によって２次ホルダ13の取付部30bが
同心状に配置されるように形成してある。

そこで、１次ホルダ14と２次ホルダ13のうち大ホルダ13
aを取付治具30にセットし、カソード19を３本の調整ロ
ッド16で締め付けて２次ホルダ13の中心に取付ける。

この後、取付治具30から一体となったカソード19、１次
ホルダ14及び２次ホルダ13を取外し、カソード室11のホ
ルダ支持棒12にねじ31で２次ホルダ13の大ホルダ13aを
固定するとともに、カソード室11に固定状態として置い
た２次ホルダ13の小ホルダ13bの調整ロッド16及び１次
ホルダ14の残りの１つのホルダ14aによってカソード19
を４点支持状態とする。

この後、カソード19の前方にウエーネルト23を取付け
る。このウエーネルト23はカソード室11に対して機械的
な位置精度を有して固定されるようになっているので、
ウエーネルト23の中心孔にカソード19の中心がセットさ
れるようにウエーネルト23に形成した操作孔24から調整
ロッド16の突出量を調整し、固定ねじ18で固定する。

こうしてカソード19の位置を調整した状態では、第６図
（ａ）に示すように、カソード19の中心孔19a、ウエー
ネルト23の中心孔、アノード25が同一軸上に配置される
ことになり、電子ビームの軌道のずれがなくなる。

また、イオンスパッタによってカソード19が消耗した
り、電子ビームによってアノード25が消耗することも極
力防止され、カソード19やフィラメントヒータ20の寿命
を大巾に延ばすことができ、例えば20〜30kv/30kw出力
の電子銃において、寿命を従来の４〜20倍以上の200hr
以上にすることができた（カソード径;6mm）。

さらに、カソード19の位置調整をウエーネルト23を取付
けた状態でも操作孔24から行うことができ、位置合せを
容易かつ正確に行うことができる。

また、この電子銃のカソード支持構造10では、１次ホル
ダ14、２次ホルダ13及び位置調整機構15によってカソー
ド19を支持するようにしているので、２次ホルダ13の大
ホルダ13aごとカソード室11から取外すことができると
ともに、フィラメントヒータ20についても２次ホルダ13
の大ホルダ13aと小ホルダ13bとの隙間から取出すことが
でき、カソード19やフィラメントヒータ20のメンテナン
スを容易に行うことができる。

なお、上記実施例では、位置調整機構を４本の調整ロッ
ドで構成したが、これに限らず、調整ロッドは少なくと
も３本あれば良く、ロッドによってカソードの側面から
支持し、位置調整ができる機構であれば良い。

また、２次ホルダを分割構造としたが、必ずしも分割構
造にする必要はなく、一体構造としても良い。

さらに、カソードとしては、六硼化ランタン（LaB₆）を
用いる場合に限らず、TiCなど他の導電性セラミックス
を使用するようにすることも可能である。

また、この考案の要旨を変更しない範囲で、各構成要素
に変更を加えるようにしても良い。

［考案の効果］ 以上、一実施例とともに具体的に説明したようにこの考
案の電子銃のカソード支持構造によれば、ほぼ同一の平
面内に二重にホルダを配置して内側の１次ホルダにカソ
ードを側面から支持するよう取付け、１次ホルダと２次
ホルダの間に少なくとも３本の調整ロッドを備えた位置
調整機構を設け、この位置調整機構をウエーネルトの孔
から操作できるようにしたので、ヒータから放出される
電子で直接カソードを加熱でき、高出力化を図ることが
できるとともに、位置調整ができるので、イオンスパッ
タによる消耗を極力減少し長寿命化をはかることができ
る。

また、２次ホルダを分割構造とするようにすれば、カソ
ードをヒータなどと干渉しないように外部に取り出すこ
とができ、メンテナンスを容易とすることができる。

さらに、カソードを六硼化ランタンとすることで、一層
イオンスパッタによる消耗を減少することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はこの考案の電子銃のカソード支持構造
の一実施例にかかり、第１図は主要部の断面図、第２図
はウエーネルトを除いた状態の上面図、第３図は電子銃
の概略構成図である。 第４図はこの考案の電子銃のカソード支持構造の一実施
例にかかるカソード室の概略構成図、第５図はこの考案
の電子銃のカソード支持構造に使用される取付治具の断
面図、第６図は位置調整の良否による電子ビームの状態
の説明図である。 第７図は従来のカソード支持構造の概略断面図である。 10:電子銃のカソード支持構造、13:2次ホルダ、13a:大
ホルダ、13b:小ホルダ、14:1次ホルダ、15:位置調整機
構、16:調整ロッド、19:カソード、19a:中心孔、20:フ
ィラメントヒータ、23:ウエーネルト、24:操作孔。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】ほぼ同一の平面内に内外二重の１次ホルダ
   と２次ホルダとを設け、内側の１次ホルダを炭素材で形
   成するとともに、この１次ホルダに、中央部に貫通孔が
   形成された導電性セラミックスのカソードを装着し、こ
   のカソードの近傍後方に加熱用のヒータを設ける一方、
   前記２次ホルダと１次ホルダとの間に前記カソードを平
   面内の所定位置に位置調整する少なくとも３本の耐熱金
   属製の調整ロッドを備えた位置調整機構を設け、この位
   置調整機構の操作を前記カソード前方のウエーネルトに
   形成した操作孔から操作可能としたことを特徴とする電
   子銃のカソード支持構造。
2. 【請求項２】前記カソードを六硼化ランタンとするとと
   もに、前記２次ホルダを分割構造とし、電子銃の組立状
   態でもカソードの取替えを可能としたことを特徴とする
   請求項１記載の電子銃のカソード支持構造。