JPH08255558A - Cold cathode and electron gun and microwave tube using the cold cathode - Google Patents
Cold cathode and electron gun and microwave tube using the cold cathodeInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、トンネル効果によって
電子を放出する冷陰極、特に、球面上の電子放出領域を
持つ冷陰極およびこの冷陰極を用いて電子ビームを形成
する電子銃とこの電子銃を用いたマイクロ波管に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cold cathode which emits electrons by a tunnel effect, in particular, a cold cathode having an electron emission region on a spherical surface, an electron gun which forms an electron beam using the cold cathode, and this electron. It relates to a microwave tube using a gun.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、進行波管(TWT)やクライスト
ロンなどに使用する高電流密度の電子ビームを形成する
には、ピアス(Pierce)電子銃(J.R.Pie
rce,”Theory and design of
electron beam”,2nd ed.Va
n Nostrand,New York,1954)
と称される集束タイプの電子銃が使用されている。図8
にはこのピアス電子銃の断面図を示している。この電子
銃は球面上に加工した熱陰極の電子放出面101と、こ
の電子放出面101を取り囲み、陰極電位あるいは負電
位のウエーネルト電極102と、陰極に対して正電圧を
印加し陰極から電流を取り出す陽極103で構成され、
比較的大きい集束比(陰極径/電子ビーム形)と安定な
電子ビーム104が得られるので、広く使用されてい
る。2. Description of the Related Art Conventionally, in order to form a high current density electron beam used in a traveling wave tube (TWT) or a klystron, a Pierce electron gun (JR Pie) is used.
rce, “Theory and design of
electron beam ", 2nd ed. Va
n Nostrand, New York, 1954).
Focusing type electron guns called as are used. FIG.
Shows a sectional view of this piercing electron gun. This electron gun has an electron emission surface 101 of a hot cathode processed on a spherical surface, a Wehnelt electrode 102 surrounding the electron emission surface 101 and having a cathode potential or a negative potential, and a positive voltage is applied to the cathode to generate a current from the cathode. It is composed of the anode 103 to be taken out,
Since a relatively large focusing ratio (cathode diameter / electron beam type) and a stable electron beam 104 can be obtained, it is widely used.
【0003】一般に、陰極単位表面積から取り出すこと
ができる電流(陰極電流密度)は陰極材料や陰極温度に
よって制限を受け、陰極能力以上の電流を取り出そうと
して陰極温度を上昇させる寿命が大幅に短縮される。し
かし、このような集束電子銃を採用することによって、
寿命に影響を及ぼさずに、高い電流密度の電子ビームが
形成でき、進行波管などの高出力化、高周波数化等が可
能になる。Generally, the current (cathode current density) that can be taken out from the cathode unit surface area is limited by the cathode material and the cathode temperature, and the life for raising the cathode temperature in order to take out a current exceeding the cathode capacity is greatly shortened. It However, by adopting such a focused electron gun,
An electron beam having a high current density can be formed without affecting the life, and high output and high frequency of a traveling wave tube can be achieved.
【0004】進行波管にFEA(電解放射冷陰極アレ
イ)を使用する従来技術が特開平5−266809号公
報に開示されている。図9は同公報に開示されている進
行波管の断面図で、図10は電子銃部のみを拡大した断
面図である。図9において、電子ビーム104は平面状
の電子放出領域110を持つ冷陰極105から取り出さ
れ、ウエーネルト電極102によって集束作用を受け、
陽極を兼ねたヘリックス105の中に流入する。A conventional technique using an FEA (electrolytic radiation cold cathode array) for a traveling wave tube is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-266809. FIG. 9 is a sectional view of the traveling wave tube disclosed in the publication, and FIG. 10 is an enlarged sectional view of only the electron gun portion. In FIG. 9, the electron beam 104 is extracted from the cold cathode 105 having a planar electron emission region 110, and is subjected to the focusing action by the Wehnelt electrode 102,
It flows into the helix 105 that also serves as the anode.
【0005】微小な円錐状のエミッタと、エミッタのす
ぐに近くに形成され、エミッタからの電流を引き出す機
能ならびに電流制御機能を持つゲート電極で構成された
微小冷陰極をアレイ状にならべた電解放射冷陰極アレイ
(FEA)がC.A.スピント(Spint)等(Jo
urnal of Applied Physics,
Vol.39,No.7,pp.3504,1968)
およびH.F.グレイ(Gray)によって提案されて
いる。このFEAは、熱陰極と比較して高い電流密度か
ら得られ、放出電流の速度分散が小さい等の利点を持
つ。また、単一の電解放射陰極と比較して電流雑音が小
さく、数10〜200Vの低い電圧で動作し、比較的悪
い真空度の環境でも動作する。Electrolytic radiation in which an array of micro-cold cathodes composed of a minute conical emitter and a gate electrode formed immediately near the emitter and having a function of drawing out a current from the emitter and a current control function are arranged. The cold cathode array (FEA) is a C.I. A. Spint, etc. (Jo
internal of Applied Physics,
Vol. 39, no. 7, pp. 3504, 1968)
And H .; F. Proposed by Gray. This FEA is obtained from a higher current density than a hot cathode, and has advantages such as small velocity dispersion of emission current. Further, the current noise is smaller than that of a single electrolytic emission cathode, and it operates at a low voltage of several 10 to 200 V, and operates even in an environment with a relatively poor vacuum degree.
【0006】このFEAは通常半導体製造技術を使用し
て平面の上に作られるが、曲面状の基板の上に形成する
技術が特開平6−290702号公報に開示されてい
る。図11は同公報に開示されている曲面状FEAの製
造方法を示す。図11において、基板111は曲率半径
Rの球面あるいは円柱面状の三次元曲面形状となってお
り、通常の技術によって絶縁層112、ゲート電極層1
13が積層され、絶縁層112、ゲート電極層113に
空洞114が形成されている。曲率半径Rの曲率中心部
Oにエミッタ材料の蒸発源を置いて基板111の上にエ
ミッタ材料を堆積させて、エミッタ115を形成する。This FEA is usually formed on a flat surface by using a semiconductor manufacturing technique, and a technique for forming it on a curved substrate is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-290702. FIG. 11 shows a method of manufacturing the curved FEA disclosed in the publication. In FIG. 11, the substrate 111 has a spherical or cylindrical three-dimensional curved surface shape with a radius of curvature R, and the insulating layer 112 and the gate electrode layer 1 are formed by a normal technique.
13 are stacked, and a cavity 114 is formed in the insulating layer 112 and the gate electrode layer 113. The evaporation source of the emitter material is placed at the center of curvature O of the radius of curvature R, and the emitter material is deposited on the substrate 111 to form the emitter 115.
【0007】図11に示す製造方法では、エミッタ材料
は常に基板に垂直に堆積していくので、基板111上の
全面でエミッタ115は基板111に垂直に形成され、
全面で均一な特性を持つFEAが製造できる。In the manufacturing method shown in FIG. 11, since the emitter material is always deposited vertically on the substrate, the emitter 115 is formed vertically on the substrate 111 on the entire surface of the substrate 111.
FEA having uniform properties over the entire surface can be manufactured.
【0008】また、特開平4−249841号公報に
は、図12に示すように、平面ディスプレイに球面状の
FEAを使用する構造が提案されている。図12におい
て、平面ディスプレイの全面ガラス116に沿うよう
に、FEAの基板111を球面状にし、その凸面状の表
面にエミッタおよびゲート電極を形成する。Further, Japanese Patent Laid-Open No. 4-249841 proposes a structure using a spherical FEA for a flat display, as shown in FIG. In FIG. 12, the FEA substrate 111 is formed into a spherical surface along the entire glass 116 of the flat display, and the emitter and gate electrodes are formed on the convex surface thereof.
【0009】この結果、電子源であるFEAと蛍光体が
塗布された前面ガラス116との距離を一定に保ち、デ
ィスプレイ画面全面にわって均一なフォーカス特性を保
ちながら、真空の外囲器を球面として真空と大気との差
圧に耐える強度を実現し、ディスプレイの大型化を可能
にしている。As a result, the distance between the FEA, which is an electron source, and the front glass 116 coated with the phosphor is kept constant, and the vacuum envelope is spherical while maintaining a uniform focus characteristic over the entire display screen. As a result, it has the strength to withstand the pressure difference between the vacuum and the atmosphere, enabling the size of the display to be increased.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】進行波管のようなマイ
クロ波管では、ヘリックスなどの低速波回路は電子ビー
ムと電磁波との相互作用を行う部分であるため、低速波
回路の内径は出力電力に関わらず一定である、周波数が
上昇するに従い小さくなる。他方、出力電力は電子ビー
ム電力(ビーム電流×ビーム電圧)の10〜30%程度
が変換されたものであるから、マイクロ波管の高出荷、
高周波化、停電圧化のためには、電子ビームの電流密度
を高くする必要がある。In a microwave tube such as a traveling wave tube, a slow wave circuit such as a helix is a portion for interacting an electron beam and an electromagnetic wave. It is constant regardless of and decreases as the frequency increases. On the other hand, the output power is about 10 to 30% of the electron beam power (beam current x beam voltage) converted, so that high shipment of the microwave tube,
In order to increase the frequency and reduce the voltage to stop, it is necessary to increase the electron beam current density.
【0011】しかし、陰極における電流密度(陰極電流
密度)は陰極種類、陰極材料、陰極温度等で政権を受
け、能力以上に高い電流密度を得ようとすると熱陰極、
例陰極ともに寿命が急速に短縮される。However, the current density at the cathode (cathode current density) is governed by the type of cathode, cathode material, cathode temperature, etc., and if an attempt is made to obtain a current density higher than the capability, then a hot cathode,
Example Both the cathode and the service life are shortened rapidly.
【0012】これを解決するため、熱陰極に対し、陰極
径より電子ビーム径を小さくする集束型のピアス電子銃
が提案されている(図8)。この電子銃は電子放出面を
球面とし、同心球面上の等電位面を形成して、ラミナー
(層流)状あるいはラミナーフロー状に近い電子軌道を
持つ電子ビームを作るもので、マイクロ波からミリ波帯
域の電子管や大電流の電子ビームを必要とする用途に広
く使用されている。ラミナーフロー状の電子ビームと
は、陰極の半径方向の任意の位置から陰極曲率とは直径
方向に放出された電子軌道は他の半径位置から放出され
た電子の軌道とは交差しない電子ビームのことで、リッ
プルの少ない安定な電子ビームとなる。しかし、従来の
ピアス電子銃は熱陰極であるため、ヒータ電力が必要
で、ヒータ電源を投入してから安定な熱電子が放出され
るまでに数秒から数10秒の時間がかかり、約70〜1
000℃以上の高熱に長時間耐える構造が必要になる。
また、放出された熱電子は上記温度のランダム方向の初
速度となる熱速度を持つため、直径が陰極径より小さ
く、直径に比較して長さが長いビーム状に集束すると、
ビーム径の広がりやリップルが発生する。さらに、陰極
の電子放出材料は約700〜1000℃以上の高温によ
って蒸発するので、時間の経過とともに陰極電流が減少
してゆく。In order to solve this, a focusing type pierce electron gun has been proposed in which the electron beam diameter is smaller than the cathode diameter for the hot cathode (FIG. 8). This electron gun uses a spherical electron emission surface and forms an equipotential surface on a concentric spherical surface to create an electron beam having an electron orbit similar to a laminar (laminar flow) shape or a laminar flow shape. It is widely used in waveband electron tubes and applications that require high-current electron beams. The laminar flow type electron beam is an electron beam in which the orbit emitted from any position in the radial direction of the cathode and the cathode curvature does not intersect with the orbit of electrons emitted from other radial positions. The result is a stable electron beam with little ripple. However, since the conventional pierce electron gun is a hot cathode, it requires heater power, and it takes several seconds to several tens of seconds until stable thermoelectrons are emitted after the heater power is turned on. 1
A structure that can withstand high heat of 000 ° C or higher for a long time is required.
Further, since the emitted thermoelectrons have a thermal velocity that is the initial velocity in the random direction of the above temperature, when the diameter is smaller than the cathode diameter and the length is longer than the diameter, the beam is focused.
Beam diameter spread and ripple occur. Further, since the electron emitting material of the cathode evaporates at a high temperature of about 700 to 1000 ° C. or more, the cathode current decreases with the lapse of time.
【0013】これ等の問題を解決するため、図9、図1
0に示すように、電解放射冷陰極を陰極に使用した進行
波管が提案されている。しかし、ここに使用されている
電子銃は、陰極の電子放出領域が平面状であるため、ピ
アス電子銃の設計条件を完全に満たしていない。このた
め、電子ビームにリップルが生じて、一部の電子が途中
の低速波回路に衝突してこれを加熱したり、大きい集束
比の電子銃が実現できないという問題が生じる。In order to solve these problems, FIG. 9 and FIG.
As shown in 0, a traveling wave tube using an electrolytic radiation cold cathode as a cathode has been proposed. However, the electron gun used here does not completely satisfy the design condition of the pierce electron gun because the electron emission region of the cathode is flat. For this reason, ripples are generated in the electron beam, and some electrons collide with the low-speed wave circuit on the way to heat them, and there is a problem that an electron gun with a large focusing ratio cannot be realized.
【0014】図11に示す3次元曲面形状のFEAの製
造方法は、曲面形状の陰極を形成することが目的ではな
く、均一なエミッタを形成することが主目的である。一
般の真空蒸着装置では、蒸着材料の方向だけではなく蒸
着厚さの均一性を保つため、蒸発源Oと基板111まで
の距離は通常数10cm程度に選ばれる。ところが、マ
イクロ波管の陰極の場合には陰極の曲率半径は数mm〜
数10mm程度に設定する必要があるので、基板に極く
近い距離から蒸発させる必要があるが、蒸着されたエミ
ッタ材料厚さの均一性を考慮するとこのような方法を採
用することは極めて困難である。さらに、モリブデン、
タングステンの様な材料を蒸着する場合には電子ビーム
を試料に照射して加熱蒸発させる、電子ビーム蒸着技術
が使用されるが、このように蒸発源と試料との距離が短
い場合には蒸発源に電子ビームを照射することはできな
い。さらに、蒸発源の熱輻射によって基板が加熱される
恐れもある。In the method of manufacturing a three-dimensional curved FEA shown in FIG. 11, the main purpose is not to form a curved cathode, but to form a uniform emitter. In a general vacuum vapor deposition apparatus, the distance between the evaporation source O and the substrate 111 is usually selected to be about several tens of cm in order to maintain the uniformity of the vapor deposition thickness as well as the direction of the vapor deposition material. However, in the case of the cathode of the microwave tube, the radius of curvature of the cathode is several mm
Since it is necessary to set the thickness to about several tens of mm, it is necessary to evaporate from a distance very close to the substrate, but it is extremely difficult to adopt such a method in consideration of the uniformity of the thickness of the vapor-deposited emitter material. is there. In addition, molybdenum,
When evaporating a material such as tungsten, an electron beam is applied to the sample to heat and evaporate, and electron beam evaporation technology is used. However, when the distance between the evaporation source and the sample is short, the evaporation source is used. It cannot be irradiated with an electron beam. Further, the substrate may be heated by the heat radiation of the evaporation source.
【0015】さらに、マイクロ波管の場合、曲率半径が
小さいので、基板111の表面に作られた凹凸のため、
ゲート電極113に通常の露光技術で直径1μm以下の
開口を均一性良く形成するのは困難である。Further, in the case of the microwave tube, since the radius of curvature is small, the unevenness formed on the surface of the substrate 111 causes
It is difficult to form an opening having a diameter of 1 μm or less with good uniformity in the gate electrode 113 by a normal exposure technique.
【0016】また、図12に示す陰極構造が特開平4−
249841号公報にアイデアとして示されているが、
同公報でも認めるように、従来技術では「製造プロセス
的に見て実現が極めて困難」である。Further, the cathode structure shown in FIG.
Although it is shown as an idea in Japanese Patent No. 249841,
As can be seen from the publication, the conventional technique is “very difficult to realize in terms of manufacturing process”.
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段】基板の上に形成した球面
状の曲面の上に、仕事関数の小さい材料を積層した電子
放出領域を形成して冷陰極を構成する。この冷陰極と、
冷陰極の前面の、冷陰極の曲面に沿った1枚あるいは2
枚の格子電極と、陰極電位のビーム形成電極あるいは陰
極電位を基準として正または負電位のビーム形成電極で
あるウエーネルト電極と、陽極とで電子銃を構成する。A cold cathode is formed by forming an electron emission region in which a material having a small work function is laminated on a spherical curved surface formed on a substrate. With this cold cathode,
One or two along the curved surface of the cold cathode on the front surface of the cold cathode
An electron gun is composed of a single grid electrode, a beam forming electrode having a cathode potential, a Wehnelt electrode which is a beam forming electrode having a positive or negative potential with reference to the cathode potential, and an anode.
【0018】あるいは、基板の上に形成した球面状の曲
面の曲率中心あるいはその付近を通る集束イオンビーム
(FIB)で加工・形成した微小冷陰極を備えた電子放
出領域を形成して冷陰極を構成する。この冷陰極と、陰
極電位のビーム形成電極であるいは陰極電位を基準とし
て正または負電位のビーム形成電極であるウエーネルト
電極と、陽極とで電子銃を構成する。Alternatively, a cold cathode is formed by forming an electron emission region having a minute cold cathode processed / formed by a focused ion beam (FIB) passing through or near the center of curvature of a spherical curved surface formed on a substrate. Configure. An electron gun is constituted by the cold cathode, a beam forming electrode having a cathode potential, a Wehnelt electrode which is a beam forming electrode having a positive or negative potential with reference to the cathode potential, and an anode.
【0019】これらの冷陰極を用いてマイクロ波管を構
成する。A microwave tube is constructed using these cold cathodes.
【0020】[0020]
【作用】この結果、冷陰極を電子源とした集束型の電子
銃が実現できるので、次の様な利点が生じる。As a result, a focused electron gun having a cold cathode as an electron source can be realized, and the following advantages are brought about.
【0021】電子銃に冷陰極を採用することによって、
ヒータ電力が不要になり、消費電力が削減でき、陰極付
近に熱構造設計が簡単になり、電源投入から安定動作状
態に達するまでの時間遅延がない電子銃が実現できる。By adopting a cold cathode in the electron gun,
The heater power is not required, the power consumption can be reduced, the thermal structure design near the cathode can be simplified, and an electron gun with no time delay from power-on to reaching a stable operation state can be realized.
【0022】また、ピアス電子銃の設計条件を満たす集
束型電子銃が実現できるので、上記の利点を持ち、同時
に、電流密度が高く、リップルが小さく、安定な電子ビ
ームが形成できる。さらに、寿命の長い電子銃が実現で
きる。Further, since the focused electron gun satisfying the design condition of the pierce electron gun can be realized, it has the above advantages, and at the same time, a stable electron beam having a high current density, a small ripple and a small current ripple can be formed. Furthermore, an electron gun with a long life can be realized.
【0023】[0023]
【実施例】本発明の実施例を図面参照して詳細に説明す
る。 実施例1 図1は本発明の第1の実施例である電解放射冷陰極の製
造方法を示す原理的構成図であり、集束イオンビーム
(FIB)による加工方法を示す。図1において、全体
は真空のチャンバーに納められ、内部は適当な真空度に
保持されている。基板1は機械的方法によって、電子銃
設計の曲率半径で球面2が形成され、その上には球面2
を含む全面に絶縁層3が積層されており、球面2の上部
を除いた部分はボンディングパッド5のパターンが形成
されている。基板1、球面2の上の電子放出領域、絶縁
層3、電極層4、ボンディングパッド5で冷陰極6が構
成され、あらかじめ通常の加工方法でつくられる。この
冷陰極6がFIB加工装置の可動機構7の上に固定さ
れ、集束されたイオンビーム8がイオンビーム発生装置
9から電子放出領域となる球面2の部分に照射される。Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Example 1 FIG. 1 is a principle configuration diagram showing a method for manufacturing an electrolytic radiation cold cathode which is a first example of the present invention, and shows a processing method by a focused ion beam (FIB). In FIG. 1, the whole is housed in a vacuum chamber, and the inside is kept at an appropriate degree of vacuum. A spherical surface 2 having a radius of curvature designed by the electron gun is formed on the substrate 1 by a mechanical method, and a spherical surface 2 is formed on the spherical surface 2.
The insulating layer 3 is laminated on the entire surface including the above, and the pattern of the bonding pad 5 is formed on the portion excluding the upper portion of the spherical surface 2. The substrate 1, the electron emission region on the spherical surface 2, the insulating layer 3, the electrode layer 4, and the bonding pad 5 constitute a cold cathode 6, which is prepared in advance by a usual processing method. The cold cathode 6 is fixed on a movable mechanism 7 of the FIB processing apparatus, and the focused ion beam 8 is irradiated from the ion beam generator 9 to the spherical surface 2 portion serving as an electron emission region.
【0024】可動機構7は、基板1の位置と方向を制御
し、常に、加工する球面2上の特定の点に入射するイオ
ンビーム8の角度がその点の曲面と垂直になるようにす
る。すなわち、曲面状の任意の点を加工している時、イ
オンビーム8は常に曲面2の曲率中心Oあるいはその付
近を通るように、基板1の位置と方向を制御する。The movable mechanism 7 controls the position and direction of the substrate 1 so that the angle of the ion beam 8 incident on a specific point on the spherical surface 2 to be processed is always perpendicular to the curved surface at that point. That is, the position and direction of the substrate 1 are controlled so that the ion beam 8 always passes through the curvature center O of the curved surface 2 or in the vicinity thereof while processing an arbitrary curved surface point.
【0025】さらに、イオンビーム発生装置9によって
イオンビーム8を微小量だけ変更させて、図2に示す構
造を形成する。 実施例2 図2は本発明の第2の実施例である電解放射冷陰極の構
造を示す構造図で、FIBを照射して加工した例陰極6
の球面2の部分の拡大したものである。図1に示す加工
設定状態で、直径1μm以下の円を描くようにイオンビ
ーム8の円工を制御することによって、この部分の電極
層4、絶縁層3および基板1の一部分が除去されて、図
2に示すような開口11、空洞12と円錐上のエミッタ
13が同時に形成される。開口11、空洞12、エミッ
タ13で微小冷陰極14を構成し、電子放出構造の最小
構成単位となる。Further, the ion beam generator 9 is used to change the ion beam 8 by a very small amount to form the structure shown in FIG. Example 2 FIG. 2 is a structural diagram showing the structure of an electrolytic radiation cold cathode according to a second example of the present invention, which is an example cathode 6 processed by irradiation with FIB.
It is an enlarged view of the portion of the spherical surface 2. In the processing setting state shown in FIG. 1, by controlling the circular processing of the ion beam 8 so as to draw a circle having a diameter of 1 μm or less, the electrode layer 4, the insulating layer 3 and a part of the substrate 1 in this portion are removed, An opening 11, a cavity 12 and a conical emitter 13 as shown in FIG. 2 are simultaneously formed. The opening 11, the cavity 12, and the emitter 13 form a micro cold cathode 14, which is the minimum unit of the electron emission structure.
【0026】なお、FIBによって平面基板上に微小冷
陰極を形成する方法については、石川らが報告している
(IVMC 94 Techn.Digest pp.
37〜40,1994)。 実施例3 本発明の第3の実施例である電子銃の原理的断面構造図
を図3に示す。図3において、冷陰極6のすぐ前にはウ
エーネルト電極21が置かれ、さらにウエーネルト電極
21の先に陽極22が置かれている。冷陰極6の球面2
には多数の微小冷陰極14が形成され、電子放出領域と
なる基板1と電極層4の間には、電極層4が正となる数
10Vの電圧が印加され、エミッタ13の先端から電子
が放射される。ウエーネルト電極21には基板1あるい
は電極層4と同電位かあるいは負の電位が印加され、陽
極22には基板1に対して1kV〜数kVの電圧が印加
される。基板1、特に電子放出領域となる球面2、ウエ
ーネルト電極21、陽極22の形状ならびにウエーネル
ト電極21、陽極22の電圧によってピアス電子銃の条
件が満たされると、電子放出領域から放出された電子は
ラミナーフロー上になって集束されて陽極22に形成さ
れた開口を通り抜める。Ishikawa et al. Reported a method of forming a micro cold cathode on a flat substrate by FIB (IVMC 94 Techn. Digest pp.
37-40, 1994). Third Embodiment FIG. 3 shows a principle sectional structure view of an electron gun which is a third embodiment of the present invention. In FIG. 3, the Wehnelt electrode 21 is placed immediately in front of the cold cathode 6, and the anode 22 is further placed in front of the Wehnelt electrode 21. Cold cathode 6 spherical surface 2
A large number of micro-cold cathodes 14 are formed on the substrate, and a voltage of several tens of volts that makes the electrode layer 4 positive is applied between the substrate 1 and the electrode layer 4, which are electron emission regions, and electrons are emitted from the tip of the emitter 13. Is emitted. The Wehnelt electrode 21 is applied with the same potential or a negative potential as the substrate 1 or the electrode layer 4, and the anode 22 is applied with a voltage of 1 kV to several kV with respect to the substrate 1. When the conditions of the Pierce electron gun are satisfied by the shapes of the substrate 1, in particular, the spherical surface 2 serving as the electron emission region, the Wehnelt electrode 21, the anode 22 and the voltages of the Wehnelt electrode 21 and the anode 22, the electrons emitted from the electron emission region are laminar. The flow is converged on the flow and passed through the opening formed in the anode 22.
【0027】このように、ピアス電子銃の設計条件を満
たす集束型電子銃が実現できるので、電流密度が高く、
リップルが小さく、安定な電子ビームが形成できる。さ
らに、同じ電流密度の電子ビームを実現するために、陰
極の電流密度を上昇させないで電子銃の集束比(陰極形
と電子ビーム径の比)を大きくできるので、陰極、特に
エミッタ先端の加熱などの不具合が発生せず、寿命の長
い電子銃が実現できる。 実施例4 本発明の本発明の第4の実施例である電解放射冷陰極の
構造図を図4に示す。図4において、基板31は機械的
方法によって、電子銃設計の極率半径で球面32が形成
され、球面32の上には電子放出層33が積層され、陰
極34を構成する。As described above, since the focused electron gun satisfying the design condition of the pierce electron gun can be realized, the current density is high,
A small electron ripple and a stable electron beam can be formed. Furthermore, in order to achieve an electron beam with the same current density, the focusing ratio of the electron gun (the ratio between the cathode type and the electron beam diameter) can be increased without increasing the current density of the cathode, so that the cathode, especially the emitter tip, can be heated. It is possible to realize an electron gun with a long life without causing the above problems. Embodiment 4 FIG. 4 shows a structural diagram of an electrolytic radiation cold cathode which is a fourth embodiment of the present invention. In FIG. 4, a substrate 31 has a spherical surface 32 formed by a mechanical method with a polar radius of an electron gun design, and an electron emission layer 33 is laminated on the spherical surface 32 to form a cathode 34.
【0028】基板31にはたとえばシリコンのようなは
動態、あるいは金属、あるいは単結晶ダイヤモンドやc
BNが使用される。電子放出層33は仕事関数が小さい
材料を含む材料であるが、望ましく単結晶ダイアモン
ド、多結晶ダイアモンド、非晶質ダイアモンドの内の一
つあるいは少くとも二つを含有する材料である。ここ
で、非晶質ダイアモンドの内の一つあるいは少なくとも
二つを含有する材料である。ここで、非晶質ダイアモン
ドとはカーボンのレーザーアベレーション技術等によっ
て形成される薄膜のことで、アモルファス状態あるいは
極く微小なダイアモンド結晶状態あるいはこれらが混在
している状態である。多結晶ダイアモンドはプラズマC
VD法あるいは熱フィラメントCVD法などの気相成長
で作られる。The substrate 31 is made of, for example, silicon, a metal, or single crystal diamond or c.
BN is used. The electron emission layer 33 is a material containing a material having a low work function, and is preferably a material containing one or at least two of single crystal diamond, polycrystalline diamond, and amorphous diamond. Here, the material contains one or at least two of amorphous diamond. Here, the amorphous diamond is a thin film formed by a carbon laser ablation technique or the like, and is in an amorphous state, an extremely minute diamond crystal state, or a state in which these are mixed. Polycrystalline diamond is plasma C
It is made by vapor phase growth such as VD method or hot filament CVD method.
【0029】なお、単にダイアモンド薄膜を使用した電
子放出電子素子については特開平6−36680号公報
に開示され、同じく、ダイアモンド薄膜を単に使用した
平面ディスプレイ装置については特開平6−20883
5号公報に開示されているが、本実施例を示唆するもの
でないことは言うまでもない。 実施例5 本発明の第5の実施例である電子銃の原理的断面構造図
を図5に示す。図5において、基板31は図4に示すよ
うに球面上の曲面が形成され、この上に電子放出層33
が作られている。基盤31の全面数10μm〜約200
μmのところに、電子放出層33の全面を覆うように、
基板31の曲面に沿った曲面を持つ陰極格子35が置か
れている。陰極格子35のすぐ前には、ウエーネルト電
極21が配置され、さらにウエーネルト電極21の先に
陽極22が置かれている。基板31、陰極格子35、ウ
エーネルト電極21、陰極22は、独立した電圧が印加
できるように互い絶縁されている。An electron-emitting electron element using only a diamond thin film is disclosed in JP-A-6-36680, and a flat display device using only a diamond thin film is also disclosed in JP-A-6-20883.
It is disclosed in Japanese Patent Publication No. 5 but it goes without saying that it does not suggest the present embodiment. Embodiment 5 FIG. 5 shows a principle cross-sectional structural diagram of an electron gun which is a fifth embodiment of the present invention. 5, the substrate 31 has a spherical curved surface as shown in FIG. 4, and the electron emission layer 33 is formed on the curved surface.
Is made. Number of entire surface of the base 31 10 μm to about 200
to cover the entire surface of the electron emission layer 33 at μm,
A cathode grid 35 having a curved surface along the curved surface of the substrate 31 is placed. The Wehnelt electrode 21 is arranged immediately in front of the cathode grid 35, and the anode 22 is further placed ahead of the Wehnelt electrode 21. The substrate 31, the cathode grid 35, the Wehnelt electrode 21, and the cathode 22 are insulated from each other so that an independent voltage can be applied.
【0030】基板31と陰極格子、の間には、陰極格子
35が正となる直流の家具10Vの電圧が印加され、電
子放出層33から電子が放射される。ウエーネルト電極
21には基板31あるいは陰極格子35と同電位かある
いは負の電位が印加され、陽極22は基板31に対して
1kV〜数kVの電圧が印加される。基板31、特に電
子放出領域となる球面32、ウエーネルト電極21、陽
極22の形状ならびにウエーネルト電極21、陽極22
の電圧によってPierce電子銃の条件が満たされる
と、電子放出領域から放出された電子はラミナーフロー
状になって集束されて陽極22に形成された開口を通り
抜ける。 実施例6 本発明の第6の実施例である電子銃の原理的断面構造図
を図6に示す。図6において、陰極格子35と基板31
の間に、陰極格子35と目当わせされた第2の陰極格子
36を配置し、これに基板31に対して僅かに負の電圧
を印加している。Between the substrate 31 and the cathode grid, a voltage of DC furniture 10 V having a positive cathode grid 35 is applied, and electrons are emitted from the electron emission layer 33. The same potential or a negative potential as the substrate 31 or the cathode grid 35 is applied to the Wehnelt electrode 21, and the anode 22 is applied with a voltage of 1 kV to several kV with respect to the substrate 31. The shapes of the substrate 31, particularly the spherical surface 32 serving as an electron emission region, the Wehnelt electrode 21, the anode 22, and the Wehnelt electrode 21, the anode 22.
When the conditions of the Pierce electron gun are satisfied by the voltage of, the electrons emitted from the electron emission region are focused in a laminar flow state and pass through the opening formed in the anode 22. Embodiment 6 FIG. 6 shows a principle cross-sectional structure diagram of an electron gun which is a sixth embodiment of the present invention. In FIG. 6, the cathode grid 35 and the substrate 31
A second cathode grid 36, which is aligned with the cathode grid 35, is arranged between the two, and a slightly negative voltage is applied to the substrate 31.
【0031】図5に示す実施例5においては、電子放出
層33から放出された電子の一部は基板33に対して正
の電圧が印加された陰極格子35に衝突し、陰極格子電
流となる。しかし、図6に示す実施例6においては、第
2陰極格子36に印加した負の電圧によって、電子放出
層33から電子は陰極格子35ならびに第2陰極格子3
6には入射しない。 実施例7 本発明の第7の実施例であるマイクロ波管(進行波管)
の原理的断面図を図7に示す。冷陰極105の電子放出
面101から放出された電子は、ウエーネルト電極10
2、陽極103ならびに例陰極105で形成された電解
によって集束され、冷陰極105から離れるに従って形
を縮小させ、陽極103を通り抜ける。電子ビーム10
4は磁石107で作られる磁力線の影響を受け一定ビー
ム径に集束されながらヘリックス106の内側を通りコ
レクタ108に達する。In Example 5 shown in FIG. 5, some of the electrons emitted from the electron emission layer 33 collide with the cathode lattice 35 to which a positive voltage is applied to the substrate 33, and become a cathode lattice current. . However, in the sixth embodiment shown in FIG. 6, due to the negative voltage applied to the second cathode grid 36, electrons are emitted from the electron emission layer 33 into the cathode grid 35 and the second cathode grid 3.
It does not enter 6. Example 7 Microwave tube (traveling wave tube) according to Example 7 of the present invention
FIG. 7 shows a principle cross-sectional view of the above. The electrons emitted from the electron emission surface 101 of the cold cathode 105 are the Wehnelt electrode 10
2. It is focused by the electrolysis formed by the anode 103 and the example cathode 105, shrinks in shape as it moves away from the cold cathode 105, and passes through the anode 103. Electron beam 10
4 reaches the collector 108 while passing through the inside of the helix 106 while being converged to a constant beam diameter under the influence of the magnetic force lines generated by the magnet 107.
【0032】ヘリックス106を通り抜ける途中で、フ
リックス106に沿って進む入力電磁波と電子ビームと
が相互作用を行い、電子ビーム104中の直流エネルギ
ーを電磁波のエネルギーに変換してこれを増幅する。While passing through the helix 106, the input electromagnetic wave traveling along the flix 106 interacts with the electron beam, converting the direct current energy in the electron beam 104 into the electromagnetic wave energy and amplifying it.
【0033】[0033]
【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、冷陰極を電子源とした集束型の電子銃が実現できる
ので、次の様な利点が生じる。As described above, according to the present invention, a focusing type electron gun using a cold cathode as an electron source can be realized, so that the following advantages occur.
【0034】電子銃に冷陰極を採用することによって、
ヒータ電力が不要になり、消費電力が削減でき、陰極付
近の熱構造設計が簡単になり、電源投入から動作状態に
達するまでの時間遅延がない電子銃が実験できる。By adopting a cold cathode for the electron gun,
The heater power is not required, the power consumption can be reduced, the thermal structure design near the cathode can be simplified, and the electron gun without the time delay from the power-on to the operation state can be tested.
【0035】さらに、ピアス電子銃の設計条件を集束型
電子銃が実現できるので、上記の利点を持ち、同時に、
電流密度が高く、リップルが小さく、安定な電子ビーム
が形成でき、寿命の長い電子銃が実現できる。Further, since the focused electron gun can realize the design condition of the pierce electron gun, it has the above advantages and at the same time,
An electron gun having a high current density, a small ripple, a stable electron beam and a long life can be realized.
【0036】この結果、本発明の電子銃を進行波管やク
ライストロンなどのマイクロ波管に適用すれば、これら
の高出力化、高周波化、停電圧化、長寿命化が可能にな
る。さらに、電気ビーム加工装置、電子ビーム加速装置
など、大電流の電子ビームを利用した装置の電子銃に適
用すればこれらの装置の長寿命化、高性能化が図られ
る。As a result, if the electron gun of the present invention is applied to a microwave tube such as a traveling wave tube or a klystron, it is possible to increase the output, increase the frequency, stop the voltage, and extend the life of the tube. Further, when it is applied to an electron gun of a device using a large current electron beam such as an electric beam processing device and an electron beam accelerating device, the life and performance of these devices can be extended.
【図1】本発明の第1の実施例である電解放射冷陰極の
製造方法を示す原理的構成斜視図である。FIG. 1 is a principle configuration perspective view showing a method for manufacturing an electrolytic radiation cold cathode according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第2の実施例である電解放射冷陰極の
構造を示す部分断面斜視図である。FIG. 2 is a partial cross-sectional perspective view showing the structure of an electrolytic radiation cold cathode according to a second embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第3の実施例である電子銃の断面図で
ある。FIG. 3 is a sectional view of an electron gun that is a third embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第4の実施例である電界放射冷陰極の
部分断面斜視図である。FIG. 4 is a partial sectional perspective view of a field emission cold cathode according to a fourth embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第5の実施例である電子銃の断面図で
ある。FIG. 5 is a sectional view of an electron gun that is a fifth embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第6の実施例である電子銃の断面図で
ある。FIG. 6 is a sectional view of an electron gun that is a sixth embodiment of the present invention.
【図7】本発明の第7の実施例であるマイクロ波管の断
面図である。FIG. 7 is a sectional view of a microwave tube according to a seventh embodiment of the present invention.
【図8】従来技術であるピアス電子銃の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional pierce electron gun.
【図9】特開平5−266809号公報に開示された従
来技術の進行波管の概念図である。FIG. 9 is a conceptual diagram of a traveling wave tube of a conventional technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-266809.
【図10】特開平5−266809号公報に開示された
従来技術の進行波管の電子銃部の断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of an electron gun portion of a traveling-wave tube according to the related art disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-266809.
【図11】特開平6−290702号公報に開示されて
いる3次元局面形状FEAの製造方法である。FIG. 11 is a method for manufacturing a three-dimensional contour shape FEA disclosed in JP-A-6-290702.
【図12】特開平4−249841号公法に開示されて
いる球面状FEAの断面図である。FIG. 12 is a sectional view of a spherical FEA disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-249841.
1 基板 2 球面 3 絶縁層 4 電極層 5 ボンディングパッド 6 冷陰極 7 可動機構 8 イオンビーム 9 イオンビーム発生装置 11 開口 12 空洞 13 エミッタ 14 微小冷陰極 21 ウエーネルト電極 22 陽極 23 電子ビーム 31 基板 32 球面 33 電子放出層 34 冷陰極 35 陽極格子 36 第2陰極格子 101 電子放出面 102 ウエーネルト電極 103 陽極 104 電子ビーム 105 冷陰極 106 ヘリックス 107 磁石 108 コレクタ 110 電子放出領域 111 基板 112 絶縁層 113 ゲート電極 114 空洞 115 エミッタ 116 前面ガラス 1 Substrate 2 Spherical Surface 3 Insulating Layer 4 Electrode Layer 5 Bonding Pad 6 Cold Cathode 7 Moving Mechanism 8 Ion Beam 9 Ion Beam Generator 11 Opening 12 Cavity 13 Emitter 14 Micro Cold Cathode 21 Wehnelt Electrode 22 Anode 23 Electron Beam 31 Substrate 32 Spherical 33 Electron emission layer 34 Cold cathode 35 Anode lattice 36 Second cathode lattice 101 Electron emission surface 102 Wehnelt electrode 103 Anode 104 Electron beam 105 Cold cathode 106 Helix 107 Magnet 108 Collector 110 Electron emission region 111 Substrate 112 Insulation layer 113 Gate electrode 114 Cavity 115 Emitter 116 Front glass
Claims (7)
板(31)と、前記曲面(32)上に積層された薄膜上
の電子放出層(33)とを有することを特徴とする冷陰
極。1. A cooling device comprising: a substrate (31) having a spherical curved surface (32) on its surface; and a thin-film electron emission layer (33) laminated on the curved surface (32). cathode.
モンド、多結晶ダイヤモンド、非晶質ダイヤモンドのい
ずれか一つあるいは少なくともいずれか2つを構成材料
として備えることを特徴とする請求項1記載の冷陰極。2. The electron emission layer (33) comprises any one or at least any one of single crystal diamond, polycrystalline diamond and amorphous diamond as a constituent material. Cold cathode.
板(31)と前記曲面(32)上に積層された薄膜状の
電子放出層(33)とを有する冷陰極(34)と、前記
冷陰極(34)の前面に位置し、前記電子放出層(3
3)の曲面(32)に沿った曲面を持つ格子状の電極
(35)と、前記電極(35)の前面に位置し、前記電
子放出層(33)を取り囲む形状のビーム形成電極(2
1)と陽極22とを有して構成されることを特徴とする
冷陰極電子銃。3. A cold cathode (34) having a substrate (31) having a spherical curved surface (32) on its surface and a thin-film electron emission layer (33) laminated on said curved surface (32), The electron emission layer (3) is located in front of the cold cathode (34).
3) A grid-shaped electrode (35) having a curved surface along the curved surface (32), and a beam forming electrode (2) positioned in front of the electrode (35) and surrounding the electron emission layer (33).
1) A cold cathode electron gun, which is configured to have an anode 22.
の間に、前記冷陰極(34)ならびに前記電極(35)
とは絶縁され、前記電極(35)の格子と目合わせされ
た格子を有し、前記電極(35)に沿った曲面が形成さ
れた第2の電極(36)を配置したことを特徴とする請
求項3記載の冷陰極電子銃。4. The cold cathode (34) and the electrode (35)
Between the cold cathode (34) and the electrode (35)
And a second electrode (36) which is insulated and has a lattice aligned with the lattice of the electrode (35) and in which a curved surface is formed along the electrode (35). The cold cathode electron gun according to claim 3.
板(1)と、前記曲面(2)上に形成した複数の微小電
子放出構造(14)とを有して構成され、 前記微小電子放出構造(14)が、前記曲面(2)の曲
率中心あるいはその付近を通る集束イオンビーム(8)
で形成されたことを特徴とする冷陰極。5. A substrate (1) partially formed with a spherical curved surface (2), and a plurality of minute electron emission structures (14) formed on the curved surface (2), Focused ion beam (8) in which the minute electron emission structure (14) passes through or near the center of curvature of the curved surface (2).
A cold cathode formed by.
陰極(6)の前面に位置し、前記曲面(2)を取り囲む
形状のビーム形成電極(21)と、陽極(22)とを有
して構成されることを特徴とする冷陰極電子銃。6. The cold cathode (6) according to claim 5, a beam forming electrode (21) positioned in front of the cold cathode (6) and surrounding the curved surface (2), and an anode (22). And a cold cathode electron gun.
5記載の冷陰極電子銃を電子ビーム源としたマイクロ波
管。7. A microwave tube using the cold cathode electron gun according to claim 3, 4, or 5 as an electron beam source.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6088795A JP2787899B2 (en) | 1995-03-20 | 1995-03-20 | Cold cathode, electron gun and microwave tube using the same |
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JPH08255558A true JPH08255558A (en) | 1996-10-01 |
JP2787899B2 JP2787899B2 (en) | 1998-08-20 |
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