JPS5979934A - 含浸形陰極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はブラウン管、撮像管等の電子管に用いる含浸形
陰極に関するものである。

〔従来技術〕

含浸形陰極は高電流密度カソードで、電子管の高性能化
を計るための陰極として有望視されている。含浸形陰極
は多孔質基体の細孔部に電子放出物質を含浸したもので
ある。多孔質基体内１：はとんどがタングステンで製造
されているが、モリブデン、タンタルなどの４熱金属を
含むもので良い。

電子放出物質としては酸化バリウムと酸化アルミニウム
、酸化カルシウム、酸化マグネシウムなどのうち少なく
とも１種を含む化合物あるいは混合物を出発原料に用い
ているのが一般的である。多孔質基体の細孔率は１７〜
３０％の範囲で選ばれる。多孔質基体は粒状物質を焼結
して製造する。

電子放出物質は加熱熔融して多孔質基体に浸み込ませる
ことによって含浸される。

含浸形陰極の動作状態においては多孔質基体と電子放出
物質が反応し、バリウムを生成し、基体表面、すなわち
電子放出面に到達し、表面拡散して電子放出に適した単
原子層を形成する。このような含浸形陰極は高い電子放
出能を長時間に亘って可能とすることから、プラク／管
、撮影管などの陰極として開発が進められている。しか
し、高いＦｌ、　ｆ−放出能を有する反面、動作温度が
１０５０−１２００Ｕと高いために、バリウムや酸化バ
リウムの蒸発が多くなり、他の電極へ付着し、管球の特
性に悪影響を及ぼす。また、高温のために、酸化物陰極
で用いている電極やスリーブ材質を変更する必要がある
。さらに、含浸形陰極を加熱するヒータの温度が高くな
るために、長時間の使用が出来ないなど欠点を有してい
る。そのために、低温動作がＩＩＪ能な陰極の探索が活
発である。低温動作陰極として（１、電子放出面に、オ
スミウム、ルテニウム、イリジウムなどを数百ｎｍ被覆
したものが実用化している。しかし、動作温度は１００
０Ｃ前後である。また動作温度が高いために、陰極から
余分なバリウム蒸発がみられ、電極に付着しグリッド・
エミッションの原因となるなどの欠点も有する。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、電子放出能を高め、バリウムの蒸発速
度を抑え、しかも長寿命型の含浸形陰極を捉供すること
にある。

〔発明の概要〕

」二記目的を達成するために、本発明による含浸形陰極
は、酸化スカンジウムあるいはこれらを含む酸化物粒子
が分散している耐熱多孔質層と酸化物粒子が分散してい
ない耐熱多孔質体からなる複合多孔質基体とこの複合多
孔質基体の細孔部に含浸させられた電子放出物質からな
る。耐熱多孔質体としては、Ｗ粒子、Ｍｏ粒子もしくは
これら４ｒ−含む合金粒子が使われる。スカンジウムを
含む酸化物としては、希土類元素・ＳＣの酸化物、（Ａ
ｔ１８　Ｃ）２０３１８　ＣｔＷｓ　ＯＨ＊　Ｃａ、　
５Ｃ２０ｅ３０ｓ　！　Ｔ　　（Ｇ　ａ＊　ＳＣ）　ｔ
　Ｏｓ　ＨＬ　ｉＳ　ｃ０２　＊　Ｌ　＋　ＳｃＭｏ（
Ｊｇ　＋５ｃＶＯ，、（８ｃ、Ｙ）、０．、Ｓｃ、Ｚｒ
、０．、。

８　Ｚ　ｒ　０２　”　８　Ｃ，ｏ、　’などがある。

これらの物質を２種以上混合して用い、あるいはさらに
ｓ　Ｃ，ｏ３との混合物を用いてもさしつかえない。

以上を代表して、タングステンと酸化スカンジウムを選
んで説明する。

本発明による含浸形陰極は、耐熱多孔質層としてタング
ステン粉末と酸化スカンジウム粉末を秤量、混合、さら
に耐熱多孔質体としてタングステン粉末を秤量し、上記
混合粉とタングステン粉末を層状にプレス成形、焼結し
て複合多孔質体を作製し、複合多孔質体内の細孔部に電
子放出物質を含浸させることによって製造される。

上記の方法を以下に一層詳しく説明する。

まず、タングステン粉末と酸化スカンジウム粉末を用意
する。いずれも粒度調整されていることが望ましい。耐
熱多孔質層となるタングステン粉末と酸化スカンジウム
粉末の粒径は同じかあるいは酸化スカンジウム粉末の方
が小さいことが望ましい。耐熱多孔質層に用いるタング
ステン粉末と耐熱多孔質体に用いるタングステン粉末の
粒径は必ずしも同じである必要はない。各層の細孔率を
どの程〆に選ぶかによって異なって来る。たとえば、プ
レス成型圧力、焼結条件が同じであれば細孔率は粒径が
小さい程小さくなる。また細孔率は粒径が同じで焼結売
件も同じであれば、プレス成型圧力の大きい方が細孔率
は小さい。用意したタングステン粉末と酸化スカンジウ
ム粉末を適当量配合して乳鉢等で十分混合し混合粉とし
たのち、円筒状プレス治具に挿入し、その上にタングス
テン粉末を挿入してプレス成型を行なう。プレス成型に
は必要に応じてポリ・ビニール・アルコールなどをバイ
ンダーとして使用する。混合粉とタングステン粉はどち
らを先にプレス治具に挿入しても先し支えない。また任
意の細孔率を選ぶため、先に挿入した粉末を一度プレス
したのち、他の粉末を入れてプレスしても良い。その時
のプレス圧力は一度目と二度目は異なる。プレス成型後
は、水素中で１０００−１２０Ｏｒに加熱してバインダ
ーを除くとともに、取り扱い易いように仮焼結を行なっ
たのち、真空中で１７００〜２０００ｔ’ｒに加熱して
焼結し、１７〜３０％の細孔を有する複合多孔質基体を
製造することができる。細孔率はタングステン粉末の粒
径、プレス成型圧力、焼結条件によって任意に選択出来
るが、通常３〜８μｍのものを用い、１〜１０　ｔｏｎ
／ｃｒｎ”の圧力で成型を行ない、焼結は１７００−２
０００℃、０．５〜３ｈ程度の焼結条件で行なわれる。

粉末同士の拡散が十分に進行し、粉末＞へｌ子の移動が
あるものは、同じｔ！［１孔率でも分布が不揃いで閉鎖
孔が多い。切削加工によって陰極形状にする場合には強
度が必要とされるために、拡散を進めなければならない
。

最初から陰極形状を想定してプレス成型する場合にｔま
、陰極としての強度があれば良いことになる。

耐熱多孔ｍ層の酸化スカンジウムは価格あるいけ特性上
から耐熱多孔質層体積の５０％以下が望ましく、経済性
、カソード電流特性から１０〜２０％程度が良い。また
、顕著な効果を得るためには２％以上であることが望ま
しい。またこの層の埋さけ、バリウム蒸発量の減少、カ
ソード寿命特性なとから複合多孔質基体の５〜５０％程
度が望ましく、通常は１０〜２０％の範囲で選ばれる。

複合多孔質基体の埋さは０．３〜１．５間程度が一般的
で望ましい。第１図に複合多孔質基体の断面模型図を示
す。１はタングステン粒、２Ｆｉ酸化ス力ンジウム粒、
３は細孔部、４Ｆｉ複合多孔質基体を示す。

このように製指した複合多孔質基体上に、バリウム・ア
ルミネート化合物をのせ、水各中で約１７０Ｏｒに加熱
熔融して含浸させることによって含浸形隈極を製造出来
る。電子放出物ηとしてはバリウム・アルミネート化合
物の他、炭酸バリウム、酸化アルミニウム、炭酸カルシ
ウムの混合物を出発原料としても良い。この３つの組み
合せで良い特性を示した組成は（炭酸バリウム）：（酸
化アルミニウム）：（炭酸カルシウム）＝４：１：１〜
５：２：３であった。このようにして製造した含浸形陰
極の飽和電流特性を第２図に従来型の含浸形陰極および
オスミウムを被覆した含浸形陰極の飽和電流特性５およ
び６と、本発明の含浸形陰極の飽和電流特性７を示す。

本発明によって得られた含浸形陰極は従来型陰極（％性
５）に較べて約３００ｔｌ？、従来のオスミウム被覆陰
極（特性６）に較べて約１５０ｃ低温で動作出来る特性
が得られた。第３図は、耐熱多孔質層中のｓ　ｃ、　ｏ
３　　の体積と、飽和電流密度１０　Ａ　／ｃｍ”がイ
４ｆられる温度との関係を示す図である。図からも明ら
かなように８０．Ｏ３ｅわずか混入しても効果が認めら
れるがとくに２容積％以上の場合オスミウム被覆含浸形
陰極よシも優れた効果が得られた８　Ｃ，ｏ、でなくヘ
スカンジウムを含む酸化物粒子を用いる時は、そのうち
の５Ｃ２０３成分のみの容しパ 積であればｔｌは同必効果が得られた。

酸化スカンジウムが分散した多孔質基体を用いた陰極す
なわち本発明の含浸形陰極の耐熱多孔質層部のみで構成
された陰極（酸化スカンジウム分散型含浸形陰極と称す
）においては、飽和電流特性は本発明の含浸形陰極特性
と同じであった。この陰極からのバリウム、バリウム蒸
発量は酸化スカンジウム量に逆比例して減少している。

しかし、この陰極における飽和電流特性の経時変化測定
において従来型陰極よりも短寿命ということがわかった
。これは、蒸発量の減少から判断して、電子放出面への
バリウムの補給が不足したためだった。

し友がって本発明の含浸形陰極のように、耐熱多孔質層
の下部に耐熱多孔質体全設け、ここからバリウムを補給
することを考え、実行した結果、従来型含浸形陰極より
も余分なバリウム蒸発は少なく、常に安定したバリウム
の補給が行なわれ、寿命特性も従来型陰極とほぼ同じで
あった。

ｍ４図は、従来型含浸形陰極のバリウム蒸発特性８と本
発明による含浸形隘極のバリウム蒸発特性９を示す。

本発明の含浸形陰極は同一温度で比較しても小さいが動
作温度で比較すると１．５〜３桁小さい。

第５図は、９００ｔＴ動作における飽和電流特性すなわ
ち寿命特性を示す。図中１０は従来型含浸形陰極、１１
は酸化スカンジウム分散型含浸形陰極、１２は本発明に
よる含浸形陰極の特性を示す。

この上うＫして製造した含浸形陰極１３は、第６図に示
すようにスリーブ１４と障壁）ｆ１１５、タングステン
芯線１６に絶縁被覆層１７を設けたヒータ１８と組み合
わせて電子管用陰極として（ｉじ用される。動作温度が
１５０〜３００７：’低下したことによシ、消費電力も
低下し、さらにヒータ１８の寿命が、酸化物陰極を加熱
使用したと同程度の敵方時間の寿命が得られた。

本発明によれば、以上説明したように、従来の製造工程
を適用出来、また管球作製工程ｆ：変更することなく、
従来型の含浸形陰極の動作温度よりも１５０〜３００　
ｃ動作温度を低下させたことによってバリウム、酸化バ
リウムの蒸発速度を約１．５〜３桁低下することが出来
、本発明による含浸形陰極は従来型の含浸形陰極よりも
優れた特性を有する含浸形陰極と言える。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例によって説明する。

実施例１ 粒径５μｍのタングステ、ン粉末と粒径２〜３μｍの酸
化スカンジウム粉末を周章し、酸化スカンジウムの比率
が１．．２，４，６，９，１２゜１６ｗｔ％　（体積百
分率で表わすと４．８，９．３゜１７．２．、２４．４
．３３．１．４０．５．４８．８％）になるように秤量
し、乳鉢で十分混合１〜だ。ついでこの混合粉とタング
ステン粉末をそれぞれ０．１と０．４胴となるように秤
−ｉｒ　ｊ、、１．５　ｍｙｎφの円筒プレス治具を使
用し、まず混合粉を挿入、次いでタングステン粉末を挿
入してプレス成型を行なった。

プレス成型には、ポリｅビニール拳アルコールをバイン
ダーとして用いケ。成型圧力ｉｊ　４　ｔｏｎ／ｃｒｎ
”で実施した。次いで水素中で、１ｉｏｏ′Ｃ，ｉｈの
仮焼結を行ない、バインダーを除くとともに取り級い易
いようにした。つぎにＩ　Ｘ　１０−”ｐｏｒｒ以下の
圧力の真空中で１９００ｔｒ、２ｈの焼結し、耐熱多孔
質層と１熱多孔質体が一体化した複合多孔質体を作った
。このように製造した複合多孔質体の細孔率は平均１８
〜２７％の軸回に存在していた。このように製造した複
合多孔質体に４ＢａＯ・Ａ　ｔ、　０３・ＣａＯの配合
からなる化合物をのせ、水素雰囲気中で１７３０〜１７
４０℃で３分間加熱熔融して含浸形陰極を作製した。こ
の含浸形陰極を厚さ２５μｍのタンタル・スリーブ１４
とメンタルからなるカップ状の障壁層１５′ｆ：レーザ
・ビームで熔接し、傍熱形陰極を作シ、スリーブ内にタ
ングステン・ヒータ１８を設けて陰極−陽極からなる２
極管を作製し、パルス電源を用いて、陰極の飽和電流を
測定した結果を第２図の７に示す。

７はＷ−＋ｗｔ％５ＣｔＯｓ　　（体積率で１７．２％
）を耐熱多孔質層とした場合の含浸形陰極特性である。

第３図には８Ｃ２Ｏ３量と動作温度の関係、第４図はバ
リウム蒸発特性を測定した図、第５図は寿命特性を調べ
た図である。第３図以外の陰極はいずれも耐熱多孔質層
にＷ−４ｗｔ％３ｃ２０．、を用いた含浸形陰極である
。

さらに本発明の他の実施例を第７図を用いて説明する。

第７図は含浸形カソードの模式図である（加熱用ヒータ
は描かれていない。）多孔質タングステン基体７１は３
〜８μｍ粒径のＷ粉末を用い１〜１０ｔ／ｃｍ２の圧力
で成形の後、１７００〜２０００［″、０．５〜３時間
の焼結を行い１７〜３０％の空孔率にする。次に空孔部
７２に炭酸バリウム二酸化アルミニウム：炭酸カルシウ
ム−４＝１＝１〜５：２：３に３〜５重量％の５Ｃ７０
゜を添加した含浸剤を含浸する。これをペレット（カソ
ード材料）と呼ぶ。ペレットをタンタルのカップ７３に
装着した後スリーブ７４に接ガイする。

このペレット表面にｓｃ、ｙ、希土類元素及び酸化物の
ｉｓ以上をイオン打込み技術により打込むペレットへの
イオン打込みは大容量イオン打込み機を用い、第８図に
示すように表面下１１〜１１００ｎ　（１０人〜１μｍ
）に１０１！〜１０２２個／ｃｍ”　。

好ましくは１ＯＮＳ〜１０２２個／ｃｍ　’　の密度の
イオン打込み層７５を形成する。薄層の厚みは１〜１０
００１ｍであってもよい。

上記の方法により製作したペレ・ソトを用いた含浸形カ
ソードの特性を評価するために、ショットキープロット
評価を行なった。アノードとしては徹底的にガス出し処
理を施したλ４０板を用いカソードルアノード間距離を
１１１１Ｉ＋に設定した。アノードにパルス（５μ８．
２５ｔＩＺ）の電圧を印加し、カソード（表面積０．０
１５ｃｒｎ’　）よυ放出される電流が、カソード−ア
ース間に接合した１００Ωの抵抗に流れる際発生する電
圧パルスの波高値を測定した。カソードルアノード間電
圧の平方根と放出電流■の関係（ショットキープロット
）を第９図に示す。９１は従来のｓ　Ｃ，０３添加の含
浸形カソード、９２はＳＣ打込み処理全行なったカソー
ドの特性を示す。動作温度８００ＣにてＳＣ，０゜添加
の通常のカソードは〜１０　Ａ／ｃｒｎ”の飽和電流密
度を得るが、引き出し電界９　Ｘ　１０”　Ｖ／ｃｍ　
（Ａ点）における電流密度は飽和電流密度を下まわる。

一方Ｓｃ打込み処理の５Ｃ２０３添加のカソードのＡ点
での電流密度は従来のものの２倍以上となる。

Ｗ基体中に打ち込まれたＳｃは、動作中に基体表面に拡
散し、酸化され５Ｃ２０、になる。空孔から放出される
遊離１３ａは、同じく基体表面を拡散し、ｓｃ、ｏ３に
吸着もしくは化合する。本実施例によれば、Ｗ基体表面
と含浸剤の入った空孔の間の仕事関数の差が小さくなり
、ｐａｔｃｈ電界が減少する。第９図ｔよこの効果を示
すものである。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、従来の含浸形陰極の製造工程を
変更することなく、動作温度を１５０〜３００Ｃ低くす
ることが出来、かつバリウム蒸発速度を小さく出来、し
かも、長寿命が得られるなど優れた特性を有する含浸形
陰極が得られる。また電子管に実装した場合、酸化物陰
極で用いているヒータおよび電極をその−１ま使えるな
との有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の含浸形隈極の複合多孔・６基体の断面
模型図、第２図は、従来法で作製した含浸形陰極と本発
明による含浸形陰極の飽和電流特性とを比較した図、第
３図は、本発明を説明するための温度特性を示す図、第
４図は従来法で作製した含浸形陰極と本発明による含浸
形陰極のノ；リウム蒸発速度を比較した図、第５図は従
来法で作製した含浸形陰極と本発明による含浸形陰極の
飽和電流密度の経時変化を示しｆｃ図、第６図は含浸形
陰極、スリーブ、障壁層、ヒータの組み立て図、第７図
は含浸形カソードの断固模式図、第８図はベレットの模
式図、第９図は本発明のショットキープロットの比較す
る図である。 １・・・タングステン粒、２・・・酸化スカンジウム粒
、３・・・細孔部、４・・・複合多孔質基体、訃・・従
来の含浸形陰極の飽和電流特性、６・・・オスミウムを
被覆して特性を改善した含浸形陰極の飽和電流特性、７
・・・本発明によって得られた含浸形陰極の飽和電流特
性、８・・・従来の含浸形陰極のバリウム蒸発速度、９
・・・本発明によって得られた含浸形陰極のノ（リウム
蒸発速度、１０・・・従来の含浸形陰極における飽和電
流密度の経時変化、１１・・・酸化スカンジウム分散型
含浸形陰極における飽和電流密度の経時変化、１２・・
・本発明による含浸形陰極における飽和電流密度の経時
変化、１３・・・本発明による含浸形陰極、１４・・・
スリーブ、１５・・・カップ状の障壁層、１６・・・タ
ングステン芯線、１７・・・絶縁被覆層、１８・・・ヒ
ータ、７１・・・タングステン基体、７２・・・空孔部
、７３・・・カップ、７４・・・スリーブ、７５・・・
イオン打込み層、９１・・・〆ｆ、　ｆ　Ｓ　ｃ、　０
．添加型含浸カソードの特性、９２・・・ＳＣ打込み処
理のＹ　１　圀 ３ 茅２　困 第　３　図 面１軽９ｙｂＶノｅ＋９゜２θ３４オミ１史　（ｖａ−
ｅ　％）第　４　区 ツ（尿色女１温斤つ（ｋ−’） ’ｆ、５　　凶 循　乙　暖

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　タングステン粒子又はモリブデン粒子もしくはこ
   れらを含む合金粒子と酸化スカンジウム粒子又はスカン
   ジウムを含む酸化物粒子からなる第１の耐熱多孔質層と
   タングステン粒子又は上台多孔質基体と、該多孔質基体
   内の細孔部を含浸させた電子放出物質とからなることを
   特徴とする含浸形陰極。 ２、上記第１の耐熱多孔質層で酸化スカンジウム粒子又
   はスカンジウムを含む酸化物粒子のうちの酸化スカンジ
   ウムの量が多孔質層容積の２〜５０％である特許請求の
   範囲第１項記載の含浸形陰極。 ３、　上記第１の耐熱多孔質層の厚さは、上記複合多孔
   質基体の厚さの５〜５０％である特許請求の範囲第１項
   又は第２項記載の含浸形陰極。 ４、上記細孔部が上記複合多孔質基体容体の１７〜３０
   ％である特許請求の範囲第１項から第３項までのいずれ
   かに記載の含浸形陰極。 ５、上記スカンジウムを含む酸化物が、希土類元素とス
   カンジウムの鹸化物、（Ａ　ｌ、　Ｓ　Ｃ）２０３　＋
   Ｓ　ＣｚＷｓＯ＋ｔ　＋　Ｃ”ｓ　８Ｃ２０ｅ３０１２
   　＋　（ｏａ、　Ｓ　Ｃ）２０、、Ｌｉ５ｃＯ，＋　Ｌ
   ｉ８ｃＭｏＯ，，５ｃＶＯ，＋（Ｓｃ、　Ｙ）、０．　
   、８ｃ４Ｚｒ、Ｏ，、及び８ＺｒＯ，−ｓ　Ｃ，ｏ、か
   らなる群から選ばれた少なくとも一棹の酸化物である特
   許請求の範囲第１項から第４項までのいずれかに記載の
   含桜形陰極。