(57)【要約】  高速発熱性カソードは、ダイヤモンド層と；該ダイヤモンド層の表面と熱的に接触している熱電子放出要素と；該ダイヤモンド層を加熱する手段と；を備えている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドの層と、該ダイヤモンド層の表面と熱的に接触している熱電子放出要素と、該ダイヤモンド層を加熱するための手段と、を備えている高速発熱性カソード。
【請求項２】
熱電子放出要素が金属の層である、請求項１に記載の高速発熱性カソード。
【請求項３】
熱電子放出要素が、ドーピングされた無機材料の層である、請求項１に記載の高速発熱性カソード。
【請求項４】
無機材料がダイヤモンドである、請求項３に記載の高速発熱性カソード。
【請求項５】
層が、０．５〜５０μｍの厚さを有している、請求項２〜４のいずれか１項に記載の高速発熱性カソード。
【請求項６】
加熱手段が発熱要素である請求項１〜５のいずれか１項に記載の高速発熱性カソード。
【請求項７】
発熱要素がダイヤモンド層表面と熱的に接触している請求項６に記載の高速発熱性カソード。
【請求項８】
発熱要素が、熱電子放出要素が熱的接触をしているダイヤモンド層表面の反対側のダイヤモンド層表面と熱的に接触している、請求項７に記載の高速発熱性カソード。
【請求項９】
発熱要素がダイヤモンド層に埋め込まれている、請求項６に記載の高速発熱性カソード。
【請求項１９】
添付図面の図１〜図４のいずれか１つに関連して本明細書に実質的に記述されている高速発熱性カソード。
【請求項２０】
実施例１又は実施例２に関連して本明細書に実質的に記述されている高速発熱性カソード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速発熱性カソード(fast heating cathode)（ＦＨＣ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＨＣの用途の典型的な例は、小型の進行波管(Travelling Wave Tubes)（ＴＷＴ）の中にある。ＴＷＴデバイスは、増幅用構造体を通って高エネルギー電子の流れを供給するための電子銃を必要とする。これら電子の源は通常、加熱されたカソードであり、電子の放出によって熱電子が放出する結果となる。放出された電子は、ＴＷＴ内のカソードと集電体(collector)の間に大きい電圧差（典型的には、１０〜２０ｋＶ）を印加することによって、ＴＷＴの増幅区域を通過して加速される。
【０００３】
カソード表面からの電子放出が、放出領域を横切って均一となり、且つ、該カソードが理想的作動温度のままの状態であることを確保するために、相当の努力が費やされている。これらの必要条件の結果として、ＴＷＴ型装置の内部で使用されるカソードの大部分は、温度を安定化させる時間を必要とする。デバイスであって、その用途が、この安定化時間によって可能となる使用状態よりもいっそう急速な使用状態を必要とすることのある該デバイスに関し、該デバイスは「スイッチオンモード」に維持されなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
長時間の安定化時間を回避するために、スイッチオンモードに維持されているデバイスはまた、不都合である。とりわけ、該デバイスは、定電力電源と、連続的な電力排出とを必要とする。加えて、カソードの寿命は、限定されており、該デバイスの全動作寿命は、著しく短縮されており、また、不都合な時に故障が起こることがある。
これら従来の熱カソード(hot cathodes)については、２つの代替物が存在する。これらは、（ａ）「冷カソード(cold cathodes)」であって、その作業機能は、電子が、通常の周囲温度で該材料から空間の中に自由に移動することのできるようなものである該冷カソード、及び（ｂ）幾つかの形態の高速発熱性カソード（ＦＨＣ）である。冷カソードは、現時点で、上述の諸用途のための適切なデバイスを与えない。
【０００５】
現在開発中の高速発熱性カソードは、従来の技術に基づいているが、高度の技術設計が使用されている。それらカソードは典型的には、電子エミッタとして機能する、タングステン又はタンタルの線フィラメントを使用しており、該エミッタそれ自体に沿っての電圧降下を回避するために電気的に分離されている加熱器によって加熱される。大部分の成果は、熱を急速に且つ均一に加える方法を一部修正することに基づいており、レーザー及び電子ビーム銃のような多種多様な技術を含んでいる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（発明の概要）
本発明によると、高速発熱性カソードは、ダイヤモンドの層と、該ダイヤモンド層の表面と熱的に接触している熱電子放出要素と、該ダイヤモンド層を加熱するための手段と、を備えている。
熱電子放出要素は、金属、又は適切にドーピングされたダイヤモンド、又は他の適切な無機材料の層であることがある。
加熱手段は通常、電気抵抗要素のような発熱要素である。この要素は、ダイヤモンド層の表面と熱的に接触しているか、又はダイヤモンド層の中に埋め込まれている。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
（具体例の記述）
ダイヤモンド層は、加熱手段と熱電子放出要素の間の電気絶縁体として機能すると共に、急速に熱を移動させる媒体としても機能する。このことによって、熱電子放出要素と熱的に接触している表面での急速な熱応答と、該層と該要素の間の界面領域の全体に渡る温度の均一性とが与えられる。
ダイヤモンド層は、本質的に多結晶性又は単結晶であり、天然又は合成のものである場合がある。合成ダイヤモンドには、高圧高温（ＨＰＨＴ）によるダイヤモンド、及び化学蒸着（ＣＶＤ）によるダイヤモンドが包含される。熱電子放出要素と熱的に接触している、ダイヤモンド層の表面は通常、滑らかであり、研磨されているのが好ましい。とは言え、該ダイヤモンド表面に対するこの要素の付着性を高めるために、又は表面放出性(surface emission)を高めるに、表面構造を与えてもよい。
【０００８】
ダイヤモンド層は典型的には、１００〜２０００μｍの範囲の厚さ（所要の電圧隔離絶縁と、デバイスの構造(geometry)の両方によって決まる）と、０．１〜１０００ｍｍ２の間の表面領域とを有している。それは通常、平面図としては丸い構造である。とは言え、他の諸構造は同等にあり得る。該デバイスの構造は、平面である必要はなく、湾曲していてもよく、さもなければ横方向に形成してもよい。とは言え、好ましい具体例は、平面等の単純な構造である。ダイヤモンド層は、導電性ホルダー（例えば、金属の管若しくはリング）、又は電気絶縁性ホルダー（例えば、セラミック）の内部に取り付けることができる。
【０００９】
熱電子放出要素が金属である場合、これは、例えば、スパッタリング又は蒸着を行うことによって、層の形態で、ダイヤモンド層の表面に施用することができる；但し、他の堆積方法も使用することができる。ダイヤモンド層と金属要素の間の接着を高めるために、界面被覆を用いることができる。該金属層は典型的には、厚さが０．５〜５０μｍであり、それが施用される層の表面の全表面又はほんの一部を覆うことができる。
【００１０】
熱電子放出材料が、ドーピングされたダイヤモンド層によって形成される場合、該ドーピングされた層は、当該技術で知られている如何なる方法ででも造ることができる。該ドーピングされた層の厚さは典型的には、０．５〜５０μｍである。該ドーピングされた層のダイヤモンドは、天然のものでも合成されたものでもよい。該層が合成されたものである場合、合成の間にドーピングを行い、或いは、続いて、例えば注入を行うことがある。この目的のための典型的なドーパントはホウ素である。とは言え、他の諸ドーパント（例えば、イオウ及びリン）を使用してもよい。これらのデバイスにとっては、高活性エネルギーを有するドーパントさえ適している。なぜなら、作動温度が典型的には高いからである。該ドーピングされた層は、その厚さ全体に渡って、ドーパント及びドーパント密度が変化することがある。（ドーピングされていない）ダイヤモンド層は、基体としてドーピングされたダイヤモンド層を用いて、該ドーピングされたダイヤモンド層の上に成長させることができるか、又は該ドーピングされた層は、ＣＶＤ若しくはＨＰＨＴの技術によって該（ドーピングされていない）ダイヤモンド層の上に成長させることができるか、又はそれら２つのダイヤモンド層（ドーピングされたものと、ドーピングされていないもの）は、他の幾つかの手段によって、一緒に接合させることができる。接合工程は、金属層によって達成することができる。該金属層はまた、デバイスの電気伝導性を高めるのに役立つことがあり、又は、更に、熱電子放出要素に対する主要な電気接点として機能することがある。
【００１１】
発熱要素は、電気抵抗要素の形態を取ることができる。この要素は、熱電子放出要素の表面に対して、ダイヤモンド層の反対側表面の上に、又は該ダイヤモンド層の内部に、好ましくは、熱電子放出要素の表面の反対側表面の近辺に、形成することができる。電気抵抗要素を造るために使用することのできる方法には、以下のことが包含される：
１．絶縁性ダイヤモンドの中に導電性の抵抗トラックをイオン注入すること。注入されたイオンは現実には金属、又はホウ素若しくは炭素である場合がある（これらは全て、該ダイヤモンド中に電気伝導性の抵抗トラックを形成する）。注入済みトラックは、抵抗の単純な線若しくは平面であるか、又はいっそう複雑な抵抗経路である場合があり、これはデバイスの必要条件によって決まる。この技術の１つの利点は、発熱要素が、電気的絶縁性ダイヤモンドの内部に「埋め込まれている」ことである。
【００１２】
２．熱電子放出要素から離して、ダイヤモンド層の表面上に導電性の抵抗層を堆積するか又は他の接合を行うこと。この抵抗層は、単純な金属層、又は合成された電気伝導性のドーピングされたダイヤモンド層（例えば、ＣＶＤによるＢ−ドーピングされたダイヤモンド）である場合がある。発熱体は、単純な線形構造若しくは平面構造であることがあり、或いは、発熱体の位置及び電気特性を制御するために、発熱体はパターン化してもよい。パターン化された発熱体経路は、パターン化堆積(patterned deposition)によるか、又は、後で抵抗層をパターン化することによって作ることができる。この技術の１つの利点は、発熱体トラックを形成するのに、いっそう大きい範囲の抵抗材料（及びパターン）を考慮することができ、熱膨張による不整合と、それによって誘発される応力とが減少する。
３．ダイヤモンドの表面に、レーザー黒鉛化トラック(laser graphitisation track)を、例えば集束ＹＡＧレーザーによって形成することができる。該トラックの深さ及び幅は、所要の発熱抵抗に適するように造られる。続いて、発熱体の抵抗を変えるためか、又は黒鉛層をエロージョンから保護するために、該トラックに、もう１つの材料を充填することができる。
【００１３】
発熱要素を与えるための各々の技術は、それ自体の利点と不都合とを有している。しかし、作動原理は概して、同一である。抵抗要素は、電流を流した時、発熱する。発熱体の電力は、発熱体の抵抗と、流れる電流の二乗とに比例する。所要の発熱体電力は、加熱される諸要素の質量及び所要温度だけでなく、伝導及び放射による熱損失をとりわけ決定する、カソードと発熱体の精確な構造及び支持体によって決まる。発熱要素にエネルギーを与える代わりの方法は、電気誘導(electrical induction)によるものである。
【００１４】
発熱体制御回路と一緒にフィードバック回路を経由して、精確な作動温度を確保するために、ある形態の温度センサーをＦＨＣに使用することができる。これは、従来のセンサー（熱電対、若しくは白金抵抗温度計）であるか、又は、ほぼサーミスターの原理に基づいて絶縁性ダイヤモンドの内部に形成されるデバイスであるか、バルク・ダイヤモンド層若しくは発熱体若しくは熱電子放出材料であって、これら要素のためにダイヤモンドが使用されているものの内部にある、ドーピングされたダイヤモンド構造の挙動に基づくデバイスである。
【００１５】
次に、添付図面を参照して、本発明の具体例を記述する。先ず、図１及び図２に関し、高速発熱性カソードは、ダイヤモンドの層１０を備えている。層１０は円板形状である。層１０の前面１２には、層１４が接合されている。層１４も円板形状であり、熱電子放出性材料でできている。２つの、一定間隔を置いて配置されている電気接点(electrical contacts)（１８，２０）は、層１０の反対面１６に接続されている。これら接点は、ダイヤモンド内に埋められている発熱要素２２と電気的に接触している。発熱要素２２は、イオン注入によるか、又はパターン化されたホウ素ドーピングによって形成することができる。接点（１８，２０）はまた、電力の適切な源までのリード線２４と接触している。電力の供給によって、発熱要素２２は加熱される。
【００１６】
図３に、本発明の第２の具体例を例示する。この図に関し、高速発熱性カソードは、矩形のダイヤモンド層３０を備えている。層３０の前面３２に、ドーピングされたダイヤモンド層３４が接合されている。ドーピングされたダイヤモンド層３４は通常、層３０の上に成長させる。層３０の反対面３６は、それに金属製の発熱ストリップ(heater strip)３８が接合されている。発熱ストリップ３８は、接点（４０，４２）と電気的に接触している。リード線４４によって、発熱ストリップ３８に電力が供給される。電力の供給によって、発熱ストリップ３８は加熱される。
【００１７】
図４に、本発明の第３の具体例を例示する。この図に関し、矩形のダイヤモンド層５０を示す。層５０の前面５２に、金属製結合用層５６を通してドーピングされたダイヤモンド層５４が接合されている。電気伝導性のドーピングされたダイヤモンド層５８は、層５０の反対面６０に接合されている。電気接点（６２，６４）は、層５８に接合されている。リード線６８を通して、接点（６２，６４）及び層５８に電力が供給される。電力の供給によって、層５８は加熱される。
【００１８】
上述の高速発熱性カソードは全て、本質的に同様の方法で作動する。熱電子エミッタ要素（１４，３４及び５４）は、それらに高電圧が印加される。加熱要素は、それらを電流が流れることによって加熱される。ダイヤモンド層（１０、３０及び５０）の熱伝導率は大きいので、この熱は、イオンを放出させる熱電子放出要素まで急速に移動する。
【００１９】
本発明の高速発熱性カソードの主な利点は、ダイヤモンド層によって、熱を加熱手段から熱電子放出要素まで急速に移動させることができ、同時に、それら２つの間の電気的分離が維持されていることである。他の諸利点は：
１．該熱電子放出要素が均一に加熱されること（ダイヤモンドの熱伝導率が非常に大きい結果）、
２．該カソードは、衝撃を受けることも破壊されることもなく、非常に急速に発熱すること（ダイヤモンドの熱伝導率が大きいことと相俟って、比熱容量が小さい結果）、
【００２０】
３．カソードが、急速に発熱した時、変形しないこと（ダイヤモンドの熱膨張係数が小さく且つヤング率が大きい結果）、
４．単一のダイヤモンド要素が、幾つかのいっそう有用な要素に取って代わるため、カソードの構造は、質量が小さく、設計が単純であること、
５．ダイヤモンドが、超真空（ＵＨＶ）環境において所要温度まで加熱されたとき、ガスを放出しないため、カソードは超真空（ＵＨＶ）適合性であること、
である。
次の実施例によって、本発明を例示する。
【実施例１】
【００２１】
ＣＶＤによる、直径１５ｍｍの研磨済み多結晶性ダイヤモンドの板状ディスク（厚さが約０．６ｍｍ）は、一方の表面上に、ＣＶＤによる、厚さ約２００μｍのホウ素ドーピングされたダイヤモンド層で被覆を行った。ホウ素ドーピング濃度は、１×１０１８〜１×１０１９原子／ｃｃの範囲になるように選定した。次いで、発熱要素は、該ホウ素ドーピングされた導電性層を通過して、下に横たわる電気絶縁性の、ＣＶＤによるバルクダイヤモンド材料に至るまで、２本の平行な千鳥形線の状態に切断するために、エキシマ・レーザーを用いて、千鳥形トラック(zig-zag track)として形成した。このことを行うことによって、該試料には、１つの表面の上に比較的長い抵抗発熱体が備わった。そのとき、トラックの幅は、約２ｍｍの幅であり、約３０Ωの抵抗を有した。該ディスクは、抵抗加熱用トラックの諸端部に接触させ、真空中で取り付けて、可変電圧供給源に接続した。該ディスクの温度は、光高温計によってモニタリングを行った。次いで、該ディスクの温度は、印加電圧を（２５〜７５Ｖの範囲で）適切に選定することにより、約８００〜１０００℃の温度範囲に調節し、また、各々の新たな温度の設定時間は１０〜３０秒であることが分かった。
【実施例２】
【００２２】
直径４ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの、ダイヤモンドの単結晶試料は、周知のイオン・リソグラフィ及びマスキング技術を用いて、１つの表面に、高投与量での炭素イオンの高エネルギーイオン注入を行った。このことを行うことによって、ダイヤモンドの上面の真下に、導電性トラックを形成した。該導電性トラックの２つの端部に対する接点は、該試料の向かい合う端面で、小さい平面部分を研磨して導電性層を露出させ、次いで、メタライジング(metallising)を行い、リード線を取り付けることによって造った。このようにして、２つの接点を経由して抵抗要素に適切な電圧（３５〜５５Ｖ）を印加することによって、該試料は、急速に発熱することができた。高速発熱性カソードの中にダイヤモンドの急速発熱体を形成するために、熱電子放出材料は、ダイヤモンドの非処理面の上に配置し、このようにして、埋め込んだ抵抗発熱性要素から電気的に分離した。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の具体例の代替図を例示する。
【図２】本発明の第１の具体例の代替図を例示する。
【図３】本発明の第２の具体例の斜視図を例示する。
【図４】本発明の第３の具体例の斜視図を例示する。
【図１】
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【図２】
2005512293.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年7月21日(2003.7.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドの層と、該ダイヤモンド層の表面と熱的に接触している熱電子放出要素と、該ダイヤモンド層の表面上又は該ダイヤモンド層の内部に形成されている発熱要素と、を備えている高速発熱性カソード。
【請求項２】
熱電子放出要素が金属の層である、請求項１に記載の高速発熱性カソード。
【請求項３】
熱電子放出要素が、ドーピングされた無機材料の層である、請求項１に記載の高速発熱性カソード。
【請求項４】
無機材料がダイヤモンドである、請求項３に記載の高速発熱性カソード。
【請求項５】
層が、０．５〜５０μｍの厚さを有している、請求項２〜４のいずれか１項に記載の高速発熱性カソード。
【請求項６】
発熱要素が、熱電子放出要素が熱的接触をしているダイヤモンド層表面の反対側のダイヤモンド層表面と熱的に接触している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の高速発熱性カソード。
【請求項７】
発熱要素が電気抵抗要素である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の高速発熱性カソード。
【請求項８】
電気抵抗要素が導電性金属トラックである、請求項７に記載の高速発熱性カソード。
【請求項９】
電気抵抗要素が、ドーピングされたダイヤモンドのトラックである、請求項７に記載の高速発熱性カソード。
【請求項１０】
電気抵抗要素が、レーザー黒鉛化トラックである、請求項７に記載の高速発熱性カソード。
【請求項１１】
電気抵抗要素が、イオン注入によって形成された導電性抵抗トラックである、請求項７に記載の高速発熱性カソード。
【請求項１２】
ダイヤモンド層が、１００〜２０００μｍの範囲の厚さを有している、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の高速発熱性カソード。
【請求項１３】
ダイヤモンド層の表面領域が、０．１〜１０００ｍｍ2の間である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の高速発熱性カソード。
【請求項１４】
熱電子放出要素と熱的に接触しているダイヤモンド層の表面が滑らかである、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の高速発熱性カソード。
【請求項１５】
滑らかな表面が、研磨済み表面である、請求項１４に記載の高速発熱性カソード。
【請求項１６】
添付図面の図１〜図４のいずれか１つに関連して本明細書に実質的に記述されている高速発熱性カソード。
【請求項１７】
実施例１又は実施例２に関連して本明細書に実質的に記述されている高速発熱性カソード。
【国際調査報告】
2005512293.tif 000007
2005512293.tif 000008
2005512293.tif 000009