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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2025-02-04
(54)【発明の名称】熱電子カソード用モノリシックヒーター
(51)【国際特許分類】
H01J 37/06 20060101AFI20250128BHJP
H05B 3/14 20060101ALI20250128BHJP
【ＦＩ】
H01J37/06
H05B3/14
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024542036
(86)(22)【出願日】2023-01-12
(85)【翻訳文提出日】2024-08-23
(86)【国際出願番号】 US2023060528
(87)【国際公開番号】W WO2023137360
(87)【国際公開日】2023-07-20
(31)【優先権主張番号】63/266,717
(32)【優先日】2022-01-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524264072
【氏名又は名称】アプライド フィジックス テクノロジーズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100213333
【弁理士】
【氏名又は名称】鹿山 昌代
(72)【発明者】
【氏名】ジェラルド ジー マゲラ
(72)【発明者】
【氏名】アーロン エム トロク
(72)【発明者】
【氏名】ジョエル エイ ウェンリッチ
(72)【発明者】
【氏名】マシュー シー ザッピー
【テーマコード（参考）】
3K092
5C101
【Ｆターム（参考）】
3K092PP20
3K092QB15
5C101DD08
5C101DD14
5C101DD15
5C101DD18
(57)【要約】
熱電子カソードを加熱するためのモノリシックグラファイトヒーターは、第１および第２の導電性アームを含み、第１および第２の導電性アームのそれぞれは、近位端に電極マウント、遠位端に熱頂点、および電極マウントと熱頂点との間に遷移領域を有し、熱頂点のそれぞれを電気的かつ機械的に結合して、カソードマウントまたはその近傍に最大ジュール熱領域を形成し、遷移領域のそれぞれに沿ってジュール熱を減少させるカソードマウントと、該カソードマウントに形成されたプレスフィット開口部とを含み、プレスフィット開口部は、最大ジュール熱領域によって提供される作動熱電力生成に応じて、そこから生成される熱電子放出を促進するため、熱電子カソードの少なくとも一部を受け入れる大きさである。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱電子カソードを加熱するためのモノリシックグラファイトヒーターであって、第１および第２の導電性アームであって、第１および第２の導電性アームのそれぞれは、近位端に電極マウント、遠位端に熱頂点、および前記電極マウントと前記熱頂点との間に遷移領域を有する第１および第２の導電性アームと、
熱頂点のそれぞれを電気的かつ機械的に結合して、カソードマウントまたはその近傍に最大ジュール熱領域を形成し、遷移領域のそれぞれに沿ってジュール熱を減少させるカソードマウントと、
前記カソードマウントに形成されたプレスフィット開口部であって、前記最大ジュール熱領域によって提供される作動熱電力生成に応じて、そこから生成される熱電子放出を促進するため、前記熱電子カソードの少なくとも一部を受け入れる大きさであるプレスフィット開口部と、
を備える、モノリシックグラファイトヒーター。
【請求項2】
遷移領域のそれぞれは、長方形のベース、前記長方形のベースよりも小さい長方形の上部、一対の対向する切り取られた三角形の面、および前記一対の対向する切り取られた三角形の面間の均一な厚さを含む、
請求項１に記載のモノリシックグラファイトヒーター。
【請求項3】
前記最大ジュール熱領域は、前記熱電子カソードの動作温度付近から、該動作温度の約１０パーセント高い温度範囲で動作するように構成されている、
請求項１に記載のモノリシックグラファイトヒーター。
【請求項4】
前記温度範囲は、約１，８００ケルビンから約１，９８０ケルビンまでである、
請求項３に記載のモノリシックグラファイトヒーター。
【請求項5】
前記カソードマウントは、長方形の本体を含む、請求項１に記載のモノリシックグラファイトヒーター。
【請求項6】
前記カソードマウントは、円筒形の本体を含む、請求項１に記載のモノリシックグラファイトヒーター。
【請求項7】
前記第１の導電性アームの前記電極マウントの第１の開口部に配置された第１の電極と、前記第２の導電性アームの前記電極マウントの第２の開口部に配置された第２の電極と、
をさらに備える、請求項１に記載のモノリシックグラファイトヒーター。
【請求項8】
電極マウントのそれぞれを固定するセラミックベースをさらに備える、請求項１に記載のモノリシックグラファイトヒーター。
【請求項9】
請求項１に記載のモノリシックグラファイトヒーターと、前記プレスフィット開口部に取り付けられた前記熱電子カソードと、
を備える、熱電子エミッタ。
【請求項10】
第１および第２の導電性アームの間の隙間に配置された機械的分離部の少なくとも一部をさらに備え、前記機械的分離部は、前記プレスフィット開口部に取り付けられた前記熱電子カソードの組み立て中に安定性を提供するように構成されている、
請求項９に記載の熱電子エミッタ。
【請求項11】
熱電子エミッタを製造する方法であって、モノリシックグラファイトヒーターを形成するステップと、
電極を電極マウントのそれぞれに結合するステップと、
前記カソードマウント内の材料を除去して、前記熱電子カソードの少なくとも一部を受け入れるための開口部をそこに画定するステップと、
を含み、
前記モノリシックグラファイトヒーターは、
第１および第２の導電性アームを有し、第１および第２の導電性アームのそれぞれは、近位端に電極マウント、遠位端に熱頂点、および前記電極マウントと前記熱頂点との間に遷移領域を有し、
前記モノリシックグラファイトヒーターは、
熱頂点のそれぞれを電気的かつ機械的に結合して、カソードマウントまたはその近傍に最大ジュール熱領域を形成し、遷移領域のそれぞれに沿ってジュール熱を減少させるカソードマウントを有する、
方法。
【請求項12】
前記形成する工程は、前記モノリシックグラファイトヒーターを固体ブロックから機械加工することを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記形成する工程は、前記モノリシックグラファイトヒーターを成形するために原料を加熱することを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項14】
前記熱電子カソードを前記開口部に圧入するステップと、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項15】
前記近位端を、セラミックベース上に取り付けるステップと、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項16】
熱局在化領域で発生した作動熱電力に応じて、前記熱電子カソードから生成された熱電子放出を促進するために、前記モノリシックグラファイトヒーターを通して電流の流れを作動させるステップと、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項17】
前記第１および第２の導電性アームを接続する分離部の少なくとも一部を除去することによって、前記第１および第２の導電性アームを分離するステップと、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項18】
前記材料を除去するステップは、前記開口部をドリルで開けるステップを含む、
請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【0001】
本出願は、２０２２年１月１２日に提出された米国仮特許出願第６３／２６６，７１７号の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、本明細書に参照のために取り込む。
【技術分野】
【0002】
本開示は、一般的には熱電子エミッタに関する。特に、本出願は、熱電子カソードに熱を局在させるように形作られ、共通材料で形成されたヒーターに関する。
【背景技術】
【0003】
オレゴン州マクミンビルの Applied Physics Technologies, Inc. (APTech) は、熱電子および電界放出カソードの開発を専門としている。例えば、APTech は、ＣｅＢｉｘ(R) カソード (六ホウ化セリウム)、ＬａＢ６カソード (六ホウ化ランタン)、ＨｆＣ カソード (ハフニウムカーバイド)、ＣＦＥ、およびＥＳＥソースを提供している。同社のカソードは、顕微鏡検査、マイクロ分析、積層造形、ならびに製品およびワークフローに電子源を採用しているその他の業界など、さまざまな用途で使用されている。
【0004】
熱電子カソード源は、フェルミ－ディラック状態密度の高エネルギーテールが材料の仕事関数を超える温度まで加熱される。したがって、優れた熱電子エミッタは、仕事関数が低く、高温での材料安定性が良好で、真空適合性も良好である。熱電子カソード源の動作温度は、約１，８００ケルビン以上であり、通常は、熱電子カソード源は、高真空(約 1E-6 mbar)から超高真空(約 1E-9 mbar)で動作する。
【0005】
熱電子カソード源を動作温度まで上げるヒーター構造は、通常、タングステン、レニウム、タンタル、モリブデンなどの耐火金属、またはそれらの組み合わせから形成される。全ての物理量は、温度依存性があるため、クリープ、熱膨張、蒸発、ドリフト、その他の物理量は、全て、ヒーター構造の設計に関係する。
【0006】
熱電子カソード源用の従来のヒーターの１つのタイプは、ミニ フォーゲル マウント（ＭＶＭ）と呼ばれ、APTech から入手可能である。ＭＶＭは、前述の熱電子カソードを採用する熱電子エミッタのヒーターとして使用される。米国特許第７，５４４，５２３号の図５は、典型的なＭＶＭを示している。このＭＶＭでは、２つのポストが厚いセラミックベースにしっかりと固定され、中心に向かって逆Ｖ字型に曲げられている。それらのポストは、通常、高温でも高い弾性率を維持するモリブデンレニウム合金またはその他の材料で作られている。組み立て中、それらのポストは、熱電子カソードおよび熱分解グラファイトブロックを受け入れるためにわずかに広げられる。その後、それらのポストを解放すると、熱電子カソードおよび熱分解グラファイトブロックは、それらのポストの締め付け力によって所定の位置に保持される。ただし、ＭＶＭの一般的な故障モードは、動作中または複数のＭｏＲｅポストの緩和中に、熱電子カソード源に生じる応力破壊である。
【0007】
ヒーターの他の例としては、標準形状に機械加工されたフィラメント、および従来のワイヤまたはリボンフィラメントがある。耐火金属ワイヤまたはリボンである長くて細いフィラメントには、温度および機械的安定性の問題がある。例えば、フィラメント(ワイヤ)は、再結晶化、スポット溶接のばらつき、熱による応力緩和により、時間の経過とともに物理的に変化したり、動いたりすることがある。
【発明の概要】
【0008】
開示されているモノリシックヒーターは、フィラメントとして機能する最も高温の部分が熱電子カソード源に最適な位置にあるように、形状および構造が設計されている。構造の選択可能な限定領域は、フィラメントの形状を調整することによって高温にされる。フィラメントは、単一の材料から構成されている。モノリシックデバイスは、機械的ストレスに関して、グラファイトが２,０００ケルビンでの金属に比べて熱膨張係数が低いため、機械的に安定している。機械的安定性が向上すると、電子ビームの動きが少なくなると考えられている。開示されている実施形態は、フィラメントの焼損リスクを軽減し、ヒーターの安定性および動作寿命を改善し、放射損失を減らし、所定の(標準)電源でより高い動作温度を可能にし、大きな物体を加熱する能力を備えている。
【0009】
一態様では、熱電子カソードを加熱するためのモノリシックグラファイトヒーターは、第１および第２の導電性アームを含む。第１および第２の導電性アームのそれぞれは、近位端に電極マウント、遠位端に熱頂点、および電極マウントと熱頂点との間に遷移領域を有する。モノリシックグラファイトヒーターは、また、熱頂点のそれぞれを電気的かつ機械的に結合して、カソードマウントまたはその近傍に最大ジュール熱領域を形成し、遷移領域のそれぞれに沿ってジュール熱を減少させる。モノリシックグラファイトヒーターは、カソードマウントに形成されたプレスフィット開口部を有する。プレスフィット開口部は、最大ジュール熱領域によって提供される作動熱電力生成に応じて、そこから生成される熱電子放出を促進するため、熱電子カソードの少なくとも一部を受け入れる大きさである。
【0010】
さらなる特徴および利点は、添付の図面を参照して進められる以下の実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0011】
特定の要素または行為の説明を簡単に識別できるように、参照番号の最上位の数字は、その要素が最初に導入された図の番号を指す。
【0012】
【図1】一実施形態に係るヒーターのカソードマウントに取り付けられた円筒形の熱電子カソードを加熱するためのモノリシックグラファイトヒーターの図である。
【図8】別のモノリシックグラファイトヒーターのジュール熱勾配モデルを示す別のParaView視覚化画像である。
【図10】カソードマウントでの局所加熱を欠くモノリシックグラファイトヒーターの他のバリエーションの等角図である。
【図11】別の実施形態に係る熱電子カソードソースのマウントを示す等角図のシーケンスの第１の部分である。
【図12】別の実施形態に係る熱電子カソードソースのマウントを示す等角図のシーケンスの第２の部分である。
【図13】一実施形態に係る熱電子エミッタの製造方法のフローチャートである。
【図14】円筒形のカソードマウントを有するモノリシックグラファイトヒーターである。
【図15】熱電子カソードが埋め込まれた段付き円筒形のカソードマウントを有するモノリシックグラファイトヒーターである。
【図16】別の実施形態に係るモノリシックグラファイトヒーターのジュール熱勾配モデルを示すマルチフィジカルソフトウェアシミュレーションのParaView視覚化画像である。
【図17】別の実施形態に係るモノリシックグラファイトヒーターのジュール熱勾配モデルを示すマルチフィジカルソフトウェアシミュレーションのParaView視覚化画像である。
【図18】別の実施形態に係るモノリシックグラファイトヒーターのジュール熱勾配モデルを示すマルチフィジカルソフトウェアシミュレーションのParaView視覚化画像である。
【図19】別の実施形態に係るモノリシックグラファイトヒーターのジュール熱勾配モデルを示すマルチフィジカルソフトウェアシミュレーションのParaView視覚化画像である。
【図20】別の実施形態に係るモノリシックグラファイトヒーターのジュール熱勾配モデルを示すマルチフィジカルソフトウェアシミュレーションのParaView視覚化画像である。
【図21】別の実施形態に係るモノリシックグラファイトヒーターのジュール熱勾配モデルを示すマルチフィジカルソフトウェアシミュレーションのParaView視覚化画像である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
図１は、熱電子カソード１０２を加熱するためのモノリシックグラファイトヒーター１００を示す図である。モノリシックグラファイトヒーター１００は、第１の導電性アーム１０４と第２の導電性アーム１０６とを含む。
【0014】
第１の導電性アーム１０４は、近位端１１０に第１の電極マウント１０８、遠位端１１４に第１の熱頂点１１２、および第１の電極マウント１０８と第１の熱頂点１１２との間に第１の遷移領域１１６を含む。第１の電極１１８は、第１の電極マウント１０８の第１の開口部１２０に配置される。グロメット１４２は、第１の電極１１８に押し付けられた円形のリングである。
【0015】
同様に、第２の導電性アーム１０６は、近位端１１０に第２の電極マウント１２２、遠位端１１４に第２の熱頂点１２４、および第２の電極マウント１２２と第２の熱頂点１２４との間に第２の遷移領域１２６を含む。第２の電極１２８は、第２の電極マウント１２２の第２の開口部１３０に配置される。グロメット１４４は、第２の電極１２８に押し付けられた円形のリングである。
【0016】
カソードマウント１３２は、第１の熱頂点１１２と第２の熱頂点１２４との間に架け渡され、熱頂点のそれぞれを電気的および機械的に結合して、カソードマウント１３２に隣接し、第１の遷移領域１１６および第２の遷移領域１２６のそれぞれに沿って減少する最大ジュール熱領域１３４を形成する。したがって、最大ジュール熱領域１３４は、一定電流に対して抵抗が最も高い領域である。
【0017】
カソードマウント１３２は、プレスフィット開口部１３６が形成されている。プレスフィット開口部１３６は、最大ジュール熱領域１３４によって提供される作動熱電力生成に応じて、そこから生成される熱電子放出を促進するために、熱電子カソード１０２の少なくとも一部(例えば、底部の円筒形セクション)を受け入れる大きさになっている。モノリシックグラファイトヒーター１００は、電流が片側を上向きに流れ、反対側を下向きに流れるという点でフィラメントのように動作する。加熱についてのさらなる詳細は、図４－図７を参照して後に示され、説明される。
【0018】
熱電子カソード１０２は、モノリシックグラファイトヒーター１００のプレスフィット開口部１３６に圧入されるため、溶接は不要である。これにより、熱電子カソード１０２の形状の設計スペースが広くなり、放出特性が向上する。さらに、モノリシックグラファイトヒーター１００は、一体型の機械加工されたグラファイトで作られているため、ホウ化物または炭化物などの硬質材料を、圧入時に破損することなく受け入れることができる。
【0019】
いくつかの実施形態では、モノリシックグラファイトヒーター１００は、１つの材料から機械加工される。モノリシックグラファイトヒーター１００は、第１の導電性アーム１０４と第２の導電性アーム１０６との間に機械的分離部１３８を備えて機械加工されるため、モノリシックグラファイトヒーター１００は、熱電子カソード１０２の機械加工および取り付けの際に安定する。図１は、機械的分離部１３８の少なくとも一部がギャップ１４０内に配置されていることを示している。
【0020】
図２は、プレスフィット開口部１３６をドリルで開ける前、および第１の電極１１８と第２の電極１２８を結合する前のモノリシックグラファイトヒーター１００を示している。いくつかの実施形態では、モノリシックグラファイトヒーター１００は、精密機械加工、成形、焼結、放電加工（ＥＤＭ）を使用して形成されることが可能であり、または、３Ｄプリントされることが可能である。さらに、カソードマウント１３２は、さまざまな形状(例えば、長方形、円筒形、あるいは、さまざまな熱電子カソードソースを取り付けるためのその他の形状)を有することができる。さまざまな形状の例は、図１４および図１５に示されている。
【0021】
図２は、それぞれの電極マウントおよび遷移領域の詳細も示している。いくつかの実施形態では、それぞれの遷移領域には、長方形のベース２０２、長方形のベース２０２よりも小さい長方形の上部２０４、一対の対向する切り取られた三角形の面２０６、および一対の対向する切り取られた三角形の面２０６間の均一な厚さ２０８が含まれる。
【0022】
いくつかの実施形態では、それぞれの電極マウントは椅子型をしている。例えば、第１の電極マウント１０８は、第１の電極１１８（図１）を収容するための座面２１０と、第１の遷移領域１１６がそこから延びる背部２１２と、を含む。
【0023】
図３は、セラミックヒーターベース３０２上に取り付けられた機械加工されたモノリシックグラファイトヒーター１００、カソードマウント１３２に圧入された熱電子カソード１０２、ならびに第１電極１１８および第２電極１２８を含む熱電子エミッタ３００を示す。
【0024】
セラミックヒーターベース３０２は、片側が第１電極１１８および第２電極１２８にろう付けされており、もう片側が近位端１１０に面している。第１電極１１８および第２電極１２８は、グロメット１４２、１４４で固定されているため、溶接は不要である。これにより、機械的な安定性も向上する。スポット溶接の完全性は多くのパラメータに依存するため、この取り付け方式は機械加工公差に依存しており、機械加工公差はより制御可能である。スポット溶接の位置を、０．００１インチ以内に正確に制御することは、０．００１インチの機械加工公差を維持することよりも困難である。
【0025】
図３は、垂直レイアウトの熱電子エミッタ３００を示しているが、当業者であれば、水平レイアウトまたは他の方向も可能であることがわかる。熱電子エミッタ３００は、既存の顧客ソースに後付けする(つまり、複数のＭＶＭを置き換える)ことも可能である。
【0026】
ジュール熱を受けたワイヤに関する［次式１］の１次元の時間に依存しない熱方程式は、温度に依存する係数と動作温度での無視できない黒体放射により高度に非線形となるヒーター構造の物理特性を記述している。この方程式は、１次元の場合であっても、フィラメント(加熱されたワイヤ)などの最も単純なヒーター形状であっても、解析的に扱いにくいものである。
【数1】
【0027】
熱伝導率k（Ｔ）、抵抗率ρ（Ｔ）、放射率
は、全て温度に依存する。さらに、k（Ｔ）は導関数内にあるため、２次導関数に非線形性が生じ、Ｔ４項による別の非線形性も生じる。
【0028】
数値的手法は、さまざまなヒーター形状および材料について定量的な結果を得るために採用されている。開示されたヒーター構造の設計には、マルチフィジカルシミュレーションソフトウェア(例えば、オープンソースソフトウェアとして入手可能な Elmer FEM)および視覚化ツール(例えば、ニューメキシコ州ロスアラモスの Sandia National Laboratories、Kitware Inc.が開発したParaView ソフトウェア)が使用されている。
【0029】
図４は、このような数値的方法の結果を、テーパー構造におけるジュール熱の相対的な大きさを示すモノリシックグラファイトヒーター１００のジュール熱シミュレーションビュー４００の形で示している。テーパー形状のため、ジュール熱勾配４０２は、それぞれの遷移領域で増加し、カソードマウント１３２に隣接する最大ジュール熱領域１３４に達する。ジュール熱は、それぞれの頂点付近で最大になり、複数のアームで減少する。テーパー状の複数のアームは、ベースに十分な熱を伝導するため、カソードマウント１３２付近に「ピンチポイント」が作成され、複数のアームが十分に冷えて燃え尽きることはない。他のいくつかの実施形態では、最大ジュール熱領域は、カソードマウント自体に存在する場合がある。
【0030】
単位体積あたりのジュール熱電力は、表面積の放射損失と断面積を通した伝導損失とのバランスが取れており、加熱構造上のどの点の温度も、熱電子カソード１０２の動作温度に可能な限り近くなる。真空中で加熱される場合、エネルギーが失われるのは伝導および放射のみである。ＣＡＤとマルチフィジックスソルバーを使用してジオメトリを最適化することで、伝導損失と放射損失とのバランスが取れるように構造を設計し、ヒーター構造を安全な動作温度に保ち、耐用年数を延ばすことができる。この目的のために、正味の電力損失を調整できる。
【0031】
さらに、一般的な電源の実現可能な制限内に収まるように、総電力の入力は、可能な限り最小限に抑えられる。電力の最小化は、一部の使用ケースでは望ましいが、全ての使用ケースで望ましいわけではない。最小電力の入力で動作することは、電源の制限およびエミッタ環境での熱損失を考慮すると望ましいが、機械的安定性およびヒーターの寿命が最適化されている場合は、より高い電力の入力も許容される可能性がある。
【0032】
図５は、モノリシックグラファイトヒーター１００の温度分布５００の熱モデル化の例を示している。この例では、熱電子カソード１０２が、約１，８００ケルビンに加熱される。動作温度１，８００ケルビンでは、最も熱い部分は、熱頂点に集中している。また、それぞれのアームは、ベースに向かって伸びるにつれて大きくなるため、それぞれのアームは、より多くの電力を伝導し、複数のアームの電力生成が低下する。単位体積あたりのピーク電力生成も熱頂点で最大になる。
【0033】
図６は、熱電子カソード１０２として、６００μｍのＣｅＢ６結晶を備えたモノリシックグラファイトヒーター１００の熱画像６００のテスト結果の例を示している。テストのデータは下表に示されており、熱画像６００は、［表１］のTgrightを中心としている。カソードマウント１３２(Tgleft、Tgright)は、結晶がマウントされている部分で、結晶の端(Tcrystal)よりも低温である。構造における複数のアームは、非常に急速に冷却されるため、温度がデバイスの能力を下回る。
【0034】
【表1】
【0035】
図７は、熱電子カソード１０２として、６００μｍのＣｅＢ６結晶を備えたモノリシックグラファイトヒーター１００の熱画像７００の追加のテスト結果の例を示しており、熱画像７００は、Tcrystalを中心としている。この例では、結晶は、１，８００ケルビン(放射率@.77)に設定されている。熱画像６００のROI2温度は、熱画像７００のROI4温度と似ている。
【0036】
図８および図９は、カソードマウントで熱を局所化しない別の設計の例を示している。例えば、図８は、ジュール熱がアームで最大であることを示している。熱伝導率が十分に高くないため、ベースに十分な熱を伝導できず、熱電子エミッタの動作温度でアームが焼損する(図９参照)。言い換えると、カソードマウントと比較して、アームでの電力生成が高すぎる。
【0037】
【0038】
［表２］に示されているように、１，８００ケルビンでは、カソードマウント(Tcenter)は、結晶よりもわずかに高温になり、アームは少なくとも３００ケルビンより高温になる。この高温では、アームは故障する。また、同じ温度で、モノリシックグラファイトヒーター１００の全体的な電力は低くなる。
【0039】
図１０は、望ましくない熱局所領域の動作に関するその他の不具合を示している。初期の試みでは、アームの断面積を最小限に抑える試みが行われた。これにより、薄いセクションを持つフィラメントを製造する際に、(a)梱包/出荷中の実現可能な歩留まりおよび耐久性、ならびに、(b)開口部の穴あけおよび結晶のプレスに耐える構造的完全性という２つの問題が発生した。フィラメントがこのような薄いセクションを持つように作られ、内部または外部に切り離された箇所の支持が無い場合、アームはカソードを取り付ける際のストレスで簡単に折れてしまう。
【0040】
図１１および図１２は、熱電子エミッタ３００の組み立てシーケンス１１００を示しており、開口部の穴あけ、プレスフィット開口部１３６での結晶のプレス、および構造の切断の段階的なプロセスを示している。切断は、電極間に電流が流れる１つの経路があることを確保するために必要である。当業者は、比較的大きなモノリシック構造が、溶接、バネ、ネジ、エポキシ、またはその他の材料を使用して組み立てられたマルチピース構造よりも機械的に安定していることを理解する。
【0041】
図１３は、熱電子エミッタを製造する方法１３００を示している。ブロック１３０２において、熱電子エミッタを製造する方法１３００は、モノリシックグラファイトヒーター１００（図１）を形成するステップを必要とする。モノリシックグラファイトヒーター１００を形成するステップは、固体ブロックからの機械加工、材料の成形、焼結、ＥＤＭを使用した成形、または、３Ｄ印刷をするステップを必要としてよい。ブロック１３０４において、熱電子エミッタを製造する方法１３００は、電極を電極マウントのそれぞれに結合させるステップを必要とする。ブロック１３０６において、熱電子エミッタを製造する方法１３００は、カソードマウント内の材料を除去して（例えば、穴あけ）、熱電子カソードの少なくとも一部を受け入れるための開口部をカソードマウントに画定するステップを必要とする。他の実施形態では、異なるカソード形状を受け入れるために、異なる機械加工された特徴（例えば、スロット、ポケット、または突起）が形成されてよい。
【0042】
ヒーターが入るデバイスの形状によって、ヒーターの形状が決まる。例えば、前述の実施形態は、ＭＶＭの代替として適しているため、実施形態は、同じ型の因子、電源、電子仕様に適合してよい。図１６－図２１は、熱を局所化するモノリシックグラファイトヒーターのいくつかのバリエーションを示しているが、さまざまな使用ケースに合わせて形状が異なる。例えば、図１６は、細長いバージョンを示している。
【0043】
図１７は、高さの低いバージョンを示している。このバージョンでは、熱頂点は、構造に沿って、第１の電極から第２の電極まで移動する中間点にある。図１７のバージョンは、図８および図９に示されているバージョンと比較すると、結晶マウントのサイズおよび結晶のサイズ（熱質量）が異なり、その結果、熱頂点が中央に向かっている。
【0044】
図１８は、より高温のバージョン１８００を示している。このバージョン１８００において、側壁１８０２は、まっすぐな側壁ではなく、ベース１８０４から熱頂点１８０６の方向に凹状に湾曲しており、実質的に凹状の三角形の面１８０８を形成している。これらの面１８０８は、まっすぐな三角形の面に比べて表面積が小さいため、最大ジュール熱が効果的に増加する。
【0045】
図１９は、三角形のアームが、主面が互いに向き合わないように配置されている別のバリエーションを示している。
【0046】
図２０は、各アームに開口部がある別のバリエーションを示している。これにより、脚部の熱損失が低減され、機械的安定性を過度に損なうことなく効率が向上する。
【0047】
図２１は、開口部がベースから熱頂点まで延び、それによって各脚が分岐する別の変形例を示している。
【0048】
当業者は、開示の基本原理から逸脱することなく、上記の実施形態の詳細に多くの変更を加えることができることを理解するであろう。例えば、開示されたヒーターは、他の耐火金属、ホウ化物、または炭化物を含むグラファイト以外の材料から作ることができる。さらに、熱の局所化は、熱カソード源以外のロッド、金属ワイヤ、金属コイル、または他のデバイスを加熱するために使用することができる。したがって、本発明の範囲は、以下の請求項および同等物によってのみ決定されるべきである。
【符号の説明】
【0049】
１００ モノリシックグラファイトヒーター
１０２ 熱電子カソード
１０４ 第１の導電性アーム
１０６ 第２の導電性アーム
１０８ 第１の電極マウント
１１０ 近位端
１１２ 第１の熱頂点
１１４ 遠位端
１１６ 第１の遷移領域
１１８ 第１の電極
１２０ 第１の開口部
１２２ 第２の電極マウント
１２４ 第２の熱頂点
１２６ 第２の遷移領域
１２８ 第２の電極
１３０ 第２の開口部
１３２ カソードマウント
１３４ 最大ジュール熱領域
１３６ プレスフィット開口部
１３８ 機械的分離部
１４０ ギャップ
１４２ グロメット
１４４ グロメット
２０２ 長方形のベース
２０４ 長方形の上部
２０６ 切り取られた三角形の面
２０８ 厚さ
２１０ 座面
２１２ 背部
３００ 熱電子エミッタ
３０２ セラミックヒーターベース
４００ ジュール熱シミュレーションビュー
４０２ ジュール熱勾配
５００ 温度分布
６００ 熱画像
７００ 熱画像
１１００ 組み立てシーケンス
１３００ 熱電子エミッタを製造する方法
１３０２ ブロック
１３０４ ブロック
１３０６ ブロック
１８００ バージョン
１８０２ 側壁
１８０４ ベース
１８０６ 熱頂点
１８０８ 面
１０２ 熱電子カソード
１０４ 第１の導電性アーム
１０６ 第２の導電性アーム
１０８ 第１の電極マウント
１１０ 近位端
１１２ 第１の熱頂点
１１４ 遠位端
１１６ 第１の遷移領域
１１８ 第１の電極
１２０ 第１の開口部
１２２ 第２の電極マウント
１２４ 第２の熱頂点
１２６ 第２の遷移領域
１２８ 第２の電極
１３０ 第２の開口部
１３２ カソードマウント
１３４ 最大ジュール熱領域
１３６ プレスフィット開口部
１３８ 機械的分離部
１４０ ギャップ
１４２ グロメット
１４４ グロメット
２０２ 長方形のベース
２０４ 長方形の上部
２０６ 切り取られた三角形の面
２０８ 厚さ
２１０ 座面
２１２ 背部
３００ 熱電子エミッタ
３０２ セラミックヒーターベース
４００ ジュール熱シミュレーションビュー
４０２ ジュール熱勾配
５００ 温度分布
６００ 熱画像
７００ 熱画像
１１００ 組み立てシーケンス
１３００ 熱電子エミッタを製造する方法
１３０２ ブロック
１３０４ ブロック
１３０６ ブロック
１８００ バージョン
１８０２ 側壁
１８０４ ベース
１８０６ 熱頂点
１８０８ 面
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【国際調査報告】