JP2015198034A - Cathode member for electron beam generation and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電子ビーム生成用カソード部材およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an electron beam generating cathode member and a method for manufacturing the same.
電子ビーム生成用カソード(陰極)部材には、従来から電流密度を増大させることとともに、その寿命を長寿命化することが求められてきた。 Conventionally, an electron beam generating cathode (cathode) member has been required to increase the current density and extend its life.
非特許文献1に示されるように、大電流を取り出す熱陰極方式では、昔からタングステン(W)やタンタル(Ta)などが使用されてきており、最近では、6硼化ランタン(LaB6)などが用いられるようになった。LaB6は、タングステン等に比べて、陰極温度が低くとも大きな電流密度が得られ、さらに同一電流密度では、使用時の蒸発ロス速度が1/100ほどとなり、長寿命化できることが知られている。さらに、Ir−Ce系合金を用いると、同一電流密度を出力する場合の陰極材の蒸発ロス速度が、LaB6陰極のさらに1/100〜1/1000となり、著しく長寿命化が可能になるとの報告がされている。 As shown in Non-Patent Document 1, tungsten (W), tantalum (Ta), and the like have been used for a long time in the hot cathode method for extracting a large current, and recently, lanthanum hexaboride (LaB 6 ) and the like. Came to be used. LaB 6 is known to have a large current density even at a lower cathode temperature than tungsten or the like, and at the same current density, the evaporation loss rate during use is about 1/100 and can be extended. . Furthermore, when an Ir—Ce-based alloy is used, the evaporation loss rate of the cathode material when outputting the same current density is further 1/100 to 1/1000 of the LaB 6 cathode, and it is possible to significantly extend the life. It has been reported.
イリジウム−セリウム(Ir−Ce)系陰極材の成分組成としては、IrにCeなどの希土類元素含有量を5〜30質量%ほど添加した合金が、陰極材として有効であり、特にIr5Ce化合物組成近傍が優れているとの報告がなされている(特許文献1〜3など参照)。 As a component composition of an iridium-cerium (Ir—Ce) -based cathode material, an alloy in which a rare earth element content such as Ce is added to Ir in an amount of about 5 to 30% by mass is effective as a cathode material, and particularly an Ir 5 Ce compound. It has been reported that the vicinity of the composition is excellent (see Patent Documents 1 to 3, etc.).
また、最近では、高エネルギー研究機構において、加速器用の陰極(カソード)部材として、Ir5Ce化合物合金を用い、優れた特性が得られるとの報告が出ている(非特許文献2)。 Recently, a high energy research organization has reported that excellent characteristics can be obtained by using an Ir 5 Ce compound alloy as a cathode member for an accelerator (Non-patent Document 2).
さらに、1969年に刊行された非特許文献3において、Ir−Ce系材料の仕事関数は2.57eV(1300K)であり、同時にIr−La,Ir−Pr,Ir−Nd,Ir−Smなどもほぼ同等との値を示すことが報告されており、これら化合物が有効な陰極となることが予想される。なお、Ir−Ce系陰極材の中では、同一電流密度での蒸発ロス速度は、希土類元素として、Ce,La,Prを比較すると、IrCe合金において、特に蒸発ロス速度が小さくなり、良好であったことが、非特許文献1で報告されており、カソード部材の中心となる化合物はIr−Ce系になると考えられる。 Furthermore, in Non-Patent Document 3 published in 1969, the work function of Ir—Ce-based material is 2.57 eV (1300 K), and at the same time, Ir—La, Ir—Pr, Ir—Nd, Ir—Sm, etc. It is reported that the values are almost equivalent, and these compounds are expected to be effective cathodes. Among Ir-Ce-based cathode materials, the evaporation loss rate at the same current density is good when the rare earth elements are Ce, La, and Pr, and the evaporation loss rate is particularly small in the IrCe alloy. It has been reported in Non-Patent Document 1, and it is considered that the compound that becomes the center of the cathode member is an Ir—Ce system.
次に、Ir−Ce系化合物合金陰極(カソード)の製造方法としては、以下のような方法が報告されている。 Next, as a method for producing an Ir—Ce compound alloy cathode (cathode), the following method has been reported.
まず、Irは貴金属系の高融点金属(融点2443℃)であり、蒸気圧は低く溶解時の蒸発ロスが少ないのに対して、Ceは希土類元素であり、活性な金属であり、低融点(融点798℃)で、Irに比べて蒸気圧が高いことから、溶解時の蒸発ロスが顕著になる傾向がある。そのため、溶解法としては、不活性ガス雰囲気下でのアーク溶解法が採用されている。アーク溶解法により、多数回の繰り返し溶解を行うことで、ほぼ成分の均一な合金を溶製する事が可能となることが報告されている(特許文献1)。なお、アーク溶解−凝固法で得られる組織は、多結晶体となる。 First, Ir is a noble metal-based high melting point metal (melting point 2443 ° C.), and vapor pressure is low and evaporation loss at the time of melting is low, whereas Ce is a rare earth element, an active metal, and has a low melting point ( Since the vapor pressure is higher than Ir at a melting point of 798 ° C., the evaporation loss at the time of dissolution tends to be remarkable. Therefore, as the melting method, an arc melting method in an inert gas atmosphere is employed. It has been reported that an alloy having almost uniform components can be melted by repeatedly melting many times by the arc melting method (Patent Document 1). Note that the structure obtained by the arc melting-solidification method is a polycrystal.
凝固時の欠陥発生の問題を解決するため、特許文献1では、Ir−Ce合金(Ce濃度範囲:5〜15重量%)の製造法として、粉末Irと粉末Ceとを原料として、メカニカルアロイング(MA)法により、Ir−Ce合金化して、これを真空下で1300〜1800℃において焼結して、焼結固化体を作製している。この方法により作製された陰極材は、通常のアーク溶解法により作製された陰極材より、同一温度での電流密度を、1.4〜2倍ほど向上できたとの報告がでている。これは、インゴット法における材料に比べて、より微細な結晶組織が得られる効果によるものと推定される。 In order to solve the problem of defect generation at the time of solidification, in Patent Document 1, as a method for producing an Ir—Ce alloy (Ce concentration range: 5 to 15 wt%), mechanical alloying is performed using powder Ir and powder Ce as raw materials. The (MA) method is used to form an Ir—Ce alloy, which is sintered at 1300 to 1800 ° C. under vacuum to produce a sintered solidified body. It has been reported that the cathode material produced by this method has improved the current density at the same temperature by about 1.4 to 2 times that of the cathode material produced by the ordinary arc melting method. This is presumed to be due to the effect of obtaining a finer crystal structure than the material in the ingot method.
しかしながら、上述した先行技術にはそれぞれ以下の問題があると考えられる。 However, it is considered that the prior art described above has the following problems.
本発明者らの研究により、特許文献や非特許文献で示されるアーク溶解法により、Ir5Ce化合物組成(12.7重量%)以上のCe濃度であるIr−Ce化合物結晶を溶製すると、凝固させたインゴットに割れ等の欠陥が入りやすくなることが判明した。これは、結晶相がほとんど全て金属間化合物相になるためと考えられる。 According to the study of the present inventors, by melting an Ir—Ce compound crystal having a Ce concentration equal to or higher than the Ir 5 Ce compound composition (12.7% by weight) by an arc melting method shown in a patent document or a non-patent document, It has been found that defects such as cracks are likely to enter the solidified ingot. This is presumably because the crystal phase is almost entirely an intermetallic compound phase.
よって、単純に、割れ発生の少ないインゴットを製作するという観点からは、Ce濃度を12.7重量%以下として、Ir5Ce結晶相と共に純Ir結晶相が共存する組成とする事が望ましいこととなる。 Therefore, from the viewpoint of simply producing an ingot with less cracking, it is desirable that the Ce concentration is 12.7% by weight or less, and that the composition is such that the pure Ir crystal phase coexists with the Ir 5 Ce crystal phase. Become.
しかしながら、一方で、電子ビーム用陰極(カソード)部材としての特性向上には、仕事関数が低いCe元素の濃度は高い方が望ましいとも考えられることから、Ce濃度が12.7重量%以上のIr−Ce系合金陰極材でも、安定して製作できる技術の確立が不可欠となる。 However, on the other hand, in order to improve the characteristics as an electron beam cathode (cathode) member, it is considered that a high concentration of Ce element having a low work function is desirable. Therefore, an Ir having a Ce concentration of 12.7% by weight or more is considered. It is essential to establish a technology that can be stably manufactured even with a Ce-based alloy cathode material.
また、実際に、溶解凝固させたインゴットから、カソード部材の形状に機械加工を行ってみると、加工時に端部に割れや欠け等が発生したり、微小な穴欠陥が発生したりすることがわかった。これは、一般的には、凝固インゴットの場合は、凝固時に不可避的に発生する引け巣欠陥やガスブローホール欠陥などが存在するためと考えられる。また、凝固インゴットの場合は、結晶粒が大きくなりやすく、粗大な凝固組織となり、機械加工時に割れや欠け等が発生しやすいという問題がある。 In addition, when machining is actually performed on the shape of the cathode member from the melted and solidified ingot, cracks or chips may occur at the end during processing, or minute hole defects may occur. all right. This is presumably because, in the case of a solidified ingot, there are shrinkage defect, gas blowhole defect and the like that inevitably occur during solidification. Further, in the case of a solidified ingot, there is a problem that crystal grains tend to be large and a coarse solidified structure is formed, and cracks and chips are likely to occur during machining.
本発明者らが、Ir−14重量%Ceという組成の化合物結晶インゴット(500gほど)を従来法の溶解凝固にて製作し、その凝固組織を観察すると、図1(写真1)に示すように、結晶粒の大きさは2000μm以上もあり、その結晶粒内にデンドライト状の凝固組織となって紐状に成長した結晶は、長手方向に2000μm以上に成長した粗大な凝固組織となることが判明した。また、デンドライト状に成長した結晶間の粒界に沿って500μm以上の割れが発生しており、さらに紐状結晶の内部を横断するような長さ100μm前後の細かな割れも発生していることが確認された。 When the present inventors manufactured a compound crystal ingot (about 500 g) having a composition of Ir-14 wt% Ce by dissolution and solidification according to a conventional method and observed the solidified structure, as shown in FIG. 1 (Photo 1). The crystal grain size is 2000 μm or more, and it turns out that the crystals grown in the shape of a dendrite-like solidified structure in the crystal grains become a coarse solidified structure grown to 2000 μm or more in the longitudinal direction. did. In addition, cracks of 500 μm or more have occurred along the grain boundaries between crystals grown in a dendrite shape, and fine cracks with a length of about 100 μm that cross the inside of the string crystals have also occurred. Was confirmed.
このため、Ir−Ce合金インゴット材を原料素材としてカソード部材の機械加工を行うと、加工時に結晶粒界やミクロな割れ部を起点として、割れや欠けが発生し、特にひずみの大きくなる円柱状カソードのコーナー部などにおいて、欠けや大きな割れの発生につながると考えられる。インゴット内の比較的に健全な領域から加工すれば、健全なカソード部材が得られる可能性はあるが、安定してカソード部材を製作するのは、インゴットを原料素材とするのは困難であることがわかった。 For this reason, when the cathode member is machined using an Ir—Ce alloy ingot material as a raw material, cracks and chips are generated starting from crystal grain boundaries and micro cracks during processing, and the columnar shape in which strain becomes particularly large This is thought to lead to chipping and large cracks at the corners of the cathode. There is a possibility that a healthy cathode member can be obtained if it is processed from a relatively healthy area in the ingot, but it is difficult to make the cathode member stably as a raw material. I understood.
次に、結晶粒を微細化してカソード部材を作製している上記特許文献1の方法は、インゴットから作製する方式に比べて優れた方法であると思われる。しかしながら、メカニカルアロイング(MA)法では、原料の純Irと純Ceとが完全に化合物化できていない可能性が残る。そのため、もし低融点(融点1180℃以下)のIr−Ce化合物(IrCe4,IrCe3,Ir3Ce7,Ir3Ce5,Ir4Ce5等)が残留していると、カソードとして使用する際に一部が溶融して形状が変形すること、さらにはCeが蒸発ロスしやすくなり、カソード寿命が短くなること、などの問題が予想される。また、MA法で活性金属を処理すると、長時間のMA時にCe等の活性金属の表面酸化が進行するという懸念もある。 Next, it is considered that the method of Patent Document 1 in which the cathode member is manufactured by refining crystal grains is superior to the method of manufacturing from an ingot. However, in the mechanical alloying (MA) method, there remains a possibility that pure Ir and pure Ce as raw materials cannot be completely compounded. Therefore, if an Ir—Ce compound (IrCe 4 , IrCe 3 , Ir 3 Ce 7 , Ir 3 Ce 5 , Ir 4 Ce 5, etc.) having a low melting point (melting point 1180 ° C. or lower) remains, it is used as a cathode. At this time, a part of the material is melted and its shape is deformed. Further, Ce is liable to be evaporated and the life of the cathode is shortened. Further, when the active metal is treated by the MA method, there is a concern that the surface oxidation of the active metal such as Ce proceeds during MA for a long time.
次に、電子ビーム生成用カソード部材の製造方法について、非特許文献1や特許文献1などの先行技術におけるカソード部材用材料合金の溶解法としては、アーク溶解法が報告されている。上述したような高融点合金の溶解では、一般的には、耐火物るつぼの適用が困難となることから、水冷銅るつぼを用いて、不活性ガス雰囲気下でのアーク熱により溶解が行われることになる。ただ、水冷銅るつぼを用いる場合、その表面温度は、水蒸気爆発などのような重大な事故発生を防ぐため、すなわち銅るつぼ材の溶損を防ぐため、十分な水冷を行って、銅るつぼ温度が200℃を大きく超えないようにする必要のあることが知られている。 Next, as a method for manufacturing a cathode member for generating an electron beam, an arc melting method has been reported as a melting method for a cathode member material alloy in the prior art such as Non-Patent Document 1 and Patent Document 1. In the melting of refractory alloys as described above, it is generally difficult to apply a refractory crucible, so that melting is performed by arc heat in an inert gas atmosphere using a water-cooled copper crucible. become. However, when using a water-cooled copper crucible, the surface temperature should be sufficient to cool the copper crucible to prevent serious accidents such as steam explosions, that is, to prevent the copper crucible from melting. It is known that it is necessary not to greatly exceed 200 ° C.
一方、アーク溶解におけるアーク柱(フレーム)の温度は、5000℃〜10000℃にも達すると言われており、アーク柱からの伝熱などにより溶解原料が溶解されて、アーク柱付近には溶湯プールが形成されることとなる。形成された溶湯は、下方に流れ落ちて水冷銅るつぼ表面と接触し、その溶湯は直ちに凝固して水冷銅るつぼに隣接し、凝固層が形成されることとなる。従って、溶湯プールは、そのような凝固相の上部のアーク柱の直下部においてのみで形成されるような溶解状況となる。このため、高融点を有する合金になればなるほど、凝固層が厚くなり、逆に溶湯プールは小さくなっていくことになる。以上のことから、アーク溶解法を用いると、融点が著しく高くなるIr3Ce(融点2100℃)やIr2Ce(融点2250℃)などの合金化合物では、十分な容積を有する溶湯プールの形成が困難となり、初期装入原料の成分均一化が難しくなるという問題が発生すると考えられる。 On the other hand, the temperature of the arc column (frame) in arc melting is said to reach 5000 ° C. to 10000 ° C., and the melting raw material is melted by heat transfer from the arc column, and there is a molten pool near the arc column. Will be formed. The formed molten metal flows downward and comes into contact with the surface of the water-cooled copper crucible, and the molten metal immediately solidifies and is adjacent to the water-cooled copper crucible, so that a solidified layer is formed. Therefore, the molten metal pool is in such a melting state that it is formed only directly below the arc column above the solidified phase. For this reason, the higher the melting point, the thicker the solidified layer, and the smaller the molten pool. From the above, when using the arc melting method, an alloy compound such as Ir 3 Ce (melting point 2100 ° C.) or Ir 2 Ce (melting point 2250 ° C.) whose melting point is remarkably increased can form a molten pool having a sufficient volume. It becomes difficult, and it is thought that the problem that it becomes difficult to equalize the components of the initial charging raw material occurs.
また、Irと化合物化される前の原料段階での金属Ceの状態では、非常に蒸気圧が高いこともあり、高温のアーク柱によりCe原料がIrと合金化する前に蒸発により失われて、目標とする合金組成から外れやすくなる問題も発生する。 Further, in the state of the metal Ce in the raw material stage before being compounded with Ir, the vapor pressure may be very high, and the Ce raw material is lost by evaporation before being alloyed with Ir by a high-temperature arc column. There is also a problem that the alloy composition tends to deviate from the target alloy composition.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、電子ビーム生成用カソード部材の成分組成上の均質性を維持しつつ、割れや欠けなどの欠陥の発生を抑制したカソード部材並びにその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and maintains a homogeneity in the component composition of the cathode member for generating an electron beam, while suppressing the occurrence of defects such as cracks and chips, and the production thereof. It aims to provide a method.
前記課題を解決するために、本発明者は鋭意検討を重ね、下記構成によって上記課題が解決できることを見出した。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has intensively studied and found that the above problems can be solved by the following configuration.
すなわち、本発明の一局面に係る電子ビーム生成用カソード部材は、
セリウムを30重量%以下で含み、かつ残部がイリジウムであり、
前記カソード部材を構成する結晶粒の最長長さが500μm以下であり、
前記結晶粒が、Ir2Ce結晶相、Ir3Ce結晶相、Ir7Ce2結晶相およびIr5Ce結晶相から選択される少なくとも1種類以上の結晶相で構成されることを特徴とする。
That is, the cathode member for generating an electron beam according to one aspect of the present invention,
Containing cerium at 30% by weight or less and the balance being iridium;
The longest length of the crystal grains constituting the cathode member is 500 μm or less,
The crystal grains are composed of at least one crystal phase selected from an Ir 2 Ce crystal phase, an Ir 3 Ce crystal phase, an Ir 7 Ce 2 crystal phase, and an Ir 5 Ce crystal phase.
上記電子ビーム生成用カソード部材において、さらに、結晶粒の最長長さが500μm以下の純イリジウム結晶相を含むことが好ましい。 The electron beam generating cathode member preferably further includes a pure iridium crystal phase having a maximum crystal grain length of 500 μm or less.
また、本発明は、上記電子ビーム生成用カソード部材を製造する方法であって、
イリジウム−セリウム原材料を、水冷銅容器を溶解用るつぼとして使用する溶解方式を用いて、不活性化ガス雰囲気下で溶融混合して凝固させた後、粉砕して最長長さが500μm以下である粉体を作製する工程、
得られた粉体を、温度800℃以上1500℃以下、かつ圧力10MPa以上の高温高圧条件下で成型する工程、並びに
得られた成型体を機械加工する工程、を含む電子ビーム生成用カソード部材の製造方法をも包含する。
Further, the present invention is a method for producing the electron beam generating cathode member,
Powder that has a maximum length of 500 μm or less after iridium-cerium raw material is melt-mixed and solidified in an inert gas atmosphere using a melting method using a water-cooled copper container as a melting crucible Producing a body,
An electron beam generating cathode member comprising a step of molding the obtained powder under a high temperature and high pressure condition of a temperature of 800 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower and a pressure of 10 MPa or higher, and a step of machining the obtained molded body. A manufacturing method is also included.
また、上記電子ビーム生成用カソード部材の製造方法において、Ir2Ce結晶相、Ir3Ce結晶相、Ir7Ce2結晶相およびIr5Ce結晶相から選択される少なくとも1種類以上の結晶相を晶出させる成分組成に調整したイリジウム−セリウム原材料を用いることが好ましい。 In the method for producing an electron beam generating cathode member, at least one crystal phase selected from an Ir 2 Ce crystal phase, an Ir 3 Ce crystal phase, an Ir 7 Ce 2 crystal phase, and an Ir 5 Ce crystal phase is used. It is preferable to use an iridium-cerium raw material adjusted to the component composition to be crystallized.
上記電子ビーム生成用カソード部材の製造方法において、粉砕工程後、さらに必要に応じて純イリジウム結晶微粉を添加し、その後、成型工程を行うことがより好ましい。 In the above method for producing an electron beam generating cathode member, it is more preferable that after the pulverization step, pure iridium crystal fine powder is added as necessary, and then the molding step is performed.
本発明によれば、電子ビーム生成用カソードの成分組成上の均質性を維持しつつ、割れや欠けなどの欠陥の少なく、高電流密度を有するカソード部材並びにその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the cathode member which has few defects, such as a crack and a chip, and has a high current density, and its manufacturing method can be provided, maintaining the uniformity in the component composition of the cathode for electron beam generation.
〔電子ビーム生成用カソード部材〕
以下、本発明に係る電子ビーム生成用カソード部材の実施形態について具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。
[Cathode material for electron beam generation]
Hereinafter, embodiments of the electron beam generating cathode member according to the present invention will be specifically described, but the present invention is not limited thereto.
本実施形態に係る電子ビーム生成用カソード部材(以下、単に、カソード部材ともいう)は、セリウムを30重量%以下で含み、かつ残部がイリジウムであり、前記カソード部材を構成する結晶粒の最長長さが500μm以下であり、前記結晶粒が、Ir2Ce結晶相、Ir3Ce結晶相、Ir7Ce2結晶相およびIr5Ce結晶相から選択される少なくとも1種類以上の結晶相で構成されることを特徴とする。 The cathode member for generating an electron beam according to the present embodiment (hereinafter, also simply referred to as a cathode member) contains cerium in an amount of 30% by weight or less and the balance is iridium, and the longest length of crystal grains constituting the cathode member The crystal grains are composed of at least one crystal phase selected from an Ir 2 Ce crystal phase, an Ir 3 Ce crystal phase, an Ir 7 Ce 2 crystal phase, and an Ir 5 Ce crystal phase. It is characterized by that.
このような構成により、高電流密度かつ長寿命の電子ビーム生成用カソード部材を得ることができる。 With such a configuration, a cathode member for generating an electron beam having a high current density and a long lifetime can be obtained.
本実施形態では、セリウムを30重量%以下で含み、かつ残部がイリジウムであるIr−Ce系合金をカソード部材として用いているが、この合金は、従来の電子ビーム生成用カソード原料として使用されていたLaB6材に比べて、電流密度が大きくなり、蒸発ロスが少ない事から、長寿命化できることが期待される。 In this embodiment, an Ir—Ce alloy containing cerium in an amount of 30% by weight or less and the balance being iridium is used as a cathode member, but this alloy is used as a conventional cathode material for generating an electron beam. Compared with LaB 6 material, the current density is large and the evaporation loss is small, so that it is expected that the life can be extended.
セリウム(Ce)については、一部をその他の希土類元素(Y,La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luなど)に置き換えることも可能である。 About cerium (Ce), it is possible to replace a part with other rare earth elements (Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, etc.). is there.
残部となるイリジウム(Ir)は、酸化されにくい貴金属系元素であり、高融点(融点2443℃)な元素であることから、陰極材を高温にして熱電子放出させる際に、高融点材料と組み合わせればより高温にしやすく、電流密度を大きく取りやすくする効果があると考えられる。従って、Irよりさらに高融点な貴金属系合金をベース金属とすることが有望とも考えられ、候補元素としては、オスミウム(Os:融点3027℃)、レニウム(Re:融点3160℃)等が挙げられ得る。ただ、現状ではOs−希土類元素系、あるいはRe−希土類元素系等では、状態図さえも揃っておらず、それらの元素単体で十分には活用できる状況にはないと考えられる。 The remaining iridium (Ir) is a noble metal element that is difficult to oxidize and is a high melting point (melting point 2443 ° C.) element. If it is, it will be easy to make it higher temperature, and it is thought that there exists an effect which makes large current density easy. Therefore, it is considered promising to use a noble metal alloy having a melting point higher than Ir as a base metal, and candidate elements may include osmium (Os: melting point 3027 ° C.), rhenium (Re: melting point 3160 ° C.), and the like. . However, at present, the Os-rare earth element system or the Re-rare earth element system does not have even a phase diagram, and it is considered that these elements alone cannot be fully utilized.
しかしながら、Ir−Os系、Ir−Re系などの状態図を見ると、IrにOsやReを添加することにより、Irより液相線温度、固相線温度とも高くできる傾向を示すことから、これら元素を適当量添加することは、陰極としての特性向上に寄与しうる可能性がある。これらの添加量については、Ir結晶構造が残る範囲内が適正と考えられることから、添加濃度上限はそれぞれ30at%(モル分率0.3)以下が適切と考えられる。 However, looking at the phase diagrams of Ir-Os system, Ir-Re system, etc., it shows a tendency that the liquidus temperature and the solidus temperature can be made higher than Ir by adding Os and Re to Ir. Adding an appropriate amount of these elements may contribute to improvement of the characteristics as a cathode. About these addition amounts, since it is considered that the range in which the Ir crystal structure remains is appropriate, it is considered that the upper limit of addition concentration is 30 at% (molar fraction 0.3) or less.
一方、希土類元素の中では、Ceは仕事関数が小さく(2.9eV)、同時に沸点が希土類元素の中では最も高いことから、蒸気圧も最も低くなることが期待され、希土類元素の中でも最も適正な元素であると考えられる。Ceに近い仕事関数を有し、かつ蒸気圧も低い元素として、イットリウム(Y(3.1eV)),ガドリニウム(Gd(3.1eV)),テルビウム(Tb(3.0eV))等が置換候補として考えられる。ただ、これら元素についても、仕事関数値がCeよりはやや高くなることや、蒸気圧もやや高いことから、単体でCe以上の特性向上が得られるか否かは不明である。しかしながら、Ceの一部を置き換えることによる複合化合物化の効果などは期待できる可能性があると考えられる。 On the other hand, among rare earth elements, Ce has a small work function (2.9 eV) and at the same time has the highest boiling point among rare earth elements, so it is expected to have the lowest vapor pressure. It is thought that it is an element. Candidates for substitution are yttrium (Y (3.1 eV)), gadolinium (Gd (3.1 eV)), terbium (Tb (3.0 eV)), etc., as elements having a work function close to Ce and low vapor pressure. Is considered. However, for these elements, the work function value is slightly higher than that of Ce and the vapor pressure is also slightly higher, so it is unclear whether or not the characteristics can be improved over Ce alone. However, it is considered that there is a possibility that the effect of compounding by replacing a part of Ce can be expected.
以上のことから、Ir−Ce系合金・化合物からの電子放出は、基本的に仕事関数の小さいCe原子が担っていると考えられる。従って、より効率よく電子生成し、高い電流密度を得るには、Ce濃度を高める事が原理的に有利と考えられる。陰極材からの電子放出のさらなる高電流密度化には、Ceの高濃度化が望ましいと考えられ、Ce含有量の高いIr−Ce化合物であることが好ましい。 From the above, it is considered that the electron emission from the Ir—Ce alloy / compound is basically carried out by Ce atoms having a small work function. Therefore, in order to generate electrons more efficiently and obtain a high current density, it is considered that it is theoretically advantageous to increase the Ce concentration. In order to further increase the current density of electron emission from the cathode material, it is considered that a high concentration of Ce is desirable, and an Ir—Ce compound having a high Ce content is preferable.
一方で、Ce濃度が高くなるほど、Ir−Ce合金中のCeの活量が大きくなり、Ceの蒸発ロス速度が大きくなる可能性が考えられる。その場合は、電流密度は大きくなっても、陰極の寿命が短くなり、結果として実用的な利用ができなくなる事も考えられる。従って、成分組成としてのCe濃度には上限が存在する。 On the other hand, it is conceivable that the Ce activity in the Ir—Ce alloy increases as the Ce concentration increases, and the evaporation loss rate of Ce increases. In that case, even if the current density is increased, the life of the cathode is shortened, and as a result, practical use may not be possible. Therefore, there is an upper limit to the Ce concentration as the component composition.
本実施形態で用いるIr−Ce系合金におけるセリウム濃度は30重量%以下であれば、融点が1880℃以上の高融点なIr−Ce系合金が形成されることが期待され、電子ビーム生成用陰極材として適用できると考えられる。より好ましくは、凝固後に起こる割れ等の欠陥をより抑制し、長寿命化を図るという観点からは、本実施形態のIr−Ce系合金においては、セリウム濃度が27重量%以下、さらには24重量%以下であることが望ましい。 If the cerium concentration in the Ir—Ce alloy used in the present embodiment is 30% by weight or less, it is expected that an Ir—Ce alloy having a high melting point of 1880 ° C. or higher will be formed. It can be applied as a material. More preferably, from the viewpoint of further suppressing defects such as cracks that occur after solidification and extending the life, in the Ir—Ce alloy of this embodiment, the cerium concentration is 27 wt% or less, and more preferably 24 wt%. % Or less is desirable.
セリウム濃度は30重量%以下であれば特に限定はないが、高電流密度を達成するという観点からは、11重量%以上であることが好ましい。より好ましくは、12重量%以上である。 The cerium concentration is not particularly limited as long as it is 30% by weight or less, but it is preferably 11% by weight or more from the viewpoint of achieving a high current density. More preferably, it is 12% by weight or more.
本実施形態のIr−Ce合金・化合物の結晶相は、Ir2Ce結晶相,Ir3Ce結晶相,Ir7Ce2結晶相,Ir5Ce結晶相の中のいずれか1種類以上の結晶相で構成される。これは以下の理由による。 The crystal phase of the Ir—Ce alloy / compound of the present embodiment is one or more crystal phases of Ir 2 Ce crystal phase, Ir 3 Ce crystal phase, Ir 7 Ce 2 crystal phase, and Ir 5 Ce crystal phase. Consists of. This is due to the following reason.
Ir−Ce系状態図から、Ir(融点2443℃)にCe(融点798℃)を添加していくと、最初にIr5Ce化合物(融点1950℃)が形成され、その後、Ir7Ce2(融点2000℃)、Ir3Ce(融点2100℃)、Ir2Ce(融点2250℃)と、添加Ce濃度が高くなるにつれて、融点が高くなる傾向があり、融点が最も高くなる化合物は、Ir2Ceであることが分かる。 From the Ir—Ce phase diagram, when Ce (melting point 798 ° C.) is added to Ir (melting point 2443 ° C.), an Ir 5 Ce compound (melting point 1950 ° C.) is first formed, and then Ir 7 Ce 2 ( Melting point 2000 ° C.), Ir 3 Ce (melting point 2100 ° C.), Ir 2 Ce (melting point 2250 ° C.), and as the added Ce concentration increases, the melting point tends to increase, and the compound having the highest melting point is Ir 2 It turns out that it is Ce.
つまり、Ir2Ce化合物はかなり安定な化合物であり、その分解には高いエネルギーが必要となることが予想される。従って、Ir−Ce合金中のCe活量は、Ce濃度が高くなっても濃度に比例して上昇するわけではないと推測される。以上のことから、Ir2Ce化合物より添加Ce濃度が低い化合物であれば、Ceの蒸発ロス速度はさほど上昇しないことが期待される。 That is, the Ir 2 Ce compound is a fairly stable compound, and it is expected that high energy is required for its decomposition. Therefore, it is estimated that the Ce activity in the Ir—Ce alloy does not increase in proportion to the concentration even when the Ce concentration increases. From the above, it is expected that the evaporation loss rate of Ce does not increase so much as long as the added Ce concentration is lower than the Ir 2 Ce compound.
一方、Ir2Ce化合物を超える濃度にまでCeを添加すると、急激に融点が低下しており、Ce濃度の高いIr4Ce5,Ir3Ce5,Ir3Ce7,IrCe3,IrCe4などの化合物は、カソード材としては不安定になりやすいと推察される。このことは、適正なCe濃度の上限がIr2Ce化合物であり、ある濃度幅を有するIr2Ce化合物相におけるCe濃度のある濃度において、上限値となることを示すと考えられる。 On the other hand, when Ce is added to a concentration exceeding the Ir 2 Ce compound, the melting point is drastically lowered, such as Ir 4 Ce 5 , Ir 3 Ce 5 , Ir 3 Ce 7 , IrCe 3 , IrCe 4, etc. having a high Ce concentration. This compound is presumed to be unstable as a cathode material. This is considered to indicate that the upper limit of the appropriate Ce concentration is the Ir 2 Ce compound, and that the upper limit is reached at a certain concentration of Ce concentration in the Ir 2 Ce compound phase having a certain concentration range.
よって、本実施形態のIr−Ce合金・化合物の結晶相は、Ir2Ce化合物より添加Ce濃度が低い化合物からなる結晶相で構成されているため、セリウムの蒸発ロス速度を低く抑えることができると考えられる。 Therefore, since the crystal phase of the Ir—Ce alloy / compound of the present embodiment is composed of a crystal phase composed of a compound having a lower Ce concentration than the Ir 2 Ce compound, the evaporation loss rate of cerium can be kept low. it is conceivable that.
前記カソード部材を構成する結晶粒の最長長さは500μm以下である。結晶粒の最長長さが500μm以下であれば、機械加工時の割れや欠けなどの欠陥が少なくなるという優れた利点がある。より好ましくは、250μm以下であり、さらに好ましくは、100μm以下である。 The longest length of the crystal grains constituting the cathode member is 500 μm or less. If the maximum length of the crystal grains is 500 μm or less, there is an excellent advantage that defects such as cracks and chips during machining are reduced. More preferably, it is 250 micrometers or less, More preferably, it is 100 micrometers or less.
前記結晶粒の大きさは小さいほど好ましいが、小さすぎるとCeが酸化されやすくなるため、酸化を抑えるという観点から、下限は1μm以上であり、より好ましくは、10μm以上である。 The size of the crystal grains is preferably as small as possible. However, since Ce is easily oxidized when it is too small, the lower limit is 1 μm or more, and more preferably 10 μm or more, from the viewpoint of suppressing oxidation.
さらに、本実施形態のIr−Ce合金・化合物の結晶相は、結晶粒の最長長さが500μm以下の純イリジウム結晶相を含んでも良い。それにより、電子ビーム発生時の効率は、若干低下する可能性はあるが、使用時の熱応力によるカソードの割れなどを抑制するという優れた効果を奏すると考えられる。 Further, the crystal phase of the Ir—Ce alloy / compound of this embodiment may include a pure iridium crystal phase having a maximum crystal grain length of 500 μm or less. Thereby, although the efficiency at the time of generating the electron beam may be slightly lowered, it is considered that there is an excellent effect of suppressing the cracking of the cathode due to the thermal stress at the time of use.
なお、前記純イリジウム結晶相の最長長さは、より好ましくは、250μm以下であり、さらに好ましくは、100μm以下である。 The longest length of the pure iridium crystal phase is more preferably 250 μm or less, and still more preferably 100 μm or less.
前記結晶粒の大きさは小さいほど好ましいが、小さすぎると、各種Ir−Ce化合物結晶との粒度バランスが損なわれるという観点から、下限は1μm以上であり、より好ましくは、10μm以上である。 The size of the crystal grain is preferably as small as possible, but if it is too small, the lower limit is 1 μm or more, more preferably 10 μm or more, from the viewpoint that the particle size balance with various Ir—Ce compound crystals is impaired.
〔電子ビーム生成用カソード部材の製造方法〕
次に、上述したような電子ビーム生成用カソード部材の製造方法について詳細に説明する。
[Method for producing cathode member for generating electron beam]
Next, a method for manufacturing the electron beam generating cathode member as described above will be described in detail.
本実施形態における電子ビーム生成用カソード部材の製造方法は:
イリジウム−セリウム原材料を、水冷銅容器を溶解用るつぼとして使用する溶解方式を用いて、不活性化ガス雰囲気下で溶融混合して凝固させた後、粉砕して最長長さが500μm以下である粉体を作製する工程、
得られた粉体を、温度800℃以上1500℃以下、かつ圧力10MPa以上の高温高圧条件下で成型する工程、並びに
得られた成型体を機械加工する工程、を含むことを特徴とする。
The manufacturing method of the electron beam generating cathode member in the present embodiment is:
Powder that has a maximum length of 500 μm or less after iridium-cerium raw material is melt-mixed and solidified in an inert gas atmosphere using a melting method using a water-cooled copper container as a melting crucible Producing a body,
It includes a step of molding the obtained powder under a high temperature and high pressure condition at a temperature of 800 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower and a pressure of 10 MPa or higher, and a step of machining the obtained molded body.
より具体的には、まず、カソード部材加工用素材であるイリジウム−セリウム原材料を溶解する。 More specifically, first, an iridium-cerium raw material that is a cathode member processing material is dissolved.
溶解方法としては、プラズマアーク熔解法を用いてもよいが、水冷銅容器を溶解用るつぼとして使用する溶解方式を用いることが好ましい。すなわち、プラズマアーク溶解法においては、実用的な規模での量産的な溶解を行うことは難しい場合があるため、本実施形態では、プラズマアーク溶解に加えて、量産規模を想定した溶解技術として、水冷銅容器を用いた誘導溶解法を用いる。 As a melting method, a plasma arc melting method may be used, but a melting method using a water-cooled copper container as a melting crucible is preferably used. That is, in the plasma arc melting method, it may be difficult to perform mass production melting on a practical scale, so in this embodiment, in addition to plasma arc melting, as a melting technique assuming a mass production scale, An induction dissolution method using a water-cooled copper container is used.
水冷銅容器を溶解用るつぼとして使用する誘導溶解法は、コールドクルーシブル誘導溶解法とも称される溶解方式である。 The induction melting method using a water-cooled copper container as a melting crucible is a melting method also called a cold crucible induction melting method.
コールドクルーシブル誘導溶解法とは、具体的には、通常の真空誘導溶解法で使用されている耐火物るつぼの替わりに、高周波コイルが外側に配置されている水冷銅製のセグメントで構成されたるつぼを用い、高周波電源を使用し、水冷銅るつぼ内に装入した溶解材の内部に誘導電流を発生させて、その抵抗発熱を利用する溶解方法である。 Specifically, the cold crucible induction melting method replaces the refractory crucible used in the normal vacuum induction melting method with a crucible composed of a water-cooled copper segment with a high-frequency coil arranged outside. This is a melting method that uses a high-frequency power source, generates an induced current in the melted material charged in the water-cooled copper crucible, and utilizes the resistance heat generation.
また、コールドクルーシブル誘導溶解法以外にも、例えば、電子ビーム溶解法等を使用することができる。ただし、この溶解法では、Ceが蒸発除去されてしまう可能性があるため、溶解時にはCe濃度の適時調整が必要である。 In addition to the cold crucible induction melting method, for example, an electron beam melting method or the like can be used. However, in this melting method, Ce may be removed by evaporation, so that the Ce concentration must be adjusted in a timely manner during melting.
次に、一般的には、完全な金属間化合物相のみの結晶では凝固インゴットなどの固化体が非常に割れやすくなることが知られており、Ir−Ce合金インゴットからのカソード部材の機械加工が困難となることが予想された。 Next, generally, it is known that solid crystals such as solidified ingots are very easy to break in a crystal having only a complete intermetallic compound phase, and machining of a cathode member from an Ir—Ce alloy ingot is performed. It was expected to be difficult.
そこで、本実施形態では、水冷銅容器(るつぼ)を用いて、不可性ガス(例えば、Ar)雰囲気下で溶融混合し、それを凝固させて得たインゴットを、一旦破砕・微粉化する。得られた粉体を所定の条件下(後述する)で成型して、焼成ブロックを形成させた後、これを素材として機械加工を行い、カソード部材を製作する。 Therefore, in the present embodiment, a water-cooled copper container (crucible) is used to melt and mix in an inert gas (for example, Ar) atmosphere, and the ingot obtained by solidifying it is once crushed and pulverized. The obtained powder is molded under predetermined conditions (described later) to form a fired block, which is then machined to produce a cathode member.
なお、素材が活性な元素であるセリウムを多量に含有することから、溶融混合時のみならず、粉砕においても、大気雰囲気下ではなく、不活性ガス雰囲気下で破砕することが望ましい。それにより、破砕微粉の発熱燃焼による事故防止を図るとともに、大気雰囲気下で発生するCeの酸化も防止できる。 In addition, since the raw material contains a large amount of cerium, which is an active element, it is desirable to crush not only in melt mixing but also in pulverization in an inert gas atmosphere, not in an air atmosphere. As a result, accidents due to exothermic combustion of the pulverized fine powder can be prevented, and oxidation of Ce generated in the atmosphere can be prevented.
粉砕する方法については、特に限定はなく、例えば、不活性ガスで満たされたグローブボックス内での粉砕等によって粉砕することができる。 The method for pulverization is not particularly limited, and for example, pulverization can be performed by pulverization in a glove box filled with an inert gas.
粉砕後、最長長さが500μm以下である粉体を得るためには、例えば、篩による分級を行うことができる。具体的には、例えば、粗粉砕粉となる500μm超粉、100〜500μm粉、100μm以下粉に分離し、500μm超粉を次回以降の溶解原料または再度粉砕等を実施する。 In order to obtain a powder having a maximum length of 500 μm or less after pulverization, for example, classification using a sieve can be performed. Specifically, for example, it is separated into 500 μm super powder, 100 to 500 μm powder, or 100 μm or less powder that will be coarsely pulverized powder, and the 500 μm super powder is subjected to subsequent dissolution raw materials or subsequent pulverization.
この粉体(結晶粒)の大きさが500μmを超えるカソードでは、コーナー部での割れや欠けが多くなり、500μm以下であるカソードでは、割れや欠けなどの欠陥が少なくなる。 In the cathode in which the size of the powder (crystal grains) exceeds 500 μm, cracks and chips at corners increase, and in the cathode of 500 μm or less, defects such as cracks and chips decrease.
なお、この結晶粒が細かいほど、微小な欠けなどの欠陥が少なくなる傾向があるため、好ましくは、最長長さが250μm以下、さらには100μm以下の結晶粒とすることが望ましいと考えられる。 In addition, since the finer the crystal grains, the smaller the defects such as fine chips tend to be reduced, it is preferable that the longest length is 250 μm or less, and further 100 μm or less is desirable.
次に、成型工程では、上記粉砕工程によって得られた最長長さが500μm以下の粉体を原料として、温度範囲:800〜1500℃、加圧条件10MPa以上で成型を行う。このような条件であれば、成型後の素材においても、結晶粒はほぼ原料微粉のサイズと同様となり、焼結時に結晶粒が粗大化することもない。 Next, in the molding step, molding is performed at a temperature range of 800 to 1500 ° C. and a pressurization condition of 10 MPa or more using the powder having a maximum length of 500 μm or less obtained by the pulverization step as a raw material. Under such conditions, even in the raw material after molding, the crystal grains are almost the same as the size of the raw material fine powder, and the crystal grains are not coarsened during sintering.
成型には、例えば、黒鉛製の型を用いたホットプレス成型を使用することができる。ホットプレス法以外では、例えば、放電プラズマ焼結(SPS)法も適用することが可能である。 For the molding, for example, hot press molding using a graphite mold can be used. Other than the hot press method, for example, a discharge plasma sintering (SPS) method can also be applied.
成型条件の温度については、1500℃を超えると、Ir−Ce材と黒鉛材とが反応して、焼成物と黒鉛型材とが融着し、成形体の取り出しに問題が発生する場合がある。また、800℃以下では、十分な焼結体が得られない傾向がある。圧力については、10MPa以下では、十分に緻密化できない可能性がある。なお、圧力は原理的には高い方が望ましいが、好ましくは、少なくとも50MPaほどの圧力を負荷することが望ましい。それにより、ほぼ真密度に近いカソード部材加工用素材(ホットプレス成型ブロック)が得られると考えられる。 When the temperature of the molding condition exceeds 1500 ° C., the Ir—Ce material and the graphite material react to fuse the fired product and the graphite mold material, which may cause a problem in taking out the molded body. Further, at 800 ° C. or lower, there is a tendency that a sufficient sintered body cannot be obtained. Regarding the pressure, if it is 10 MPa or less, there is a possibility that it cannot be sufficiently densified. The pressure is preferably higher in principle, but it is preferable to apply a pressure of at least about 50 MPa. Thereby, it is considered that a cathode member processing material (hot press molding block) having a nearly true density can be obtained.
このように、微細な結晶粒を有する固化体を形成させることにより、割れにくく、機械加工をしやすいカソード部材の加工用素材を得ることができる。さらに、凝固時の固液の密度差に伴うミクロシュリンケージ欠陥やガスのブローホール欠陥等も、抑えることができる。 Thus, by forming a solidified body having fine crystal grains, it is possible to obtain a material for processing a cathode member that is hard to break and easy to machine. Furthermore, micro-shrinkage defects and gas blowhole defects associated with the difference in solid-liquid density during solidification can be suppressed.
なお、本実施形態では、セリウムを30重量%以下で含み、かつ残部がイリジウムである多結晶体のカソードを製造するため、イリジウム−セリウム原材料としては、最終的に所望のセリウム濃度となるような材料を選択すればよい。 In this embodiment, since a polycrystalline cathode containing cerium in an amount of 30% by weight or less and the balance being iridium is manufactured, the iridium-cerium raw material may finally have a desired cerium concentration. What is necessary is just to select a material.
具体的には、例えば、Ir2Ce結晶相,Ir3Ce結晶相,Ir7Ce2結晶相,Ir5Ce結晶相などを晶出させる成分組成とすることによって成分調整することができる。Ir2Ce結晶相,Ir3Ce結晶相,Ir7Ce2結晶相,Ir5Ce結晶相等は、例えば、市販の純Irや純Ceを溶解原料として、必要な結晶相が得られる割合に調製し、溶解することによって所望の結晶相のインゴットを得ることができる。 Specifically, for example, the component can be adjusted by setting the component composition to crystallize an Ir 2 Ce crystal phase, an Ir 3 Ce crystal phase, an Ir 7 Ce 2 crystal phase, an Ir 5 Ce crystal phase, or the like. The Ir 2 Ce crystal phase, the Ir 3 Ce crystal phase, the Ir 7 Ce 2 crystal phase, the Ir 5 Ce crystal phase, etc. are prepared in such a ratio that the necessary crystal phase can be obtained using, for example, commercially pure Ir or pure Ce as a melting raw material. Then, an ingot of a desired crystal phase can be obtained by dissolving.
一例としては、例えば、Ir5Ce結晶相を100g得る場合、純Irを87.3g、純Ceを12.7g使用し、コールドクルーシブル誘導溶解法で、水冷銅るつぼ内にこれらの原料を装入し、溶解してインゴットを得る。そして、その後の分析(X線回折法)により結晶相の同定を行い、目的の結晶相が得られているかどうかを確認する。 As an example, for example, when 100 g of Ir 5 Ce crystal phase is obtained, 87.3 g of pure Ir and 12.7 g of pure Ce are used, and these raw materials are charged into a water-cooled copper crucible by a cold crucible induction melting method. And dissolve to obtain an ingot. Then, the crystal phase is identified by subsequent analysis (X-ray diffraction method), and it is confirmed whether or not the target crystal phase is obtained.
それぞれの結晶を粉砕して紛体の最長長さが500μm以下となるように調整した微粉を作製しておき、セリウム濃度が30重量%以下となるように、Ir2Ce結晶微粉,Ir3Ce結晶微粉、Ir7Ce2結晶微粉、Ir5Ce結晶微粉のいずれか1種類以上の結晶微粉を秤量して、次の成型工程に用いることができる。 Each crystal is pulverized to prepare fine powder adjusted so that the maximum length of the powder is 500 μm or less, and Ir 2 Ce crystal fine powder, Ir 3 Ce crystal so that the cerium concentration is 30 wt% or less. One or more kinds of fine powder, Ir 7 Ce 2 crystal fine powder, and Ir 5 Ce crystal fine powder can be weighed and used in the next molding step.
これらの結晶相の微粉を原料として、上記成型を行う場合、必ずしも単相で成型する必要はなく、これらの混合微粉を作製して、成型を行ってもよい。 When the above molding is performed using the fine powder of these crystal phases as a raw material, it is not always necessary to mold in a single phase, and these mixed fine powders may be produced and molded.
さらに、カソードの使用目的によっては、その特性向上のために、上記粉体作製工程の後、成型工程前に、純Ir結晶粉末などをさらに添加して成型を行ってもよく、また、Ir−Os,Ir−Re,Ir−Os−Reなどの微粉を添加してから、これらを十分に混合した後、混合微粉として成型を行うこともできる。 Further, depending on the purpose of use of the cathode, in order to improve the characteristics, after the above powder preparation step and before the molding step, pure Ir crystal powder or the like may be further added to perform molding. After adding fine powders such as Os, Ir-Re, Ir-Os-Re, etc., after sufficiently mixing them, molding can be performed as mixed fine powders.
追加で使用し得る純Ir結晶粉末、Ir−Os,Ir−Re,Ir−Os−Reなどの微粉についても、結晶粒の最長長さが500μm以下であることが好ましく、より好ましくは、100μm以下である。添加量については、1〜5%程度であることが望ましい。 For fine powders such as pure Ir crystal powder, Ir-Os, Ir-Re, Ir-Os-Re, which can be additionally used, the maximum length of crystal grains is preferably 500 μm or less, more preferably 100 μm or less. It is. The amount added is preferably about 1 to 5%.
次に、得られた成型体(成型ブロック)を素材として、これを機械加工して、各種形状のカソードを製作することができる。 Next, using the obtained molded body (molded block) as a raw material, it can be machined to produce cathodes of various shapes.
機械加工の手段については特に限定はなく、公知の方法を使用することができる。 The means for machining is not particularly limited, and a known method can be used.
例えば、素材ブロックの切断には、ワイヤカット法を適用できる。これにより、円柱体、板状等にすることができる。円形カソードの製作は、円柱体を素材として用いて、例えば、放電加工法、プロファイル研削法、ダイヤモンド研磨法等を適用することで、カソード形状に加工できる。 For example, the wire cutting method can be applied to the cutting of the material block. Thereby, it can be set as a cylindrical body, plate shape, etc. The circular cathode can be manufactured into a cathode shape by using, for example, an electric discharge machining method, a profile grinding method, a diamond polishing method, etc., using a cylindrical body as a material.
以上のような本実施形態の製造方法によれば、微細な結晶粒で構成される多結晶体による電子ビーム用カソード(陰極)部材を作製でき、従来法に比べて、より高電流密度が得られ、長寿命化できるカソード(陰極)部材の製作が可能となる。 According to the manufacturing method of the present embodiment as described above, a cathode (cathode) member for an electron beam made of a polycrystal composed of fine crystal grains can be produced, and a higher current density can be obtained compared to the conventional method. Therefore, it is possible to manufacture a cathode (cathode) member that can extend the life.
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the scope of the present invention is not limited thereto.
(インゴットの製造)
セリウム含有量が14重量%+残部イリジウムとなる合金(Ir−14重量%Ce合金)と、セリウム含有量が26重量%+残部イリジウムとなる合金(Ir−26重量%合金)となるように溶解原料である純イリジウムおよび純セリウムを配合して、アルゴン雰囲気下で、Φ60mmの水冷銅るつぼを用いるコールドクルーシブル誘導溶解法により、溶融混合して均一化し、各合金のインゴット(固化体)を作製した。その後、所望の結晶相のインゴットであるかを確認するため、少量の試料を採取し、X線回折法にて確認分析を実施した。
(Manufacture of ingots)
Dissolved so as to be an alloy in which the cerium content is 14% by weight + balance iridium (Ir-14 wt% Ce alloy) and an alloy in which the cerium content is 26% by weight + balance iridium (Ir-26 wt% alloy) Ingot (solidified body) of each alloy was prepared by blending raw iridium and pure cerium, and mixing and homogenizing by a cold crucible induction melting method using a water-cooled copper crucible of Φ60 mm in an argon atmosphere. . Then, in order to confirm whether it was an ingot of a desired crystal phase, a small sample was taken and confirmed by an X-ray diffraction method.
なおIr−14重量%Ce合金の溶融凝固インゴットの組織写真は、図1(写真1)に示す通りであり、粗大な結晶粒により構成されており、結晶の内部に微小な割れが認められる状態である。 In addition, the structure photograph of the melt-solidified ingot of the Ir-14 wt% Ce alloy is as shown in FIG. 1 (Photo 1), and is composed of coarse crystal grains, in which minute cracks are observed inside the crystal. It is.
なお、図1の写真は走査型電子顕微鏡(SEM)によって倍率50倍で撮影した反射電子像写真である。 The photograph in FIG. 1 is a reflected electron image photograph taken at a magnification of 50 times with a scanning electron microscope (SEM).
(比較例1および2)
上記で得られたIr−14重量%Ce合金とIr−26重量%合金のそれぞれのインゴットから円形カソード(Φ8mm,Φ9mm,Φ10mm等)の製作を試みた。
(Comparative Examples 1 and 2)
An attempt was made to produce a circular cathode (Φ8 mm, Φ9 mm, Φ10 mm, etc.) from the respective ingots of the Ir-14 wt% Ce alloy and Ir-26 wt% alloy obtained above.
(実施例1)
不活性ガス(アルゴン)雰囲気下で、Ir−14重量%Ce合金のインゴット材を破砕して微粉化し、粉体(結晶粒)を、粗粉砕粉となる500μm超粉、100〜500μm粉、100μm以下粉に分離し、100μm以下粉のみを使用した。
(Example 1)
In an inert gas (argon) atmosphere, an Ir-14 wt% Ce alloy ingot material is pulverized and pulverized, and the powder (crystal grains) becomes a coarsely pulverized powder exceeding 500 μm, 100 to 500 μm, 100 μm. The powder was separated into powders below, and only powders of 100 μm or less were used.
次に、得られた粉体で、黒鉛製型を用いてホットプレス(HP)成型試験を実施した。ホットプレス成型の条件は、温度1500℃、圧力を50MPaとした。 Next, a hot press (HP) molding test was performed on the obtained powder using a graphite mold. The hot press molding conditions were a temperature of 1500 ° C. and a pressure of 50 MPa.
その後、得られた成型体を用いて、ワイヤカットによる円柱体の切出しを行い、プロファイル研削法、ダイヤモンド研磨法等を用いて、円形カソード部材(Φ10mm)への加工を行った。 Thereafter, a cylindrical body was cut out by wire cutting using the obtained molded body, and processed into a circular cathode member (Φ10 mm) using a profile grinding method, a diamond polishing method, or the like.
(実施例2〜3および比較例3〜5)
成型において、温度および圧力を表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様にしてカソード部材を得た。
(Examples 2-3 and Comparative Examples 3-5)
In the molding, a cathode member was obtained in the same manner as in Example 1 except that the temperature and pressure were changed as shown in Table 1.
(実施例4および比較例6)
粉体(結晶粒)を、粗粉砕粉となる500μm超粉、100〜500μm粉、100μm以下粉に分離した後、100〜500μm粉のみ(実施例4)、あるいは500μm超粉のみ(比較例6)を使用した以外は実施例1と同様にしてカソード部材を得た。
(Example 4 and Comparative Example 6)
After separating the powder (crystal grains) into a coarsely pulverized powder of 500 μm super powder, 100-500 μm powder, 100 μm or less powder, only 100-500 μm powder (Example 4) or only 500 μm super powder (Comparative Example 6) ) Was used in the same manner as in Example 1 except that a cathode member was obtained.
(実施例5)
Ir−14重量%Ce合金の代わりにIr−26重量%合金を用いた以外は実施例1と同様にしてカソード部材を得た。
(Example 5)
A cathode member was obtained in the same manner as in Example 1 except that an Ir-26 wt% alloy was used instead of the Ir-14 wt% Ce alloy.
(比較例7)
Ir−14重量%Ce合金の代わりにIr−26重量%合金を用いた以外は比較例3と同様にしてカソード部材を得た。
(Comparative Example 7)
A cathode member was obtained in the same manner as in Comparative Example 3 except that an Ir-26 wt% alloy was used instead of the Ir-14 wt% Ce alloy.
(実施例6および比較例8)
コールドクルーシブル誘導溶解法の代わりに、水冷銅るつぼを使用したプラズマアーク溶解法でインゴットを製作し、粉体として100〜500μm粉のみ(実施例6)あるいは500μm超粉(比較例8)を使用した以外は、実施例5と同様にしてカソード部材を得た。
(Example 6 and Comparative Example 8)
Instead of the cold crucible induction melting method, an ingot was produced by a plasma arc melting method using a water-cooled copper crucible, and only 100 to 500 μm powder (Example 6) or 500 μm super powder (Comparative Example 8) was used as the powder. Except for this, a cathode member was obtained in the same manner as in Example 5.
(実施例7および比較例9)
また、Ir−26重量%合金のPAMインゴットを破砕粉砕して分級した粒径100μm以下の粉末を用いて、放電プラズマ焼結(SPS)法にて成型体を作製した。成型条件は、温度800℃(実施例7)および700℃(比較例9)、圧力10MPaで実施した。
(Example 7 and Comparative Example 9)
Further, a compact was produced by a spark plasma sintering (SPS) method using a powder having a particle size of 100 μm or less obtained by crushing and classifying a PAM ingot of an Ir-26 wt% alloy. The molding conditions were a temperature of 800 ° C. (Example 7) and 700 ° C. (Comparative Example 9), and a pressure of 10 MPa.
(比較例10)
成型条件の温度および圧力を表1に示すように変更した以外は、比較例9と同様にしてカソード部材を得た。
(Comparative Example 10)
A cathode member was obtained in the same manner as in Comparative Example 9, except that the molding conditions of temperature and pressure were changed as shown in Table 1.
(比較例11および比較例12)
Ir−35重量%Ce合金紛体を、Ir−14重量%Ce合金と、Ir−26重量%合金と同様の方法にて製作し、100μm以下粉を使用し、成型条件は、温度1000℃、圧力10MPa(比較例11)および50MPa(比較例12)で実施した。
(Comparative Example 11 and Comparative Example 12)
Ir-35 wt% Ce alloy powder was produced in the same manner as Ir-14 wt% Ce alloy and Ir-26 wt% alloy, using powder of 100 μm or less, molding conditions: temperature 1000 ° C, pressure The test was carried out at 10 MPa (Comparative Example 11) and 50 MPa (Comparative Example 12).
(評価方法)
以上の実施例および比較例において、成型体を作製できたか否か、カソード部材を作製できたか否か、並びに、得られたカソード部材の電流密度について評価を行った。
・成型体を作製できたか否かの評価は、焼結後の成型体を黒鉛型から取り出す際、割れや欠け等が無く取り出せた成型体を○、取り出し時に割れや欠けの発生、あるいは黒鉛型と融着してしまった場合を×とする基準によって行った。
・カソード部材を作製できたか否かの評価は、機械加工後に割れや欠け等が無いものを◎、機械加工後に多少の割れや欠けがあるが、カソードの形状に加工出来たものを○、機械加工時(あるいは機械加工前の段階)に、カソード形状にまで加工出来なかったものを×とする基準によって行った。
・電流密度については、Ir−14wt%Ce組成の実施例1カソード(Ir5Ce結晶)及び、溶解釜の溶解材からそのまま製作したIr5Ceカソード(実施例1のように粉砕工程および成型工程を経ていないもの)を用いて、熱陰極として使用した場合の発生する電流密度と温度との相関を示した結果は、下記の表2に示す通りであった。
(Evaluation method)
In the above examples and comparative examples, whether or not a molded body could be produced, whether or not a cathode member could be produced, and the current density of the obtained cathode member were evaluated.
・ Evaluation of whether or not the molded body could be produced was evaluated by taking the molded body without cracks or chips when removing the sintered molded body from the graphite mold. And the case where it was fused.
・ Evaluation of whether or not the cathode member could be manufactured is ◎ if there are no cracks or chips after machining, ◯ if there are some cracks or chips after machining, but could be processed into the shape of the cathode ○ At the time of processing (or the stage before machining), it was carried out according to the criterion of x that could not be processed to the cathode shape.
And current for the density, Ir-14 wt% Ce composition Example 1 cathode of (Ir 5 Ce crystals) and were fabricated as the melting material of the dissolving tank Ir 5 Ce cathode (grinding step and molding step as in Example 1 The results of showing the correlation between the generated current density and the temperature when used as a hot cathode using the non-passive ones are as shown in Table 2 below.
以上の結果を、表1および表2に示す。 The above results are shown in Tables 1 and 2.
(考察)
まず、Ir−14重量%Ce合金の溶融凝固インゴットから機械加工して、カソード形状に成形はできたが、円形カソードでは、端部のコーナ部に欠けや割れの多いものとなり、さらに、中央部にも空孔欠陥が発生しており、カソード品質としては、十分ではないものと判定された(比較例1)。また、Ir−26重量%Ce合金では、円形カソードを製作するためのワイヤカットによる円柱体切り出しの段階で、割れなどが発生し、カソード形状にまで加工できなかった(比較例2)。これは、凝固インゴットの結晶粒が粗大であり、ガス起因のブローホールなどもあって、カソードへの機械加工時に、粒界などで割れが発生し伝播した為と推定された。
(Discussion)
First, it was machined from a melt-solidified ingot of an Ir-14 wt% Ce alloy and formed into a cathode shape. However, in the case of a circular cathode, the corner portion at the end has many chips and cracks. Also, vacancy defects occurred, and it was determined that the cathode quality was not sufficient (Comparative Example 1). Further, in the Ir-26 wt% Ce alloy, cracks and the like were generated at the stage of cutting out the cylindrical body by wire cutting for manufacturing a circular cathode, and it was not possible to process the cathode shape (Comparative Example 2). This was presumed to be due to the fact that the crystal grains of the solidified ingot were coarse and had gas blowholes, etc., and cracks occurred at the grain boundaries and propagated during machining to the cathode.
これに対し、実施例では、セリウムを14重量%および26重量%含んだ合金であっても、健全なカソード部材であった。 On the other hand, in the examples, even an alloy containing 14% by weight and 26% by weight of cerium was a sound cathode member.
特に、800℃および1500℃の条件では両方とも良好な成型体を製作することが出来たが、1500℃の場合は、800℃よりも緻密な成型体が製作出来ていた。そして、その後のワイヤカットによる円柱体の切出しおよびカソード形状への加工においても1500℃の成型体からは、表面品質等が非常に良好なカソード部材を製作することが出来た。 In particular, it was possible to produce a good molded body under the conditions of 800 ° C. and 1500 ° C., but in the case of 1500 ° C., a molded body denser than 800 ° C. could be produced. Further, in the subsequent cutting of the cylindrical body by wire cutting and processing into the cathode shape, a cathode member having a very good surface quality and the like could be produced from the molded body at 1500 ° C.
一方、Ir−14重量%Ce合金については、成型条件が、700℃の条件では成型体が上手く成型出来ず、また、1550℃では黒鉛型と成型体が融着し、成型体の取出しに問題が発生した(比較例3、実施例1、実施例2、比較例4)。 On the other hand, with regard to the Ir-14 wt% Ce alloy, the molded body cannot be molded well when the molding condition is 700 ° C., and the graphite mold and the molded body are fused at 1550 ° C., and there is a problem in taking out the molded body. (Comparative Example 3, Example 1, Example 2, Comparative Example 4) occurred.
そして、セリウムを30重量%を超えて含むカソード部材では、成型条件が本発明の範囲であっても、健全なカソード部材を作製することができなかった(比較例11および12)。 And in the cathode member which contains cerium exceeding 30 weight%, even if molding conditions were the range of this invention, the healthy cathode member was not able to be produced (Comparative Examples 11 and 12).
次に、温度を1500℃とし、圧力を10MPaおよび5MPaと変えて、粉末粒径を100μm以下条件にてホットプレス(HP)成形を実施した実施例3と比較例5では、10MPaでは成型体が得られたのに対し、5MPaでは十分に緻密化された成型体が得られず、カソード部材への加工は出来なかった。 Next, in Example 3 and Comparative Example 5 in which the temperature was set to 1500 ° C., the pressure was changed to 10 MPa and 5 MPa, and the powder particle diameter was hot pressed (HP) molding under a condition of 100 μm or less, the molded body was 10 MPa. On the other hand, at 5 MPa, a sufficiently densified molded body could not be obtained, and the cathode member could not be processed.
次に、温度1500℃、圧力50MPaとし、粉末粒径を100〜500μmおよび500μm超に変えた実施例4と比較例6の比較からは、どちらの粉末においても成型体は製作することは可能であったが、500μm以上の粉末を用いた場合、ワイヤカットにて円柱体を切出し、カソード形状に加工する段階で割れや欠けなどが発生し、健全なカソード部材を製作することが出来なかいことがわかった。 Next, from the comparison between Example 4 and Comparative Example 6 in which the temperature was 1500 ° C., the pressure was 50 MPa, and the powder particle size was changed to 100 to 500 μm and more than 500 μm, it is possible to produce a molded body in either powder. However, when a powder of 500 μm or more is used, a cylindrical body is cut by wire cutting and cracks and chips are generated at the stage of processing into a cathode shape, and it is difficult to manufacture a healthy cathode member. all right.
Ir−26重量%合金については、温度を1550℃および1500℃、圧力を50MPa、粉末粒径を100μm以下にした比較例7と実施例5との比較で、1500℃では緻密な成型体が得られ、ワイヤカットにて良好なカソード部材を製作することが出来たが、1550℃ではHP中に粉末の一部が溶融して、黒鉛型材から染み出すという問題が発生し、また黒鉛型との反応もあって、健全な成型体を製作することが出来なかいことがわかった。 As for the Ir-26 wt% alloy, a compact molded body was obtained at 1500 ° C. in comparison with Comparative Example 7 and Example 5 in which the temperature was 1550 ° C. and 1500 ° C., the pressure was 50 MPa, and the powder particle size was 100 μm or less. Although a good cathode member could be manufactured by wire cutting, at 1550 ° C., there was a problem that a part of the powder melted into HP and oozed out of the graphite mold material. Due to the reaction, it turned out that it was not possible to produce a sound molded body.
また、Ir−26重量%合金のインゴット製作において、水冷銅るつぼを使用したプラズマアーク溶解(PAM)法でもインゴットを製作した場合でも、粉末粒径100〜500μm(実施例6)および500μm超(比較例8)を比較すると、どちらの粒径の粉末においても成型体を製作することは可能であったが、500μm以上の粉末を用いた場合、ワイヤカットにて円柱体を切出し、カソード形状に加工する段階で割れや欠けなどが発生し、健全なカソード部材を製作することが出来ないことがわかった。 In addition, in the production of an Ir-26 wt% alloy ingot, even when the plasma arc melting (PAM) method using a water-cooled copper crucible or the ingot was produced, the powder particle size was 100 to 500 μm (Example 6) and more than 500 μm (comparison) Comparing Example 8), it was possible to produce a molded body with any particle size powder, but when using a powder of 500 μm or more, a cylindrical body was cut out by wire cutting and processed into a cathode shape. It was found that cracks and chipping occurred at the stage of making, making it impossible to produce a sound cathode member.
次に、Ir−26重量%合金のPAMインゴットを破砕粉砕して分級した粒径100μm以下の粉末を用いて、放電プラズマ焼結(SPS)法にて成型した実施例7と比較例9では、800℃(実施例7)では良好な成型体を製作することが出来たが、700℃(比較例9)では成型体が上手く成型出来なかった。 Next, in Example 7 and Comparative Example 9 molded by the spark plasma sintering (SPS) method using a powder having a particle size of 100 μm or less obtained by crushing and classifying a PAM ingot of an Ir-26 wt% alloy, A good molded body could be produced at 800 ° C. (Example 7), but the molded body could not be molded well at 700 ° C. (Comparative Example 9).
粉末粒径100μm以下、温度800℃、圧力5MPaの条件でSPSによって成型体の製作を試みた比較例10では、十分に緻密化された成型体が得られず、カソード部材への加工は出来なかった。 In Comparative Example 10, which attempted to produce a molded body by SPS under the conditions of a powder particle size of 100 μm or less, a temperature of 800 ° C., and a pressure of 5 MPa, a sufficiently densified molded body could not be obtained, and the cathode member could not be processed. It was.
また、本発明に関する実施例1のカソード部材では、表2より明らかなように、従来から使用されているLaB6、Ta、Wカソードや、溶解法(溶解釜の溶解材)により製造されたIr5Ceカソードに比べて、低いカソード温度でも、高い電流密度が得られることが示された。
Further, in the cathode member of Example 1 relating to the present invention, as is clear from Table 2, IrB manufactured by a conventionally used LaB 6 , Ta, W cathode or a melting method (dissolving material of a melting pot). It has been shown that a high current density can be obtained even at a low cathode temperature compared to a 5 Ce cathode.
Claims (5)
セリウムを30重量%以下で含み、かつ残部がイリジウムであり、
前記カソード部材を構成する結晶粒の最長長さが500μm以下であり、
前記結晶粒が、Ir2Ce結晶相、Ir3Ce結晶相、Ir7Ce2結晶相およびIr5Ce結晶相から選択される少なくとも1種類以上の結晶相で構成されることを特徴とする、電子ビーム生成用カソード部材。 A cathode member for generating an electron beam,
Containing cerium at 30% by weight or less and the balance being iridium;
The longest length of the crystal grains constituting the cathode member is 500 μm or less,
The crystal grain is composed of at least one crystal phase selected from an Ir 2 Ce crystal phase, an Ir 3 Ce crystal phase, an Ir 7 Ce 2 crystal phase, and an Ir 5 Ce crystal phase, Cathode member for electron beam generation.
イリジウム−セリウム原材料を、水冷銅容器を溶解用るつぼとして使用する溶解方式を用いて、不活性化ガス雰囲気下で溶融混合して凝固させた後、粉砕して最長長さが500μm以下である粉体を作製する工程、
得られた粉体を、温度800℃以上1500℃以下、かつ圧力10MPa以上の高温高圧条件下で成型する工程、並びに
得られた成型体を機械加工する工程、を含む電子ビーム生成用カソード部材の製造方法。 A method for manufacturing the electron beam generating cathode member according to claim 1 or 2,
Powder that has a maximum length of 500 μm or less after iridium-cerium raw material is melt-mixed and solidified in an inert gas atmosphere using a melting method using a water-cooled copper container as a melting crucible Producing a body,
An electron beam generating cathode member comprising a step of molding the obtained powder under a high temperature and high pressure condition of a temperature of 800 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower and a pressure of 10 MPa or higher, and a step of machining the obtained molded body. Production method.
The manufacturing method of the cathode member for electron beam generation of Claim 3 or 4 which adds a pure iridium crystal fine powder further as needed after a grinding | pulverization process, and performs a shaping | molding process after that.
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