(57)【要約】【課題】ヒータなしでも大量の電子を放出することができる高電圧用カソード及びその製造方法を提供するものである。【解決手段】本発明に係る高電圧用カソード１０は、カソード本体１１の表面に、カーボンナノチューブ１４を金属ろう材１３でろう付け接合したものである。具体的には、金属ろう材１３の表面１３ａから、カーボンナノチューブ１４の一部を突起状に露出させたものである。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード本体の表面に、カーボンナノチューブを金属ろう材でろう付け接合したことを特徴とする高電圧用カソード。
【請求項２】
上記金属ろう材の表面から、上記カーボンナノチューブの一部を突起状に露出させた請求項１記載の高電圧用カソード。
【請求項３】
溶融した金属ろう材中にカーボンナノチューブ粉体を添加した後、固化させ、その固化した金属ろう材をカソード本体の表面にろう付け接合し、その接合した金属ろう材の表面にケミカルエッチング処理を施し、金属ろう材の表面に、カーボンナノチューブ粉体の一部を突起状に露出させることを特徴とする高電圧用カソードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧用カソード及びその製造方法に係り、特に、高電圧が印加される加速器の電子銃などに用いられるカソード及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、物理学分野（素粒子、核）や、医療分野などにおいて電子線は利用されているが、近年、これらとは別の分野においても利用が高まりつつあり、例えば、金属の改質や溶解のための熱源として、また、容器などの滅菌・殺菌源としての利用が始まっている。
【０００３】
電子線を発生させる装置の１つとして加速器の電子銃がある。加速器は、真空中に高周波又は正電場で電位勾配を形成し、図５に示すように、その電位勾配中に電子源（カソード（陰極）Ｋ１）とアノード（陽極）Ａを設けることで電子を発生させるものである。また、カソードＫ１とアノードＡとの間にはグリッドＧが設けられる。一般的な加速器においては、直径１ｃｍ前後のカソードＫ１から、数百ｍＡ以上の電流が得られている。
【０００４】
現在の加速器は、電子線の品質が安定な熱放出型が主流となっており、カソードＫ１は、それを加熱するためのヒータ５１を備えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、熱放出型のカソードＫ１においては、図６に示すように、発生する熱電子ｅ１の放出方向が乱雑であり、電子線の品質があまり良好でないという問題があった。また、ヒータ５１により機器が高温（１０００℃超）に加熱されるため、機器寿命の低下を招くという問題があった。
【０００６】
これに対して、図７に示すように、カソードを加熱するためのヒータが不要なコールドカソード（冷陰極）Ｋ２がある。コールドカソードＫ２は、図８に示すように、発生する電子ｅ２の放出方向が電界方向（図８中では右方向）のみであるため、電子線の品質が良好である。しかし、コールドカソードＫ２は、電子の放出量が少ないことから発生する電流は微小（数μＡ）であり、このため、電子顕微鏡用カソードなどにしか用いられておらず、加速器用カソードへの適用は困難であった。
【０００７】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、ヒータなしでも大量の電子を放出することができる高電圧用カソード及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る高電圧用カソードは、カソード本体の表面に、カーボンナノチューブを金属ろう材でろう付け接合したものである。
【０００９】
具体的には、請求項２に示すように、上記金属ろう材の表面から、上記カーボンナノチューブの一部を突起状に露出させることが好ましい。
【００１０】
これによって、カソードを加熱するヒータがなくても、金属ろう材の表面から露出したカーボンナノチューブの部分から、大量の電子が放出される。
【００１１】
一方、本発明に係る高電圧用カソードの製造方法は、溶融した金属ろう材中にカーボンナノチューブ粉体を添加した後、固化させ、その固化した金属ろう材をカソード本体の表面にろう付け接合し、その接合した金属ろう材の表面にケミカルエッチング処理を施し、金属ろう材の表面に、カーボンナノチューブ粉体の一部を突起状に露出させるものである。
【００１２】
これによって、金属ろう材の表面から、カーボンナノチューブの一部が突起状に露出した高電圧用カソードを得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００１４】
炭素系電子放出材の１つであるカーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと称す）は、線径が数ｎｍと非常に細いことから、電界中にＣＮＴを配置した場合、先端部において電界集中が生じ易い。その結果、ＣＮＴの先端から電子が大量に放出される。このため、ＣＮＴは、近年、電子源として注目されており、主に、電界放出ディスプレイのコールドカソードなどに応用されている。電界放出ディスプレイ用カソードは、微小なカソード本体に、基板上に形成したＣＮＴ膜（ＣＮＴ層）を接合・固定することで形成している。
【００１５】
先ず、本発明者らは、電界放出ディスプレイ用カソードの技術を加速器用カソードに適用することで、ノンヒータで、大電流を発生する加速器用のコールドカソードが得られるのではないかと考えた。しかし、この場合、以下に示す問題が生じた。
【００１６】
▲１▼　加速器用カソードは面状を呈しており、その面積はディスプレイ用カソードと比較して大きいが、ディスプレイ用カソードの電流値を単純に〔加速器用カソードの面積／ディスプレイ用カソードの面積〕倍しても、高エネルギーの加速器用カソードに要求される電流、例えば数百ｍＡ以上は得られない。つまり、ディスプレイ用カソードに用いられるＣＮＴ膜の面積を大きくするだけでは、加速器用カソードのＣＮＴ層として性能が不十分であった。
【００１７】
▲２▼　ディスプレイ用カソードは低電圧を印加した状態での使用が前提であるため、加速器用カソードのように放電が生じるような高電圧を印加した状態で使用することはない。このため、ディスプレイ用カソードにおいては、放電によってＣＮＴ層がカソード本体から剥離することを心配する必要はない。よって、カソード本体とＣＮＴ層との接合強度は考慮されておらず、強度不足である。
【００１８】
▲３▼　ディスプレイ用カソードでは、カソード本体とＣＮＴ層とを樹脂製バインダで接合しているものもあるが、この場合、良好な真空下では樹脂製バインダに脱ガスが生じてしまい、加速器の性能が低下する。
【００１９】
▲４▼　樹脂製バインダを用いてカソード本体とＣＮＴ層とを接合・固定すると、カソード本体とＣＮＴ層との電気伝導が良好とならない。
【００２０】
▲１▼〜▲４▼の問題を解決すべく、本発明者らが鋭意研究した結果、本発明に係る高電圧用カソードを創案するに到った。
【００２１】
具体的には、図１に示すように、本発明に係る高電圧用カソード１０は、カソード本体１１の電子放出面（図１中では上面）２１に、面状のＣＮＴろう付け層１２を形成したものである。
【００２２】
ＣＮＴろう付け層１２は、金属ろう材１３中に、ランダムに配向したＣＮＴの粉体（例えば、長さ：数μｍ）１４が所定の割合で、かつ、均一に分散配設されてなるものであり、かつ、金属ろう材１３の表面１３ａからＣＮＴ粉体１４の一部が突起状に露出している。カソード本体１１とＣＮＴろう付け層１２とは（厳密にはカソード本体１１と金属ろう材１３とは）、ろう付けにより強固に接合されている。
【００２３】
ここで、ＣＮＴ粉体１４の配向がランダムであることから、当然、金属ろう材１３の表面１３ａから露出しているＣＮＴ粉体１４の向きもランダムである。このため、カソード本体１１の水平面と垂直又は略垂直な方向を向いて露出しているＣＮＴ粉体１４（以下、垂直露出ＣＮＴと称す）の量（本数）は非常に少ない。しかし、１本のＣＮＴから、電流換算で１ＭＡ／ｃｍ２に相当する大量の電子が放出されるため、この垂直露出ＣＮＴの量はＣＮＴ粉体全体の数％もあれば加速器用カソードに要求される電流を十分に満足することができ、例えば、金属ろう材１３中に、０．１〜１ｍｇ／ｃｍ３の割合のＣＮＴ粉体１４が分散配設されていればよい。
【００２４】
ＣＮＴ粉体１４としては、特に限定するものではなく、市販のＣＮＴ粉体がそのまま適用可能である。
【００２５】
カソード本体１１の構成材としては、真空下での電気特性が良好なものであれば特に限定するものではなく、例えば、銅やステンレス鋼などが挙げられ、その他にも加速器用カソードに慣用的に用いられている全ての金属又は合金が適用可能である。
【００２６】
金属ろう材１３としては、例えば、Ａｇろうなどが挙げられるが、特にこれに限定するものではなく、カソード本体１１とＣＮＴ粉体１４とを電気的及び機械的に良好に接合することができるろう材であればよい。
【００２７】
本発明の好適一実施の形態においては、ＣＮＴ粉体１４を用いた場合について説明を行ったが、特にこれに限定するものではなく、電界集中が生じやすい形状を呈しており、電子を大量に放出するという特性を有している炭素系電子放出材、例えば、カーボンナノファイバー等であれば全て適用可能である。
【００２８】
次に、本発明に係る高電圧用カソードの製造方法を、添付図面に基いて説明する。
【００２９】
本発明に係る高電圧用カソードの製造方法を説明するための断面図を図２，図３に示す。尚、図１と同様の部材については同じ符号を付しており、これらの部材については詳細な説明を省略する。
【００３０】
図２に示すように、カソード本体１１の電子放出面２１に凹部２２を形成し、その凹部２２に、図３に示すように、ＣＮＴろう付け層１２をろう付け接合する。このＣＮＴろう付け層１２が電子放出部を形成する。
【００３１】
具体的には、溶融した金属ろう材１３中に所定の割合でカーボンナノチューブ粉体１４を添加した後、その金属ろう材１３を固化させ、その固化した金属ろう材１３を凹部２２にろう付け接合し、ＣＮＴろう付け層１２を形成する。このろう付け接合時に、金属ろう材１３が再溶融することで、金属ろう材１３中に均等に分散していたＣＮＴ粉体１４は比重差により浮上し、ＣＮＴ粉体１４が金属ろう材１３の表面１３ａ近くに偏った状態で金属ろう材１３が再固化する。また、このろう付け接合段階では、ＣＮＴ粉体１４は金属ろう材１３で完全に覆われており、金属ろう材１３の表面１３ａから露出しているＣＮＴ粉体１４は殆ど存在しない。
【００３２】
このため、ＣＮＴ粉体１４による電子放出点を形成すべく、ＣＮＴ層１２の表面にケミカルエッチング処理を施す。これによって、金属ろう材１３はエッチングされるものの、ＣＮＴ粉体１４はエッチングされないため、ＣＮＴ粉体１４の一部が金属ろう材１３の表面から露出する（図１参照）。ここで、エッチング液には、硝酸又は塩酸などを用いることができる。また、エッチング時間を調整することで、エッチング深さを調整することができ、延いては、露出しているＣＮＴ粉体１４の露出部長さ及び露出量の調整が可能となる。
【００３３】
次に、本発明に係る高電圧用カソードの作用を、添付図面に基いて説明する。
【００３４】
電子放出面として、カソード本体１１の表面に、カソード本体表面と垂直な方向に一方向配向させたＣＮＴが密に配置・配列されたＣＮＴ層を形成し、このカソードに高電圧を印加しても、高エネルギーの加速器用カソードに要求される大電流は発生しない。大電流を発生する電子放出面を得るためには、カソード本体１１の表面に、カソード本体表面と垂直なＣＮＴが、適当な間隔でまばらに配置されたＣＮＴ層を形成する必要がある。
【００３５】
しかし、従来において、ＣＮＴが適当な間隔でまばらに配置されたＣＮＴ膜はなかった。このため、本発明に係る高電圧用カソード１０においては、カソード本体１１の電子放出面に、金属ろう材１３中にランダム配向のＣＮＴ粉体１４を所定の割合で、かつ、均一に分散配設したＣＮＴろう付け層１２をろう付け接合し、かつ、エッチングによってＣＮＴろう付け層１２の表面からＣＮＴ粉体１４の一部を突起状に露出させることで、ＣＮＴが、適当な間隔でまばらに配置されたＣＮＴ層を形成している。
【００３６】
図１におけるカソード１０のＣＮＴろう付け層１２で大電流が発生する理由を詳細に説明すると、ＣＮＴろう付け層１２の要部Ｂの拡大図を図４に示すように、電界Ｅ中において、金属ろう材１３の表面１３ａから、ＣＮＴ粉体１４が、表面１３ａに垂直（又は略垂直）な方向に、かつ、突起状に露出していると、ＣＮＴ粉体１４の露出部以外のＣＮＴろう付け層１２の表面では等電位線Ｌは一様（粗）のままである。これに対して、線径が非常に細いＣＮＴ粉体１４が突起状に露出した部分では、等電位線Ｌが密になる。このため、露出したＣＮＴ粉体１４の先端部分から電子ｅが放出され易くなる。
【００３７】
よって、カソード１０に高電圧を印加すると、露出したＣＮＴ粉体１４の先端部分から、電流換算で１ＭＡ／ｃｍ２に相当する大量の電子が電界Ｅの方向のみに放出され（図４参照）、大電流が発生する。ここで、大電流の発生に伴って、露出したＣＮＴ粉体１４の先端は高温になるが、耐熱性に優れたカーボンであることから、ＣＮＴ粉体１４の先端において熱損傷が生じることはない。よって、カソード１０の耐久性は良好である。
【００３８】
また、カソード本体１１とＣＮＴ粉体１４とのバインダとして金属ろう材１３を用いているため、金属ろう材１３及びＣＮＴ粉体１４で構成されるＣＮＴろう付け層１２は、カソード本体１１に強固に接合される。よって、放電が生じるような高電圧を印加しても、カソード本体１１からＣＮＴろう付け層１２が剥離することはない。また、金属ろう材１３は、樹脂製バインダ等と比較して脱ガスが少ないことから、良好な真空状態を作り出せる。
【００３９】
さらに、バインダとして金属ろう材１３を用いているため、樹脂製バインダと比較して、カソード本体１１とＣＮＴ粉体１４との電気伝導が良好となる。よって、露出したＣＮＴ粉体１４の部分から、電子が、より放出され易くなる。
【００４０】
また、カソード１０は、ヒータなしでも、電圧を印加するだけで大量の電子を放出するため、加速器用カソードに要求される性能を十分に満足するコールドカソードとなる。よって、このカソード１０を電子源として用いた装置、例えば、電子銃においては、ヒータ加熱による機器寿命の低下を招くことはない。また、このカソード１０におけるＣＮＴ粉体１４から放出される電子ｅの放出方向は、電界Ｅの方向のみであることから（図４参照）、電子線の品質は良好である。
【００４１】
また、カソード１０は、電子放出面（ＣＮＴろう付け層１２）を、高価なＣＮＴ膜体ではなく、比較的安価なＣＮＴ粉体１４を用いて構成していることから、従来の高電圧用カソードと比較して、製造コストが大幅に上昇することはない。
【００４２】
本発明に係る高電圧用カソード１０は、加速器の電子銃のカソードの他に、送信管のカソードにも適用することができる。また、高電圧が印加され、大電流が要求される全てのカソードにも適用可能である。さらに、高電圧用のカソードだけに限定するものではなく、電子線描画、低電圧での電子線照射、太陽電池などに用いられるカソード・電極にも適用可能である。
【００４３】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００４４】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、カソード本体の表面に、カーボンナノチューブを金属ろう材でろう付け接合することで、カソードを加熱するヒータがなくても、大量の電子を放出する高電圧用カソードを得ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高電圧用カソードの断面図である。
【図２】本発明に係る高電圧用カソードの製造方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明に係る高電圧用カソードの製造方法を説明するための断面図である。
【図４】図１のＣＮＴろう付け層における要部Ｂの拡大図である。
【図５】熱放出型のカソードの回路の一例を示す図である。
【図６】図５のカソードから電子が放出される様子を模式した図である。
【図７】コールドカソードの回路の一例を示す図である。
【図８】図７のカソードから電子が放出される様子を模式した図である。
【符号の説明】
１０　高電圧用カソード
１１　カソード本体
１３　金属ろう材
１３ａ　金属ろう材の表面
１４　ＣＮＴ粉体（カーボンナノチューブ又はカーボンナノチューブ粉体）
【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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