(57)【要約】【課題】  構造が簡単で微細加工を必要とせず、装置組み立て後であっても、個々の電子放出ユニットの微調整及び再生が可能な、ダイタモンドを冷陰極として使用した電界電子放出装置を提供する。【解決手段】  湾曲面を有する絶縁性の保持具１と、湾曲面上に配置された複数個の電子放出ユニット２とを有し、各電子放出ユニット２は、ダイヤモンド冷陰極と、この冷陰極に対してギャップをおいて配置された電子引き出し用のグリッド電極とを有し、各電子放出ユニット２から放出された各電子ビーム３が１点（収束点４）に集中するように、各電子放出ユニット２が保持具１の湾曲面上に配置されている。【選択図】図２
2005251502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
湾曲面を有する絶縁性の保持具と、前記湾曲面上に配置された複数個の電子放出ユニットとを有し、前記各電子放出ユニットは、ダイヤモンド冷陰極と、この冷陰極に対してギャップをおいて配置された電子引き出し用のグリッド電極とを有し、前記各電子放出ユニットから放出された各電子ビームが１点に集中するように、前記各電子放出ユニットが前記保持具の前記湾曲面上に配置されていることを特徴とする電界電子放出装置。
【請求項２】
絶縁性の保持具と、この保持具に支持された複数個の電子放出ユニットとを有し、前記各電子放出ユニットは、ダイヤモンド冷陰極と、この冷陰極に対してギャップをおいて配置された電子引き出し用のグリッド電極とを有し、前記各電子放出ユニットから放出された各電子ビームが１点に集中するように、前記各電子放出ユニットが前記保持具に配置されていることを特徴とする電界電子放出装置。
【請求項３】
前記各電子ビームの集中点に配置され、各電子ビームをまとめて一方向に向かわせることにより平行電子ビームを生成する電子ビーム収束ユニットを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電界電子放出装置。
【請求項４】
前記各電子放出ユニットの前記冷陰極及び前記グリッド電極の電位は、電子放出ユニット毎に独立して制御できることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電界電子放出装置。
【請求項５】
前記各冷陰極は、金属製の筒状の隔壁により電磁的に隔離されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電界電子放出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のビームを収束させて強度の大きなビームを発生させることにより、プラスチック等の表面改質、乾式クリーニング、乾式殺菌、Ｘ線源、及び分析用電子源等として利用することができる電界電子放出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、炭素系材料、特にカーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）及び類似物質の創製が急速に進み、ＣＮＴからは高効率（低電界）で真空中に電子が放出されることが見出され、このため、ＣＮＴが電子源として応用され、例えば電子電界放出型の平面パネルディスプレー等が開発されている。最近の研究では、カーボン・ナノチューブだけでなく、殆どの炭素系材料は金属と比較して低電界で電子放出が可能であることが判明している。
【０００３】
しかしながら、放出電子による電流値を高めるためには、炭素系材料に１０kＶ程度の高電圧を印加する必要があり、ＣＮＴのような繊細な材料では、高電流及び残留ガスイオンの衝突によるダメージ等により、その構造が一瞬にして破壊され、電子放出効率も一挙に低下するという問題点がある。従って、その用途は比較的低電圧及び低電流における電子放出に限定されている。
【０００４】
図４は、従来の冷陰極を含む電子放出素子を示す図（特許文献１、図５、段落００２３〜００２４）である。この冷陰極として、カーボン・ナノチューブを使用できることがこの特許文献１に記載されている。図４において、この電界電子放出素子の陰極アッセンブリ２４は、湾曲面２１と電子を放出して電子ビーム２２を発生する冷陰極２３とを含み、冷陰極２３から放出され、収束した電子ビーム２２は陽極アッセンブリ２６の標的域２５に照射される。
【０００５】
しかしながら、この従来技術は、保持具の湾曲した表面に、微細加工を用いて、ゲート電極を一体化した電子放出素子を高密度（１０９素子／ｃｍ２）に配列し、形成したものである。このように、湾曲表面に、微細加工を施すことは実際上極めて困難である。特に、この従来技術においては、高電流の電子ビームを発生させることが困難である。また、この従来技術においては、例えば１０９素子中の１素子でも不良であれば、システム全体が使用できなくなるため、歩留まりが極めて低下し、製造コストが高いという問題点がある。
【０００６】
一方、カーボン・ナノチューブとは異なり、ダイヤモンドは物質中で最も硬い材料であるために、上記のイオン・ダメージの影響が極めて小さい。また、ダイヤモンドは耐熱性に優れており、室温付近の熱伝導率も物質中で最大であるため、熱による影響を受けない。更に、ダイヤモンドには、負の電子親和力（ＮＥＡ）という他の半導体材料には見られない重要な特性がある。この特性により、ダイヤモンドが５．５eＶという広いバンドギャップ（価電子帯と電導帯のエネルギー差）に起因し、電子が一旦電導帯に励起又は注入されると、自発的にダイヤモンド外の真空中に放出されることになる。現時点では、電導帯に電子を注入することは容易ではないが、将来はそのような技術が開発されると考えられる。なお、ＮＥＡ特性を使わなくとも、ダイヤモンドは炭素系材料であり、他の炭素系材料と同じく低電界で電子電界放出できることはいうまでもない。
【０００７】
また、ダイヤモンドは化学気相蒸着（ＣＶＤ）法で基板上にコーティングすることが可能であり、マイクロ波ＣＶＤ法では約６インチ径、熱フィラメントＣＶＤ法では６０ｃｍ×４０ｃｍ程度の広域面積へのコーティングが達成されている。更に、ダイヤモンド自体は高抵抗の電気的絶縁体であるが、ホウ素（Ｂ）をドーピングすることにより、ｐ型半導体や金属的特性を有すること、及びリン（Ｐ）をドーピングすればｎ型半導体となることが知られている。
【０００８】
このように、ダイヤモンド(膜)は電子電界放出材として最適の材料であると考えられる。なお、電子源として現在も熱フィラメント方式が採用されているが、この方式では消費した電流のわずか数％しか放出されず、ほとんどの電流は熱フィラメントを高温に保つことに使われている。従って、熱フィラメント方式では、電子放出効率が低いばかりでなく、フィラメント寿命が短く、装置に冷却設備を付加する必要があるなど、技術的及び製造コスト上の問題点がある。一方、ダイヤモンドは冷陰極としての発熱も少なく、消費電流の殆どが電子放出されるので、熱フィラメント方式における上記問題は全て回避できる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−３３１７６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ダイヤモンドを使用した電界電子放出装置は未だ開発されておらず、その実用化の提案もない。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、冷陰極がダイヤモンドで構成され、微細加工を必要とせず、構造が簡単で、装置組み立て後であっても、個々の電子放出ユニットの微調整及び再生が可能である電界電子放出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願第１発明に係る電界電子放出装置は、湾曲面を有する絶縁性の保持具と、前記湾曲面上に配置された複数個の電子放出ユニットとを有し、前記各電子放出ユニットは、ダイヤモンド冷陰極と、この冷陰極に対してギャップをおいて配置された電子引き出し用のグリッド電極とを有し、前記各電子放出ユニットから放出された各電子ビームが１点に集中するように、前記各電子放出ユニットが前記保持具の前記湾曲面上に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
本願第２発明に係る電界電子放出装置は、絶縁性の保持具と、この保持具に支持された複数個の電子放出ユニットとを有し、前記各電子放出ユニットは、ダイヤモンド冷陰極と、この冷陰極に対してギャップをおいて配置された電子引き出し用のグリッド電極とを有し、前記各電子放出ユニットから放出された各電子ビームが１点に集中するように、前記各電子放出ユニットが前記保持具に配置されていることを特徴とする。
【００１４】
この電界電子放出装置において、前記各電子ビームの集中点に配置され、各電子ビームをまとめて一方向に向かわせることにより平行電子ビームを生成する電子ビーム収束ユニットを設けることができる。
【００１５】
また、前記各電子放出ユニットの前記冷陰極及び前記グリッド電極の電位は、電子放出ユニット毎に独立して制御できるようにすることが好ましい。
【００１６】
更に、前記各冷陰極は、金属製の筒状の隔壁により電磁的に隔離されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本願の第１発明及び第２発明に係る電界電子放出装置によれば、構造が簡単で、製作性及びメンテナンス性が向上し、しかも、各電子放出ユニットの負荷をそれほど増大させることなく、各ユニットから放出されるビームを収束させて高強度の電子ビームを得ることができる。
【００１８】
また、各電子ビームの集中点に電子ビーム収束ユニットを設けることにより、各電子ビームをまとめて一方向に向かわせることにより平行電子ビームを生成することができ、高強度の平行電子ビームとして取り出すことができる。
【００１９】
更に、各電子放出ユニットの冷陰極及びグリッド電極の電位を、電子放出ユニット毎に独立して制御できるようにすることにより、上記効果に加え、更に、個々の電子放出ユニットの動作不良が生じても微調整、修理及び交換により容易に対応することができるという効果を奏する。
【００２０】
更にまた、各冷陰極を、金属製の筒状の隔壁により電磁的に隔離することにより、上記効果に加え、隣接する電子放出ユニット相互間の電場をシールし、電子ビームの直線性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。図１及び図２は、本発明の第１実施形態に係る電界電子放出装置を示す図であって、図１は、その電子放出ユニットを示す図、図２は電界電子放出装置の全体を示す図である。図２に示すように、絶縁性の保持具１は、湾曲した表面１ａを有し、この湾曲面１ａ上に、複数個の電子放出ユニット２が配置されている。この電子放出ユニット２においては、図１に示すように、導電性の冷陰極支持台８が保持具１の湾曲表面（図１においては平面で近似）上に配置されており、この支持台８上にダイヤモンド製の平面状の冷陰極９が固定されている。支持台８は、保持具１の内部に設けられた冷陰極用配線１２に接続されており、この配線１２を介して、支持台８上の冷陰極９が給電されて、駆動される。また、この冷陰極９を取り囲むようにして、筒状の金属製隔壁１１が保持具１上に立設されており、この隔壁１１に接続され、支持された隔壁１０が、冷陰極９の表面に平行で、この冷陰極９の表面から適宜のギャップをおいて配置されている。この隔壁１１は保持具１の内部に設けられたグリッド電極用配線１３に接続されている。これにより、グリッド電極１０及び金属隔壁１１には配線１３を介してグリッド電圧が与えられる。この配線１３を介するグリッド電圧の印加及び配線１２を介する冷陰極９の電圧印加は、各電子放出ユニット２毎に独立して制御することができる。また、冷陰極９が冷陰極９と同電位の隔壁１１により囲まれているので、冷陰極９は隣接する冷陰極（図示せず）からの電場が隔壁１１によりシールされている。なお、ダイヤモンド冷陰極９又は冷陰極支持台８との間の放電を防止するためには、金属隔壁１１の内面に、石英等の絶縁材を配置することが好ましい。
【００２２】
本実施形態においては、図２に示すように、保持具１の湾曲面１ａが球面であり、その断面が円弧状をなす。各電子放出ユニット２のダイヤモンド冷陰極９は、その表面に垂直な線分が湾曲面１ａの円弧により構成される円の中心を通るように、湾曲面１ａ上に配置されている。このため、各電子放出ユニット２の冷陰極９から放出された電子ビーム３は前記円の中心に向けて進行し、従って、各電子ビーム３がこの円の中心である電子ビーム収束点４に集中する。そして、この電子ビーム収束点４には、電子ビーム収束ユニット５が設けられており、この電子ビーム収束ユニット５により、収束点４に収束した電子ビーム３の軌道を保持具１に垂直の方向（一方向）に曲げ、全ての電子ビーム３が収束した平行電子ビーム６を得ることができる。この電子ビーム収束ユニット４は、例えば、磁場で電子ビーム軌道を曲げるものであるが、電子ビーム収束ユニット４の構成はこれに限らず、電場で電子ビーム軌道を曲げるもの等、種々の原理の装置を使用することができる。しかし、電子ビーム軌道を急に曲げるものではなく、徐々に電子ビーム軌道を曲げるものであることが好ましい。また、配線１２，１３は制御装置（図示せず）に接続されており、冷陰極９とグリッド電極１０との間に、冷陰極９が負電位となる電位を付与する。これにより、冷陰極９から電子が放出され、グリッド電極１０により加速された電子ビーム３が生成される。
【００２３】
なお、図２においては図示されていないが、本実施形態の電界電子放出装置の保持具１及び電子放出ユニット２及び電子ビーム収束ユニット５は、真空容器内に収納されており、制御装置は真空容器外に設けられている。また、真空容器にベリリウム（Ｂｅ）等の窓を設けることにより、平行電子ビーム６をこの窓を介して、大気中に取り出すことができる。
【００２４】
上述の如く構成された本実施形態の電界電子放出装置においては、各電子放出ユニット２の冷陰極９に負電圧を印加すると、ダイヤモンド冷陰極９から冷陰極９の表面に垂直に電子ビーム３が発生し、この電子ビーム３は電子ビーム収束点４に向う。そして各電子ビーム３は電子ビーム収束ユニット５により電子ビームの軌道が一方向に揃えられて、強度が高い平行電子ビーム６が生成される。
【００２５】
本実施形態によれば、各電子放出ユニット２が、電子ビーム収束点４を向くように保持具１の湾曲した表面に沿って多数配置されているとともに、電子ビーム収束点４に電子ビーム収束ユニット５を配置したことにより、各電子放出ユニット２で発生したビームを収束点４に集中的に収束させ、電場又は磁場で軌道を揃えて高強度の平行電子ビーム６を取り出すことができる。
【００２６】
本実施形態において、各電子放出ユニットは、電気的に独立に制御できるように構成されている。これにより、各電子放出ユニット間の電圧及び電流のばらつきを抑制することができる。また、時間的なビーム強度を調整し易くなり、その精度が高くなる。また、各電子放出ユニットを独立制御とすることにより、各ユニットのビーム強度を個別に設定することができるので、運転中に一のユニットのみがショート等しても、個別に対応して他のユニットの強度を高めることにより十分対応することができ、メンテナンス性が著しく向上する。
【００２７】
本実施形態において、ダイヤモンド冷陰極９は平面状であったが、本発明はこれに限らず、球面状、凸面状、一部に曲面を有する形状等、種々の形状のダイヤモンド冷陰極を使用することができる。なお、グリッド電極１０は正・負又はアース電極に可変でき、ダイヤモンド冷陰極９からの電子の放出を制御するものである。
【００２８】
次に、本発明の第２実施形態について図３を参照して説明する。本実施形態は、本発明をＸ線発生用の電子源として適用したものである。図３において、図２の実施形態と異なる点は、電子ビーム収束点４に電子ビーム収束ユニット５の代わりに、水冷銅（Ｃｕ）等のターゲット７を配置した点である。このような構成において、収束点４に収束した電子ビーム３はＣｕターゲット７に衝突する。これにより、ターゲット７から幅広のＸ線１４が放射される。
【００２９】
なお、図２及び図３に示す実施形態においては、保持具１の湾曲面１aが球面の凹面であったが本発明は、これに限定されるものではない。保持具の形状としては、図２又は図３のような球凹面の他、一方向のみに凹面が伸びる円柱状の凹面で横断面が湾曲し、縦断面が長方形状の構造であってもよい。この場合、電子ビームが１領域ではなく、線上の領域に照射されることになり、被照射材を移動することにより、幅広材の処理がオンラインでできる。また、保持具は、その電子放出ユニット２を設置する面が電子ビーム３を１点（収束点４）に導くことができるものであれば良く、保持具自体の形状は特に限定されず、目的、装置等によって自由に選択される。従って、電子放出ユニット２を収束点４に向けて配置できれば、湾曲面ではなく平面であっても良い。
【００３０】
湾曲面の場合であっても、湾曲面における電子放出ユニットの配置方法は、特に限定されるものではなく、ビームを収束することができる配置であればよい。電子放出ユニットの配置方法は、例えば、蜂の巣状、六角形状、その他様々な形態とすることができる。
【実施例】
【００３１】
次に、本発明の実施例について説明する。表面に半径２０ｃｍの球状凹面を有するアルミナ材を保持具１とし、該保持具１の凹面を球面の１／４（１２５６ｃｍ２）とし、これに、５００個の電子放出ユニット２に対応するダイヤモンド冷陰極用配線１２およびグッリド電極用配線１３を貫通させる孔を開け、該ダイヤモンド冷陰極用配線１２およびグッリド電極用配線１３を貫通させる孔に対応して、直径１ｃｍのダイヤモンド冷陰極９を多数配置し、各ダイヤモンド冷陰極９を、あらかじめグリッド電極１０を取り付けた金属筒状隔壁１１でそれぞれ隔離し、前記ダイヤモンド冷陰極９にダイヤモンド冷陰極用配線１２を接続するとともに、前記金属筒状隔壁１１にグリッド電極用配線１３を接続して電界電子放出装置を形成した。また、金属筒状隔壁１１の内側に、例えば厚さ０．５ｍｍの石英管を取り付け、ダイヤモンド冷陰極９とグリッド電極１０との間隔は１ｍｍとし、球状凹面の中心部に電子ビーム収束ユニット５を取り付けた。
【００３２】
このような構成の電界電子放出装置において、グリッド電極用配線１３をアース電位とし、ダイヤモンド冷陰極用配線１２に−７ｋＶの電圧を印加したところ、球面の中心部に約５０ｍＡの電流(電子流)が得られた。すなわち、平均して各電子放出ユニット２から０．１ｍＡの電流が放出されたことになる。単一のダイヤモンド冷陰極から５０ｍＡの電子放出を得ることは容易ではないが、本実施例では、各電子放出ユニット２に大きな負荷をかけることなく、強い電子ビームが得られたことになる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の電界電子放出装置は、構造が簡単で、各電子放出ユニットからの放出電流を極限まで増大させるという危険をおかすことなく、ビームを収束させて強度の大きな電子ビームを得ることができる。従って、本発明システムは、例えば、プラスチック等の表面改質、乾式クリーニング、乾式殺菌、Ｘ線源、及び分析用電子源として利用できる有用な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に適用される電子放出ユニットの一例を示す説明図である。
【図２】本発明の第１実施形態である電界電子放出装置を示す説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態である電界電子放出装置を示す説明図である。
【図４】従来技術の説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１：保持具
１a：湾曲面
２：電子放出ユニット
３：電子ビーム
４：電子ビーム収束点
５：電子ビーム収束ユニット
６：平行電子ビーム
７：ターゲット
８：冷陰極支持台
９：ダイヤモンド冷陰極
１０：グリッド電極
１１：金属隔壁
１２：ダイヤモンド冷陰極用配線
１３：グリッド電極用配線
１４：Ｘ線
２１：湾曲面
２２：電子ビーム
２３：冷陰極
２４：陰極アッセンブリ
２５：標的域
２６：陽極アッセンブリ
【図１】
2005251502.tif 000003
【図２】
2005251502.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005251502.tif 000006