JPS62287543A - 含浸形陰極構体 - 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】 ３、発明の詳細な説明 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、電子管等に使用する含浸形陰極構体に係わ
り、とくにその電子放出表面被覆層の結晶構造に関する
。

（従来の技術） 含浸形陰極構体は、タングステン（Ｗ＞のような高融点
金属の粉末を焼結してつくった多孔７１基体の空孔部に
、酸化バリウム（Ｂａｄ）　、Ｍ化カルシウム（Ｃａｂ
）　、および酸化アルミニウム（ＡＩ２２０３）のよう
なアルカリ土類金属酸化物からなる電子放射物質を溶融
含浸させたものでおる。この陰極は、酸化物陰極に比べ
動作温度が高いが、高電流密度が得られ、またガス被毒
に強いという特質を有する。このため、例えば爾星搭載
用進行波管や、核融合プラズマ加熱用の大電力クライス
トロンなどに実用されている。このような分野では、さ
らに艮庁命、安定動作などの高信頼性および高電流密度
が要求されている。

信頼性を高める１つの方策として、陰極表面にイリジウ
ム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏ５）、ルテニウム（Ｒｕ）
のような白金族金属、おるいはその合金からなる被覆層
を設けて陰極表面部の仕事関数を下げ、動作温度の低減
を図ることが知られている。このような被覆層を設（プ
ることにより、被覆層がない場合と同じ電流密度を得る
のに、数十℃乃至百数十℃も動作温度を下げることがで
きる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような含浸形陰極構体は表面部に被
覆層がない場合に比べて動作温度を低下させることがで
きるとはいえ、その動作温度がおよそ９００〜１０００
℃であり、やはり動作に伴って多孔質基体を形成するＷ
が表面被覆層中に拡散して表面被覆層金属とＷとの合金
層を徐々に生成することが避けられない。この表面被覆
層の合金化進行過程は、それに伴って電子放射特性を変
化させ、早期の安定動作、長寿命特性など信頼性向上へ
の１つの隘路となっている。

この発明は、以上の事情に鑑みてなされたもので、初期
から安定な電子放射特性を有する含浸形陰極構体を提供
することを目的とする。

［発明の構成］ （問題を解決するための手段） この発明は、多孔質基体の表面部に被覆形成されたイリ
ジウムおよびタングステンの合金層からなる合金層の結
晶構造が、その格子定数ａの範囲が２．７６人乃至２．
７８Å、格子定数Ｃの範囲が４．４４人乃至４．４６人
のｈｃｐ構造を示すε相を主体としてなる含浸形隙極構
体である。

（作用） この発明によれば、多孔質基体の表面部に形成されてい
るイリジウム−タングステン合金層の結晶構造が上述の
構成となっていることにより、このε相からなる合金層
は初期からきわめて安定である。したがって、表面被覆
層のイリジウムおよびタングステンａ度組成がほぼ一定
化しており、それにより仕事関数が比較的低い値で一定
に保たれる。こうしてこの発明によれば初期から長期間
にわたってきわめて安定な電子放射特性をもつ含浸形陰
極構体を得ることができる。

（実施例） 以下図面を参照してその実施例を説明する。なお同一部
分は同一符号であられす。

この発明の含浸形陰極構体の構造例を第１図に示す。直
径１．５Ｍ、厚さ０．４ｍの空孔率的２０％の多孔質タ
ングステンに、酸化バリウム、酸化カルシウム及び酸化
アルミニウムの混合酸化物（モル比で約４：１：１）を
溶融含浸させ、その後表面を洗浄し、過剰な３ａを除去
した後、多孔質基体１１を作製した。次いで、この多孔
質基体１１は厚さ２５μｍのタンタル製のカップ１２に
、レニウム線１３を介して抵抗溶接された。次いで、タ
ンタル製カップ１２は、タンタル製の支持スリーブ１４
の一端開口部の内側にレーザ溶接された。なお、支持ス
リーブ１４は、図示しないレニウム−モリブデン合金か
らなる３本の支持用ストラップを介して外側支持円筒に
固定された。このようにして製作された陰極構体の多孔
質基体１１の表面に、スパッタリングにより５０人乃至
１０，０００への範囲の厚さ、例えば３．５００への厚
さにイリジウムを被覆した。

次にこの陰極構体を、真空又は不活性雰囲気、例えば１
Ｏ−７ｒｏｒｒ以下に排気された真空排気ペルジャー内
に入れ、図示しない陰極構体内部の加熱ヒータに通電し
て所定温度で所定時間加熱処理した。

この加熱処理工程の例を第２図に示す。すなわち、脱ガ
スを主目的として徐々に陰極温度を上昇させるライティ
ング工程（■、■、■、ＩＬＶ、ｌ、および輝度温度が
約１１８０℃で所定時間等温加熱するエージング工程（
■、■、■）を経る。なお温度は、陰極表面を６５０止
でフィルタされた輝度温度で示されている。

こうして、電子放出表面部に格子定数ａの範囲が２．７
６乃至２．７８Å、格子定数Ｃの範囲が４．４４乃至４
．４６人のｈｃｐ構造を示すε相を主体とする結晶構造
をもつイリジウム−タングステン合金被覆層１５を形成
した。そしてこのような含浸形陰極構体を、例えば衛星
搭載用の進行波管内に組込み、動作させた。

このような含浸形陰極構体は、動作初期から長時間の動
作において安定度のきわめてすぐれた電子ｔ’ｔｌｉ　
調時性を示した。以下、その理由を説明する。

まず、表面部の合金化プロセスを解明するために真空高
温ＸｔＱ回折装置を用い、前記の約３，５００人の厚さ
にイリジウムを被覆した陰極構体の、多孔質基体表面層
の結晶構造変化をその場観察的にＸ線回折により測定し
た。第２図に示した陰極加熱スケジュールに沿い、Ｘ線
回折パターンの変化をみると第３図に示すように変化す
ることが確認された。なお第３図の右の縦軸に加熱工程
を示した。

同図から理解されるように、ライティング工程中の変化
として、イリジウム相の減少及びイリジウムとダンゲス
テンとの金属間化合物ε相の出現が、主としてライティ
ング工程（ＩＶ）以降に認められた。ε相はｈｃｐ構造
を示す。エージング工程では、このε相が示す一連のそ
れぞれの回折ピークの低角度側に対をなして同じ結晶系
を示す一連の回折ピークが出現した。その後、エージン
グ工程が進むにつれ、初めの一連のピークは消滅し後の
回折パターンに置き代わった。初期に形成されたε相を
ε■相、俊にＸ線回折の低角度側に現れた相をε■相と
称することにする。ε■相がらε■相への不連続な回折
パターンの変化は、格子定数の不連続な変化に対応する
。すなわちε■相の格子定数はそれぞれ、ａ＝　２゜７
３５乃至２．７４５Å、ｃ＝　４．３８５乃至４．３９
５人である。またε■相では、ａ＝２．７６０乃至２．
７８０Å、Ｃ＝　４．４４０乃至４．４６０人の範囲を
示した。なお、これら格子定数の値と、イリジウム−タ
ングステン合金中のタングステン濃度との関係は既に報
告されており、第４図に実線で示すような関係である。

そして本発明者らの実験で得られたε１相およびε■相
の格子定数の値を、第４図中に点線の斜線で示した。こ
れらの対応するタングステン濃度は、ε１相で約２０乃
至２５原子％、ε■相で約４０乃至５０原子％となる。

ε１相からε■相への移行により、表面層組成の変動も
きわめて不連続に生じていることがわかる。

そしてε■相はきわめて安定な結晶構造を示し、その後
の熱処理ではほとんど格子定数の変化を生じることがな
かった。すなわち１１８０℃でのエージング工程での約
５５分間の加熱で、ε１相からε■相に完全に移行した
。

また、ライティング工程終了後、およびエージング工程
終了後の表面合金層について、オージェ電子分光装置に
より、アルゴンイオンを用いたスパッタリング方式を用
いて表面から深さ方向の組成分析を試み、第５図（ａ）
　、（ｂ）の結果を得た。

同図（ａ）はライティング終了後、同図（ｂ）はエージ
ング工程１２０分後の相対′ａ度分布である。そして曲
線５１および５３は相対イリジウム濃度、同５２、およ
び５４は相対タングステン濃度を示している。

この結果から、ライティング工程終了時点のものでは、
表面中のタングステン濃度に勾配が少なく、タングステ
ンのイリジウムへの速い拡散が推察される。またエージ
ング工程（Ｉ［Ｉ）終了段階のものでは、表面および合
金層中のタングステン濃度が４０乃至５０原子％となっ
ていることが判明した。これらの事実は、第４図に示し
た格子定数の変化から推察される表面被覆層の組成変動
に一致した結果になっている。

以上のように、多孔質基体の表面にイリジウムを被覆し
、これを所定温度で所定時間加熱処理することにより、
表面部に安定なε■相からなるイリジウム−タングステ
ン合金被覆層を形成することができる。

次に、多孔質基体表面に被覆するイリジウム層の厚さと
、加熱処理すなわちエージング条件との関係について検
討した。イリジウム被覆層が、杓１０００Å、約２００
０Å、約３５００Å、約５０００人の厚さのものを用意
し、いずれも１１８０°Ｃで所定時間加熱した。その結
果得られたＸＦＪ！回折の結果を第６図に示す。同図に
おいて、ａ軸のＸ線回折強度比は、ε■相、ε■相およ
びイリジウムの主回折ピーク強度のそれぞれの和に対す
るε■相の回折ピーク強度の比率をあられしている。こ
の結果から、ε■相からε■相へと移行するのに要する
加熱処理時間は、イリジウム被覆層の厚さに依存し、イ
リジウム層が厚いはどε■相の形成に多くの加熱処理時
間を要することがわかった。なお同図に４３いて曲線６
１はイリジウム被覆層厚が約１０００人のものの場合、
同６２は約２０００Å、同６３は約３５００Å、同６４
は約５０００人のものの場合をそれぞれあらりしている
。また、エージング時間を一定とした場合は、イリジウ
ム被覆層の厚さが厚いほど、表面までのε■相の完全生
成のためにはより一層高温での加熱処理を要する結果が
得られた。

また第７図にイリジウム被覆層厚、エージング加熱処理
時間に対する空間電荷制限領域にお【プる最大エミッシ
ョン値すなわちｆＶＬＩｓｃの変化を示した。この空間
電荷制限領域にｆ３りる最大エミッション値ＭＩＳＣは
、陽極電圧を２秒間印加したときの印加開始１秒後の値
で表現しており、この値は陽極電圧印加方式として通常
用いられるパルス的な場合と、直流的な場合とのほぼ中
間的な特性を示す。同図において曲線７１はイリジウム
被覆層厚が約１０００へのものの場合、同７２は約２０
００Å、同７３は約３５００Å、同７４は約５０００人
のものの場合をそれぞれあられしている。

このような結果から、イリジウム被覆層厚が厚いほどＭ
ＩＳＣ値の増加傾向が緩やかであり、エミッション的活
性化にも長時間を要することが確認された。このように
電子放射特性がε■相の形成率と強い相関があり、ε■
相が基体表面まで完全に生成されている場合が最も大き
な電子数ＯＡ電流を１９られ、且つ安定であることが明
らかとなった。そして、十分に活性化された陰極基体の
表面合金層はＸ線回折的にはほぼε■相だけからなるこ
とが対応づけられた。

ざらにまた、合金化終了後の陰極断面を走査形電子顕微
鏡により観察し、イリジウム被覆層厚に対する生成合金
層厚の関係をみた。その結果を第８図に示す。その結果
、形成される合金層の厚さは、はじめ被着するイリジウ
ム層の厚さのおよそ２倍になることが確認された。

以上に述べた諸結果を考慮し、次に電子放射特性との関
連を考察した。以下にその概要を述べる。

多孔質基体表面にスパッタリングにより約５０八から約
ｉｏ、ｏｏｏのへ範囲の任意適当な厚さでイリジウムを
被覆した試料を用意し、所定の熱処理を施した。この熱
処理による表面合金化処理は、管内加熱すなわち電子管
内に組込んだ状態で陰極構体内の加熱ヒータに通電して
加熱することにより合金化する方式、および単体加熱す
なわち真空排気されるガラスペルジャー内に陰極構体を
配置し加熱する方式で実施した。それら各方式は、前者
すなわち管内加熱は比較的低電圧電子管などに適するこ
とを考慮し、また後者すなわち単体加熱方式は大形又は
高電圧動作用の電子管などに適することを考慮している
。そして電子放射特性は、平行平板形２極管のガラスダ
ミー管を作製して評価した。

管内加熱方式の場合は、ライティング工程をガラスダミ
ー管の排気中に実施し、その俊排気管を封止切りしてか
ら所定の等温度でエージング加熱処理した。エージング
工程中の電子放射特性の変化を測定した。また単体加熱
方式では、ガラスペルジャー内で所定のライティング、
エージング工程を実施し、その後得られた陰極構体を平
行平板形２極管のガラスダミー管内に組込んで、管内加
熱方式の場合と同様な方法で電子放射特性を測定した。

なお測定中のエージング効果を防ぐため、電子放射特性
はいずれもカソード温度を１ｏｏｏ’ｃに下げて測定し
た。

それらの比較結果を表１に示す。同表において、実施例
とはその後の分析により表面都合金層のほぼ全体にε■
相の形成が確認されたこの発明の実施例のもの、また比
較例とは表面合金層にε■相とε■相の両方が観察され
たものの場合である。

（以下余白） 表１ （続き） ＊印は（℃２分） 表１の結果から、はじめに被覆されたイリジウム層の厚
さに応じて所定の熱処理を施してほぼε■相のみからな
る合金化層を形成させることにより、初期および長時間
にわたる動作でも安定で良好な電子放射特性を得ること
ができることが確認された。そして前述のようにイリジ
ウム層の厚さに応じ確実にε■相からなるイリジウム−
タングステン合金化層を得る所定加熱処理工程は、再現
性がよく、実用性がきわめて高い。

このように、表面にイリジウムを含む合金層が被覆され
る含浸形陰極において、その合金層をε■相とすること
にり、動作初期から安定した、しかも良好な電子放射特
性を有する含浸形陰極を実現することができる。このε
■相は極めて安定で、長時間動作に対しても変化がきわ
めて小さいという特質を有する。またこのε■相は、格
子定数ａの範囲が２．７６乃至２．７８Å、格子定数Ｃ
の範囲が４．４４乃至４．４６人のｈｃｐ構造を示し、
これは換言すればタングステンが飽和固溶したイリジウ
ム−タングステン合金のε相からなること：ｒｉ徴とし
ている。こうして表面部のイリジウム及びタングステン
濃度組成が一定化しており、それにより仕事関数が比較
的低い値で一定に保たれる。

したがって動作初期から寿命期間中、きわめて安定な電
子放射特性を得ることができる。

なお、熱処理時間の実用的な管理の容易さから、多孔質
基体表面へのイリジウム被覆層の厚さは、５０人乃至ｉ
ｏ、ｏｏｏ人の範囲が適当である。それによりε■相か
らなる合金被覆層の厚さは、およそ２倍の約１００人乃
至２０．０００人の範囲が好ましい厚さである。そして
その場合の熱処理条件としては、およそ１１００℃乃至
１２６０’Ｃの範囲で、加熱処理時間はおよそ１分乃至
３６０分捏度の範囲内で前述のようなイリジウム厚さに
応じて適宜の処理を実施すればよい。

なお、加熱処理温度が１２６０℃よりも高いと、基体中
のバリウムの蒸発量が多くなり過ぎ、むしろ所期の電子
放射特性を損うおそれがある。また１１００℃以下では
、ε■相の合金化にきわめて長時間を要し、実用性に乏
しい。またε■相合金層の厚さが１００人より薄いと寿
命力（短くなり、一方、２０．０００人を超すと高い動
作温度が要求されるなどの短所が顕著となってしまう。

［発明の効果コ 以上説明したようにこの発明によれば、多孔質基体の表
面部に形成されているε■相からなるイリジウム−タン
グステン合金被覆層により、動作初期から長時間動作に
わたってきわめて安定な電子放射特性を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係わる○渦形陰極の一部断面を示す
斜視図、第２図はこの発明の実施例における陰極加熱処
理工程を示す図、第３図はその加熱処理工程における表
面部のＸ線回折パターン図、第４図、第５図（ａ）　、
（ｂ）　、第６図、第７図、および第８図はそれぞれ各
工程における特性図である。 １１・・・多孔質基体、１５・・・表面合金層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）多孔質基体にアルカリ土類金属酸化物が含浸され
   、この多孔質基体の表面部にイリジウムおよびタングス
   テンの合金層が形成されてなる含浸形陰極構体において
   、 前記合金層の結晶構造は、格子定数ａの範 囲が２．７６Å乃至２．７８Å、格子定数Ｃの範囲が４
   ．４４Å乃至４．４６Åのｈｃｐ構造を示すε相からな
   ることを特徴とする含浸形陰極構体。
2. （２）合金層の厚さは、１００Å乃至２０，０００Åの
   範囲にある特許請求の範囲第１項記載の含浸形陰極構体
   。