(57)【要約】【課題】真空容器を電子線放出方向に長尺化させることなく、フランジ部の大きさに応じて真空容器における沿面距離を長くし放熱性を高める。【解決手段】冷陰極９と陽極１１との間において中空部を有するフランジ部２０ａが形成された真空容器２０を適用する。真空容器２０は、それぞれ筒状の冷陰極側容器２１と陽極側容器２２とを連通させ、その両容器２１，２２の間に中空状のフランジ部２０ａが形成されたものが挙げられる。このフランジ部２０ａの中空部には、例えば集束電極１４，ゲッター材１５が配置される。冷陰極９においては、基板７に形成された炭素膜構造１０の外周側に、ガード電極を備えたものを適用できる。また、前記炭素膜構造１０は、基板７の電極面側の中央部に形成されたものでも良い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の真空容器内に、基板表面に炭素膜構造が形成された電子放出体から成る冷陰極と、電極面が前記冷陰極の電極面と対向するように配置される陽極と、を備え、
前記の冷陰極と陽極との間に電圧を印加して、冷陰極から電界放射により電子線を放出させる電界放射装置であって、
前記真空容器は、冷陰極と陽極との間の一部の側壁が当該電子線放出方向に対して直交する方向に拡径され中空部を有するフランジ部が形成されたことを特徴とする電界放射装置。
【請求項２】
前記真空容器は、内周側に冷陰極を収容できる筒状の冷陰極側容器と、内周側に陽極を収容できる筒状の冷陰極側容器と、を連通させてフランジ部が形成され、
前記冷陰極側容器は、一方の開口部側の側壁において径方向に拡径された拡径部と、その拡径部の周縁側において陽極側容器２２と連通させる方向に突出した環状の封止部と、が形成され、
前記陽極側容器は、一方の開口部側の側壁において径方向に拡径された拡径部と、その拡径部の周縁側において冷陰極側容器と連通させる方向に突出した環状の封止部と、が形成されたことを特徴とする請求項１記載の電界放射装置。
【請求項３】
前記フランジ部に、集束電極が配置されたことを特徴とする請求項１または２記載の電界放射装置。
【請求項４】
前記フランジ部に、ゲッター材が配置されたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電界放射装置。
【請求項５】
前記炭素膜構造は、グラフェンシートが多層に重なって内部中空となり、かつ、先端に向けて半径が小さくなる尖頭形状が複数個分散して形成され、
前記炭素膜構造の外周側に、その炭素膜構造の成膜方向に凸の曲面部を有し炭素膜構造および／又は基板と同電位のガード電極を設け、
前記ガード電極の曲面部は、ガード電極外周側の曲率半径が炭素膜構造側の曲率半径以上であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の電界放射装置。
【請求項６】
前記ガード電極の曲面部の頂部は、炭素膜構造の外周縁部よりも成膜方向に突出していることを特徴とする請求項５記載の電子放出体。
【請求項７】
前記基板の炭素膜構造が形成される側の面は凹状であることを特徴とする請求項５または６記載の電子放出体。
【請求項８】
前記炭素膜構造は、前記基板の電極面側の中央部に形成されたことを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載の電界放射装置。
【請求項９】
前記基板は、冷陰極の電極面側に位置し中央部に貫通孔が電子線放出方向に穿設された電極面側基板と、その電極面側基板を電極面の反対側から支持し前記貫通孔に挿通可能な突出部が形成された炭素膜構造支持基板と、を合体させて成り、
前記突出部の先端部に、前記の炭素膜構造が形成されたことを特徴とする請求項８に記載の電界放射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子管，照明装置，Ｘ線装置等の種々の機器に適用される電子放出体を備えた電界放射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電界放射は電界集中により電子が真空に放出される現象であり、この電界放射を行うための電子放出体として例えばカーボンナノチューブが注目されている。このカーボンナノチューブは、極めて細長く高アスペクト比のために電界放射特性に優れたもので電界電子放出素子を得ることができるとされ、電子管，照明装置等の種々の電界放射装置に適用することが検討されてきた。
【０００３】
電界放射特性（ＩＶ特性）とは、陽極（ターゲット）と冷陰極との間に電圧Ｖを印加して冷陰極から電界放射する際の、電圧Ｖと電界放射電流（エミッション電流）Ｉとの関係を示す曲線により示される特性であり、電界放射を開始する電圧（閾値）や、上記曲線の傾きや形状で特徴づけられる。
【０００４】
電界放射装置の具体例としては、前記のような冷陰極に蛍光体付きの陽極を対向配置し、冷陰極と陽極との間に電圧（陽陰極間電圧）を印加して冷陰極から電界放射により電子線を放出させ、この放出した電子線を蛍光体に加速衝突させて蛍光体を励起発光させる冷陰極蛍光ランプがある。この蛍光体の発光には所定量の電子放出が必要である。この電子放出量を示すエミッション電流を縦軸に、陽陰極間電圧を横軸にして示す電流電圧（ＩＶ）特性曲線は、冷陰極の電子放出性能を示すことになる。カーボンナノチューブの場合、上記ＩＶ特性曲線の傾きが緩やかに立ち上がってくる。そのため、カーボンナノチューブの場合、蛍光体が発光を開始させるためのエミッション電流を得るのに必要な電圧Ｖは、高くなる。
【０００５】
しかし、所望のエミッション電流を得るための印加電圧Ｖの値が大きいことは、カーボンナノチューブ自体の特性変化（劣化）を生じることと、一定電流を得るのに必要な電圧が高電圧化するため、その電源設備が要求されたり、上記冷陰極蛍光ランプの製作に影響したりするなどの課題がある。そこで、より低い印加電圧Ｖで蛍光体を発光開始させることができるエミッション電流を得られるＩＶ特性を提供する冷陰極用の炭素膜の実現が望まれてきた。
【０００６】
近年、カーボンナノチューブ等の代わりとして、グラフェンシートが多層に重なって内部中空となっていて、かつ、先端に向けて半径が小さくなる尖頭形状が複数個分散（基板表面に無数分散）して形成された炭素膜構造が、本願発明者等により開発されている。この炭素膜構造としては、基板上に複数の炭素膜集合単位が形成されてなり、これら炭素膜集合単位は、幹状炭素膜と、この幹状炭素膜の膜中途から膜下部にかけて当該幹状炭素膜を囲むように成膜されている枝状炭素膜群とを備えると共に、該幹状炭素膜は、グラフェンシートが多層に重なって内部中空となっていて、かつ、先端に向けて半径が小さくなる尖頭形状を備えていることを特徴とするものである（例えば、特許文献１〜３）。このような炭素膜構造の放出体によれば、半径が先端に向かうにつれて針状に小さくなる尖頭形状を備えたことにより、カーボンナノチューブ等と比較して、より低い印加電圧で所望するエミッション電流を得ることができ、ＩＶ特性に優れた電界放射装置を提供することができるとされている。
【０００７】
図７は、炭素膜構造を形成する一例としてプラズマＣＶＤ法（直流プラズマ成膜法）による成膜装置を示す概略図である。図７に示すように、真空成膜室１はガス導入系（例えば、水素ガスと炭素を含むガス（メタンガス等）との混合ガスの導入系）２と真空排気系３とを備え、その真空成膜室１内には陰極（陰極温度を制御するための絶縁冷却板４ａを備えた電極）４，陽極５が対向配置される。符号６は直流電源を示すものであり、その直流電源６の負極側は陰極４に接続される。直流電源６の正極側と陽極５は、それぞれ接地される。
【０００８】
このような成膜装置において、まず、真空成膜室１内を真空排気系３で排気しガス導入系２からガス（水素ガス）を導入して徐々に圧力を制御（例えば、３０ｔｏｒｒ程度）し、電流を所望の大きさ（例えば、２．５Ａ程度）に維持して、基板７上の酸化物を除去する。次いで、真空成膜室１内にガス導入系２から混合ガスを導入し真空成膜室１内圧を徐々に増大（例えば、７５ｔｏｒｒ程度）して維持し、直流電源６による電流も徐々に増大（例えば、６Ａ程度）させて維持する。
【０００９】
これにより、基板７上に発生するプラズマ８により、基板７温度が所定温度（例えば、９００℃ないし１１５０℃程度）となって、前記の混合ガス中における炭素を含むガスが分解され、基板７表面に炭素膜構造が形成される。なお、前記のように炭素膜構造を形成する場合、基板７に対しマスク（図示省略）を適宜用いても良い。
【００１０】
前記のように成膜された炭素膜構造を有する電子放出体を電界放射装置の冷陰極に適用する場合、例えば図８の冷陰極９に示すように、絶縁性を有し筒状の真空容器（例えば、耐熱ガラス製の真空容器）１３内において、当該冷陰極９における炭素膜構造１０側の電極面（図示上側面）と陽極１１の電極面（図示下側面）とが互いに対向するように配置される。また、冷陰極９から放出される電子線を集束するための電子レンズ１４、真空容器１３内に残存する気体分子等を吸着可能なゲッター材１５等が設けられる。
【００１１】
そして、前記の両極間に直流電源１２により一定電圧を印加すると、炭素膜構造（特に尖頭形状の先端）１０に形成される強い電界により、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍの式で示されるトンネル電子が、冷陰極９から陽極１１に対して放出される。この場合の電子放出特性は、図９に示すようになる。前記の電子の放出方向（電子線放出方向）は、冷陰極９の電極面から垂直方向であることが好ましい。
【００１２】
前記のように炭素膜構造の冷陰極を備えＩＶ特性に優れた電界放射装置においては、例えば冷陰極から放出される電子線に起因して真空容器内に高温の熱が発生（特に、陽極側で発生）し、沿面放電やフラッシュオーバーが発生する恐れもある。電子線が衝突する陽極においては、その衝突した部位（以下、電子線衝突部位）から陽極内部に多くの電子線が進入して熱を発生し易い。
【００１３】
そこで、例えば図８に示した筒状の真空容器を備えた電界放射装置の場合、該真空容器の側壁を電子線放出方向に大きく延在して長尺化させたものを適用することにより、その真空容器の外側表面積を大きくして放熱性を高めると共に、長い沿面距離を確保する手法が考えられている。
【００１４】
しかしながら、前記のように電子線放出方向に延在した長尺の真空容器の場合、冷陰極と陽極との間の距離が長くなり、その両極を同一直線上に位置（冷陰極から放出される電子線が陽極に衝突するように位置）させながら真空化するにも高度な真空化技術を必要とし、その真空容器自体のコストも高くなってしまう。
【００１５】
また、ターゲットである陽極自体を電子線放出方向に長尺化し、冷陰極と陽極との間の距離を短くすることも考えられるが、当該陽極の電子線放出方向の長さ（電子線衝突部位から真空容器外周側までの間の距離）が長くなると、陽極自体の放熱効率が低くなり、真空容器の処理容量（Ｖxi）を大きくすることも困難になる。さらに、電界放射装置の大型化を招く恐れもある。
【特許文献１】特開２００８−１５０２５３公報
【特許文献２】特開２００８−１５０６８２公報
【特許文献３】特開２０１０−５６０６２公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
以上示したようなことから、炭素膜構造を有する電子放出体を備えた電界放射装置において、所望の機能を発現（例えばＩＶ特性に優れた電子線源として発現）する場合には、冷陰極と陽極との間の距離や当該陽極の電子線放射方向の長さが長くなり過ぎないように、真空容器の放熱性（冷陰極から放出される電子線に起因して発生する熱の放熱性）を高めると共に、沿面距離を確保する必要があることを読み取れる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、前記課題の解決を図ることが可能な電界放射装置に関するものであって、その一態様は、筒状の真空容器内に、基板表面に炭素膜構造が形成された電子放出体から成る冷陰極と、電極面が前記冷陰極の電極面と対向するように配置される陽極と、を備え、前記の冷陰極と陽極との間に電圧を印加して、冷陰極から電界放射により電子線を放出させる電界放射装置であって、前記真空容器は、冷陰極と陽極との間の一部の側壁が当該電子線放出方向に対して直交する方向に拡径され中空部を有するフランジ部が形成され、たことを特徴とするものである。
【００１８】
前記真空容器においては、内周側に冷陰極を収容できる筒状の冷陰極側容器と、内周側に陽極を収容できる筒状の冷陰極側容器と、を連通させてフランジ部が形成されたものでも良い。前記冷陰極側容器は、一方の開口部側の側壁において径方向に拡径された拡径部と、その拡径部の周縁側において陽極側容器２２と連通させる方向に突出した環状の封止部と、が形成されたものが挙げられ、前記陽極側容器は、一方の開口部側の側壁において径方向に拡径された拡径部と、その拡径部の周縁側において冷陰極側容器と連通させる方向に突出した環状の封止部と、が形成されたものが挙げられる。
【００１９】
前記フランジ部においては、集束電極やゲッター材が配置されたものでも良い。
【００２０】
前記炭素膜構造においては、グラフェンシートが多層に重なって内部中空となり、かつ、先端に向けて半径が小さくなる尖頭形状が複数個分散して形成されたものでも良い。また、前記炭素膜構造の外周側に、その炭素膜構造の成膜方向に凸の曲面部を有し炭素膜構造および／又は基板と同電位のガード電極を設けても良く、前記ガード電極の曲面部においては、ガード電極外周側の曲率半径が炭素膜構造側の曲率半径以上であることが挙げられる。さらに、前記ガード電極の曲面部の頂部は、炭素膜構造の外周縁部よりも成膜方向に突出しているものが挙げられる。さらにまた、前記基板の炭素膜構造が形成される側の面は凹状であることが挙げられる。
【００２１】
前記炭素膜構造は、前記基板の電極面側の中央部に形成されたものでも良い。この場合、前記基板は、冷陰極の電極面側に位置し中央部に貫通孔が電子線放出方向に穿設された電極面側基板と、その電極面側基板を電極面の反対側から支持し前記貫通孔に挿通可能な突出部が形成された炭素膜構造支持基板と、を合体させて成るものであって、前記突出部の先端部に、前記の炭素膜構造が形成されたものが挙げられる。
【発明の効果】
【００２２】
以上示したように本発明によれば、真空容器を電子線放出方向に長尺化させることなく、フランジ部の大きさに応じて真空容器における沿面距離を長くし放熱性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の電界放射装置の概略説明図。
【図２】本発明の電界放射装置の真空容器の一例を示す概略説明図。
【図３】本発明の電界放射装置の真空容器の他例を示す概略説明図。
【図４】本発明の電界放射装置の冷陰極の一例を示す概略説明図。
【図５】本発明の電界放射装置の冷陰極の他例を示す概略説明図。
【図６】本発明の電界放射装置の冷陰極の他例を示す概略説明図。
【図７】炭素膜構造を形成するためのプラズマＣＶＤ法の概略説明図。
【図８】炭素膜構造を有する電子放出体を用いた一般的な電界放射装置の概略説明図。
【図９】電界放射装置の電子放出特性図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明における電界放射装置の実施形態を図面等に基づいて詳細に説明する。なお、図７〜図９と同様なものについては例えば同一符号を用いることにより詳細な説明を適宜省略する。
【００２５】
本発明は、例えば図８に示したような筒状容器の側壁を単に電子線放出方向に長尺化させるのではなく、その筒状容器における冷陰極と陽極との間の一部（例えば、電子レンズ等の集束電極が位置する部分）の側壁が当該電子線放出方向に対して直交する方向に拡径されたものであって、その拡径された側壁により中空部が形成されたフランジ部（中空部が真空容器内と連通したフランジ部）を備える真空容器によれば、冷陰極と陽極との間の距離や当該陽極の電子線放射方向の長さを長くすることなく、真空容器の放熱性を高めると共に、沿面距離を長くできることを見出して成されたものである。
【００２６】
一般的に、所望の機能を発現（例えばＩＶ特性に優れた電子線源として発現）する電界放射装置の場合には、十分な沿面距離，放熱性を確保するために、例えば図８に示したような真空容器を単に冷却装置により冷却したり当該真空容器の側壁を電子線照射方向に延在して長尺化あるいは外周面を蛇腹状にする手法等が採られていたが、本発明のように拡径された中空部が形成されたフランジ部を備えることにより、当該フランジ部の大きさに応じて外気に対する表面積および沿面距離を長くするだけでなく、冷陰極と陽極との間の距離を短くするという技術的思想は全く無かった。例えば、フィラメント等を用いた熱陰極を用いた電界放射装置の場合、その熱陰極と陽極との間の距離が短くなるとフィラメントによる熱的影響が生じてしまうことから、電界放射装置の技術分野では本願発明のような技術的思想が想定されることは無かった。
【００２７】
前記のフランジ部は、拡径された側壁により中空部が形成されたものであればよく、例えば真空容器の両端側から中央側に近づくに連れて緩やかに拡径された容器であっても良い。
【００２８】
本発明の電界放射装置においては、例えば図１のようなフランジ部２０ａを有する真空容器２０を適用することが可能である。この真空容器２０は、それぞれ筒状の冷陰極側容器２１と陽極側容器２２とを連通させ、その両容器２１，２２の間に中空状のフランジ部２０ａが形成されたものである。
【００２９】
冷陰極側容器２１は、内周側に冷陰極９を収容できる大きさの筒状であって、一方の開口部側の側壁において径方向（すなわち、電子線照射方向に直交する方向）に拡径された拡径部２１ａが形成されている。また、拡径部２１ａの周縁側には、陽極側容器２２と連通させる方向に突出した環状の封止部２１ｂが形成される。
【００３０】
また、陽極側容器２２においても、冷陰極側容器２１同様に、内周側に陽極１１を収容できる大きさの筒状であって、一方の開口部側の側壁において径方向に拡径された拡径部２２ａが形成され、その拡径部２２ａの周縁側には冷陰極側容器２１と連通させる方向に突出した環状の封止部２２ｂが形成される。
【００３１】
そして、前記の冷陰極側容器２１，陽極側容器２２の封止部２２ａ，２２ｂを互いに対向させ当接して、両容器２１，２２が連通した容器本体２０ｂを得て、その容器本体２０ｂ内に冷陰極９，陽極１１等を収容した状態で封止し真空化する。これにより、容器本体２０ａの中央部にフランジ部２０ａが形成された真空容器２０を得ることができる。
【００３２】
〔真空容器の実施例〕
一例としては、図２Ａ（概略正面図），Ｂ（概略上面図），Ｃ（概略下面図），Ｄ（概略断面図），Ｅ（Ａ−Ａ矢視図）に示すように集束電極１４を用いた電界放射装置が挙げられる。図２における集束電極１４は、冷陰極側容器２１と陽極側容器２２との間に挟持される平板状（図２中では円板状）の胴体部１４ｂと、電子線が通過可能な大きさの貫通孔１４ａが形成された部材であって前記胴体部１４ｂの中央部に形成された嵌合孔に嵌合するリング状部材１４ｃと、から成る。貫通孔１４ａの開孔面積は、例えば冷陰極９の電極面積よりも小さく、冷陰極９と陽極１１との間の電子流領域の一部を遮蔽できるものとする。
【００３３】
このような集束電極１４を備えたことにより、前記の電子線が陽極１１方向に引き出され、該集束電極１４を備えない場合と比較して、冷陰極９における電極面の外周縁部（電界集中が起こり易い部分）から放出され得る電子が遮蔽され、その外周縁部の電流劣化や放電現象が抑制される。また、電子流領域が集束し、陽極１１における電子スポットが小さくなるように制御される。すなわち、冷陰極９と陽極１１との間の電子流領域は、集束電極１４によって更に集束し、陽極１１における電子スポットも更に小さく均一な分布となり、より高い電流密度が得られることになる。また、図２におけるゲッター材１５は、例えば集束電極１４における貫通孔１４ａの外周側に配置（図２中では集束電極１４の周方向に沿って所定距離を隔てて複数個配置）される。
【００３４】
前記の集束電極１４，ゲッター材１５は、それらの機能を発揮できる位置であれば、真空容器２０内において種々の位置に設けても良いが、例えば図８に示したような真空容器において集束電極１４，ゲッター材１５等を配置する場合には、それら集束電極１４，ゲッター材１５を配置するための空間を確保する目的で真空容器全体が大型化する恐れがある。一方、図２のように、フランジ部２０ａの中空部に集束電極１４，ゲッター材１５を配置することにより、当該フランジ部２０ａを沿面距離，放熱性を確保するために利用するだけでなく、集束電極１４，ゲッター材１５を配置するための空間として有効利用できることとなる。
【００３５】
なお、前記のように構成された真空容器２０においては、電界放射装置の技術分野で適用されている種々の材料を適用することが可能であるが、例えば冷陰極側容器２１，陽極側容器２２においてはセラミック（例えば９０％以上のアルミナを含んだもの），耐熱性ガラス等の絶縁材料を一例として挙げることができる。集束電極１４においては、胴体部１４ｂに耐熱性ガラスと同等の熱膨張係数を有する合金（例えばコバール（登録商標））やステンレス等の導電性材料を用い、リング状部材にもコバール等を適用することが挙げられる。
【００３６】
真空容器２０に用いられる冷陰極９，陽極１１，集束電極１４，冷陰極側容器２１，陽極側容器２２等の各構成部材を組み立てて真空化する方法としては、例えば以下に示す方法が挙げられる。まず、冷陰極９，陽極１１において、図２に示すように冷陰極側容器２１，陽極側容器２２の各開口部（フランジ部とは反対側の開口部）にそれぞれ嵌合可能な封止キャップ９ａ，１１ａを予め銀蝋付けにより装着する。次に、封止キャップ９ａ，１１ａと冷陰極側容器２１，陽極側容器２２との各嵌合面、集束電極１４，冷陰極側容器２１，陽極側容器２２の挟持面を、それぞれ活性金属法（メタライズ）により活性処理（例えば９００℃程度で処理）してから、銀蝋付けにより接合して、封止された容器を構成する。そして、前記の容器を加熱してゲッター材１５を活性化処理（例えば温度８００〜９００℃程度で処理）し、該容器内に残存する気体分子等を吸着することにより、所望の真空度（例えば１０8〜１０10Ｐａ程度）の真空容器２０が得られる。なお、真空容器２０の各構成部材のうち電子線が衝突し得る部材においては、脱ガス現象を抑制する目的で、予め電子線および真空熱処理炉による脱酸処理（例えば、タングステンから成る部材（陽極等）を１２５０℃程度、コバールから成る部材を１０００℃程度で処理）しておくことが好ましい。
【００３７】
また、例えば図３Ａ（概略正面図），Ｂ（概略上面図），Ｃ（概略下面図），Ｄ（概略断面図），Ｅ（Ａ−Ａ矢視図）の真空容器２０に示すように、陽極側容器２２の側壁の一部（図３中では電子線照射方向に長尺な封止キャップ１１ａの側壁の一部）にＸ線が透過可能な照射窓（例えば、ベリウムあるいはチタニウムから成る窓）２２ｃを備えても良い。
【００３８】
〔冷陰極の実施例〕
本発明の電界放射装置に適用される冷陰極の一例としては、特許文献３に開示されたものが挙げられる。すなわち、基板表面に形成（例えば、プラズマＣＶＤ法により成膜して形成）される炭素膜構造に対し、その炭素膜構造および／又は基板と同電位のガード電極（例えば、炭素膜構造に当接し電気的に接続されたガード電極）を当該炭素膜構造の外周側に設け、炭素膜構造における周囲の見かけ上の曲率半径を大きくすることにより、炭素膜構造（特に外周縁部）で起こり得る局部的な電界集中が抑制した冷陰極が挙げられる。
【００３９】
前記のように炭素膜構造における周囲の見かけ上の曲率半径を大きくするガード電極とは、炭素膜構造の成膜方向に凸の曲面部（成膜方向とは反対側に湾曲した曲面部）を有するものであり、その曲面部においてガード電極外周側の曲率半径が炭素膜構造側の曲率半径以上のもの、例えば曲面部において炭素膜構造側からガード電極側に近づくに連れて曲率半径が大きくなるものや、一定であるもの（例えば図４Ｃに示すように、断面（リング状のガード電極の軸心方向の断面）が略真円状）が挙げられる。
【００４０】
より詳しくは、図４Ａの概略図に示すように、外周縁部１０ａが厚く形成され湾曲（図中では曲率半径Ｒ０で湾曲（Ｌ０は曲率半径Ｒ０における曲面の接線））した炭素膜構造１０に設けられるガード電極４３の曲面部４３ａにおいて、炭素膜構造１０側の曲率半径Ｒ１とガード電極１０外周側の曲率半径Ｒ２とがＲ１≦Ｒ２の関係式を満たすものが挙げられる。
【００４１】
したがって、ガード電極４３においては図４に示すような形状に制限されず、炭素膜構造１０の成膜方向に凸の曲面部を有し、その炭素膜構造１０の外周側に設けられ当該炭素膜構造１０周囲における見かけ上の曲率半径を大きくするものであれば、種々のものを適用できることが言える。このようなガード電極４３を設けた場合の等電位面は、図４Ｂの符号１０ｂで示すように比較的平坦なものとなる。
【００４２】
炭素膜構造１０とガード電極４３との間においては、図４Ａ，Ｂに示すように隙間等が存在しないほうが好ましいが、例えば図４Ｃに示すように略リング状のガード電極４３が設けられ隙間１０ｃが存在する場合であっても、例えば曲面部４３ａの頂部が炭素膜構造１０（例えば、外周縁部の尖頭形状の頂部）よりも成膜方向に突出し、当該隙間１０ｃが微小なものであれば、等電位面は十分平坦なものとなる。
【００４３】
基板７においては、炭素膜構造が成膜されるものであれば種々の形態のもの（例えば、略円盤状，略矩形平板状のＳｉ基板，ＳＵＳ基板等）を適用することができる。例えば基板７が略矩形状の場合、その略矩形状の基板７に形成される炭素膜構造１０の外周側に対してガード電極４３が設けられ、その炭素膜構造１０における周囲の見かけ上の曲率半径が大きくなる。
【００４４】
また、成膜される側の面は平坦でなくても良く、例えば凹状に湾曲したものでも良い。例えば、図５に示すように、冷陰極９の電極面側（炭素膜構造が形成される側の面）の形状が凹状（電極面中央部が凹み曲率半径を有する形状）の基板７を適用し、その基板７表面に炭素膜構造１０が形成されたものでも良い。このように凹状の基板７に形成される炭素膜構造１０は、電極面が平坦な基板に形成された炭素膜構造と比較して、外周縁部が陽極１１方向に対しより湾曲した凹状となる。すなわち、冷陰極９と陽極１１との間の電子流領域は、陽極１１に近づくに連れて集束し、陽極１１における電子スポットは冷陰極９の電極面の面積よりも小さく均一な分布となり、より高い電流密度が得られ易くなる。
【００４５】
さらに、冷陰極９は、炭素膜構造１０を基板７の電極面側の全面に形成したものである必要はなく、基板７の電極面側の一部（中央部等）だけに炭素膜構造１０が形成されたものを適用することもでき、前記の電子スポットをより小さくし易くなり、より高い電流密度が得られ易くなる。このような炭素膜構造１０を形成する方法としては、例えば図６に示すように成形（リソグラフィ技術等により成形）された、冷陰極の電極面側に位置する電極面側基板７ａと、その電極面側基板を一端面側（電極面とは反対の裏面側）から支持する炭素膜構造支持基板７ｂと、を併用する方法が挙げられる。図６において、電極面側基板７ａ（図６中では電極面側の形状が凹状（電極面中央部が凹み曲率半径を有する形状）の基板）の中央部には目的とする炭素膜構造１０と同じ形状の開口部を有する貫通孔７ａａが電子線放出方向に穿設して形成されている。炭素膜構造支持基板７ｂにおいては、前記貫通孔７ａａに挿通可能な形状の突出部（貫通孔７ａａの深さと同じ長さで突出した突出部）７ｂｂが形成された基板であって、その突出部７ｂｂの先端部に炭素膜構造１０が形成（例えば、モリブデン等のマスクを用いて先端部のみに形成）される。そして、図６のように形成された電極面側基板７ａ，炭素膜構造支持基板７ｂにおいて、貫通孔７ａａに対し突出部７ｂｂを挿通して合体させることにより、電極面側の一部（中央部等）だけに炭素膜構造１０が形成された冷陰極９を得ることができる。
【００４６】
なお、炭素膜構造１０は、単に基板７上に成膜させた状態で使用しても良いが、例えば炭素膜構造１０の表面を適宜研磨（例えば、図４では外周縁部１０ａの頂部を研磨）してから使用しても良い。なお、研磨し過ぎると炭素膜構造１０の尖頭形状が減少してしまい、炭素膜構造１０の特性を大きく損なう可能性がある。
【００４７】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【符号の説明】
【００４８】
７…基板
９…冷陰極
１０…炭素膜構造
１１…陽極
１４…集束電極
１５…ゲッター材
２０…真空容器
２０ａ…フランジ部
２１…冷陰極側容器
２２…陽極側容器
４３…ガード電極
【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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【図９】
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