JP2002192381A

JP2002192381A - 高融点ろう材ならびにそれを用いたろう接方法およびカソード

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Publication number: JP2002192381A
Application number: JP2000389977A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Miyamoto; 洋之宮本; Misao Izeki; 操井関
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-07-10
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: JP4486746B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高温動作用カソードでも、電子放出に劣化な
どを来さないでろう接することができる高融点ろう材お
よびろう接方法を提供すると共に、１４００℃以上の高
温で動作させるカソードでも、カソードペレットをろう
接することにより製造し得るカソードを提供する。【解決手段】高融点金属の少なくとも一方のろう接部
表面に、高融点金属の炭化物層を形成し、該炭化物層と
前記高融点金属とを共晶化させることにより高融点金属
をろう接する。また、カソードは、タングステンフィラ
メント４の一部に、電子放出材を含有する高融点金属か
らなるカソードペレット１がろう接により接合され、そ
の接合部が、炭化タングステンと高融点金属材料との共
晶物によりろう接されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば電子管な
どに用いられる高温動作用カソード周辺の接合に用いら
れるような、高融点金属を高温でろう接する高融点ろう
材、それを用いたろう接方法およびカソードに関する。
ここに高温動作用カソードとは、含浸型カソードが動作
不可能な温度である１４００℃以上で、安定に電子放出
特性が得られるカソードを意味する。

【０００２】

【従来の技術】タングステンは高融点、低蒸気圧を有
し、一般に高温で用いることができる材料として知られ
ている。また、このタングステンの高融点、低蒸気圧、
低アーク性を利用して、各種の接点材、抵抗溶接用の電
極棒として利用されている他、酸化トリウム（Ｔｈ）な
どの電子放出材を数％入れたもの（トリタン）は、アー
ク溶接棒や各種カソードの材料として利用されている。
また、最近では、宇宙工業に多く使用されるようになっ
ている。このような状況下、タングステン同士を接合す
るろう接は、重要な技術の一つであり、多くの研究がな
されている。

【０００３】タングステンをろう接する主なろう材とし
ては、上述した電気接点で用いる比較的低温度のろう材
として、ＢＡｇ、ＢＣｕＰ、ＢＣｕなどがある。また、
宇宙開発で用いられるような高温ろう材としては、ニッ
ケルおよびマンガン基合金およびモリブデン合金があ
る。このような高温ろう材は、最高で１９００℃程度の
溶融温度を有している。そして、簡便で実用的なろう接
としては、この程度のろう接温度が一般的である。しか
し、２０００℃を超える極めて高温度での使用を目的と
したろう材としては、タンタルやニオブを用いる場合が
知られている。これらのろう接温度は、それぞれ約３０
００℃と２４００℃である。

【０００４】ここで、上述した何れのタングステンのろ
う接の場合においても、その雰囲気に酸素が混入してい
るとタングステン自体の酸化が激しくなるので、雰囲気
ろう接や真空ろう接が好ましい。さらに、炭素との接触
は、ろう接の機械的強度を脆くするので、避けられる傾
向にある。ただし、カソードにおいては、たとえば酸化
トリウム入りタングステンカソード（通称トリタンカソ
ード）の表面を炭化すると電子放出特性が著しく向上す
るといったことに代表されるように、タングステンと炭
素との接触は大きな利点がある。

【０００５】つぎに、カソード、とくに電子管などに用
いられる高温動作用カソードについて記述する。この高
温動作用カソードは、図１０（ａ），（ｂ）に示される
ような構造が一般に用いられている。即ち、図１０
（ａ）は、電子ビームを得るためのカソードで、タング
ステン（W）線や酸化トリウム（ＴｈＯ₂）入りタングス
テン（トリタン）線をフィラメント１４形状に成形し、
つぎに両端部を電極５に接続したものである。特に、ト
リタンを用いた場合には、更にヘプタン等の炭化水素ガ
ス雰囲気中で該フィラメントを通電加熱して表面に炭化
タングステン層を形成し、電子放出特性と寿命を向上し
たものも一般に使用されている。また、図１０（ｂ）は
大電力放電管用カソードの例で、棒状のトリタンの先端
を鋭利にして放電しやすい形状に成形したものである。

【０００６】更に、これらカソードの電子放出特性につ
いて記述すると、タングステンカソードは真空度１０^-5
Ｐａ、２２００℃で約０.１Ａ／ｃｍ²の電子放出特性が
得られるカソードである。

【０００７】つぎにトリタンカソードは、約１５００〜
２０００℃の動作温度で、電子放出材の酸化トリウムが
タングステンによって還元され、これにより遊離したト
リウムが、カソードの電子放出面にＴｈ-Ｗ原子層を形
成する。そして、この単原子層の形成により、真空度１
０^-5Ｐａ、２０００℃で約１Ａ／ｃｍ²の電子放出特性
が得られるカソードである。ここで、更にカソード電子
放出面を炭化した場合には、炭素による還元効果等が加
わり、真空度１０^-5Ｐａ，１８００℃で約１０Ａ／ｃｍ
²の電子放出特性を得ることができる。

【０００８】このトリタンカソードの場合、タングステ
ン中に酸化トリウムが混入さた為に線引き等の加工性が
著しく低下する。この為、混入できる酸化トリウム量は
最高でも５Ｗｔ％程度（一般的には２ｗｔ％）に限定さ
れてしまう。この限定は、カソード寿命から言えば酸化
トリウムの含有量は多いほど長寿命化に優位であるの
で、改善が望まれる課題の一つである。

【０００９】一方で、このトリウム元素は放射性物質で
あるので必要最小量であることが望ましい。即ち、フィ
ラメントにおいては、先端部を除く非電子放出部分にト
リウムを含有させる必要はない。

【００１０】ここで、多孔質体なら焼結法により、この
約５ｗｔ％の電子放出材の制限量に拘わることなく、最
高約５０ｗｔ％含有したペレットを得ることができる。

【００１１】更に、このペレットをフィラメント先端部
分にろう接して直熱すればフィラメント自体はタングス
テン線で済み、非電子放出部分にトリウムを含有させな
くて済む。しかし、これまでカソードの電子放出特性を
活かせる適当なろう材がなかった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、ペレッ
トをタングステンフィラメント先端部にろう付けするよ
うな２０００℃を超える温度でろう接するには、タンタ
ルとニオブのみしか知られていない。しかし、これらの
溶融温度はそれぞれ３０００℃と２４００℃なので、こ
のような高温に長時間晒すと電子放出材を劣化させてし
まう。

【００１３】また、カソードへのろう接としては、異種
金属で接合するとカソードの電子放出面を汚染し、電子
放出特性の劣化を招く恐れがある。更に、ろう材として
は、炭素の様になるべく電子放出特性の向上に有利な元
素を含んでいる方が望ましい。ところが、これまで適当
なろう材が無かったこともあり、タングステン線乃至は
トリタン線といった一材料でフィラメントを構成する事
が一般的であった。

【００１４】その結果、このフィラメント構造では、ト
リタンカソードの場合、加工性の点から酸化トリウム等
の電子放出材を５ｗｔ％以上混入させることが困難とな
り、寿命の面で不利であった。また、電子放出に寄与し
ていない部分（非電子放出面）であるフィラメント先端
部を除く部分にもトリタンを使用しているので、コスト
アップになると共に、放射性物質であるトリウムを必要
以上に使用しているという環境上の観点からも問題があ
った。更に、電子ビーム形状の面でも、例えば、円形断
面収束形、シートビーム形、同心円形などの特殊な形の
電子ビームを得ることが不向きとなる問題があった。

【００１５】本発明は、このような問題を解決するため
になされた高温動作用カソードの電子放出材を劣化させ
ないでろう接することができる高融点ろう材およびろう
接方法を提供することを目的とする。

【００１６】本発明の他の目的は、１４００℃以上の高
温で動作させるカソードで、電子放出材である希少金属
酸化物および放射性物質を電子放出面として必要な部分
のみに用いることができ、更にこの必要な部分には５ｗ
ｔ％を超える電子放出材を含有させて長寿命をはかるこ
ともできると共に、所望の形状の電子ビームが得られる
ように、カソードペレットをタングステンフィラメント
にろう接したカソードを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、たとえば
高温動作用のカソードなどに用いられる高融点金属をろ
う接するため、鋭意検討を重ねた結果、高融点金属のタ
ングステンを炭化させた炭化タングステンＷ₂Ｃは、タ
ングステン、炭化タンタル、タンタルなどの他の高融点
金属と２５００℃程度で共晶化し、溶融してろう接する
ことができることを見出した。しかも、高温動作用カソ
ードには、タングステンなどの高融点金属が用いられて
おり、カソードと同じ材料系で溶融することができるた
め、放出特性を劣化させることもない。また、炭化タン
グステン中の炭素により電子放出特性の向上も得られ
る。

【００１８】更に、多孔質高融点金属に電子放出材を混
入させたカソードは、イオンボンバードなどによる電子
放出材の蒸発が早く、電子放出材が多い割りに寿命を長
くできないが、前述の炭化タングステンＷ₂Ｃ層を溶融
させてその表面に形成することにより、多孔質体の表層
をバルク状の表面に改質することができ、イオン等の衝
撃などに対して電子放出材の蒸発が保護され、しかもＷ
₂Ｃ層の柱状結晶による隙間を介して、電子放出材は充
分に這い上がり、電子放出には問題なく長寿命に寄与す
ることを見出した。

【００１９】本発明による高融点金属をろう接する高融
点ろう材は、該高融点金属と高融点金属の炭化物との共
晶物からなっている。

【００２０】また、本発明による高融点金属と高融点金
属をろう接する方法は、前記高融点金属の少なくとも一
方のろう接部表面に、該高融点金属の炭化物層を形成
し、該炭化物層と前記高融点金属とを共晶化させること
により前記高融点金属をろう接することを特徴とする。

【００２１】この方法を用いることにより、高融点金属
とその炭化物のみによりろう接をすることができるた
め、カソードなどに用いてもその電子放出特性に何ら害
を及ぼすことなく用いることができる。しかも、カソー
ドなどにはタングステンが用いられる場合が多く、その
タングステンを炭化することにより、簡単に炭化タング
ステンを得ることができる。炭化タングステンの中で
も、Ｗ₂Ｃは柱状結晶が得られ、カソード表面に設けら
れることにより、電子衝撃などに強く、しかも電子放出
材の染み上がりをしやすくするため、カソード表面が炭
化されても、カソード保護の材料として優れており、カ
ソードのろう接には非常に優れている。

【００２２】前記共晶化させた後に、共晶化物から炭素
を脱炭させることにより、ろう接部の溶融温度が、共晶
化物よりさらに５００℃程度上昇し、非常に高温まで耐
え得るろう接を得ることができるため、特に好ましい。

【００２３】本発明によるカソードは、タングステンフ
ィラメントと、該タングステンフィラメントの一部に接
合され、電子放出材を含有する高融点金属材料からなる
カソードペレットとを具備し、前記接合部が、炭化タン
グステンと前記高融点金属材料との共晶物によりろう接
されている。

【００２４】この構造にすることにより、電子放出に必
要な部分のみに電子放出材を含有するカソードペレット
が形成されているため、貴重な元素であったり、トリウ
ムなどの放射性物質による放射能の飛散などの問題があ
る元素を最小限の使用量で済ませることができる。しか
も、カソードペレットを形成しておいて、フィラメント
などにろう接することによりカソードを形成することが
できるため、カソードペレットの形状を様々に加工する
ことにより、円形断面収束形、シートビーム形、同心円
形などの特殊な形の電子ビームを得ることもできる。

【００２５】更に、フィラメントにろう接する場合、ろ
う接部をフィラメントにより直接温度を上昇させること
ができるため、ろう接部の温度を共晶化物の溶融温度ま
で上昇させながら、カソードペレットは接触が十分でな
く、電子放出材の劣化が生じる程の温度上昇を防ぐこと
ができ、ろう接が完了したらフィラメントの温度を直ち
に下げることにより、カソードペレットの温度を共晶化
物の溶融温度まで上昇させないで、ろう接することがで
きるため、電子放出材にダメージを与えることはない。

【００２６】前記炭化タングステンが、前記タングステ
ンフィラメントの炭化処理により形成されるＷ₂Ｃから
なり、前記カソードペレットの電子放出面にもＷ₂Ｃ層
が形成されれば、炭化処理工程だけで、カソードペレッ
トをろう接することができ、且つ、カソードペレットの
電子放出面にＷ₂Ｃ層が形成されているので、タングス
テンの還元に加えて炭素の還元効果等により効率的にカ
ソード電子放出面に電子放出材の単原子層が形成され、
電子放出特性の優れたカソードを得ることができる。ま
た、イオン衝撃にも強くなり表面単原子の蒸発が少なく
長寿命が得られる。

【００２７】前記カソードペレットが多孔質高融点金属
に電子放出材が含有された多孔質体からなり、該カソー
ドペレットの電子放出面に溶融固化されたＷ₂Ｃ層が形
成されることにより、多孔質体でも、その表面がＷ₂Ｃ
層により完全に被覆され、電子放出材のイオン衝撃など
による蒸発を防止しながら、Ｗ₂Ｃ層は柱状結晶である
ため、電子放出面への電子放出材の供給は充分になされ
る。そのため、電子放出材を多量に含有しながら、その
蒸発は最小限に抑えられ、非常に長寿命のカソードが得
られる。

【００２８】尚、この構造は、カソードペレットをフィ
ラメントにろう接した直熱式カソードでなくても、多孔
質体に電子放出材を含有させたあらゆる傍熱式カソード
にも適用することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明による高温ろう材、ろう接方法およびそれを用いたカ
ソードについて説明をする。

【００３０】本発明による高融点ろう材を用いた高温動
作用カソードは、その一実施形態の断面説明図が図１に
示されるように、タングステンフィラメント４の一部
に、電子放出材を含有する高融点金属からなるカソード
ペレット１がろう材３により接合され、そのろう材３
が、炭化タングステンと高融点金属材料との共晶物から
なり、そのろう材３によりろう接されていることに特徴
がある。

【００３１】カソードペレット１は、従来のトリタンカ
ソードとして用いられている、酸化トリウム（Ｔｈ
Ｏ₂）入りタングステン材料を、たとえばφ１.６ｍｍ×
ｔ０.６ｍｍ（厚さ）程度の円柱状のペレットにしたも
ので、０.９ｍｍφ程度の線状のタングステンフィラメ
ント４にろう接されている。また、カソードペレット１
表面の露出面（電子放出面）には、後述するように、ろ
う接後の炭化処理により炭化タングステンＷ₂Ｃ層２ｂ
が形成されている。フィラメント４の両端部はモリブデ
ンなどからなる電極５と接続されている。１７はカソー
ドスリーブである。

【００３２】カソード電子放出面を炭化処理したトリタ
ンカソードは、イオン衝撃に強く、過酷な条件でも動作
可能である。この炭化処理をする場合、炭化タングステ
ンにはＷ₂ＣとＷＣとが存在し、努めてＷ₂Ｃを形成する
ようにしなければならない。何故なら、Ｗ₂Ｃ層は、粒
界が柱状を呈し、肥大化しない。これに対して、ＷＣ層
は、粒界の肥大化を生じやすい。このことは、トリウム
の拡散やカソード表面と密接に関係しており、ひいては
電子放出特性が大きく異なってしまうからである。この
ようなＷＣではなく、Ｗ₂Ｃを形成するためには、炭化
処理の際に、雰囲気温度とヘプタン等の炭化水素ガスの
分圧を制御して行う。

【００３３】例えば、本発明者らが用いた炭化炉では、
温度２２００℃、ヘプタン分圧１３３×５×１０^-4Ｐａ
でＷ₂Ｃ単一相が形成された。同温度，ヘプタン分圧１
３３×１０^-3Ｐａ以上ではＷＣとＷ₂Ｃの２つが混在し
た相が形成された。

【００３４】このようにして形成されたＷ₂Ｃ層は、炭
素の還元力により、酸化トリウムを効果的に還元する。
また、Ｗ₂Ｃ粒界が柱状をなすことから、微細な亀裂が
生じ、カソード内部のトリウム移動を容易にする。ある
いは、この亀裂により、カソード表面積が増加する。こ
のような現象が相俟って電子放出特性が向上する。

【００３５】前述のタングステンフィラメント４とカソ
ードペレット１とのろう接は、前述のように本発明者ら
の鋭意検討の結果、タングステンフィラメント４を炭化
させた炭化物層２ａと、カソードペレット１のタングス
テンとを共晶化させた、高融点金属炭化物と高融点金属
との共晶化物からなるろう材３により接合されている。
タングステンフィラメント４表面に形成される炭化タン
グステン層（炭化物層）２ａは、炭化処理により形成さ
れる場合は、タングステンフィラメント４の昇温度分布
にしたがってフィラメントの先端を中心に形成される
が、マスクを付けて局所的に形成してもよく、また炭化
処理によらなくても、炭化タングステン粉末をバインダ
ーと混ぜてカソードペレット１の裏面またはフィラメン
ト４表面のカソードペレット１との接触面に薄く塗布し
てもよい。図では炭化処理により形成する例であるが、
接合部近傍のみに形成されたように図示されている。

【００３６】炭化処理により形成する場合、炭化タング
ステン層２ａも、後工程のカソードペレットの炭化条件
の安定性の点から、また共晶温度の点からＷ₂Ｃ層であ
ることが好ましいが、このＷ₂Ｃ層の形成は、フィラメ
ント径の約２０％程度まで（実際のろう接はφ０.９ｍ
ｍのW線表面に１０〜２０μｍ(１〜２％相当)程度の厚
さでW₂Cを形成している）とする必要がある。これは、
それ以上の炭化を行うと、機械的強度を著しく低下させ
るからである。

【００３７】このようにＷ₂Ｃ層２ａとカソードペレッ
ト１のタングステンＷとを共晶化させて接合したとき
の、フィラメント４の温度に対するカソードペレット１
表面の温度の関係Ａを、フィラメント４とカソードペレ
ット１とを接触させただけの状態における同様の関係Ｂ
と対比して図２に示す。図２から、明らかなように、本
発明のろう接方法によれば、カソードペレット１の温度
を活性化に必要な２４００℃程度まで十分に上げること
ができ、またトリタン線による直熱式とほぼ同等の温度
特性を示し、接触のみの場合に比べて、非常に熱伝導も
良好であることが分る。また、このろう接した状態の写
真を図３に示す。図３から明らかにろう接部３は、フィ
ラメント４とカソードペレット１の両方に食い込んでお
り、完全に溶融状態になって固着されていることが分
る。なお、図３において、カソードペレット１およびフ
ィラメント４に白黒のまだらな部分があるが、撮影時の
陰影が現れているものである。また、フィラメント４の
表面に灰色に見える部分がＷ₂Ｃ層２ａであり、カソー
ドペレット１の表面に灰色に見える部分がろう接後の炭
化処理により形成されたＷ₂Ｃ層２ｂをそれぞれ示して
いる。

【００３８】前述の例では、カソードペレットとして、
トリウム入りタングステンを用いた例であるが、この例
に限られず、多孔質体に電子放出材を充填する多孔質体
カソードペレットでもよい。また、高融点金属として
は、モリブデンなどでもよく、さらに、電子放出材とし
ても、酸化トリウムに代えて、酸化ハフニウム、酸化ジ
ルコニウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化イット
リウムなどを用いることもできる。

【００３９】本発明によれば、タングステンなどの高融
点金属の炭化物と、高融点金属との共晶化物をろう材と
しているため溶融温度が非常に高く、ろう接後は少なく
とも２５００℃以下で再溶融することは無い。しかも、
高温動作用のカソードペレットなどは最大でも２４００
℃を超える温度で動作させることはないので、確実にろ
う接することができる。また、本発明によるカソードに
よれば、カソードペレットをフィラメントなどに直接ろ
う接する構造で形成されているため、カソードペレット
は電子放出に必要な部分のみに形成することができる。
そのため、酸化トリウム、酸化ハフニウムなどの貴重な
金属元素を不必要に多く使用する必要がなく、製造コス
トを大幅にダウンさせることができると共に、電子放出
材を含有させた後に折曲げなどの加工をする必要がない
ため、所望の形状のカソードペレットを作製することが
でき、所望の電子ビームを得ることができる。

【００４０】図１に示されるカソードの製造方法を図４
のフローチャートを参照しながら説明する。まず、カソ
ードペレット１をタングステンフィラメント４の先端に
仮固定する（Ｓ１）。この仮固定は、たとえばタングス
テン線あるいはタンタルリボン１５で結わえることによ
り行う。

【００４１】つぎに、カソードペレット１が仮固定され
たタングステンフィラメント４を図５に示されるよう
に、炭化炉１０に装着する。そして、ロータリポンプ９
およびターボ分子ポンプ８を作動させ、炭化炉１０の真
空度を一旦１３３×１０^-7Ｐａ以下まで引き、酸素の背
景分圧を下げる（Ｓ２）。図５で、７が真空計である。
その後、炭化水素ガス、たとえばヘプタン（Ｃ₇Ｈ₁₆）
６の蒸気を１３３×５×１０^-4Ｐａになるように導入
し、フィラメント４の温度を２２００℃程度に昇温す
る。すると、フィラメント４の表面に炭化タングステン
層２ａが形成され、約３分程度保持すると、カソードペ
レット１との溶接に必要な１０〜２０μｍ程度の膜厚の
Ｗ₂Ｃ層２ａが得られる（Ｓ３）。この際、カソードペ
レット１は、フィラメント４とはまだ接合されていない
ため、フィラメント４からの熱伝導は充分ではなく、１
７００℃程度までしか温度が上昇しないため、殆ど炭化
されない。

【００４２】この後、ヘプタンの圧力はそのまま維持し
て、フィラメント４の温度を２５００〜２７００℃程度
に昇温すると、フィラメント４表面の炭化タングステン
層２ａとカソードペレット１のタングステンとが共晶化
し溶融する（Ｓ４）。この溶融により、カソードペレッ
ト１の温度もフィラメントの温度（２５００〜２７００
℃）に近づくので、カソードペレット１が劣化しない温
度、たとえば２４００℃程度以下にカソードペレットの
温度が保持される様に、フィラメント温度を直ちに下げ
ることが重要である。

【００４３】以上で、カソードペレット１をフィラメン
ト４にろう接する作業は終了するが、前述のように、電
子放出特性および耐イオン衝撃性を改善させるため、カ
ソード１表面にＷ₂Ｃ層２ｂを形成する場合、引き続
き、前述のフィラメントの炭化条件と同様の条件によ
り、カソードペレット１の温度を２２００℃にし、３分
程度保持することにより、カソードペレット１の表面を
炭化する（Ｓ５）。この際、ＷＣではなく、Ｗ₂Ｃが形
成されるように、特に温度とヘプタン分圧に注意する。
このように、カソード表面にＷ₂Ｃ層２ｂを形成する場
合でも、同一工程で、カソードペレット１の温度を２２
００℃程度に保持するだけで、Ｗ₂Ｃ層２ｂを形成する
ことができ、非常に簡単に形成することができる。

【００４４】この状態でも、ろう接部の再溶融温度は２
５００℃超であるため、カソード使用上全然問題ない
が、さらにろう接部を高温まで溶融しないようにするに
は、ろう接部の炭素を脱炭することにより、ろう接部の
炭化物を完全な高融点金属のみとすればよく、この際、
ろう接部の溶融温度をさらに５００℃程度高くすること
ができる。この脱炭処理を行うには、水素雰囲気中、１
３００℃以上で処理することにより行うことができる。

【００４５】この製造方法によれば、タングステンフィ
ラメントを炭化処理することにより炭化物層を形成し、
その炭化物層と、カソードペレットなどの高融点金属と
を共晶化させているため、炭化物層の厚さは、雰囲気温
度、ヘプタン分圧、炭化時間により一義的に定まり、非
常に安定な状態で溶融することができると共に、前述の
ように、カソード電子放出面にＷ₂Ｃが形成されること
により、非常に電子放出特性が向上することから、Ｗ₂
Ｃ層をカソード電子放出面に形成する場合、そのろう接
工程に続けて連続的に形成することができるため、工数
的にも非常に容易に形成することができる。

【００４６】さらに、フィラメントとろう接する場合、
前述のように、フィラメントの温度を上昇させることに
よりろう接することにより、ろう接されるまではカソー
ドペレットの温度は余り上昇せず、ろう接された瞬間
に、フィラメントの印加電圧を切り、温度を下げればよ
いため、カソードペレット内に含有される電子放出材を
過度な高温に晒す必要がなく、この電子放出材を損傷す
ることなくろう接することができる。

【００４７】前述の例では、炭化炉で炭化しながらろう
接する方法であったが、雰囲気が真空の場合に限定され
ているときは、真空中でろう接することもできる。この
場合、予めタングステンフィラメント４だけに炭化処理
をしたり、または炭化タングステン粉末をバインダーと
混ぜ合わせてカソードペレット１の裏面またはタングス
テンフィラメントのろう接部に塗布しておき、真空中で
フィラメント４の温度を前述と同様に２５００〜２７０
０℃にまで一機に昇温することでろう接することもでき
る。この場合も、前述と同様に、カソードペレット１の
温度が２４００℃を超えないように注意する必要があ
る。この真空中の２４００℃は、たとえばトリタンカソ
ードでは活性化として数秒間経験させることが一般的な
工程であり、特性劣化の問題にはならない。

【００４８】図６は、本発明によるカソードの他の実施
形態を示す図１と同様の説明図である。この例は、カソ
ードペレット１１が、酸化トリウムが空隙部に充填され
た多孔質タングステンからなっており、その電子放出面
側に、一旦溶融してから固化したバルク状Ｗ₂Ｃ層１２
が形成されていることに特徴がある。他の構造は前述の
図１に示される例と同じで、同じ部分には同じ符号を付
してその説明を省略する。

【００４９】バルク状Ｗ₂Ｃ層１２を形成するには、た
とえば酸化トリウムなどの電子放出材が充填された多孔
質体のカソードペレット１１の電子放出面側にタングス
テン片を接触させ、前述の方法と同様に、タングステン
片に通電して炭化させ、その表面に炭化層を形成し、さ
らに温度を上昇させてカソードペレット１１のタングス
テンとを共晶化させることにより、溶融状態とした後
に、タングステン片の通電をオフにし、温度を下げて固
化させることにより形成することができる。なお、固化
した後に、その表面を研磨することにより、表面が平坦
なバルク状Ｗ₂Ｃ層１２が得られる。この断面図を図７
に示す。カソードペレット１１はタングステン粉末が焼
結された多孔質体で、白く見える部分はタングステン粉
末であり、黒く見えるところがタングステン粉末の隙間
に充填された酸化トリウムである。

【００５０】バルク状Ｗ₂Ｃ層１２は、カソードペレッ
ト１１のタングステン粉末以外の酸化トリウム上にも形
成されているため、見た目では隙間なく覆われている。
しかし、このＷ₂Ｃ層１２は、前述のように、柱状結晶
であるため、縦方向には隙間が形成されており、電子放
出材の酸化トリウムはその隙間を通って電子放出面に染
み出し、電子放出に寄与する。

【００５１】この構造にすることにより、多孔質体の隙
間に電子放出材が充填されているため、最大で５０重量
％程度含有させることができ、しかもその電子放出面は
バルク状Ｗ₂Ｃ層により被覆されているため、電子放出
特性の向上にも寄与すると共に、電子衝撃などによる電
子放出材の消耗もなく、非常に長寿命化を図ることがで
きる。また、第１の実施形態の発明により、フィラメン
トなどに容易にろう接することができるため、小さなカ
ソードペレットにより非常に高特性のカソードが得られ
る。

【００５２】つぎに、このカソードの製造方法を図８の
フローチャートを参照しながら説明する。まず、電子放
出材が充填された多孔質体からなるカソードペレット１
１の電子放出面に、たとえば厚さが０.３ｍｍ程度のタ
ングステン片１３を接触させる（Ｓ１１）。

【００５３】つぎに、図９に示されるように、炭化炉１
０に入れ、ロータリポンプ９およびターボ分子ポンプ８
を作動させ、一旦真空度を１３３×１０^-7Ｐａ以下まで
引き、酸素の背景分圧を下げておく。図８および９で、
７が真空計、１６はカソードペレット１１を保持する支
持棒である。その後、炭化水素ガス、たとえばヘプタン
（Ｃ₇Ｈ₁₆）６の蒸気を１３３×５×１０^-4Ｐａになる
ように導入し、タングステン片１３に通電することによ
り２２００℃程度に昇温する。すると、タングステン片
１３の表面に炭化タングステン層２ａが形成され、約５
分程度保持すると、２０μｍ程度以上の膜厚のＷ₂Ｃ層
２ａが得られる（Ｓ１３）。この際、カソードペレット
１は、タングステン片１３とはまだ接合されていないた
め、タングステン片１３からの熱伝導は充分ではなく、
１７００℃程度までしか温度が上昇しないため、殆ど炭
化されない。

【００５４】この後、タングステン片１３の温度を２５
００〜２７００℃に昇温すると、カソードペレット１１
の表面とタングステン片１３との接触部分が溶融し、溶
融後直ちに通電を止め冷却すると固化し、バルク状Ｗ₂
Ｃ層１２がカソードペレット１１の表面に形成される
（Ｓ１４）。この後、表面を研磨して整形することによ
りタングステン片１３の部分は除去され、表面にバルク
状Ｗ₂Ｃ層１２が形成されたカソードペレット１１が得
られる（Ｓ１５）。ついで、前述と同様にタングステン
フィラメント４にカソードペレット１１をろう接する
（Ｓ１６）ことにより、電子放出材が充填された多孔質
体からなるカソードペレット１１の表面にＷ ₂Ｃ層１２
が形成されたカソードが得られる。さらに、アニールを
すると、Ｗ₂Ｃの粒界が顕著に現れるため、好ましい
（Ｓ１７）。

【００５５】なお、上記の各例では、炭化タングステン
とタングステンとを共晶化させて溶融したが、炭化タン
グステンと炭化タンタルまたはタンタルとを接触させて
温度を上昇しても溶融させることができる。また、カソ
ードペレットの形状も、円柱形状に限らず、錐状など種
々の形状にできることはいうまでもない。

【００５６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、高融点
金属の炭化物と高融点金属とを共晶化させることにより
ろう接しているため、２５００℃程度で溶融するろう材
を得ることができる。その結果、電子放出材を劣化させ
ることなく、高温動作用カソードのカソードペレットで
も、ろう接することができる。しかも、炭素は、酸化ト
リウムや酸化ハフニウムなどの電子放出材の還元を促進
し、電子放出特性の向上に寄与するため、カソードのろ
う接にはとくに優れている。また、カソードペレットと
して用いられることにより、高温動作用カソードの電子
放出材として用いられる酸化トリウムや酸化ハフニウム
などのトリウムやハフニウムなどの貴重な元素を電子放
出に必要な部分のみに用いることができ、その使用量を
大幅に削減することができると共に、特殊な電子ビーム
形状も容易に得ることができる。

【００５７】さらに、多孔質体からなるカソード表面に
バルク状Ｗ₂Ｃ層が設けられることにより、電子放出材
を透過させながら表面を被覆して保護することができる
ため、電子放出材を大量に含有しながらその蒸発を抑制
することができ、非常に長寿命のカソードを得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるカソードの一実施形態の構成説明
図である。

【図２】図１に示される構造のカソードのフィラメント
温度とカソードペレット温度との関係を示す図である。

【図３】図１に示される構造のカソードのろう接部の断
面を示す写真である。

【図４】図１に示される構造のカソードを製造する工程
図である。

【図５】図４の炭化処理工程を行う装置の概略説明図で
ある。

【図６】本発明によるカソードの他の実施形態を示す構
成説明図である。

【図７】図６に示されるカソードのカソードペレット表
面とバルク状Ｗ₂Ｃ層部分の断面図である。

【図８】図６に示されるカソードの製造工程を示す図で
ある。

【図９】図６に示される炭化処理工程を行う装置の概略
説明図である。

【図１０】従来の電子管および放電管に用いるトリタン
カソードの一例を示す図である。

【符号の説明】

１カソードペレット２ａ炭化物層２ｂＷ₂Ｃ層４タングステンフィラメント１１多孔質体ペレット１２バルク状Ｗ₂Ｃ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｊ 1/15 Ｈ０１Ｊ 1/15 Ｆ 9/04 9/04 Ｊ // Ｂ２３Ｋ 103:08 Ｂ２３Ｋ 103:08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高融点金属をろう接する高融点ろう材で
あって、該高融点金属と高融点金属の炭化物との共晶物
をろう材とする高融点ろう材。
【請求項２】高融点金属と高融点金属をろう接する方
法であって、前記高融点金属の少なくとも一方のろう接
部表面に、該高融点金属の炭化物層を形成し、該炭化物
層と前記高融点金属とを共晶化させることにより前記高
融点金属をろう接するろう接方法。
【請求項３】前記共晶化させた後に、共晶化物から炭
素を脱炭させることを特徴とする請求項２記載のろう接
方法。
【請求項４】タングステンフィラメントと、該タング
ステンフィラメントの一部に接合され、電子放出材を含
有する高融点金属材料からなるカソードペレットとを具
備し、前記接合部が、炭化タングステンと前記高融点金
属材料との共晶物によりろう接されてなるカソード。
【請求項５】前記炭化タングステンが、前記タングス
テンフィラメントの炭化処理により形成されるＷ₂Ｃか
らなり、前記カソードペレットの電子放出面にもＷ₂Ｃ
層が形成されてなる請求項４記載のカソード。
【請求項６】前記カソードペレットが多孔質高融点金
属に電子放出材が含有された多孔質体からなり、該カソ
ードペレットの電子放出面に溶融固化されたＷ₂Ｃ層が
形成されてなる請求項４記載のカソード。
【請求項７】多孔質高融点金属からなる多孔質体と、
該多孔質体内に含有される電子放出材と、該電子放出材
が含有された多孔質体の電子放出面に設けられる溶融固
化されたＷ₂Ｃ層とからなるカソード。