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発明の名称 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
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−4991(P2007−4991A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−180118(P2005−180118)
出願日 平成17年6月21日(2005.6.21)
代理人 【識別番号】100097445
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄
発明者 米口 城弘 / 塚田 敏行 / 相賀 正幸
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。
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




 

 


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