(57)【要約】【課題】大電流を得ることのできる電子放出源、及びそれを陰極部に用いたマグネトロンを提供すること。【解決手段】熱ＣＶＤ装置内に一酸化炭素及び水素ガスの混合ガスを導入し、ガス雰囲気中にてＭｎ成分含有率が１．５％以上のステンレスからなる陰極基板１０を４５０〜６００℃に加熱し、陰極基板１０の表面にガスを反応させることで、陰極基板１０の表面に存在するＮｉあるいはＦｅなどを核として陰極基板１０の表面にグラファイトナノファイバーを成長させグラファイトナノファイバー薄膜１１を形成し電界電子放出源を構成した。【選択図】図１
2007004991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極基板の材料にＭｎ成分含有率１.５％以上のステンレス材を用い、前記陰極基板の表面に炭素含有ガスを用い熱ＣＶＤ法により、グラファイトナノファイバー薄膜が形成されたことを特徴とする電界電子放出源。
【請求項２】
前記熱ＣＶＤ法で使用する炭素含有ガスは一酸化炭素及び水素ガスの混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載の電界電子放出源。
【請求項３】
前記陰極基板の材料がオーステナイト系ステンレスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電界電子放出源。
【請求項４】
前記陰極基板の材料であるオーステナイト系ステンレスにおいてＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｊ１、ＳＵＳ３０４Ｊ２、又はＳＵＳ３０４Ｊ３のいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の電界電子放出源。
【請求項５】
請求項１から４記載の電界電子放出源を陰極部に備えたことを特徴とするマグネトロン。
【請求項６】
請求項５に記載のマグネトロンをマイクロ波発生手段として用いたマイクロ波応用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界電子放出素子であるグラファイトナノファイバー薄膜から電子を放出する電界電子放出源、及びそれを用いたマグネトロン及びマイクロ波応用装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電界電子放出素子である炭素繊維、より具体的にはグラファイトナノファイバーを用いた電界電子放出源は、触媒となる金属表面に炭素含有ガスを使用し、熱ＣＶＤ法などを用いてグラファイトナノファイバーを成長させ電界電子放出源を形成している。
【０００３】
例えば、ガラス基板又はシリコン（Ｓｉ）基板上に鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）又はこれらの金属を少なくとも１種類を含んだ合金の触媒金属薄膜を蒸着した基板に、熱ＣＶＤ法にてグラファイトナノファイバーを成長させたものがある。
【０００４】
成長させたい基板を公知の熱ＣＶＤ装置内に設置し、１Ｐａ程度の真空にする。その後、水素ガスと一酸化炭素ガスとの混合を装置内に導入し、１気圧程度でガスフローし、電気炉を用いて基板の温度を６５０℃にし、この温度で３０〜６０分間反応させ、基板上にグラファイトナノファイバーを成長させる。この時のグラファイトナノファイバーの径は１０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲内で混在されたものとなっている。
【０００５】
このグラファイトナノファイバーを用いた電界電子放出源の場合、印加電圧５ｋＶ/ｍｍにて１００ｍＡ/ｃｍ2の電流量を確認することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）の基板上に、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、水銀（Ｈｇ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）及びタリウム（Ｔｌ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属から構成された触媒金属粒子を付着させる方法、又はそれらの触媒金属で薄膜の形成を行うような、触媒金属を限定し、さらに炭素繊維薄膜の成長を促進させるものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
まず、電界放出現象は、物質の表面付近に高電界(１０9Ｖ/ｍ程度)を加えることにより、物質表面のポテンシャル障壁が薄くなり、電子の波動性により生ずるトンネル効果により、電子がポテンシャル障壁を乗り越えることなく外へ放出する現象である。しかし陰極の電圧が数ｋＶ〜数十ｋＶの範囲にある数ｃｍ帯域のマグネトロンの場合、陰極表面の電界強度は１０7Ｖ/ｍであり、２ケタほど電界を強くしないと電界放出は生じない。よってマグネトロン用陰極において電界放出をするには、電界放出する為の電極は針や箔など先端の曲率半径が小さい構造にし、電界集中効果を高める必要が有る。
【０００８】
図７は従来の電界電子放出源を陰極部に備えたマグネトロンの要部縦断面図である。図７に示されるように、一次電子放出源として、ステンレスを用いた円筒状の陰極基板１を８００〜９００℃に保ち、アセチレンやメタンなどの炭化水素系の希釈ガスを熱ＣＶＤ法にて陰極基板１の表面に存在するニッケル（Ｎｉ）あるいは鉄（Ｆｅ）などを核として陰極基板１の表面と垂直に向きの揃った配向性カーボンナノチューブ２を成長させた電界電子放出源を陰極に用いている。さらに、上記した一次電子放出源の不足電子を補うため、二次電子放出源として、円筒状の陰極基板３に炭酸バリウムを熱ＣＶＤ法にて蒸着、後に８００℃にて加熱し酸化バリウムに分解し、酸化物膜４を形成した二次電子放出源を、カーボンナノチューブ２を生成した円筒状の陰極基板１からなる一次電子放出源の軸方向両端に配置したものである。この配向性カーボンナノチューブ２を成長させた一次電子放出源である陰極基板１と、二次電子放出源である酸化物膜４を側面に形成した陰極基板３を、上下のエンドハット５で挟んで構成した陰極部６を複数の陽極ベイン７を備えた既存の分割陽極の中心軸上に配置してマグネトロンを構成している。このように構成されたマグネトロンの陽陰極間に電圧を印加すると、配向性カーボンナノチューブ２にて電界電子放出現象が生じ電子が放出される。放出された電子は軸方向の直流磁界８によってサイクロイド運動をしながら陰極の二次電子放出源である酸化物膜４に衝突し、二次電子が放出される。そのことにより作用空間９内の電子を雪崩式に増大させることができる。この陰極を用いたマグネトロンに陽陰極間電圧６．０ｋＶを印加することにより、最大５０ｍＡの電流が放出され、２．４５ＧＨｚにて最大２００Ｗの発振を得ている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００１−２８８６２５号公報
【特許文献２】特開２００２−１９７９６５号公報
【特許文献３】特開２００３−２４２８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の陰極基板となるステンレスの基板表面に熱ＣＶＤ法にて成長させたグラファイトナノファイバーなどの炭素繊維を用いた電界電子放出源は、大電流を得ることはできず、マグネトロンなどの大電流を必要とする陰極部には不向きであるという課題が有る。
【００１０】
例えば、上記特許文献１記載のグラファイトナノファイバーを用いた電界電子放出源の場合においても５ｋＶ/ｍｍにて１００ｍＡ/ｃｍ2程度の電流量しか放出することができない。そのため大電流が必要なマグネトロンなどの陰極部には特許文献３に記載されたように二次電子放出源などの付加物の効果なくしては実用上不向きである。そのため、二次電子放出素子である酸化物膜などをさらに形成しなければならず、生産性やコスト性の問題が上げられる。
【００１１】
また、従来のグラファイトナノファイバーを用いた電界電子放出源は径が１０〜６００ｎｍの範囲のものが混在し、径の大きさがバラバラである。そのため１本１本のグラファイトナノファイバーのアスペクト比が異なり、その電界電子放出源に同じ電圧をかけても、各々のグラファイトナノファイバーにかかる電界強度が大きく違ってくる。そのため、径が細い、つまり、アスペクト比の大きいグラファイトナノファイバーは強電界に耐えきれず劣化し、電界電子放出源の電流量の減少につながる可能性がある。
【００１２】
さらに、マグネトロンに組み込む場合においても、バックボーンバードメントなどの影響により、径の小さい、細いグラファイトナノファイバーは劣化し電界電子放出源の電流量の減少につながる可能性がある。
【００１３】
他にも、電界電子放出素子の電流量増加を行うため、上記特許文献２に記載されたような限定した触媒金属を基板上に蒸着を行う方法や、その金属粒を基板表面に付着させ炭素繊維の成長を促進させる方法があるが、基板上に蒸着、金属付着などを行うと時間とコストがかかってしまう。
【００１４】
本発明は、前記課題に鑑み、電界電子放出素子であるグラファイトナノファイバーを用いて安易に大電流を得ることのできる電界電子放出源、及び、それを用いたマグネトロン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】
上記従来の課題を解決するために、本発明の電界電子放出源は、陰極基板の材料にマンガン（Ｍｎ）成分含有率１.５％以上のステンレス材を用い、前記陰極基板の表面に炭素含有ガスを用い熱ＣＶＤ法により、グラファイトナノファイバー薄膜が形成された構成を有している。
【００１６】
かかる構成によれば、電界電子放出源において、大電流を得ることのできるグラファイトナノファイバーを熱ＣＶＤ法にて成長させることができ、大電流型の電界電子放出源を形成することができる。
【００１７】
また、熱ＣＶＤ法で使用する炭素含有ガスは一酸化炭素及び水素ガスの混合ガスであることが好ましい。
【００１８】
また、陰極基板の材料がオーステナイト系ステンレスであり、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｊ１、ＳＵＳ３０４Ｊ２、又はＳＵＳ３０４Ｊ３のいずれかであることが好ましい。
【００１９】
また、本発明のマグネトロンは、上記の電界電子放出源を陰極部に備えてマグネトロンが構成されている。
【００２０】
かかる構成によれば、安易な構成で大電流型の電界電子放出源を備え高出力のマグネトロンを得ることができる。
【００２１】
また、本発明のマイクロ波応用装置は、上記の電界電子放出源を陰極部に備えたマグネトロンをマイクロ波発生手段として備えた構成を有している。
【００２２】
かかる構成によれば、高出力が可能な電界電子放出型マグネトロンを用いたマイクロ波発生装置、及びその装置を用いたマイクロ波応用装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の電界電子放出源によれば、炭素繊維であるグラファイトナノファイバーを用いて安易に大電流を得ることのできる電界電子放出源を得ることができる。
【００２４】
また、電界電子放出型のマグネトロン、そのマグネトロンを用いたマイクロ波発生装置、及びその装置を用いたマイクロ波応用装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における電界電子放出源の側面断面図である。図１において、ステンレスのＭｎ成分が高含有量である陰極基板１０にグラファイトナノファイバー薄膜１１を形成した電界電子放出源である。
【００２７】
本実施の形態では、公知の熱ＣＶＤ装置内に一酸化炭素及び水素ガスの混合ガスを導入し、ガス雰囲気中にてステンレス材からなる陰極基板１０を４５０〜６００℃に加熱し、熱ＣＶＤ法にて陰極基板１０の表面にガスを反応させることで、陰極基板１０の表面に存在するＮｉあるいはＦｅなどを核として陰極基板１０の表面にグラファイトナノファイバーを成長させてグラファイトナノファイバー薄膜１１を形成した電界電子放出源である。
【００２８】
なお、マグネトロンの陰極部である円筒状の陰極基板を組み込むにあたり、マグネトロンの作用空間内の磁場に影響を与えないために、非磁性で、さらに、Ｎｉ，Ｆｅなどを成分として含有している材料であることが重要となるので、今回、オーステナイト系ステンレスを基板材料として用いた。より具体的には、ＪＩＳのＳＵＳ３０４においてＭｎ含有量が質量１.７５％のステンレスを陰極基板１０として用いた。
【００２９】
上記陰極基板１０を熱ＣＶＤ装置内に一酸化炭素及び水素ガスの混合ガスを導入したガス雰囲気中にて５５０℃で８０分加熱した。以上の方法でグラファイトナノファイバー薄膜１１を陰極基板１０の表面に成長させた。このときのグラファイトナノファイバーの径は３００〜４００ｎｍの範囲であった。
【００３０】
その陰極基板を用いた電子放出源は、陽陰極間に電圧を３ｋＶ/ｍｍ印加した場合において最大１２０ｍＡ/ｃｍ2の電流量を確認することができた。
【００３１】
また別途、ステンレスのＭｎ含有量が質量１.５％以下である陰極基板１０にグラファイトナノファイバーを形成した。より具体的には、ＪＩＳのＳＵＳ３０４においてＭｎ含有量が質量０.８８％のステンレスを陰極基板１０として用いた。陰極基板１０に上記同様、熱ＣＶＤによる処置を施し、陰極基板１０の表面にグラファイトナノファイバー薄膜１１を成長させた。このときのグラファイトナノファイバーの径は１００〜３００ｎｍ程度であり、その電子放出源は陽陰極間に電圧を３ｋＶ/ｍｍ印加した場合において２０ｍＡ/ｃｍ2程度の電流量しか確認することができなかった。
【００３２】
また、ＳＵＳ３０４のステンレスにおいて、Ｍｎ成分含有率が異なるものを陰極基板として用いてグラファイトナノファイバー薄膜を形成した電界電子放出源を複数作成し、それぞれの電界電子放出源について実験を行った。図２は陽陰極間に電圧を３ｋＶ/ｍｍ印加時の陰極基板のＭｎ成分含有率と電流量（エミッション量）の相関を示すグラフ、図３は陰極基板のＭｎ成分含有率と陰極基板上に成長したグラファイトナノファイバー（ＧＮＦ）の径の相関を示すグラフである。
【００３３】
図２，図３のグラフに示される実験結果から分かるように、陰極基板であるＳＵＳ３０４内のＭｎ成分含有率が１.５％未満の場合においては電流量が２０ｍＡ/ｃｍ2程度、又はそれ以下の電流量しか確認することはできなかったが、Ｍｎ成分含有量が１.５％以上の場合においては急激な電流量の増加が見られた。また、同様にＳＵＳ３０４内のＭｎ成分含有率が１.５％未満の場合においてはグラファイトナノファイバーの径が平均で１００ｎｍ程度であったが、Ｍｎ成分含有率が１.５％以上においてはグラファイトナノファイバーの径が平均で３００ｎｍ以上であった。
【００３４】
また、図４は、Ｍｎ成分含有率が０．８８％のステンレスを陰極基板に用いて成長させたグラファイトナノファイバーの走査型電子顕微鏡（倍率２００００倍）写真であり、グラファイトナノファイバーは径が１０ｎｍ〜２００ｎｍの混在したものが成長しているが、図５に示されるＭｎ成分含有率が１．７５％のステンレスを陰極基板に用いて成長させたグラファイトナノファイバーの走査型電子顕微鏡（倍率２００００倍）写真では、グラファイトナノファイバーの径が３００〜４００ｎｍと大きく、揃ったものを成長させることができた。
【００３５】
また、これと同様の実験をＳＵＳ３０４Ｊ１、ＳＵＳ３０４Ｊ２、ＳＵＳ３０４Ｊ３を用いた陰極基板でも同様の結果を得ることができた。
【００３６】
このことにより、陰極基板として用いるＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｊ１、ＳＵＳ３０４Ｊ２、ＳＵＳ３０４Ｊ３内のＭｎ成分含有率が１.５％以上のものにおいて、径の大きく、揃ったグラファイトナノファイバーを成長させることができ電流量の増加を得ることができた。つまり、強電界やバックボーンバードメントなどによる劣化に強く、大電流を得ることのできる、電界電子放出源を形成することが可能になった。
【００３７】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２における電界電子放出源を用いたマグネトロンの要部を示す縦断面図である。図６において、図１及び図７と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００３８】
本実施の形態では、上記実施の形態１における電界電子放出源の生成法と同様に、陰極部の円筒状の陰極基板１２の外周面表面に熱ＣＶＤ法でグラファイトナノファイバー薄膜１１を成長させる。このとき、陰極基板１２にはマンガン（Ｍｎ）が１.７５％の含有量を有するＳＵＳ３０４を使用した。そのグラファイトナノファイバー薄膜１１を形成した円筒状の陰極基板１２を上下のエンドハット５で挟んで陰極部１３を構成した。
【００３９】
また、分割陽極である陽極ベイン７は既存のマグネトロン(１０分割、内径８ｍｍ)のものとし、上記の陰極部１３を陽極ベイン７と同軸上に配置し、マグネトロン真空管として組み立てた。軸方向に一対の磁石（図示せず）を配置し３５０ｍＴの直流磁界８を生じさせ、陰極部１３に電圧を−５.０ｋＶ印加した。陽陰極間電圧のため生じる半径方向の電界によって、陰極部１３のグラファイトナノファイバー薄膜１１にて電界放出現象が生じ、電子が放出された。
【００４０】
陰極部１３のグラファイトナノファイバー薄膜１１にて放出された電子は、作用空間９中を直流磁界８によってサイクロイド運動し、陽陰極間に最大２８０ｍＡの電流が流れ、２.４５ＧＨｚにて最大９００Ｗの発振を確認できた。
【００４１】
また、その電界放出型のマグネトロンを高周波加熱装置である電子レンジに組込み、動作することが確認できた。
【００４２】
また、これと同様の実験をＳＵＳ３０４Ｊ１、ＳＵＳ３０４Ｊ２、ＳＵＳ３０４Ｊ３を用いた円筒状基板にて上記と同様にマグネトロン陰極を作製し、電子レンジに組み込んで動作確認を行い、同様に動作することを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の電界電子放出源は、安易な構成で大電流を得られるので、フィールドエミッションディスプレイ等に有用である。また、その電界電子放出源を用いたマグネトロンはマイクロ波発生装置、及びその装置を用いたマイクロ波応用装置である高周波加熱装置、レーダー、航空機、船舶、宇宙船、ロケット等に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態１における電界電子放出源の側面断面図
【図２】陽陰極間に電圧を３ｋＶ／ｍｍ印加時の陰極基板のＭｎ成分含有率と電流量（エミッション量）の相関を示すグラフ
【図３】陰極基板のＭｎ成分含有率と陰極基板上に成長したグラファイトナノファイバー（ＧＮＦ）の径の相関を示すグラフ
【図４】Ｍｎ成分含有率が０．８８％のステンレスを陰極基板に用いて成長させたグラファイトナノファイバーの走査型電子顕微鏡（倍率２００００倍）写真
【図５】Ｍｎ成分含有率が１．７５％のステンレスを陰極基板に用いて成長させたグラファイトナノファイバーの走査型電子顕微鏡（倍率２００００倍）写真
【図６】本発明の実施の形態２における電界電子放出源を用いたマグネトロンの要部断面図
【図７】従来の電界電子放出源を陰極部に備えたマグネトロンの要部断面図
【符号の説明】
【００４５】
５  エンドハット
７  陽極ベイン
８  直流磁界
９  作用空間
１０，１２  陰極基板
１１  グラファイトナノファイバー薄膜
１３  陰極部
【図１】
2007004991.tif 000003
【図２】
2007004991.tif 000004
【図３】
2007004991.tif 000005
【図６】
2007004991.tif 000006
【図７】
2007004991.tif 000007
【図４】
2007004991.tif 000008
【図５】
2007004991.tif 000009