(57)【要約】【課題】ピアス式電子銃の円盤状のカソード２を、カソード２より大径の外周リング２１に３本以上の支持ロッド２２を介して支持させるカソード支持構造において、カソード及び支持ロッドの熱膨張により支持ロッドの座屈を生ずることを防止できると共に、カソードからの熱引けを効果的に抑制できるようにする。【解決手段】各支持ロッド２２を、カソード２と外周リング２１との間に、支持ロッド２２の軸線が該軸線と外周リング２１の内周面との交点とカソード２の中心とを結ぶ直線Ｌに対しカソード２の周方向一方に傾むくように配置する。また、支持ロッド２２の軸線に合致する直線とこの直線に平行でカソード２の中心を通る直線とをカソード２の軸線に直交する平面に射影したときの２直線間の距離を偏心量δとして、δが全ての支持ロッド２２で等しくなるようにする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピアス式電子銃の円盤状のカソードを、カソードより大径の外周リングに３本以上の支持ロッドを介して支持させるカソード支持構造において、
各支持ロッドは、カソードと外周リングとの間に、支持ロッドの軸線が該軸線と外周リングの内周面との交点とカソードの中心とを結ぶ直線に対しカソードの周方向一方に傾むくように配置されることを特徴とするピアス式電子銃におけるカソード支持構造。
【請求項２】
前記支持ロッドの軸線に合致する直線とこの直線に平行で前記カソードの中心を通る直線とをカソードの軸線に直交する平面に射影したときの２直線間の距離を偏心量として、全ての支持ロッドが等しい偏心量を持つことを特徴とする請求項１記載のピアス式電子銃におけるカソード支持構造。
【請求項３】
前記各支持ロッドは、該各支持ロッドの軸線が前記カソードの軸線に直交する平面に含まれるように配置されることを特徴とする請求項１又は２記載のピアス式電子銃におけるカソード支持構造。
【請求項４】
前記各支持ロッドは前記外周リングに固定されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載のピアス式電子銃におけるカソード支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピアス式電子銃の円盤状のカソードを、カソードより大径の外周リングに３本以上の支持ロッドを介して支持させるカソード支持構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピアス式電子銃は、蒸着装置や溶解炉や熱処理炉の加熱源として幅広く使われている。ピアス式電子銃の主要な構成要素は、図１に示す如く、フィラメント１、カソード２、ウエルネルト３及びアノード４である(例えば、特許文献１参照)。カソード２は、円盤状であって、裏面からフィラメント１により加熱され、表面から熱電子を放出する。ウエルネルト３は、カソード２と同電位で、アノード４との間に電子がアノード４の中心に向かうような電界を形成する。アノード４はカソード２に対し正の電位にあり、カソード２から放出される熱電子を加速する。そして、アノード４の中心に形成した孔４ａを電子ビームが通過する。
【０００３】
従来、このようなピアス式電子銃におけるカソード支持構造として、図２に示すものが知られている。このものでは、カソード２を、カソード２より大径の外周リング２１に４本の支持ロッド２２を介して支持させている。より詳細には、カソード２に、外周面に開口する径方向の凹孔２３を９０°間隔で４個形成するとともに、外周リング２１に、径方向に貫通する透孔２４を９０°間隔で４個形成し、各支持ロッド２２を各透孔２４に挿通して、その先端部を各凹孔２３に挿入することにより、カソード２を外周リング２１に支持させている。
【０００４】
ここで、外周リング２１はウエルネルト３に接触しており、カソード２がウエルネルト３と同電位に保たれる。また、ウエルネルト３は、図外の支持部品を介して最終的には冷却機構と連結されている。そのため、カソード２からウエルネルト３への支持ロッド２２及び外周リング２１を介しての熱引けを生じてしまう。この熱引けを抑制するため、支持ロッド２２として断面積の小さなものを用いている。
【０００５】
然し、カソード２からウエルネルト３への熱引けを抑制すると、カソード２が例えば２５００℃に加熱されたときに外周リング２１の温度が例えば１０００℃になり、カソード２の熱膨張の方が外周リング２１の熱膨張より大きくなって、カソード２と外周リング２１との間の径方向距離が短くなる。しかも、支持ロッド２２自体が熱膨張するため、支持ロッド２２は圧縮応力を受ける。圧縮応力がある限界を超えると、支持ロッド２２が座屈し、この座屈でカソード２が不規則に変位してしまう。そして、カソード２の変位により電子ビームが本来の軌道を逸脱し、アノードや電子銃内壁に電子ビームが衝突して、電子銃に深刻な損傷を与えてしまう。
【０００６】
そこで、従来は、座屈を防止するために、透孔２４の孔径を支持ロッド２２の径に対してかなり緩めの嵌め合い公差を持つように設定し、支持ロッド２２及びカソード２の熱膨張により支持ロッド２２が外周リング２１に対し動くようにしている。然し、電気的な接触は確保する必要があるため、最も融点の高いタングステンで支持ロッド２２を形成しても、２５００℃の高温では支持ロッド２２が孔内面の接触個所で外周リング２１に溶着してしまう。そのため、座屈を完全に防止することはできない。
【特許文献１】ＷＯ−２００８０／０５０６７０−Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、支持ロッドの座屈を防止できると共に、カソードからの熱引けを効果的に抑制できるようにしたピアス式電子銃におけるカソード支持構造を提供することをその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、ピアス式電子銃の円盤状のカソードを、カソードより大径の外周リングに３本以上の支持ロッドを介して支持させるカソード支持構造において、各支持ロッドは、カソードと外周リングとの間に、支持ロッドの軸線が該軸線と外周リングの内周面との交点とカソードの中心とを結ぶ直線に対しカソードの周方向一方に傾むくように配置されることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、カソード及び支持ロッドの熱膨張によりカソードが周方向一方に回転する。そして、熱膨張がカソードの回転で吸収されるため、支持ロッドは圧縮応力を殆ど受けず、座屈を生じない。また、座屈の心配がないため、支持ロッドを上記従来例のものより細くすることができ、更に、支持ロッドの軸線をカソードの周方向に傾斜させることで、カソードと外周リングとの間に位置するロッド部分の長さが長くなり、カソードからの熱引けが効果的に抑制される。
【００１０】
また、本発明においては、支持ロッドの軸線に合致する直線とこの直線に平行でカソードの中心を通る直線とをカソードの軸線に直交する平面に射影したときの２直線間の距離を偏心量として、全ての支持ロッドが等しい偏心量を持つことが望ましい。これによれば、熱膨張でカソードが回転しても中心位置は変化せず、電子ビームの軌道を正規位置に維持できる。
【００１１】
更に、本発明において、各支持ロッドは、該各支持ロッドの軸線がカソードの軸線に直交する平面に含まれるように配置されることが望ましい。これによれば、支持ロッドの熱膨張でカソードが軸方向変位したり傾くことを防止できる。
【００１２】
また、本発明においては、外周リングに対し支持ロッドが動かなくても、支持ロッドの座屈を生じない。そのため、各支持ロッドを外周リングに固定して、電気的な接触をしっかりと確保することができる。また、支持ロッドを外周リングに固定すれば、支持ロッドを介しての外周リングへの熱伝導、即ち、外周リングの温度分布が一義的に決まり、外周リングの設計がしやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図３は、図１に示すピアス式電子銃に適用される本発明の第１実施形態のカソード支持構造を示している。尚、図２に示した従来例と同様の部材、部位には上記と同一の符号を付している。
【００１４】
第１実施形態では、円盤状のカソード２がそれより大径の外周リング２１に従来例と同様に４本の支持ロッド２２を介して支持されているが、各支持ロッド２２の配置が従来例とは異なる。即ち、第１実施形態では、各支持ロッド２２を、カソード２と外周リング２１との間に、支持ロッド２２の軸線が該軸線と外周リング２１の内周面との交点とカソード２の中心とを結ぶ直線Ｌに対しカソード２の周方向一方(図３(ａ)の反時計方向)に傾むくように配置されている。
【００１５】
尚、各支持ロッド２２は、外周リング２１に形成した各透孔２４に挿通され、その先端部がカソード２に形成した各凹孔２３に挿入されている。そして、支持ロッド２２の軸線が上記直線Ｌに対しカソード２の周方向一方に傾くように、凹孔２３及び透孔２４をカソード２及び外周リング２１の径方向に対し傾斜させて形成している。更に、外周リング２１の外周面に、透孔２４に平行な座繰り面２５を形成して、座繰り面２５に透孔２４に達するねじ孔を形成している。そして、ねじ孔にビス２６を螺入して、支持ロッド２２を外周リング２１に固定している。
【００１６】
また、支持ロッド２２の軸線に合致する直線とこの直線に平行でカソード２の中心を通る直線とをカソード２の軸線に直交する平面に射影したときの２直線間の距離を偏心量δとして、全ての支持ロッド２２の偏心量δを互いに等しくしている。また、各支持ロッド２２は、図３(ｂ)に示す如く、各支持ロッド２２の軸線がカソード２の軸線に直交する平面に含まれるように配置されている。
【００１７】
以上のカソード支持構造によれば、カソード２及び支持ロッド２２が熱膨張したとき、図４に示す如く、カソード２が周方向一方(反時計方向)に回転する。ここで、カソード２の外周面と支持ロッド２２の軸線との交点における回転角をΔθ、支持ロッド２２のカソード２と外周リング２１との間の部分の熱膨張による伸びをａとして、Δθ≒ａ／δになる。そして、δは全ての支持ロッド２２で等しいため、Δθも全て等しくなり、カソード２が回転しても中心位置は変化しない。更に、各支持ロッド２２の軸線がカソード２の軸線に直交する平面に含まれるため、支持ロッド２２の熱膨張でカソード２が軸方向変位したり傾くことを防止できる。その結果、電子ビームの軌道は正規位置に維持される。
【００１８】
また、カソード２の回転で熱膨張が吸収されるため、支持ロッド２２は圧縮応力を殆ど受けず、座屈を生じない。このことを確かめるため、コンピュータによる座屈解析を行った。計算条件は、カソード２及び支持ロッド２２の材質をタングステン、外周リング２１の材質をモリブデン、カソード２の径をφ２０ｍｍ、外周リング２１の内径と外径を夫々φ３６ｍｍ、φ５０ｍｍ、支持ロッド２２の径をφ１．２ｍｍ、カソード２の温度を２５００℃、外周リング２１の温度を１０００℃とした。そして、偏心量δが夫々０、１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍ、９ｍｍである場合、即ち、カソード２の半径をｒ(＝１０ｍｍ)として、δ／ｒが０、０．１、０．３、０．５、０．７、０．９である場合の支持ロッド２２が受ける圧縮応力を求めた。
【００１９】
座屈を生じる最小応力を支持ロッド２２が受ける圧縮応力で除した比は、δ／ｒ＝０の場合に０．９２、δ／ｒ＝０．１の場合に１．１３、δ／ｒ＝０．３の場合に２．９２、δ／ｒ＝０．５の場合に６．６１、δ／ｒ＝０．７の場合に１３．４、δ／ｒ＝０．９の場合に２５．４になった。この比が１より大きければ座屈は生じない。従って、偏心量δを０．１ｒ以上にすることで座屈を防止できることが分かる。
【００２０】
また、座屈の心配がないため、支持ロッド２２を上記従来例のものより細くすることができる。更に、支持ロッド２２の軸線を上記直線Ｌに対しカソードの周方向に傾斜させることで、カソード２と外周リング２１との間に位置する支持ロッド２２の部分の長さが長くなる。このように支持ロッド２２を細く長くすることができるため、カソード２からの支持ロッド２２を介しての熱引けが効果的に抑制される。
【００２１】
更に、熱引けを抑制する上で従来困難であった外周リング２１の内径とカソード２の外径との径差の縮小が可能になり、カソード２の設計の自由度が増す。
【００２２】
また、座屈の心配がないため、支持ロッド２２を外周リング２１に固定して、電気的な接触をしっかりと確保することができる。また、支持ロッド２２を外周リング２１に固定すれば、支持ロッド２２を介しての外周リング２１への熱伝導、即ち、外周リング２１の温度分布が一義的に決まり、外周リング２１の設計がしやすくなる。
【００２３】
ところで、上記第１実施形態では、全ての支持ロッド２２の軸線がカソード２の軸線に直交する同一平面に含まれているが、図５に示す第２実施形態の如く、各支持ロッド２２の軸線がカソード２の軸線に直交する互いに異なる平面に含まれていてもよい。この場合、各支持ロッド２２の熱膨張でカソード２に傾きを生ずることが懸念されるが、実際には、支持ロッド２２の熱膨張がカソード２の回転で吸収されるため、カソード２が傾くことはない。
【００２４】
また、上記第１実施形態では、カソード２を外周リング２１に４本の支持ロッド２２を介して支持しているが、支持ロッド２２の本数は、図６に示す第３実施形態の如く３本であっても、また、図７に示す第４実施形態の如く５本であってもよい。即ち、支持ロッド２２の本数は３本以上であれば特に制限はない。
【００２５】
また、第１実施形態、第３実施形態及び第４実施形態では、複数の支持ロッド２２をその軸線を含む直線が成す図形が正多角形（正四角形、正三角形及び正五角形）になるように配置しているが、全ての支持ロッド２２の偏心量δが同一である限り、上記図形は正多角形でなくてもよい。例えば、図８に示す第５実施形態の如く、４本の支持ロッド２２をその軸線を含む直線が成す図形が平行四辺形になるように配置してもよい。
【００２６】
ところで、上記実施形態では、カソード２の外周面に、支持ロッド２２の先端部を挿入する凹孔２３をかなりの傾斜角を付けて穿孔することが必要になり、ドリルが滑って凹孔２３の加工が難しくなる。そのため、図９に示す第６実施形態の如く、カソード２の外周に支持ロッド２２の本数分の突起２ａを突設し、各突起２ａに形成した孔２３´に支持ロッド２２の先端部を挿入してもよい。これによれば、突起２ａの側面に対する孔２３´の傾斜角が小さくなり、孔２３´の加工が容易になる。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では、外周リング２１に形成した透孔２４に支持ロッド２２を挿通しているが、外周リング２１を軸方向一方のリング半部と他方のリング半部とに２分割し、両リング半部間に支持ロッド２２を挟み込んで固定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ピアス式電子銃を示す模式的断面図。
【図２】従来のカソード支持構造を示す平面図。
【図３】(ａ)本発明の第１実施形態のカソード支持構造を示す平面図、(ｂ)図３(ａ)のｂ−ｂ線で切断した断面図。
【図４】第１実施形態のカソード支持構造の熱膨張時の状態を示す平面図。
【図５】第２実施形態のカソード支持構造の図３(ｂ)に相当する断面図。
【図６】第３実施形態のカソード支持構造の平面図。
【図７】第４実施形態のカソード支持構造の平面図。
【図８】第５実施形態のカソード支持構造の平面図。
【図９】第６実施形態のカソード支持構造の平面図。
【符号の説明】
【００２９】
２…カソード、２１…外周リング、２２…支持ロッド、Ｌ…支持ロッドの軸線と外周リングの内周面との交点とカソードの中心とを結ぶ直線、δ…偏心量。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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