(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＺｒからなる群から選ばれた１種以上の金属元素の炭化物のみを焼結した焼結体からなる電子放出源と、この電子放出源を２２３０〜２４００Ｋで加熱するヒーターと、このヒーターに通電するための導電性支柱を備える、電子ビーム蒸着装置、電子ビーム溶接装置、又は電子ビーム加工装置用の電子源。
【請求項２】
電子ビームの加速電圧が１０ｋＶ以上であることを特徴とする請求項１記載の電子源。
【請求項３】
前記焼結体の相対密度が９５％以上である請求項１又は２に記載の電子源。
【請求項４】
Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＺｒからなる群から選ばれた１種以上の金属元素の炭化物のみを焼結した焼結体からなる電子放出源と、この電子放出源を２２３０〜２４００Ｋで加熱するヒーターと、このヒーターに通電するための導電性支柱を備える電子源を装着した電子ビーム蒸着装置、電子ビーム溶接装置、又は電子ビーム加工装置。
【請求項５】
前記焼結体の相対密度が９５％以上である請求項４に記載の電子ビーム蒸着装置、電子ビーム溶接装置、又は電子ビーム加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームを発生し、放射する電子放出源およびそれを装着した電子ビーム蒸着装置、電子ビーム溶接装置、電子ビーム加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム蒸着装置は電子放出源から生成された電子線によって金属などの蒸着源を気化させ、金属やガラスなどに直接蒸着させるプロセス装置であり、電子放出源は主にタングステンが使用されている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】日本学術振興会第１３２委員会編、「電子・イオンビームハンドブック第三版」、日刊工業新聞社（１９９８）
【０００３】
従来の電子ビーム蒸着装置では、タングステンの電子放出源によって発生した電子ビームを蒸着源に照射することにより蒸着源を蒸発させ、被蒸着物の表面に蒸着膜を成膜させる。
【０００４】
しかし、電子ビームの進路上で電子ビームは雰囲気ガスに衝突し、その結果、雰囲気ガスがイオン化する。生成した正イオンは電子放出源に引き寄せられ、電子放出源に衝撃する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した電子ビーム蒸着装置で用いられる電子放出源は、使用条件下で、電子線照射量に応じてイオン衝撃を受け損傷する。使用される環境が５×１０−２Ｐａ程度の酸素雰囲気下であり、表面の酸化消耗と、主にイオンによる衝撃で削られ、電子放出源に穴が開くことで使用できなくなる。このため、電子放出源を交換するために、蒸着作業を中断しなければならない。電子放出源の交換頻度が高くなると、作業性、経済性等で問題を生ずることになる。電子放出源の寿命は、電子放出源自身の蒸発による消耗、及び、イオン衝撃による損傷の両方で決まる。電子放出源の素材がタングステンの場合、真空槽内の酸素と反応し、蒸気圧の高い酸化タングステンを生成し、消耗が促進される。
このような従来技術の問題は、電子ビーム蒸着装置だけでなく、電子ビーム溶接装置、電子ビーム加工装置においても存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、上述した従来の種種の欠点を解消もしくは軽減し、大きな電子放出電流を有すると共に、タングステンの電子放出源よりもイオン損傷が少なく、電子放出源の交換頻度を少なくしようとするものである。つまり、本発明の目的は、電子放出源の寿命の長い電子放出源を提供し、稼働効率の良い電子ビーム蒸着装置、電子ビーム溶接装置、電子ビーム加工装置を提供することにある。
【発明の効果】
【０００７】
本発明による電子放出源によれば、電子ビームを照射するときに発生するイオンが衝突しても従来のタングステンの電子放出源よりも損傷が少なく、寿命の長い電子放出源となる。
【０００８】
また、本発明の電子放出源を備えた電子ビーム蒸着装置、電子ビーム溶接装置、又は電子ビーム加工装置は、いずれも前記電子源の特徴が反映されて電子放出源寿命の長い電子ビーム発生装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明者は、種々の電子源を試作して電子放出源について検討を行った結果、例えば炭化タンタルのように、タングステンよりも融点が高く、仕事関数が低く、物質の密度の高い（例えば９５％以上で開放気孔が無い）焼結体を電子放出源に用いるときに、従来から使用されているタングステンからなる電子放出源に比べて、格段に損傷が少なく、寿命の長い電子放出源となることを見出し、本発明に至ったものである。
【００１０】
つまり、本発明においては、電子ビーム蒸着装置、電子ビーム溶接装置、又は電子ビーム加工装置の電子放出源として、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＺｒからなる群から選ばれた１種以上の金属元素の炭化物が選択される。
【００１１】
この理由については次の通りである。例えば、炭化タンタルや炭化ニオブはタングステンに比べて仕事関数が低い（タングステン：４．５８ｅＶ、炭化タンタル：３．１７ｅＶ、炭化ニオブ：３．８３ｅＶ）ので、同じ量の電子ビームを放射する温度がタングステンに比べて低くなる。また、電子ビームが放射されることにより、雰囲気ガス中に正電荷のイオン（単に、正イオンという。）が発生し、この正イオンが電子放出源に引き寄せられ電子放出源を攻撃しても、超高融点炭化物はタングステンに比べると融点が高い分、構成元素の結合エネルギーが高いので、損傷が少ない。更に、雰囲気中に酸素が存在する場合、タングステンは蒸気圧の高い酸化物を形成して消耗してゆくが、超高融点炭化物を電子放出源とする場合には蒸気圧の高い酸化物を形成することがないので、消耗することが抑制され、結果的に寿命の長い電子放出源となる。
【００１２】
尚、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、及びＺｒからなる群から選ばれた１種以上の金属元素の炭化物は、一般に、前記金属の粉末又は前記金属の酸化物粉末と炭素粉末とを所定の配合にした原料を高温に加熱することで得ることができる。本発明の電子放射源に供するためには高密度の焼結体であることが好ましく、具体的には、本発明者の実験的検討結果から、開放気孔の無い、９５％以上の密度である焼結体が好ましい。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の一例を図をもって説明する。
【００１４】
（実施例１）
純度９９％以上のタンタルカーバイド粉末（日本新金属社製、「ＴａＣ」）を用いて、真空ホットプレスにより、１７５０℃、２００ｋｇ／ｃｍ２にて、直径７５ｍｍ高さ６．５ｍｍのタンタルカーバイド焼結体を作製した。質量と寸法、真密度（１４．６５ｇ／ｃｍ３）とから相対密度を算定したところ、密度９６％の開放気孔がない焼結体であった。
【００１５】
前記焼結体から放電加工にて０．６ｍｍ×０．７５ｍｍ×２ｍｍの大きさの角柱を切り出し、図１に示す通りに、電子放出源４とした。ヒーター５については、熱分解炭素を０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍの大きさに切り出し、電子放出源４の両側面に配置した。その後碍子１に端子２ａ、２ｂおよび導電性の支柱３を取り付け、この支柱の先端に、電子放出源４および、ヒーター５を挟み込み、電子源６を得た。
【００１６】
前記の電子源６を真空チャンバー内に装着し、図２に示す計測系を用い、グリッド７の穴の径は０．４１ｍｍのものを用い、電圧差はゼロ、端子（２ａと２ｂ）を介してヒーター５を通電してジュール加熱した。１×１０―３Ｐａの真空下で電子放出源４を加熱し、電子放出させた。引き出し電圧４０ｋＶの時の電流量を電流計１１で読み取り、グリッド７の穴の面積で割った値を電流密度と定義した。引き出し電圧４０ｋＶの時に１．６Ａ／ｃｍ２を達成し、このときの温度は２３００Ｋであった（表１参照）。
【００１７】
【表１】
0005074902.tif 000002
【００１８】
（実施例２）
純度９９％以上のニオブカーバイド粉末（日本新金属社製、「ＮｂＣ」）を用いて、真空ホットプレスにより１７５０℃、２００ｋｇ／ｃｍ２にて、ニオブカーバイド焼結体を作製した。
【００１９】
焼結体の密度は、実施例１と同じ操作で測定したところ、密度９９％で開放気孔のない焼結体であった。尚、ニオブカーバイドの真密度は７．７９４ｇ／ｃｍ３とした。
【００２０】
前記焼結体から実施例１と同様に電子源を作製した。この電子源をチャンバー内に装着し、実施例１と同様に電子放出試験を行い、引き出し電圧４０ｋＶの時の電子放出量を計測した。その結果、引き出し電圧４０ｋＶの時に１．６Ａ／ｃｍ２を達成し、そのときの温度は２３５０Ｋであった（表１参照）。
【００２１】
（比較例）
多結晶タングステン（純度９９％以上、密度９５％）の角材から放電加工にて、０．６ｍｍ×０．７５ｍｍ×２ｍｍの大きさの角柱状に切り出し、電子放出源とし、実施例１と同様に電子放出源を作製し、電子放出試験を実施した。引き出し電圧４０ｋＶの時に１．６Ａ／ｃｍ２を達成し、そのときの温度は２６５０Ｋであった。
【００２２】
（実施例１、２及び比較例）
また、前記の材料を用いて、市販の電子線蒸着装置にて５×１０−５Ｐａの真空下で、４０ｋＶで蒸着を実施したところ、タンタルカーバイドは２２３０Ｋ〜２３５０Ｋの間で使用可能であり、３３１時間の連続運転が可能であった。ニオブカーバイドは２２５０Ｋ〜２４００Ｋの間で使用可能であり、３１２時間の連続運転が可能であった。しかしながら、タングステンにて、４０ｋＶ、７．５Ａで蒸着を実施したところ、２５００Ｋ〜２７００Ｋの間で使用可能であったが、９６時間で連続運転が不能となった。表２に市販蒸着装置での寿命比較を示す。
【００２３】
【表２】
0005074902.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の電子放出源は、従来用いられているタングステンに比べて、イオン損傷が少なく、電子線を利用した蒸着装置や溶接装置、加工装置用の電子放出源に用いて好適であり、３倍以上の長寿命を示し、産業上非常に有用である。
【００２５】
本発明の電子放射源を用いてなる電子ビーム蒸着装置、電子ビーム溶接装置、電子ビーム加工装置はいずれも、前記長寿命の電子放出源を設けているので、長時間の可動が達成され、生産性が著しく改善されており、産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】電子源の概略図
【図２】電子源の電子ビーム放出特性の測定回路図
【符号の説明】
【００２７】
１          碍子
２ａ、２ｂ  端子        
３          導電性支柱
４          電子放出源
５          ヒーター
６          電子源
７          グリッド
８          アノード
９          フィラメント加熱電源
１０        高圧電圧
１１        電流計
【図１】
0005074902.tif 000004
【図２】
0005074902.tif 000005