電子銃
【課題】２つの熱イオン電子源を用いて耐用年数を向上させ、またこれらの熱イオン電子源を迅速かつ効率的に交換することが可能な、低価格で小型高性能の電子銃を提供する。
【解決手段】電子銃１０は、主熱イオン電子源４４、副熱イオン電子源５８及び集束電極６２を備える第１のハウジング１２と、アノード及び集束コイル８６Ａ、８６Ｂを備える第２のハウジング１４と、偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂを備え、第２のハウジング１４に接続し、かつ第１のハウジング１２の反対側に位置する第３のハウジング１６と、を備えるアセンブリからなる。電子銃１０は、耐用年数を向上させるために２つの熱イオン電子源４４、５８を用いる。電子銃１０の寸法は、この電子銃１０の出力定格を制限することなく２つの熱イオン電子源４４、５８を容易に交換できるように小型になっている。これにより、長寿命、低価格、かつ汎用性の高い電子銃１０が得られる。
【解決手段】電子銃１０は、主熱イオン電子源４４、副熱イオン電子源５８及び集束電極６２を備える第１のハウジング１２と、アノード及び集束コイル８６Ａ、８６Ｂを備える第２のハウジング１４と、偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂを備え、第２のハウジング１４に接続し、かつ第１のハウジング１２の反対側に位置する第３のハウジング１６と、を備えるアセンブリからなる。電子銃１０は、耐用年数を向上させるために２つの熱イオン電子源４４、５８を用いる。電子銃１０の寸法は、この電子銃１０の出力定格を制限することなく２つの熱イオン電子源４４、５８を容易に交換できるように小型になっている。これにより、長寿命、低価格、かつ汎用性の高い電子銃１０が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子銃に関し、特に２つの熱イオン電子源を有する電子銃に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム炉ならびに電子ビームコータ（ｃｏａｔｅｒ）は、物品に蒸着する蒸気を発生させる材料を加熱するために用いられる。電子ビーム炉は、電子銃と、偏向装置と、冷却装置と、を備える。電子銃によって、電子ビームが発生する。偏向装置によって、電子ビームが、材料を加熱するようにこの材料に案内される。冷却装置は、電子銃の過熱を防止するためにこの電子銃を冷却する。
【０００３】
通常、電子銃は、電子源と、集束電極と、加速電極と、を備える。一般的に電子源は、電子を放出するように電流によって加熱されたカソードである。通常、集束電極は、電子をはじくようにマイナスに帯電しており、これによって電子が、概ね加速電極に向けて案内される。一般に、加速電極は、電子がビームを形成して下流側に進むように、電子源及び集束電極より小さくマイナスに帯電している。
【０００４】
１つの周知の形式の電子銃においては、電子源ならびに集束電極が、ヘッド部に伸長して配置される。ヘッド部は、加速電極から離れて配置されたプラットフォームによって支持される。この種の電子銃は、信頼性があるとともに、多数の異なる出力定格において使用可能である。これらの電子銃のヘッド部、加速電極、ならびにプラットフォームの物理的な寸法は、電子銃の出力定格によって決まる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電子銃が作動している間に、電子ビームがイオンを発生させ、これらのイオンは、電子の動きに相対して逆方向に移動するとともに、カソードとアノードとの間の電界内で加速する。高エネルギのイオンがカソードの表面に衝突するので、これらのイオンによって、カソード材が拡散し、かつ蒸発する。最終的にカソードは、恒常的な反射した電子の衝突により変形し、ひいては腐食する。また、カソードの変形は、電子銃の性能に影響を与える。電子銃の蒸発速度もまた、変化する。その結果、電子銃の平均耐用年数ならびに総耐用年数が、大幅に低下する。同様に、電子銃アセンブリにおける必要な数の目標物を被覆する電子銃の能力が制限され、また全体的な生産能力に著しい影響を及ぼす。
【０００６】
従って、電子銃の耐用年数及び作動寿命を向上させ、かつ電子銃の出力定格を制限することなく熱イオン源を素早く効率的に交換することができるように構成された電子銃アセンブリが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、電子銃は、第１のプラットフォームに接続されたハウジング支持部材に調整可能に取り付けられた１つ或いは複数の基準となる部材を備える第１のハウジング内に配置された主熱イオン電子源、副熱イオン電子源及び集束電極と、第１のプラットフォームに調整可能に接続された１つ或いは複数の絶縁部材を備える第２のハウジング内に配置されたアノード及び１つ或いは複数の集束コイルと、第２のハウジングに接続し、かつ第１のハウジングの反対側に位置する第３のハウジング内に配置された１つ或いは複数の偏向コイルと、を備える。
【０００８】
本発明によれば、電子銃を用いる方法は、主熱イオン電子源を加熱し、この主熱イオン電子源から第１の電界を通して第１の電子ビームを放出し、この第１の電子ビームを副熱イオン電子源に衝突させ、この副熱イオン電子源を加熱し、副熱イオン電子源から第２の電子ビームを放出し、第２の電界を通してこの第２の電子ビームを加速させ、集束電極を介して第２の電子ビームを集束し、加速アノードを通して第２の電子ビームを透過させ、１つ或いは複数の磁界を介して第２の電子ビームを集束し、１つ或いは複数の磁界を介して第２の電子ビームを偏向させ、第２の電子ビームを目標物に衝突させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の軸方向の電子銃は、２つの熱イオン電子源を備える。主熱イオン電子源が加熱すると同時に、この電子源が電子流を放出する。この電子流は、副熱イオン電子源に衝突して、この電子源を加熱する。ビーム内の電子は、主熱イオン電子源ならびに副熱イオン電子源によって発生した対向する電位の電界内で加速してエネルギを得る。電界内で電子が加速することによって、これらの電子は、集束電極により整列して電子ビームを形成する。集束電極によって、電子ビームが、副熱イオン電子源と視線が一直線に整列している加速アノードの開口部に案内される。電子ビームがアノードを通過して、１組の集束コイル及び１組の偏向コイルによって発生した磁界の範囲内に入るので、この電子ビームは加速し続ける。２組のコイルは、電子ビームを垂直及び水平に偏向させ、さらにこの電子ビームを集束するために、十分な強度を有する磁界を発生させることができる。磁界の方向及び強度によって、電子ビームは要求される方向に偏向する。これによって得られた電子ビームを、物体を加熱し、さらに走査操作を行うために用いることができる。
【００１０】
本発明の電子銃は、小型であるとともに種々の性質を有するので、既存の電子ビーム式物理的蒸着装置に取り付け可能な軸方向の電子銃である。通常、軸方向の電子銃１０は、第１のハウジング１２即ち熱イオン電子源アセンブリと、第２のハウジング１４即ち電子ビーム集束アセンブリと、第３のハウジング１６即ち電子ビーム制御モジュールと、を備える。また、電子ビーム制御モジュールの構成要素を、電子ビーム集束アセンブリ内に備えてもよい。
【００１１】
本発明の軸方向の電子銃は、１つ或いは複数の調整手段を用いる。通常、調整手段は、２つ以上の部品を互いに固定し、そして必要であればこれらの部品を分解するために緩めることができるあらゆる形式の調整可能な手段として記載されている。適切な調整可能な手段は、ねじ、ボルト、ナット、クランプなどの部品を備えるものの、これらに限定されない。同様に、これらの調整手段が挿入されるチャネルは、必要であれば、調整手段と組み合わされるように、必要な相補的な表面の特徴部（ｆａｃｉａｌ ｉｎｄｉｃｉａ）を有してもよい。代表的な表面の特徴部は、溝、滑らかな孔（ｓｍｏｏｔｈ ｂｏｒｅ）、面取りした表面、先細の面、上述の表面の特徴部のうちの少なくとも１つを備える組み合わせなどを含んでもよいが、これに限定されない。また、本発明の軸方向の電子銃は、１つ或いは複数の固着手段を用いる。通常、固着手段は、２つ以上の部品を互いに固定し、そして必要であればこれらの部品を分解するために緩めることができるあらゆる形式の固着可能な手段として記載されている。適切な固着可能な手段は、ねじ、ボルト、ナット、クランプなどの部品を備えるものの、これらに限定されない。
【００１２】
図１、図２を参照すると、第１のハウジング１２の熱イオン電子源アセンブリが、１つ或いは複数の高圧絶縁体１１によって第２のハウジング１４に接続される。高圧絶縁体１１は、第１のハウジング１２のプレート１５の１つ或いは複数の開口部１３を通して配置される。開口部１３は、高圧絶縁体１１をねじ式に収容するように設計されている。また、プレート１５は、開口部１７と、調整フランジ１９と、を備え、このフランジ１９を介して熱イオン電子源アセンブリが、開口部１７を通して配置され、また調整できるように位置する。高圧絶縁体１１は、第２のハウジング１４の突起２３に取り付けられた固着手段２１を用いて第２のハウジング１４に固定される。第２のハウジング１４は、１つ或いは複数の第２の固着手段２５を用いて第３のハウジング１６に取り外し可能に接続される。図示のように、高圧絶縁体１１を、別のハウジング（例えば、金属の蒸着工程で発生する粉塵にさらされないように上部に固定されたキャップを有する円筒型のハウジング）内に入れることもできる。
【００１３】
軸方向の電子銃１０の第１のハウジング１２（図２）は、簡易トラップ（ｆａｌｓｅ ｔｒａｐ）ホルダ２０内に配置された簡易トラップ１８を備える。図示のように、簡易トラップホルダ２０は、簡易トラップ１８用の突起２２或いは他の支持手段を備えてもよい。簡易トラップホルダ２０は、絶縁体２６によって支持されるように設計されたリップ２４をさらに備える。絶縁体２６は、単一の中実の部品もしくは互いに取り付けられる２つの半部を備える。絶縁体２６は、簡易トラップホルダ２０を収容するために設計された開口部を形成するように接続している。第１の調整手段２８は、絶縁体２６及び簡易トラップホルダ２０内に形成された１つ或いは複数の第１のチャネル３０内に配置され、またこの調整手段２８によって、簡易トラップホルダ２０が絶縁体２６内の所定の位置に堅固に保持される。絶縁体２６は、さらに、フィラメントホルダ３２の周囲に配置される。フィラメントホルダ３２は、単一の中実の部品であってもよく、或いは互いに結合する２つの半部を備えてもよい。フィラメントホルダ３２は、絶縁体２６及びこのホルダ３２内に形成された１つ或いは複数の第２のチャネル３６内に配置された第２の調整手段３４によって、絶縁体２６内の所定の位置に堅固に固定される。１つ或いは複数の電気端子５２が、好ましくは第２の調整手段３４に接続され、また１つ或いは複数の遮蔽装置５４が、電気端子５２と第２の調整手段３４との間に配置される。遮蔽装置５４は、金属の蒸着工程によって生じた粉塵から軸方向の電子銃１０の絶縁体２６を保護するために設計されている。第１のハウジング１２内にガンチャンバ５０を形成かつ画定するように、簡易トラップホルダ２０、絶縁体２６、及びフィラメントホルダ３２が結合する。
【００１４】
フィラメントホルダ３２の少なくとも一部分が、第１のハウジング１２の断熱容器３８内に挿入される。断熱容器３８の内部においては、クランプ４０が、フィラメントホルダ３２の周囲に配置される。クランプ４０は、単一の中実の部品であってもよく、或いは互いに結合する２つの半部を備えてもよい。主熱イオン電子源４４を収容するために設計されたキャビティ４２を形成するように、クランプ４０及びフィラメントホルダ３２が結合する。また、フィラメントホルダ３２は、このホルダ３２及びクランプ４０内に形成された１つ或いは複数の第３のチャネル４８内に配置された第３の調整手段４６によって、クランプ４０内の所定の位置に堅固に固定される。
【００１５】
主熱イオン電子源４４が、キャビティ４２内に配置されるとともに、第１の熱遮蔽体５４及び第２の熱遮蔽体５６を貫通している。好ましくは、主熱イオン電子源４４は、フィラメントホルダ３２とクランプ４０との間に円周方向に配置されたフィラメントコイルである。適切なフィラメントコイルとしては、加熱されたときに電子を放出することが可能な電子銃に用いられる適当な材料、例えばタングステンなどからなるが、これに限定されない。第１の熱遮蔽体５４は、この遮蔽体５４を通して主熱イオン電子源４４が挿入できるように設計された開口部を有する複数の熱遮蔽プレートを備える。同様に、第２の熱遮蔽体５６も、この遮蔽体５６を通して主熱イオン電子源４４が挿入できるように設計された開口部を備える。第２の熱遮蔽体５６は、好ましくは第１の熱遮蔽体５４の下方に接触して配置される。主熱イオン電子源４４は、好ましくは副熱イオン電子源５８の向かい側に配置される。
【００１６】
副熱イオン電子源５８は、１つ或いは複数の調整リング６０の内側に配置され、さらに断熱容器３８に固定された集束電極６２内に配置される。調整リング６０は、好ましくは集束電極６２内に副熱イオン電子源５８を収容し、かつ固定するために設計される。また、副熱イオン電子源５８は、集束電極６２の突起６６によって支持される。集束電極６２は、好ましくは開口部７０を備え、この開口部７０を通して副熱イオン電子源５８が配置されるとともに、この電子源５８の平面７２は、第２のハウジング１４と視線が一直線になっている。副熱イオン電子源５８は、この電子源５８の平面７２の周囲に円周方向に配置されたリップ６４を有する実質的に円筒型の形状を備える。円周方向に配置されたリップ６４は、好ましくは、副熱イオン電子源５８が、集束電極６２の開口部７０内で懸架されるように、突起６６に接触する。プレート６８は、副熱イオン電子源５８、集束電極６２双方の構成要素を断熱容器３８内に堅固に固定するために、この電子源５８及び電極６２双方の上部に接触して配置される。
【００１７】
副熱イオン電子源５８は、加熱されたときに電子を放出することが可能な電子銃に用いられる適当な材料、例えばタングステンなどからなるが、これに限定されない。好ましくは、主熱イオン電子源４４及び副熱イオン電子源５８は、同一の材料からなる。
【００１８】
第２のハウジング１４の電子ビーム集束アセンブリは、凹部７４を備え、開口部７６を備える実質的に円錐台形状の加速アノード７８が、この凹部７４に配置される。円錐台形状の突起７５は、プレート７７及び凹部７４内に配置された第５の調整手段８０によって所定の位置に固定される。開口部７６は、好ましくは副熱イオン電子源５８と視線が一直線に整列する。加速アノード７８は、好ましくは副熱イオン電子源５８と視線が一直線に整列して配置される。１対の集束コイル８６Ａ、８６Ｂは、各々のコイル８６Ａ、８６Ｂが電子ビームチャンバ８２と平行に整列し、かつ電源コネクタ９４を通して電力を得るように第２のハウジング１４内に配置される。各集束コイル８６Ａ、８６Ｂの周辺には、軸方向の電子銃１０の使用中に冷却流を搬送し、かつこれらのコイル８６Ａ、８６Ｂの過熱を防止するように設計された複数の冷却チャネル８８が存在する。冷却液貯蔵部（図示せず）は、冷却液を軸方向の電子銃１０に搬送するために、１つ或いは複数の冷却液用ホース９０、９２を用いてこの電子銃１０に接続される。集束コイル８６Ａ、８６Ｂ及び冷却チャネル８８は、好ましくは熱遮蔽材９５によって電子の散乱及び汚染から保護される。
【００１９】
第３のハウジング１６の電子ビーム制御モジュールは、第２のハウジング１４の下方に接触して配置される。第３のハウジング１６は、ベース９６と、このベース９６と一体になって配置された１対の側壁９８と、を備える。側壁９８は、冷却チャネル１００と、電源コネクタ９４に取り付けられた１対の偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂを収容するために設計されたクレードル（ｃｒａｄｌｅ）構造体１０２と、の双方を形成するように延びている。クレードル構造体１０２は、この構造体１０２と一体になって形成され、かつベース９６の外壁１０８によって支持されるように設計されたエッジ１０６を備える。開口部１１２を有する熱遮蔽体１１０は、偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂ、クレードル構造体１０２、及び側壁９８の上部に配置される。熱遮蔽体１１０は、散乱電子及び汚染から偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂを保護するために、第６の調整手段１１４によってクレードル構造体１０２に接続される。軸方向の電子銃１０の電子ビームチャンバ１１６を形成し、かつ画定するように、熱遮蔽体１１０及び側壁９８が結合する。電子ビームチャンバ１１６は、好ましくは第２のハウジング１４の電子ビームチャンバ８２と視線が一直線に整列する。軸方向の電子銃１０の第３のハウジング１６は、上述のとおり当業者に知られている適当な数の固着手段を用いて既存の構造体に固定される。
【００２０】
集束コイル８６Ａ、８６Ｂ及び偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂは、磁石と、好ましくはこれらのコイルと結合した環状の１２極の磁気回路と、を備える。磁気回路、集束コイル８６Ａ、８６Ｂ、偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂ、及びハウジング１２、１４、１６は、全て“接地”電位下に存在する。集束コイル８６Ａ、８６Ｂ及び偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂは、例えば、１つの巻きつけられた集束コイル８６Ａ（例えば、Ｎ極）の始端部が別の巻きつけられた集束コイル８６Ｂ（例えば、Ｓ極）の終端部に接続するように、それぞれ２つのコイルの組として互いに巻きつけられ、かつ直列に接続される。集束コイル８６Ａ、８６Ｂもしくは偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂのいずれかによって、電子ビームを垂直に偏向させることが可能な磁界が発生するとともに、別の組の集束コイル８６Ａ、８６Ｂもしくは偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂによって、電子ビームを水平に偏向させることが可能な磁界が発生する。
【００２１】
高電圧回路は、軸方向の電子銃１０のフィラメント電流回路、衝突回路、及び加速電圧回路用に用いられる。低電圧回路は、偏向コイル及び偏向磁石、集束コイル及び集束磁石の双方に用いるための電源回路として用いられる。軸方向の電子の出力は、ビーム電流を加速電圧で乗算することによって示される。軸方向の電子銃１０の出力は、副熱イオン電子源５８の衝突電流の変化に対する主熱イオン電子源４４のフィラメント電流の変化即ち、副熱イオン電子源５８の温度変化を通して調整することができる。
【００２２】
電子銃１０が作動している間に、約１Ａ〜８０Ａ、特に約５Ａ〜７０Ａ、好ましくは約１０Ａ〜６０Ａのフィラメント電流が、絶縁体２６を通る電気端子５２を介して主熱イオン電子源４４のフィラメントコイルに印加される。主熱イオン電子源４４によって、熱イオンの粒子雲（例えば、電子雲）が発生し、この粒子雲内の電子が、主熱イオン電子源４４を通る電流の印加によって発生した電界内で整列する。これらの電子は、別の熱イオン粒子雲を発生させるように、副熱イオン電子源５８に案内され、この電子源５８に衝突して該電子源５８を加熱する。衝突電圧は、約０．５ｋＶ〜２．５ｋＶであり、特に約１．０ｋＶ〜２．０ｋＶ、好ましくは１．５ｋＶである。衝突電流は、必要であれば最大約１Ａにまで調整することができる。また、副熱イオン電子源５８は、逆電位の別の電界を発生させるために主熱イオン電子源４４の双方に相対する逆電位（例えば、負電位）を得るように、電流によって帯電する。電界の加速電圧は、約５ｋＶ〜４５ｋＶであり、特に約１０ｋＶ〜３５ｋＶ、好ましくは約１７ｋＶ〜２５ｋＶである。電子ビームが逆電位の電界を通過するので、電子が加速する。熱イオン即ち電子が、電界内で整列するとともに、集束電極６２によって電子ビーム（図示せず）として加速アノード７８に案内される。
【００２３】
電子ビームが加速アノード７８を通過すると、電子が、集束コイル８６Ａ、８６Ｂ及び偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂによって発生した磁界に入る。計約０．１Ａ〜２Ａ、特に計約０．５Ａ〜１．５Ａ、好ましくは計１Ａの電流が、集束コイル８６Ａ、８６Ｂに印加される。計約１Ａ〜５Ａ、特に計約２Ａ〜４Ａ、好ましくは計約３Ａの電流が、偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂに印加される。電子ビームを用いて走査操作を行うために、種々の電流を印加することによって、約５°〜３５°の角度、特に約１０°〜３０°の角度、好ましくは約２０°の角度でオペレータが電子ビームを偏向させることができるように軸方向の電子銃１０の作動が可能になる磁界が発生する。
【００２４】
本発明の軸方向の電子銃は、今日、設計が可能な既存の平面ビーム電子銃と比較して多くの利点を有する。図３を参照すると、図中のグラフは、第１世代の線形電子ビーム銃（Ａ）の耐用年数を第２世代の線形電子ビーム銃（Ｂ）の耐用年数及び、本発明の軸方向の電子銃（Ｃ）の耐用年数と比較していることを示している。第２世代の線形電子ビーム銃によって、第１世代の線形電子ビーム銃における特定の欠点が解消され、これにより第１世代の電子銃の平均耐用年数と比較して第２世代の線形電子ビーム銃の平均耐用年数が、約２２．９％向上する。本発明の軸方向の電子銃における実際の耐用年数は、第２世代の線形電子ビーム銃の平均耐用年数と比較して約５５％向上する。図は、これをほぼ１００％の実際の耐用年数に換算している。この大幅な向上は、主熱イオン電子源、副熱イオン電子源の双方を用いる本発明の軸方向の電子銃によりもたらされる。
【００２５】
電子銃が作動している間に、電子は、所望の目標物に反射し、ガンチャンバを通って後方に進む。これらの反射した電子が、熱イオン電子源を含むガンチャンバの内部面全体に衝突する。本発明の軸方向の電子銃と対照的に、今日の電子銃は、反射した電子に継続してさらされる１つの熱イオン電子源のみを用いている。その結果、恒常的な反射した電子の衝突、ひいてはこれによる腐食により、熱イオン電子源が変形する。これによって、電子ビーム銃の走査周波数が減少するとともに、この電子ビーム銃の蒸発速度が変化する。本発明の軸方向の電子銃においては、副熱イオン電子源は、主熱イオン電子源と比較して質量が大きく、また電子源としてだけでなく反射した電子の目標物としても機能する。副熱イオン電子源をこれらの反射した電子に継続してさらすことによって、この電子源が最終的に変形して腐食する。しかしながら、主熱イオン電子源は、腐食することなく作動し続ける。結果として得られた２つの熱イオン電子源を備える設計によって、図３に示されるように、今日の既存の電子銃と比較して、軸方向の電子銃の作動寿命及び平均寿命が向上する。さらに、本発明の軸方向の電子ビーム銃によって、安定した蒸発速度及び向上した走査周波数が得られる。実用的には、電子銃の作動寿命の向上率は、電子銃の使用中に被覆することが可能な目標物の数が事実上倍になるという本発明の軸方向の電子銃の能力となる。
【００２６】
次に、既存の電子ビーム被覆装置内の電子銃を交換する必要性が、本発明の軸方向の電子銃の設計概念に拍車をかけている。発明者は、最新型の電子ビーム銃が大型の寸法で、少なくとも３フィートの長さであることを明らかにするために、旧型の電子ビーム銃のみを交換しようと努めてきた。不都合にも、最新型の電子ビーム銃の寸法が、既存の電子ビーム被覆装置の使用を妨げてきた。その結果、本発明の軸方向の電子ビーム銃は、コンパクトな設計になっているとともに、寸法は、好ましくは高さ約２４０ｍｍ（９．４５インチ）、直径２００ｍｍ（７．８７インチ）である。また、本発明の設計上の特徴を維持しつつ電子ビーム銃の寸法が変更可能である。例えば、本発明の軸方向の電子ビーム銃の高さを約２００ｍｍ（７．８７インチ）から４００ｍｍ（１５．７５インチ）に、また直径を約１５０ｍｍ（５．９１インチ）から３００ｍｍ（１１．８インチ）にしてもよい。本発明の軸方向の電子銃のコンパクトな設計により、電子銃アセンブリ全体の総設置面積が、今日、使用可能なほとんどの電子ビーム銃の総設置面積より小さくなり、さらに、より大型の電子銃アセンブリと同等の出力が供給されると同時に、より長い耐用年数も得られる。また、コンパクトな設計によって、本発明の軸方向の電子ビーム銃を、全てではないが、多数の市販の電子ビーム被覆装置に取り付けることができる。図１に示されているように、軸方向の電子銃を、種々の方法（例えば、ねじ、ボルト、リベット、パンチ、クランプなど）を用いて既存の構造体に取り付けてもよい。
【００２７】
第３に、本発明の軸方向の電子ビーム銃によって、他の市販の電子銃と比較して大幅なコスト面での利益ももたらされる。本発明の軸方向の電子ビーム銃の価格は、装置全体で約＄６０，０００〜＄１００，０００であると概算される。対照的に、既存の市販の電子銃の価格は、約＄４００，０００〜＄５００，０００である。また、これらの既存の市販の電子銃は、本発明の軸方向の電子銃によって立証された設計上の利点ならびに平均耐用年数を有していない。さらに、発明者が経験したように、ある市販の電子銃を、寸法が著しく異なる既存の市販の電子ビーム被覆装置に広く用いることができない。
【００２８】
最後に、本発明の軸方向の電子ビーム銃は、一般的な工具を用いて１人で組み立てることができる。１人で持ち上げて結合することができないほど重い部品はない。さらに、大半の部品は、互いに嵌合するか、或いは本明細書に記載されているように、ねじ、ボルト、及び他の調整手段を用いて互いに固定される。故に、作業者は、部品を接続する種々のレンチやドライバを用いて、本発明の軸方向の電子銃を素早く組み立てることができる。
【００２９】
本発明は、本明細書に記載の実施例に限定されず、また実施例は単に本発明を実施する最良の形態と考えられるものであり、形態、大きさ、部品の配置、或いは工程の詳細が修正され得ることを理解されたい。本発明は、むしろ全ての修正が本発明の請求項の範囲により画定される真の範囲内に含まれることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の軸方向の電子銃の第２のハウジング及び第３のハウジングを示す断面図。
【図２】図１の軸方向の電子銃の第１のハウジングを示す断面図。
【図３】本発明の軸方向の電子銃の熱イオン電子源（即ち、カソード寿命）を、従来技術の第１世代の線形電子ビーム銃ならびに第２世代の線形電子ビーム銃と比較しているグラフ。
【符号の説明】
【００３１】
１０…軸方向の電子銃
１１…高圧絶縁体
１２、１４、１６…ハウジング
１３、１７、７６…開口部
１５、７７…プレート
１９…調整フランジ
２１、２５…固着手段
２３、７５…突起
７４…凹部
８０、１１４…調整手段
８２、１１６…電子ビームチャンバ
８６Ａ、８６Ｂ…集束コイル
８８、１００…冷却チャネル
９０、９２…冷却液用ホース
９４…電源コネクタ
９５…熱遮蔽材
９６…ベース
９８…側壁
１０２…クレードル構造体
１０４Ａ、１０４Ｂ…偏向コイル
１１０…熱遮蔽体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子銃に関し、特に２つの熱イオン電子源を有する電子銃に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム炉ならびに電子ビームコータ（ｃｏａｔｅｒ）は、物品に蒸着する蒸気を発生させる材料を加熱するために用いられる。電子ビーム炉は、電子銃と、偏向装置と、冷却装置と、を備える。電子銃によって、電子ビームが発生する。偏向装置によって、電子ビームが、材料を加熱するようにこの材料に案内される。冷却装置は、電子銃の過熱を防止するためにこの電子銃を冷却する。
【０００３】
通常、電子銃は、電子源と、集束電極と、加速電極と、を備える。一般的に電子源は、電子を放出するように電流によって加熱されたカソードである。通常、集束電極は、電子をはじくようにマイナスに帯電しており、これによって電子が、概ね加速電極に向けて案内される。一般に、加速電極は、電子がビームを形成して下流側に進むように、電子源及び集束電極より小さくマイナスに帯電している。
【０００４】
１つの周知の形式の電子銃においては、電子源ならびに集束電極が、ヘッド部に伸長して配置される。ヘッド部は、加速電極から離れて配置されたプラットフォームによって支持される。この種の電子銃は、信頼性があるとともに、多数の異なる出力定格において使用可能である。これらの電子銃のヘッド部、加速電極、ならびにプラットフォームの物理的な寸法は、電子銃の出力定格によって決まる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電子銃が作動している間に、電子ビームがイオンを発生させ、これらのイオンは、電子の動きに相対して逆方向に移動するとともに、カソードとアノードとの間の電界内で加速する。高エネルギのイオンがカソードの表面に衝突するので、これらのイオンによって、カソード材が拡散し、かつ蒸発する。最終的にカソードは、恒常的な反射した電子の衝突により変形し、ひいては腐食する。また、カソードの変形は、電子銃の性能に影響を与える。電子銃の蒸発速度もまた、変化する。その結果、電子銃の平均耐用年数ならびに総耐用年数が、大幅に低下する。同様に、電子銃アセンブリにおける必要な数の目標物を被覆する電子銃の能力が制限され、また全体的な生産能力に著しい影響を及ぼす。
【０００６】
従って、電子銃の耐用年数及び作動寿命を向上させ、かつ電子銃の出力定格を制限することなく熱イオン源を素早く効率的に交換することができるように構成された電子銃アセンブリが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、電子銃は、第１のプラットフォームに接続されたハウジング支持部材に調整可能に取り付けられた１つ或いは複数の基準となる部材を備える第１のハウジング内に配置された主熱イオン電子源、副熱イオン電子源及び集束電極と、第１のプラットフォームに調整可能に接続された１つ或いは複数の絶縁部材を備える第２のハウジング内に配置されたアノード及び１つ或いは複数の集束コイルと、第２のハウジングに接続し、かつ第１のハウジングの反対側に位置する第３のハウジング内に配置された１つ或いは複数の偏向コイルと、を備える。
【０００８】
本発明によれば、電子銃を用いる方法は、主熱イオン電子源を加熱し、この主熱イオン電子源から第１の電界を通して第１の電子ビームを放出し、この第１の電子ビームを副熱イオン電子源に衝突させ、この副熱イオン電子源を加熱し、副熱イオン電子源から第２の電子ビームを放出し、第２の電界を通してこの第２の電子ビームを加速させ、集束電極を介して第２の電子ビームを集束し、加速アノードを通して第２の電子ビームを透過させ、１つ或いは複数の磁界を介して第２の電子ビームを集束し、１つ或いは複数の磁界を介して第２の電子ビームを偏向させ、第２の電子ビームを目標物に衝突させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の軸方向の電子銃は、２つの熱イオン電子源を備える。主熱イオン電子源が加熱すると同時に、この電子源が電子流を放出する。この電子流は、副熱イオン電子源に衝突して、この電子源を加熱する。ビーム内の電子は、主熱イオン電子源ならびに副熱イオン電子源によって発生した対向する電位の電界内で加速してエネルギを得る。電界内で電子が加速することによって、これらの電子は、集束電極により整列して電子ビームを形成する。集束電極によって、電子ビームが、副熱イオン電子源と視線が一直線に整列している加速アノードの開口部に案内される。電子ビームがアノードを通過して、１組の集束コイル及び１組の偏向コイルによって発生した磁界の範囲内に入るので、この電子ビームは加速し続ける。２組のコイルは、電子ビームを垂直及び水平に偏向させ、さらにこの電子ビームを集束するために、十分な強度を有する磁界を発生させることができる。磁界の方向及び強度によって、電子ビームは要求される方向に偏向する。これによって得られた電子ビームを、物体を加熱し、さらに走査操作を行うために用いることができる。
【００１０】
本発明の電子銃は、小型であるとともに種々の性質を有するので、既存の電子ビーム式物理的蒸着装置に取り付け可能な軸方向の電子銃である。通常、軸方向の電子銃１０は、第１のハウジング１２即ち熱イオン電子源アセンブリと、第２のハウジング１４即ち電子ビーム集束アセンブリと、第３のハウジング１６即ち電子ビーム制御モジュールと、を備える。また、電子ビーム制御モジュールの構成要素を、電子ビーム集束アセンブリ内に備えてもよい。
【００１１】
本発明の軸方向の電子銃は、１つ或いは複数の調整手段を用いる。通常、調整手段は、２つ以上の部品を互いに固定し、そして必要であればこれらの部品を分解するために緩めることができるあらゆる形式の調整可能な手段として記載されている。適切な調整可能な手段は、ねじ、ボルト、ナット、クランプなどの部品を備えるものの、これらに限定されない。同様に、これらの調整手段が挿入されるチャネルは、必要であれば、調整手段と組み合わされるように、必要な相補的な表面の特徴部（ｆａｃｉａｌ ｉｎｄｉｃｉａ）を有してもよい。代表的な表面の特徴部は、溝、滑らかな孔（ｓｍｏｏｔｈ ｂｏｒｅ）、面取りした表面、先細の面、上述の表面の特徴部のうちの少なくとも１つを備える組み合わせなどを含んでもよいが、これに限定されない。また、本発明の軸方向の電子銃は、１つ或いは複数の固着手段を用いる。通常、固着手段は、２つ以上の部品を互いに固定し、そして必要であればこれらの部品を分解するために緩めることができるあらゆる形式の固着可能な手段として記載されている。適切な固着可能な手段は、ねじ、ボルト、ナット、クランプなどの部品を備えるものの、これらに限定されない。
【００１２】
図１、図２を参照すると、第１のハウジング１２の熱イオン電子源アセンブリが、１つ或いは複数の高圧絶縁体１１によって第２のハウジング１４に接続される。高圧絶縁体１１は、第１のハウジング１２のプレート１５の１つ或いは複数の開口部１３を通して配置される。開口部１３は、高圧絶縁体１１をねじ式に収容するように設計されている。また、プレート１５は、開口部１７と、調整フランジ１９と、を備え、このフランジ１９を介して熱イオン電子源アセンブリが、開口部１７を通して配置され、また調整できるように位置する。高圧絶縁体１１は、第２のハウジング１４の突起２３に取り付けられた固着手段２１を用いて第２のハウジング１４に固定される。第２のハウジング１４は、１つ或いは複数の第２の固着手段２５を用いて第３のハウジング１６に取り外し可能に接続される。図示のように、高圧絶縁体１１を、別のハウジング（例えば、金属の蒸着工程で発生する粉塵にさらされないように上部に固定されたキャップを有する円筒型のハウジング）内に入れることもできる。
【００１３】
軸方向の電子銃１０の第１のハウジング１２（図２）は、簡易トラップ（ｆａｌｓｅ ｔｒａｐ）ホルダ２０内に配置された簡易トラップ１８を備える。図示のように、簡易トラップホルダ２０は、簡易トラップ１８用の突起２２或いは他の支持手段を備えてもよい。簡易トラップホルダ２０は、絶縁体２６によって支持されるように設計されたリップ２４をさらに備える。絶縁体２６は、単一の中実の部品もしくは互いに取り付けられる２つの半部を備える。絶縁体２６は、簡易トラップホルダ２０を収容するために設計された開口部を形成するように接続している。第１の調整手段２８は、絶縁体２６及び簡易トラップホルダ２０内に形成された１つ或いは複数の第１のチャネル３０内に配置され、またこの調整手段２８によって、簡易トラップホルダ２０が絶縁体２６内の所定の位置に堅固に保持される。絶縁体２６は、さらに、フィラメントホルダ３２の周囲に配置される。フィラメントホルダ３２は、単一の中実の部品であってもよく、或いは互いに結合する２つの半部を備えてもよい。フィラメントホルダ３２は、絶縁体２６及びこのホルダ３２内に形成された１つ或いは複数の第２のチャネル３６内に配置された第２の調整手段３４によって、絶縁体２６内の所定の位置に堅固に固定される。１つ或いは複数の電気端子５２が、好ましくは第２の調整手段３４に接続され、また１つ或いは複数の遮蔽装置５４が、電気端子５２と第２の調整手段３４との間に配置される。遮蔽装置５４は、金属の蒸着工程によって生じた粉塵から軸方向の電子銃１０の絶縁体２６を保護するために設計されている。第１のハウジング１２内にガンチャンバ５０を形成かつ画定するように、簡易トラップホルダ２０、絶縁体２６、及びフィラメントホルダ３２が結合する。
【００１４】
フィラメントホルダ３２の少なくとも一部分が、第１のハウジング１２の断熱容器３８内に挿入される。断熱容器３８の内部においては、クランプ４０が、フィラメントホルダ３２の周囲に配置される。クランプ４０は、単一の中実の部品であってもよく、或いは互いに結合する２つの半部を備えてもよい。主熱イオン電子源４４を収容するために設計されたキャビティ４２を形成するように、クランプ４０及びフィラメントホルダ３２が結合する。また、フィラメントホルダ３２は、このホルダ３２及びクランプ４０内に形成された１つ或いは複数の第３のチャネル４８内に配置された第３の調整手段４６によって、クランプ４０内の所定の位置に堅固に固定される。
【００１５】
主熱イオン電子源４４が、キャビティ４２内に配置されるとともに、第１の熱遮蔽体５４及び第２の熱遮蔽体５６を貫通している。好ましくは、主熱イオン電子源４４は、フィラメントホルダ３２とクランプ４０との間に円周方向に配置されたフィラメントコイルである。適切なフィラメントコイルとしては、加熱されたときに電子を放出することが可能な電子銃に用いられる適当な材料、例えばタングステンなどからなるが、これに限定されない。第１の熱遮蔽体５４は、この遮蔽体５４を通して主熱イオン電子源４４が挿入できるように設計された開口部を有する複数の熱遮蔽プレートを備える。同様に、第２の熱遮蔽体５６も、この遮蔽体５６を通して主熱イオン電子源４４が挿入できるように設計された開口部を備える。第２の熱遮蔽体５６は、好ましくは第１の熱遮蔽体５４の下方に接触して配置される。主熱イオン電子源４４は、好ましくは副熱イオン電子源５８の向かい側に配置される。
【００１６】
副熱イオン電子源５８は、１つ或いは複数の調整リング６０の内側に配置され、さらに断熱容器３８に固定された集束電極６２内に配置される。調整リング６０は、好ましくは集束電極６２内に副熱イオン電子源５８を収容し、かつ固定するために設計される。また、副熱イオン電子源５８は、集束電極６２の突起６６によって支持される。集束電極６２は、好ましくは開口部７０を備え、この開口部７０を通して副熱イオン電子源５８が配置されるとともに、この電子源５８の平面７２は、第２のハウジング１４と視線が一直線になっている。副熱イオン電子源５８は、この電子源５８の平面７２の周囲に円周方向に配置されたリップ６４を有する実質的に円筒型の形状を備える。円周方向に配置されたリップ６４は、好ましくは、副熱イオン電子源５８が、集束電極６２の開口部７０内で懸架されるように、突起６６に接触する。プレート６８は、副熱イオン電子源５８、集束電極６２双方の構成要素を断熱容器３８内に堅固に固定するために、この電子源５８及び電極６２双方の上部に接触して配置される。
【００１７】
副熱イオン電子源５８は、加熱されたときに電子を放出することが可能な電子銃に用いられる適当な材料、例えばタングステンなどからなるが、これに限定されない。好ましくは、主熱イオン電子源４４及び副熱イオン電子源５８は、同一の材料からなる。
【００１８】
第２のハウジング１４の電子ビーム集束アセンブリは、凹部７４を備え、開口部７６を備える実質的に円錐台形状の加速アノード７８が、この凹部７４に配置される。円錐台形状の突起７５は、プレート７７及び凹部７４内に配置された第５の調整手段８０によって所定の位置に固定される。開口部７６は、好ましくは副熱イオン電子源５８と視線が一直線に整列する。加速アノード７８は、好ましくは副熱イオン電子源５８と視線が一直線に整列して配置される。１対の集束コイル８６Ａ、８６Ｂは、各々のコイル８６Ａ、８６Ｂが電子ビームチャンバ８２と平行に整列し、かつ電源コネクタ９４を通して電力を得るように第２のハウジング１４内に配置される。各集束コイル８６Ａ、８６Ｂの周辺には、軸方向の電子銃１０の使用中に冷却流を搬送し、かつこれらのコイル８６Ａ、８６Ｂの過熱を防止するように設計された複数の冷却チャネル８８が存在する。冷却液貯蔵部（図示せず）は、冷却液を軸方向の電子銃１０に搬送するために、１つ或いは複数の冷却液用ホース９０、９２を用いてこの電子銃１０に接続される。集束コイル８６Ａ、８６Ｂ及び冷却チャネル８８は、好ましくは熱遮蔽材９５によって電子の散乱及び汚染から保護される。
【００１９】
第３のハウジング１６の電子ビーム制御モジュールは、第２のハウジング１４の下方に接触して配置される。第３のハウジング１６は、ベース９６と、このベース９６と一体になって配置された１対の側壁９８と、を備える。側壁９８は、冷却チャネル１００と、電源コネクタ９４に取り付けられた１対の偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂを収容するために設計されたクレードル（ｃｒａｄｌｅ）構造体１０２と、の双方を形成するように延びている。クレードル構造体１０２は、この構造体１０２と一体になって形成され、かつベース９６の外壁１０８によって支持されるように設計されたエッジ１０６を備える。開口部１１２を有する熱遮蔽体１１０は、偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂ、クレードル構造体１０２、及び側壁９８の上部に配置される。熱遮蔽体１１０は、散乱電子及び汚染から偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂを保護するために、第６の調整手段１１４によってクレードル構造体１０２に接続される。軸方向の電子銃１０の電子ビームチャンバ１１６を形成し、かつ画定するように、熱遮蔽体１１０及び側壁９８が結合する。電子ビームチャンバ１１６は、好ましくは第２のハウジング１４の電子ビームチャンバ８２と視線が一直線に整列する。軸方向の電子銃１０の第３のハウジング１６は、上述のとおり当業者に知られている適当な数の固着手段を用いて既存の構造体に固定される。
【００２０】
集束コイル８６Ａ、８６Ｂ及び偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂは、磁石と、好ましくはこれらのコイルと結合した環状の１２極の磁気回路と、を備える。磁気回路、集束コイル８６Ａ、８６Ｂ、偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂ、及びハウジング１２、１４、１６は、全て“接地”電位下に存在する。集束コイル８６Ａ、８６Ｂ及び偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂは、例えば、１つの巻きつけられた集束コイル８６Ａ（例えば、Ｎ極）の始端部が別の巻きつけられた集束コイル８６Ｂ（例えば、Ｓ極）の終端部に接続するように、それぞれ２つのコイルの組として互いに巻きつけられ、かつ直列に接続される。集束コイル８６Ａ、８６Ｂもしくは偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂのいずれかによって、電子ビームを垂直に偏向させることが可能な磁界が発生するとともに、別の組の集束コイル８６Ａ、８６Ｂもしくは偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂによって、電子ビームを水平に偏向させることが可能な磁界が発生する。
【００２１】
高電圧回路は、軸方向の電子銃１０のフィラメント電流回路、衝突回路、及び加速電圧回路用に用いられる。低電圧回路は、偏向コイル及び偏向磁石、集束コイル及び集束磁石の双方に用いるための電源回路として用いられる。軸方向の電子の出力は、ビーム電流を加速電圧で乗算することによって示される。軸方向の電子銃１０の出力は、副熱イオン電子源５８の衝突電流の変化に対する主熱イオン電子源４４のフィラメント電流の変化即ち、副熱イオン電子源５８の温度変化を通して調整することができる。
【００２２】
電子銃１０が作動している間に、約１Ａ〜８０Ａ、特に約５Ａ〜７０Ａ、好ましくは約１０Ａ〜６０Ａのフィラメント電流が、絶縁体２６を通る電気端子５２を介して主熱イオン電子源４４のフィラメントコイルに印加される。主熱イオン電子源４４によって、熱イオンの粒子雲（例えば、電子雲）が発生し、この粒子雲内の電子が、主熱イオン電子源４４を通る電流の印加によって発生した電界内で整列する。これらの電子は、別の熱イオン粒子雲を発生させるように、副熱イオン電子源５８に案内され、この電子源５８に衝突して該電子源５８を加熱する。衝突電圧は、約０．５ｋＶ〜２．５ｋＶであり、特に約１．０ｋＶ〜２．０ｋＶ、好ましくは１．５ｋＶである。衝突電流は、必要であれば最大約１Ａにまで調整することができる。また、副熱イオン電子源５８は、逆電位の別の電界を発生させるために主熱イオン電子源４４の双方に相対する逆電位（例えば、負電位）を得るように、電流によって帯電する。電界の加速電圧は、約５ｋＶ〜４５ｋＶであり、特に約１０ｋＶ〜３５ｋＶ、好ましくは約１７ｋＶ〜２５ｋＶである。電子ビームが逆電位の電界を通過するので、電子が加速する。熱イオン即ち電子が、電界内で整列するとともに、集束電極６２によって電子ビーム（図示せず）として加速アノード７８に案内される。
【００２３】
電子ビームが加速アノード７８を通過すると、電子が、集束コイル８６Ａ、８６Ｂ及び偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂによって発生した磁界に入る。計約０．１Ａ〜２Ａ、特に計約０．５Ａ〜１．５Ａ、好ましくは計１Ａの電流が、集束コイル８６Ａ、８６Ｂに印加される。計約１Ａ〜５Ａ、特に計約２Ａ〜４Ａ、好ましくは計約３Ａの電流が、偏向コイル１０４Ａ、１０４Ｂに印加される。電子ビームを用いて走査操作を行うために、種々の電流を印加することによって、約５°〜３５°の角度、特に約１０°〜３０°の角度、好ましくは約２０°の角度でオペレータが電子ビームを偏向させることができるように軸方向の電子銃１０の作動が可能になる磁界が発生する。
【００２４】
本発明の軸方向の電子銃は、今日、設計が可能な既存の平面ビーム電子銃と比較して多くの利点を有する。図３を参照すると、図中のグラフは、第１世代の線形電子ビーム銃（Ａ）の耐用年数を第２世代の線形電子ビーム銃（Ｂ）の耐用年数及び、本発明の軸方向の電子銃（Ｃ）の耐用年数と比較していることを示している。第２世代の線形電子ビーム銃によって、第１世代の線形電子ビーム銃における特定の欠点が解消され、これにより第１世代の電子銃の平均耐用年数と比較して第２世代の線形電子ビーム銃の平均耐用年数が、約２２．９％向上する。本発明の軸方向の電子銃における実際の耐用年数は、第２世代の線形電子ビーム銃の平均耐用年数と比較して約５５％向上する。図は、これをほぼ１００％の実際の耐用年数に換算している。この大幅な向上は、主熱イオン電子源、副熱イオン電子源の双方を用いる本発明の軸方向の電子銃によりもたらされる。
【００２５】
電子銃が作動している間に、電子は、所望の目標物に反射し、ガンチャンバを通って後方に進む。これらの反射した電子が、熱イオン電子源を含むガンチャンバの内部面全体に衝突する。本発明の軸方向の電子銃と対照的に、今日の電子銃は、反射した電子に継続してさらされる１つの熱イオン電子源のみを用いている。その結果、恒常的な反射した電子の衝突、ひいてはこれによる腐食により、熱イオン電子源が変形する。これによって、電子ビーム銃の走査周波数が減少するとともに、この電子ビーム銃の蒸発速度が変化する。本発明の軸方向の電子銃においては、副熱イオン電子源は、主熱イオン電子源と比較して質量が大きく、また電子源としてだけでなく反射した電子の目標物としても機能する。副熱イオン電子源をこれらの反射した電子に継続してさらすことによって、この電子源が最終的に変形して腐食する。しかしながら、主熱イオン電子源は、腐食することなく作動し続ける。結果として得られた２つの熱イオン電子源を備える設計によって、図３に示されるように、今日の既存の電子銃と比較して、軸方向の電子銃の作動寿命及び平均寿命が向上する。さらに、本発明の軸方向の電子ビーム銃によって、安定した蒸発速度及び向上した走査周波数が得られる。実用的には、電子銃の作動寿命の向上率は、電子銃の使用中に被覆することが可能な目標物の数が事実上倍になるという本発明の軸方向の電子銃の能力となる。
【００２６】
次に、既存の電子ビーム被覆装置内の電子銃を交換する必要性が、本発明の軸方向の電子銃の設計概念に拍車をかけている。発明者は、最新型の電子ビーム銃が大型の寸法で、少なくとも３フィートの長さであることを明らかにするために、旧型の電子ビーム銃のみを交換しようと努めてきた。不都合にも、最新型の電子ビーム銃の寸法が、既存の電子ビーム被覆装置の使用を妨げてきた。その結果、本発明の軸方向の電子ビーム銃は、コンパクトな設計になっているとともに、寸法は、好ましくは高さ約２４０ｍｍ（９．４５インチ）、直径２００ｍｍ（７．８７インチ）である。また、本発明の設計上の特徴を維持しつつ電子ビーム銃の寸法が変更可能である。例えば、本発明の軸方向の電子ビーム銃の高さを約２００ｍｍ（７．８７インチ）から４００ｍｍ（１５．７５インチ）に、また直径を約１５０ｍｍ（５．９１インチ）から３００ｍｍ（１１．８インチ）にしてもよい。本発明の軸方向の電子銃のコンパクトな設計により、電子銃アセンブリ全体の総設置面積が、今日、使用可能なほとんどの電子ビーム銃の総設置面積より小さくなり、さらに、より大型の電子銃アセンブリと同等の出力が供給されると同時に、より長い耐用年数も得られる。また、コンパクトな設計によって、本発明の軸方向の電子ビーム銃を、全てではないが、多数の市販の電子ビーム被覆装置に取り付けることができる。図１に示されているように、軸方向の電子銃を、種々の方法（例えば、ねじ、ボルト、リベット、パンチ、クランプなど）を用いて既存の構造体に取り付けてもよい。
【００２７】
第３に、本発明の軸方向の電子ビーム銃によって、他の市販の電子銃と比較して大幅なコスト面での利益ももたらされる。本発明の軸方向の電子ビーム銃の価格は、装置全体で約＄６０，０００〜＄１００，０００であると概算される。対照的に、既存の市販の電子銃の価格は、約＄４００，０００〜＄５００，０００である。また、これらの既存の市販の電子銃は、本発明の軸方向の電子銃によって立証された設計上の利点ならびに平均耐用年数を有していない。さらに、発明者が経験したように、ある市販の電子銃を、寸法が著しく異なる既存の市販の電子ビーム被覆装置に広く用いることができない。
【００２８】
最後に、本発明の軸方向の電子ビーム銃は、一般的な工具を用いて１人で組み立てることができる。１人で持ち上げて結合することができないほど重い部品はない。さらに、大半の部品は、互いに嵌合するか、或いは本明細書に記載されているように、ねじ、ボルト、及び他の調整手段を用いて互いに固定される。故に、作業者は、部品を接続する種々のレンチやドライバを用いて、本発明の軸方向の電子銃を素早く組み立てることができる。
【００２９】
本発明は、本明細書に記載の実施例に限定されず、また実施例は単に本発明を実施する最良の形態と考えられるものであり、形態、大きさ、部品の配置、或いは工程の詳細が修正され得ることを理解されたい。本発明は、むしろ全ての修正が本発明の請求項の範囲により画定される真の範囲内に含まれることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の軸方向の電子銃の第２のハウジング及び第３のハウジングを示す断面図。
【図２】図１の軸方向の電子銃の第１のハウジングを示す断面図。
【図３】本発明の軸方向の電子銃の熱イオン電子源（即ち、カソード寿命）を、従来技術の第１世代の線形電子ビーム銃ならびに第２世代の線形電子ビーム銃と比較しているグラフ。
【符号の説明】
【００３１】
１０…軸方向の電子銃
１１…高圧絶縁体
１２、１４、１６…ハウジング
１３、１７、７６…開口部
１５、７７…プレート
１９…調整フランジ
２１、２５…固着手段
２３、７５…突起
７４…凹部
８０、１１４…調整手段
８２、１１６…電子ビームチャンバ
８６Ａ、８６Ｂ…集束コイル
８８、１００…冷却チャネル
９０、９２…冷却液用ホース
９４…電源コネクタ
９５…熱遮蔽材
９６…ベース
９８…側壁
１０２…クレードル構造体
１０４Ａ、１０４Ｂ…偏向コイル
１１０…熱遮蔽体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のプラットフォームに接続されたハウジング支持部材に調整可能に取り付けられた１つ或いは複数の基準となる部材を備える第１のハウジング内に配置された主熱イオン電子源と、副熱イオン電子源と、集束電極と、
上記第１のプラットフォームに調整可能に接続された１つ或いは複数の絶縁部材を備える第２のハウジング内に配置されたアノードと、１つ或いは複数の集束コイルと、
上記第２のハウジングに接続し、かつ上記第１のハウジングの反対側に位置する第３のハウジング内に配置された１つ或いは複数の偏向コイルと、
を備えることを特徴とする電子銃。
【請求項２】
上記副熱イオン電子源は、１つ或いは複数の調整リングの内側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項３】
１つ或いは複数の上記調整リングは、上記副熱イオン電子源を所定の位置に固定することができる１対の調整可能なタングステン製のリングからなることを特徴とする請求項２に記載の電子銃。
【請求項４】
上記調整リングの内側に配置された上記副熱イオン電子源は、上記集束電極の開口部内に配置されるとともに、上記集束電極とプレートとの間の所定の位置に固定されることを特徴とする請求項２に記載の電子銃。
【請求項５】
上記副熱イオン電子源は、ある平面の周囲に円周方向に配置されたリップを有する実質的に円筒型の形状を備えることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項６】
上記副熱イオン電子源のリップは、上記集束電極の突起によって支持されるとともに、上記開口部内で懸架されることを特徴とする請求項５に記載の電子銃。
【請求項７】
上記主熱イオン電子源は、フィラメントホルダとクランプとの間に円周方向に配置されたフィラメントコイルであることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項８】
熱イオン電子源アセンブリを備える上記第１のハウジングであって、
このアセンブリは、
円周方向に配置されたリップ及び簡易トラップを収容することが可能な開口部を有する本体を備える簡易トラップホルダと、
１つ或いは複数の第２のチャネルを貫通している第２の調整手段によって固定されるフィラメントホルダの周囲に配置された、１つ或いは複数の第１のチャネルを貫通している第１の調整手段によって固定される上記簡易トラップホルダを収容することが可能な開口部を形成するために互いに接続された絶縁体と、
上記主熱イオン電子源を収容するために設計された第１のキャビティを形成するように、１つ或いは複数の第３のチャネルを貫通している第３の調整手段によって固定される上記フィラメントホルダの周囲に配置されるクランプと、
上記主熱イオン電子源を挿入することができるように貫通して設計された開口部を有する複数の遮蔽プレートを備える第１の熱遮蔽体と、
上記第１の熱遮蔽体の下方に配置された上記主熱イオン電子源を挿入することができるように設計された開口部を有する第２の熱遮蔽体と、を備え、
上記簡易トラップホルダ、上記絶縁体及び上記フィラメントホルダは、ガンチャンバを形成するために結合することを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項９】
上記電子銃は、さらに、上記絶縁体及び上記フィラメントホルダの上記第２の調整手段に接続された１つ或いは複数の電気端子を備えることを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
【請求項１０】
上記電子銃は、さらに、上記第２の調整手段の各々と上記絶縁体との間に配置された１つ或いは複数の遮蔽体を備えることを特徴とする請求項９に記載の電子銃。
【請求項１１】
上記フィラメントホルダ、上記クランプ、上記第１の熱遮蔽体、及び上記第２の熱遮蔽体の少なくとも一部分が、上記第１のハウジングの断熱容器内に配置されることを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
【請求項１２】
上記主熱イオン電子源ならびに上記副熱イオン電子源は、互いに向かい合って配置されることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項１３】
電子ビーム集束アセンブリを備える上記第２のハウジングであって、
このアセンブリは、
アノードモジュール内に配置され、かつ第４の調整手段を用いてカバープレートによって固定された加速アノードと、
上記アノードモジュール内に配置された１組の集束コイルと、
上記アノードモジュール内の１組の第１の集束コイルの周囲に配置された複数の第１の冷却チャネルと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項１４】
上記電子銃は、さらに、上記アノードモジュールの外側の周囲に配置された１つ或いは複数の遮蔽体を備えることを特徴とする請求項１３に記載の電子銃。
【請求項１５】
電子ビーム制御モジュールを備える上記第３のハウジングであって、
このモジュールは、
上記電子ビーム制御モジュール内に配置された１組の偏向コイルと、
上記制御モジュール内の１組の偏向コイルの周囲に配置された複数の第２の冷却チャネルと、を備え、
上記制御モジュールは、第５の調整手段によって上記第２のハウジングに固定されることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項１６】
上記電子銃は、図３で示されるように測定された耐用年数を有することを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項１７】
上記電子銃は、約２００ｍｍ（７．８７インチ）〜４００ｍｍ（１５．７５インチ）の高さ及び約１５０ｍｍ（５．９１インチ）〜３００ｍｍ（１１．８インチ）の直径からなることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項１８】
電子銃を用いる方法であって、
この方法は、
主熱イオン電子源を加熱し、
上記主熱イオン電子源から第１の電界を通して第１の電子ビームを放出し、
上記第１の電子ビームを副熱イオン電子源に衝突させ、
上記副熱イオン電子源を加熱し、
上記副熱イオン電子源から第２の電子ビームを放出し、
第２の電界を通して上記第２の電子ビームを加速させ、
集束電極を介して上記第２の電子ビームを集束し、
加速アノードを通して上記第２の電子ビームを透過させ、
１つ或いは複数の磁界を介して上記第２の電子ビームを集束し、
１つ或いは複数の磁界を介して上記第２の電子ビームを偏向させ、
上記第２の電子ビームを目標物に衝突させることを特徴とする使用方法。
【請求項１９】
上記主熱イオン電子源の加熱は、この電子源への約１Ａ〜８０Ａの電流の印加を含むことを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２０】
上記第１の電子ビームの放出は、
第１の電位を有する上記第１の電界内で電子雲を発生させ、
上記電子雲を上記第１の電子ビームに集束し、
上記第１の電子ビームを上記副熱イオン電子源に向けて案内することを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２１】
上記第１の電界ならびに上記第２の電界は、正反対の電位を備えることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２２】
上記第２の電子ビームは、約０．５ｋＶ〜２．５ｋＶの衝突電圧を備えることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２３】
上記第２の電界は、約１７ｋＶ〜２５ｋＶの加速電圧を備えることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２４】
１つ或いは複数の上記磁界を介する上記第２の電子ビームの集束は、
磁石及び集束コイルを備える１つ或いは複数の集束コイルによって第１の磁界を発生させ、
上記第１の磁界を通して上記第２の電子ビームを透過させることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２５】
上記の方法は、さらに、約１Ａの電流を１つ或いは複数の上記集束コイルに印加することによって、上記第１の磁界を発生させることを特徴とする請求項２４に記載の使用方法。
【請求項２６】
１つ或いは複数の上記磁界を介する上記第２の電子ビームの偏向は、
磁石及び集束コイルを備える１つ或いは複数の集束コイルによって、第２の磁界を発生させ、
上記第２の磁界を通して上記第２の電子ビームを透過させることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２７】
上記の方法は、さらに、約３Ａの電流を１つ或いは複数の上記偏向コイルに印加することによって、上記第２の磁界を発生させることを特徴とする請求項２５に記載の使用方法。
【請求項２８】
上記の方法による偏向は、約５°〜３５°の角度で上記第２の電子ビームを偏向させることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２９】
上記の方法による偏向は、約２０°の角度で上記第２の電子ビームを偏向させることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項３０】
上記の方法は、さらに、上記第２の電子ビームで上記目標物を走査することを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項３１】
上記の方法は、さらに、上記第２の電子ビームで上記目標物を被覆することを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項１】
第１のプラットフォームに接続されたハウジング支持部材に調整可能に取り付けられた１つ或いは複数の基準となる部材を備える第１のハウジング内に配置された主熱イオン電子源と、副熱イオン電子源と、集束電極と、
上記第１のプラットフォームに調整可能に接続された１つ或いは複数の絶縁部材を備える第２のハウジング内に配置されたアノードと、１つ或いは複数の集束コイルと、
上記第２のハウジングに接続し、かつ上記第１のハウジングの反対側に位置する第３のハウジング内に配置された１つ或いは複数の偏向コイルと、
を備えることを特徴とする電子銃。
【請求項２】
上記副熱イオン電子源は、１つ或いは複数の調整リングの内側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項３】
１つ或いは複数の上記調整リングは、上記副熱イオン電子源を所定の位置に固定することができる１対の調整可能なタングステン製のリングからなることを特徴とする請求項２に記載の電子銃。
【請求項４】
上記調整リングの内側に配置された上記副熱イオン電子源は、上記集束電極の開口部内に配置されるとともに、上記集束電極とプレートとの間の所定の位置に固定されることを特徴とする請求項２に記載の電子銃。
【請求項５】
上記副熱イオン電子源は、ある平面の周囲に円周方向に配置されたリップを有する実質的に円筒型の形状を備えることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項６】
上記副熱イオン電子源のリップは、上記集束電極の突起によって支持されるとともに、上記開口部内で懸架されることを特徴とする請求項５に記載の電子銃。
【請求項７】
上記主熱イオン電子源は、フィラメントホルダとクランプとの間に円周方向に配置されたフィラメントコイルであることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項８】
熱イオン電子源アセンブリを備える上記第１のハウジングであって、
このアセンブリは、
円周方向に配置されたリップ及び簡易トラップを収容することが可能な開口部を有する本体を備える簡易トラップホルダと、
１つ或いは複数の第２のチャネルを貫通している第２の調整手段によって固定されるフィラメントホルダの周囲に配置された、１つ或いは複数の第１のチャネルを貫通している第１の調整手段によって固定される上記簡易トラップホルダを収容することが可能な開口部を形成するために互いに接続された絶縁体と、
上記主熱イオン電子源を収容するために設計された第１のキャビティを形成するように、１つ或いは複数の第３のチャネルを貫通している第３の調整手段によって固定される上記フィラメントホルダの周囲に配置されるクランプと、
上記主熱イオン電子源を挿入することができるように貫通して設計された開口部を有する複数の遮蔽プレートを備える第１の熱遮蔽体と、
上記第１の熱遮蔽体の下方に配置された上記主熱イオン電子源を挿入することができるように設計された開口部を有する第２の熱遮蔽体と、を備え、
上記簡易トラップホルダ、上記絶縁体及び上記フィラメントホルダは、ガンチャンバを形成するために結合することを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項９】
上記電子銃は、さらに、上記絶縁体及び上記フィラメントホルダの上記第２の調整手段に接続された１つ或いは複数の電気端子を備えることを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
【請求項１０】
上記電子銃は、さらに、上記第２の調整手段の各々と上記絶縁体との間に配置された１つ或いは複数の遮蔽体を備えることを特徴とする請求項９に記載の電子銃。
【請求項１１】
上記フィラメントホルダ、上記クランプ、上記第１の熱遮蔽体、及び上記第２の熱遮蔽体の少なくとも一部分が、上記第１のハウジングの断熱容器内に配置されることを特徴とする請求項８に記載の電子銃。
【請求項１２】
上記主熱イオン電子源ならびに上記副熱イオン電子源は、互いに向かい合って配置されることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項１３】
電子ビーム集束アセンブリを備える上記第２のハウジングであって、
このアセンブリは、
アノードモジュール内に配置され、かつ第４の調整手段を用いてカバープレートによって固定された加速アノードと、
上記アノードモジュール内に配置された１組の集束コイルと、
上記アノードモジュール内の１組の第１の集束コイルの周囲に配置された複数の第１の冷却チャネルと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項１４】
上記電子銃は、さらに、上記アノードモジュールの外側の周囲に配置された１つ或いは複数の遮蔽体を備えることを特徴とする請求項１３に記載の電子銃。
【請求項１５】
電子ビーム制御モジュールを備える上記第３のハウジングであって、
このモジュールは、
上記電子ビーム制御モジュール内に配置された１組の偏向コイルと、
上記制御モジュール内の１組の偏向コイルの周囲に配置された複数の第２の冷却チャネルと、を備え、
上記制御モジュールは、第５の調整手段によって上記第２のハウジングに固定されることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項１６】
上記電子銃は、図３で示されるように測定された耐用年数を有することを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項１７】
上記電子銃は、約２００ｍｍ（７．８７インチ）〜４００ｍｍ（１５．７５インチ）の高さ及び約１５０ｍｍ（５．９１インチ）〜３００ｍｍ（１１．８インチ）の直径からなることを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
【請求項１８】
電子銃を用いる方法であって、
この方法は、
主熱イオン電子源を加熱し、
上記主熱イオン電子源から第１の電界を通して第１の電子ビームを放出し、
上記第１の電子ビームを副熱イオン電子源に衝突させ、
上記副熱イオン電子源を加熱し、
上記副熱イオン電子源から第２の電子ビームを放出し、
第２の電界を通して上記第２の電子ビームを加速させ、
集束電極を介して上記第２の電子ビームを集束し、
加速アノードを通して上記第２の電子ビームを透過させ、
１つ或いは複数の磁界を介して上記第２の電子ビームを集束し、
１つ或いは複数の磁界を介して上記第２の電子ビームを偏向させ、
上記第２の電子ビームを目標物に衝突させることを特徴とする使用方法。
【請求項１９】
上記主熱イオン電子源の加熱は、この電子源への約１Ａ〜８０Ａの電流の印加を含むことを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２０】
上記第１の電子ビームの放出は、
第１の電位を有する上記第１の電界内で電子雲を発生させ、
上記電子雲を上記第１の電子ビームに集束し、
上記第１の電子ビームを上記副熱イオン電子源に向けて案内することを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２１】
上記第１の電界ならびに上記第２の電界は、正反対の電位を備えることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２２】
上記第２の電子ビームは、約０．５ｋＶ〜２．５ｋＶの衝突電圧を備えることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２３】
上記第２の電界は、約１７ｋＶ〜２５ｋＶの加速電圧を備えることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２４】
１つ或いは複数の上記磁界を介する上記第２の電子ビームの集束は、
磁石及び集束コイルを備える１つ或いは複数の集束コイルによって第１の磁界を発生させ、
上記第１の磁界を通して上記第２の電子ビームを透過させることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２５】
上記の方法は、さらに、約１Ａの電流を１つ或いは複数の上記集束コイルに印加することによって、上記第１の磁界を発生させることを特徴とする請求項２４に記載の使用方法。
【請求項２６】
１つ或いは複数の上記磁界を介する上記第２の電子ビームの偏向は、
磁石及び集束コイルを備える１つ或いは複数の集束コイルによって、第２の磁界を発生させ、
上記第２の磁界を通して上記第２の電子ビームを透過させることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２７】
上記の方法は、さらに、約３Ａの電流を１つ或いは複数の上記偏向コイルに印加することによって、上記第２の磁界を発生させることを特徴とする請求項２５に記載の使用方法。
【請求項２８】
上記の方法による偏向は、約５°〜３５°の角度で上記第２の電子ビームを偏向させることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項２９】
上記の方法による偏向は、約２０°の角度で上記第２の電子ビームを偏向させることを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項３０】
上記の方法は、さらに、上記第２の電子ビームで上記目標物を走査することを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【請求項３１】
上記の方法は、さらに、上記第２の電子ビームで上記目標物を被覆することを特徴とする請求項１８に記載の使用方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−１２８８７４（Ｐ２００７−１２８８７４Ａ）
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８５６２７（Ｐ２００６−２８５６２７）
【出願日】平成１８年１０月２０日（２００６．１０．２０）
【出願人】（５９０００５４４９）ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション (581)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＴＥＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月２０日（２００６．１０．２０）
【出願人】（５９０００５４４９）ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション (581)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＴＥＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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