(57)【要約】【課題】  フィラメントの劣化による変形及び断線を防止して長寿命化を実現し、長時間使用をしても安定した測定感度を維持でき、また、電離真空計に代表される測定器に利用する場合に、線径を細くして高抵抗としケーブルでの電圧降下を減らすことにより全体として低エネルギー化を図ることが可能な熱電子放出用フィラメントを提供することにある。【解決手段】  フィラメント線材の母線となる発熱用の第１の金属としてのタングステンの表面に、酸化防止用の保護膜としての第２の金属としてのイリジウムをコーティングし、前記第２の金属の被膜の表面に熱電子出用のトリウム酸化物またはイットリウム金属酸化物をコーティングするようにする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラメントを加熱して熱電子を放出する熱電子放出用フィラメントであって、フィラメント線材の母線となる第１の金属の表面に、第２の金属をコーティングし、前記第２の金属の被膜の表面に金属酸化物をコーティングしたことを特徴とする熱電子放出用フィラメント。
【請求項２】
前記第１の金属は、タングステン、タンタルまたはモリブデンであることを特徴とする請求項１記載の熱電子放出用フィラメント。
【請求項３】
前記第２の金属は、イリジウムであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱電子放出用フィラメント。
【請求項４】
前記金属酸化物は、トリウム酸化物またはイットリウム酸化物であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１に記載の熱電子放出用フィラメント。
【請求項５】
前記第１の金属は、融点が前記第２の金属の融点よりも高いことを特徴とする請求項１記載乃至請求項４のうち、いずれか１に記載の熱電子放出用フィラメント。
【請求項６】
前記金属酸化物は、前記第２の金属の表面に熱電子を発生する領域のみコーティングしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のうち、いずれか１に記載の熱電子放出用フィラメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空中の気体分子を励起またはイオン化することにより真空中の圧力またはガス種の分圧を測定する測定器等に使用可能な熱電子放出用フィラメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、フィラメントを真空中に置き、これにフィラメント電流を通電して加熱し、高温状態にして熱電子を放出させることは行われており、このような用途の一つとして、前記フィラメントを使用して熱電子を放出し真空中の気体分子を励起またはイオン化することにより真空中の圧力またはガス種の分圧を測定する測定器として電離真空計がある。
【０００３】
図２は、熱電子放出用フィラメントを用いた電離真空計のブロック図である。図２に示すように、熱電子放出用フィラメント２０を使用した電離真空計は、熱電子放出用フィラメント２０とグリッド３とイオンコレクタ５からなる測定子と、フィラメント通電回路１０とエミッション検出制御回路１１と高電圧印加回路１２とイオン電流検出回路１３とからなる制御部で構成される。
【０００４】
フィラメント通電回路１０はケーブル１４を介して、熱電子放出用フィラメント２０のフィラメント線材に電流を通電し、熱電子放出用フィラメント２０を加熱する。エミッション検出制御回路１１は、熱電子放出用フィラメント２０から放出される電子電流を検出して、電子電流が常に一定値となる様に、熱電子放出用フィラメント２０を通電加熱するフィラメント通電回路１０から出力される通電電流電圧を制御している。
【０００５】
コイル状に形成されたグリッド３は、熱電子放出用フィラメント２０に対してプラスの電位を与えて、熱電子放出用フィラメント２０から放出される熱電子に気体をイオン化するのに十分なエネルギーを与えるためのものである。
【０００６】
針状の形状をなすイオンコレクタ５は、通常グラウンド電位、即ち０Ｖとなっている。この様な電位配置において、熱電子放出用フィラメント２０が適切な温度に上昇すると電子のエネルギーが真空中に飛び出すために必要となる仕事関数の値を超え、熱電子は熱電子放出用フィラメント２０の表面から放出される。放出された熱電子は電位の高いグリッド３が格子状となっているため、グリッド３にその大部分が直接飛び込むことは無く、様々な軌道を描いた後に最終的にこの電位の高い格子状のグリッド３に流れ込む。グリッド３に電子が流れ込む前に真空中の気体分子との衝突が起これば、気体分子はイオン化され、イオン化された気体分子はイオンコレクタ５に流れ込み、イオン電流検出回路１３によりコレクタ電流を検出して、コレクタ電流から真空度を測定する。
【０００７】
特開平７−１５１８１６（特許文献１）はその一例が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−１５１８１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
熱電子放出用フィラメント２０としては、母線であるフィラメント線材をイリジウムで構成するものが現在よく知られている。イリジウムは、化学反応性が非常に低く安定した性質を有する金属であるため、母線であるフィラメント線材をイリジウムによって構成したフィラメント２０は、真空中に残存する酸素と反応し難く、変質による断線を防止でき、フィラメント寿命が長いという利点があるからである。
【００１０】
しかしながら、母線であるフィラメント線材をイリジウムで構成する場合、イリジウムは、化学反応性が低く安定した性質を有しているもののその融点が２７２７Ｋであり、母線であるフィラメント線材をイリジウムで構成した熱電子放出用フィラメント２０を約１５００乃至１６００Ｋの温度で長時間動作させると、熱電子放出用フィラメント２０が変形を起こしてしまう。このような変形が起きると、例えば、電離真空計では熱電子放出用フィラメント２０から放出される電子がグリッド３に到達する迄の電子軌道が変化するため、真空計として重要な測定の感度が変化するという問題があった。
【００１１】
このため熱電子放出用フィラメント２０を長時間動作させても変形が少ない熱電子放出用フィラメントが求められている。
【００１２】
また、測定器の低パワー化については、熱電子放出用フィラメント２０の抵抗値を高くして、熱電子放出用フィラメント２０とケーブルで消費される電力を低減することが有効である。けだし、熱電子放出用フィラメント２０での抵抗値が高くなれば、電流値が減少し、ケーブルで消費される電力、即ち、電圧降下が低くなる。
【００１３】
しかしながら、前記の通り、フィラメント線材の母線をイリジウムで構成した熱電子放出用フィラメント２０には変形するという問題があるため、線径を細くすればするほど変形しやすくなり、測定感度の安定性を維持することができなくなるという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明は、従来の熱電子放出用フィラメントの欠点に鑑みてなされたものであり、すなわち、イリジウムの化学反応性が低く安定性に優れた性質を活かして、フィラメントの長寿命化を図るとともに、フィラメントの変形を防止して長期間安定した測定感度を維持することができる。さらに、線材の線径を細くして高抵抗とし、ケーブルでの電圧降下を減らすことにより全体として低エネルギー化が図れる電離真空計等に利用可能な熱電子放出用フィラメント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】
【００１５】
本発明による熱電子放出用フィラメントは、フィラメントを加熱して熱電子を放出する熱電子放出用フィラメントであって、フィラメント線材の母線となる第１の金属の表面に、第２の金属をコーティングし、前記第２の金属の被膜の表面に金属酸化物をコーティングしたものである。ここで、フィラメント線材の母線とは、フィラメントの線材としての構造を支える芯となる部分である。また、本発明による熱電子放出用フィラメントの前記第１の金属は、タングステン、タンタルまたはモリブデンからなるものである。また、本発明による熱電子放出用フィラメントの前記第２の金属は、イリジウムからなるものである。また、本発明による熱電子放出用フィラメントの前記金属酸化物は、トリウム酸化物またはイットリウム酸化物からなるものである。また、本発明による熱電子放出用フィラメントの前記第１の金属は、融点が前記第２の金属の融点よりも高いものである。また、本発明による熱電子放出用フィラメントの前記金属酸化物は、前記第２の金属の表面に熱電子を発生する領域のみコーティングしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による熱電子放出用フィラメントによれば、例えば耐熱性に優れた金属であるタングステンをフィラメント線材の母線とし、タングステンの表面を化学反応性の低い金属であるイリジウムでコーティングして保護膜を設ける構造にしているため、熱電子放出用フィラメントを加熱をしても、タングステンが直接酸素ガス等と触れず劣化による断線を防止することができ、長寿命化を図ることが可能である。
【００１７】
また、本発明による熱電子放出用フィラメントによれば、前記のように長時間の発熱によっても変形し難く断線を防止できるので、電離真空計に代表される測定器に利用する場合に、線径を細くして高抵抗とし、ケーブルでの電圧降下を減らすことにより全体として低エネルギー化を図ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明による熱電子放出用フィラメントの実施の形態について図１を参照して説明する。図１（ａ）は、本発明による熱電子放出用フィラメントの中心軸に沿った断面図、（ｂ）は、フィラメントの径方向の断面図である。
【００１９】
図１に示すように、熱電子放出用フィラメント１は母線である第１の金属（フィラメント線材）１ａと、フィラメント線材１ａの表面に金属被膜を形成する第２の金属１ｂと、第２の金属１ｂの表面に熱電子放出用の金属酸化物１ｃとで構成されている。
【００２０】
母線となるフィラメント線材１ａは、熱電子を放出する熱電子放出用の金属酸化物１ｃを加熱するためのものである。また、熱電子放出用フィラメント１の構造を支える部分でもあり、長時間使用による加熱などにより変形しないことが必要である。フィラメント線材１ａには、フィラメント線材１ａの構造を支えるものとして耐熱性が高いタングステン、タンタルまたはモリブデンが使用されている。
【００２１】
フィラメント線材１ａとしてのタングステンの融点は３６５５Ｋであり、タンタルの融点は３２１９Ｋであり、また、モリブデンの融点は２８８３Ｋであり、いずれも高融点金属である。
【００２２】
タングステン、タンタルまたはモリブデンはいずれも耐熱性の高い金属ではあるが、フィラメントとして使用する高温度条件では酸素ガス等と容易に結合するので、酸化物として放出されて劣化し断線に至ってしまう。この断線を防ぐため、その表面にイリジウムの被膜をスパッタリング法等により形成する。イリジウムは、前記の通り、化学反応性が非常に低く、酸素ガス等と反応を起こし難いため、酸化防止等の保護膜として使用している。イリジウムの融点は２７２７Ｋであり、母線となるフィラメント線材１ａとしてのタングステン、タンタルおよびモリブデンの各融点よりも低くなっている。なお、母線となるフィラメント線材１ａの表面にコーティングするイリジウムの被膜は、１μｍ程度の厚さを有するようにするのが好適であるが、保護膜１ｂは、タングステン等が外気と接しないためのものであり、イリジウムの被膜厚を１μｍ以下にしてもよい。
【００２３】
以上述べたように、母線であるフィラメント線材１ａのタングステン、タンタルまたはモリブデンの表面にイリジウム（第２の金属１ｂ）をスパッタリング法等によりコーティングすることにより、長時間の発熱により生ずる劣化による変形を防止でき、フィラメント線材１ａのタングステン、タンタルまたはモリブデンが酸素ガス等と結合して化学反応を起こすことがないため、長時間使用することができる。また、フィラメント線材１ａとしてのタングステン、タンタルまたはモリブデンは、十分な耐熱性を有しているため、フィラメント線材１ａの線径を細くすることにより、高抵抗の熱電子放出用フィラメントを構成することができ、ケーブル１４（図２に示す）に流れる電流値を低く抑えることができる。従ってケーブル部での電圧降下が小さくなるため、電離真空計に代表される測定器に使用する場合に、低エネルギー化を図ることができる。なお、フィラメント線材１ａの直径は、０．１ｍｍから０．２ｍｍの径を有するようにするのが好適であるが、かかる範囲に限定されるものではない。
【００２４】
また、本発明による熱電子放出用フィラメント１のイリジウム（第２の金属１ｂ）の表面には、熱電子を放出する金属酸化物１ｃがコーティングされている。熱電子放出用の金属酸化物１ｃにはトリウム酸化物またはイットリウム酸化物が使用される。トリウム酸化物またはイットリウム酸化物は、約１５００Ｋ〜１６００Ｋの温度で所要の熱電子を放出することが可能な材料である。
【００２５】
また、本発明による熱電子放出用フィラメント１は、フィラメント上で熱電子放出を行う範囲のみ金属酸化物１ｃをコーティングすることにより、金属酸化物１ｃをコーティングしない箇所からは熱電子が放出されないため、フィラメント上に熱電子遮蔽のための被膜をコーティングする必要がない。
【００２６】
なお、以上説明した熱電子放出用フィラメント１の形状はＵ字型としているが、全体形状は本質的な問題ではなく、熱電子放出用フィラメント１の形状は線状であっても、コイル巻き状であっても良い。
【００２７】
以上のことから、本発明の熱電子放出用フィラメント１によれば、耐熱性に優れたタングステンをフィラメント線材の母線としているので、電離真空計に使用すれば加熱によって変形することはなく、長期間使用をしても熱電子がグリッド３に至るまでの軌道に大きな差異は生じず、安定した測定感度を維持することが可能である。
【００２８】
また、本発明の熱電子放出用フィラメント１によれば、線径を細くし高抵抗とすることによりケーブル１４での電圧降下を減らすことができるので、全体として低エネルギー化が図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による熱電子放出用フィラメントに使用している金属材料の構成を示す断面図であり、（ａ）は、熱電子放出用フィラメントの中心軸に沿った断面図、（ｂ）は、熱電子放出用フィラメントの径方向の断面図である。
【図２】従来の熱電子放出用フィラメントを用いた電離真空計のブロック図を示す。
【符号の説明】
【００３０】
１      本発明による熱電子放出用フィラメント
１ａ    第１の金属（フィラメント線材）
１ｂ    第２の金属（保護膜）
１ｃ    金属酸化物（電子放出用コーティング酸化物）
３      グリッド
５      イオンコレクタ
１０    フラメント通電回路
１１    エミッション検出制御回路
１２    高電圧印加回路
１３    イオン電流検出回路
１４    ケーブル
２０    従来の熱電子放出用フィラメント
【図１】
2005259606.tif 000003
【図２】
2005259606.tif 000004