JPH03250524A

JPH03250524A - 含浸形陰極

Info

Publication number: JPH03250524A
Application number: JP2045380A
Authority: JP
Inventors: Tadanori Taguchi; 田口　貞憲; Yukio Suzuki; 鈴木　行男
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-02-28
Filing date: 1990-02-28
Publication date: 1991-11-08

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】［産業上の利用分野］本発明は表示管、ブラウン管、撮像管、進行波管などの
電子管に用いられる含浸形陰極に係り、特に、低温動作
型であり、かつ、高電流密度を安定して得ることのでき
る含浸形陰極に関する。

［従来の技術］含浸形陰極は、タングステン（Ｗ）もしくはモリブデン
（ＭＯ）からなる耐熱性多孔質基体の空孔部にバリウム
（Ｂａ）を主成分とする電子放出物質を溶融含浸させた
ペレットを用いることが基本となっている。

含浸型陰極は一般に動作温度が高いため、動作温度を下
げる方法として、例えば特公昭４７−２１３４３号公報
記載のように、陰極基体表面にオスミウム−ルテニウム
（Ｏｓ−Ｒｕ）合金膜などを被覆する方法が一般的に用
いられている。しかし、この方法によっても、動作温度
は約１０００℃と高く、実用化促進に対する大きな障害
となっていた。

動作温度をさらに下げる方法として、特開昭６１−１３
５２６号公報記載のように、上記０ｓ−Ｒｕ膜の代りに
Ｗおよびスカンジウム（Ｓｃ）酸化物薄膜を被覆する方
法が提案されている。この方法によれば高い電子放出能
が得られ、結果として動作温度を１５０〜２００℃下げ
ることができる。しかし、この場合には高い電子放射能
を得るための活性化に高温（約１１５０℃）で長時間（
７〜１５時間）の加熱を必要とし、さらに特性のばらつ
きが大きいという問題点があった。

［発明が解決しようとする課題］上記したように、従来技術の含浸形陰極においては、動
作温度は下げられても、活性化に高温・長時間を要した
り、陰極個体間のばらつきが大きく、実装する上での難
点があった。

本発明の目的は、上記従来技術の有していた課題を解決
して、低温動作型でありがっ高電流密度を安定して得る
ことのできる含浸形陰極を提供することにある。

［課題を解決するための手段］上記目的は、ＷもしくはＭｏを主成分とする耐熱金属多
孔質基体の空孔部にＢａを主成分とする電子放出物質を
溶融含浸させ、その表面にＷとＷおよびＳｃを含む酸化
物の薄膜を設けてなる含浸形陰極において、上記耐熱金
属多孔質基体をＷもしくはＭＯにＷもしくはＭＯよりも
還元力の大きい活性金属を分散もしくは添加した多孔質
基体とすることによって達成することができる。

ナオ、上記活性金属としては、Ｎｂ、Ｔａ、■、Ｔ１、
Ｚｒ、　Ｈ「、Ｍｇ、　Ｓｉ、　Ｔｈおよびこれらを含
む合金からなる群から選ばれる少なくとも何れか一つと
した場合に顕著な効果が得られる。

［作用コ第１図は本発明含浸形陰極の概略構成を示す断面図で、
Ｎｂ、　Ｔａ、　Ｖ、　Ｔｉ、　Ｚｒ、Ｈｆ、　Ｍｇ、
　Ｓｉ、　Ｔｈおよびこれらを含む合金からなる群から
選ばれる少なくとも何れか一つの活性金属８をＷもしく
はＭｏ　Ｑ中に分散（または添加）させた耐熱金属多孔
質基体１とその空孔部に含浸させた電子放出物質２とか
らなる下地含浸形陰極ペレット３、障壁層４、スリーブ
５、ヒータ６、ＷとＷおよびＳｃを含む酸化物との混合
薄膜７からなることを示す。

ここで、まずヒータ６に通電し陰極を加熱すると、下地
含浸形陰極ベレット３内において耐熱多孔質体１と電子
放出物質２とが反応してＢａが生成される。生成したＢ
ａの一部は陰極表面に拡散し、同時に他のＢａは薄膜７
中のＷとＳｃを含む酸化物と反応してＳｃを生成する。

例えば薄膜７中のＳｃを含む酸化物がＳｃ、　Ｗ、　Ｏ
，、からなる場合、Ｓｃ、Ｗ、Ｏ，、とＢａとが反応し
下式によってＳｃが形成される。

Ｓｃ、Ｗ、Ｏ，、＋　３８ａ　＝　３８ａＷＯ４＋　２
Ｓｃ　　　（１）このようにして陰極表面に拡散したＢ
ａおよびＳｃは電子放出物質２の熱分解によって生じた
酸素や雰囲気中の酸素と結合して、薄膜７上に単分子〜
数分子層程度の厚さの極めて薄い（Ｂａ、　Ｓｃ、０）
複合層を形成し、これによって陰極の電子放出仕事関数
が１，２ｅＶと低下（該複合層が存在しない場合の仕事
関数は約２，０ｅＶ）して電子放出能が大幅に向上する
。電子放出能向上によって陰極動作温度を大幅に下げる
ことが可能になる。

また、陰極の活性化時間は上記（Ｂａ、　Ｓｃ、　０）
複合層の形成速度に依存する。（Ｂａ、　Ｓｃ、０）の
形成速度は、さらに、Ｓｃの生成速度に依存するが、Ｓ
ｃの生成は、上記したように、（１）式の反応によって
行われ、Ｂａが多量に形成されればＳｃが容易に形成さ
れ、活性化時間が短縮されることになる。ここで、本発
明のように耐熱多孔質体１にＷあるいは旧よりも還元力
の大きい活性金属を分散あるいは添加することによって
該活性金属と電子放出物質２とが反応し、容易に多量の
Ｂａを生成することができる。例えば、活性金属として
Ｚ「を、電子放出物質２としてＢａ、Ａｌ、Ｏ，を用い
た場合には下式によってＢａが容易に多量に形成される
。

Ｂａ、Ａｌ５Ｏ，＋Ｚｒ　＝ＢａＺｒＯ，＋Ａ１．Ｏ，
＋２８ａ　　（２）Ｂａが多量に形成されることによっ
て、陰極表面が短時間で低仕事関数の（Ｂａ、　Ｓｃ、
　０）複合層で覆われることになる。

ここで、上記活性金属の効果は、耐熱多孔質基体１中に
分散させた場合でもあるいは添加した場合でもほぼ同様
である。また、耐熱多孔質基体ｌの母材としてはＷある
いはＮｏが用いられるので、上記活性金属としてＷある
いは阿０よりも還元力の大きい金属あるいは合金を用い
ることが効果的であることは改めて説明するまでもない
。なお、活性金属の分散・添加量は、耐熱多孔質基体重
量の数〜５０％の範囲で選ぶことができる。

［実施例コ以下、本発明の含浸形陰極について実施例によって具体
的に説明する。

まず、第１図に基づいて本発明陰極の作成手順について
説明する。すなわち、まず１粒径５−のＷ粉末と粒径３
−のＺｒ粉末とを０〜５０重量％の範囲で混合、プレス
成形し、水素雰囲気中で仮焼結を行い、さらに真空中で
本焼結を行うことによって、空孔率が約２６％でしかも
Ｚｒが分散（一部は−と反応）した耐熱多孔質基体１を
作成し、非酸化性雰囲気（あるいは真空）中で該基体１
に４ＢａＯ−ＣａＯ−ＡＩ、Ｏ，の組成からなる電子放
出物質２を加熱溶融・含浸させて、下地含浸形陰極ベレ
ット３を作成した。次いで、該ペレット３をＭｏ製のカ
ップ状＃壁層４に挿入し、さらに、ヒータ６を内包する
ためのＭｏ製スリーブ５に挿入、固着して陰極構体を作
成した。

次に、複数物質の同時スパッタリング可能な装置を用い
、Ｗおよびｓｃｓ’ｓｏ＋ｓの２種をスパッタターゲッ
トとして上記陰極構体のペレット３の表面にＷとＳｃ、
　Ｗ、　Ｏ，、とからなる混合薄膜７を形成した。すな
わち、上記２種のターゲットをスパッタリング装置内に
装着し、装置内を約３　Ｘ　１０−’　Ｐａまで排気し
、アルゴン（Ａｒ）ガスをフロー（３０ｓｅｃｍ、この
時の雰囲気は４ＸＩＯ−“Ｐａ）した後、装置排気系の
主バルブにより１０　Ｐａの圧力に調節した状態で、陰
極構体を水冷しながら、ＷはＤＣスパッタにより、Ｓｃ
、　Ｗ、　Ｏ，、はＲＦスパッタによってスパッタリン
グを行った。このとき、スパッタリングは混合薄Ｍ７の
厚さが５０〜１１０００ｎの範囲で、しかも混合１８Ｍ
中のＳｃ、Ｗ、Ｏ，、が１８〜３３重量％トナルように
スパッタパワーをそれぞれ調節して行った。

なお、Ｓｃ、Ｗ、０．、が１８〜３３重量％の混合薄膜
７を溶液発光分光分析（ＩＣＰＳ）法によりＳｃとＷの
重量比を求めたところＳｃ／Ｗ　＝０．０２〜０．０４
の範囲であった・耐熱多孔質基体１としてＷに１０重量％のＺｒ粉末を分
散させたものを用い、混合薄膜７の組成をＷ−２５重量
％Ｓｃ、　Ｗ、　Ｏ，、とした場合の本発明含浸形陰極
について、ＩＯ−”Ｐａオーダーの高真空容器内に設け
た陽極と陰極とからなる２極管配置において、陰極温度
を１１５０℃に加熱して活性化を行った場合の、陽極に
正のパルス電圧を印加して求めた９００℃における飽和
電流密度と活性化時間との関係を第２図に示す。図にお
いて、（ａ）は本発明陰極の、（ｂ）は耐熱多孔質基体
がＷのみからなる従来形陰極の特性を示したものである
が、この結果から、（ｂ）の場合は活性化に要する時間
が７〜１５時間と長く、特性のばらつきも大きいのに対
して、（ａ）の場合には１時間程度の活性化で飽和電流
密度特性が飽和し、しかも特性のばらつきも極めて小さ
いことがわかる。

第３図は本発明構成の含浸形陰極を１１５０℃×１時間
活性化を行った後の陰極表面についてオージェ分析を行
った結果を示す図で、この結果から。

陰極表面に低仕事関数の（Ｂａ、　Ｓｃ、０）層が形成
されていることがわかる。これは、活性化中に陰極表面
にＢａ、　Ｓｃ％Ｏの供給があったことを示すものであ
る。特に、　Ｓｃの供給は前掲（１）式の反応によって
生成し、陰極内でのＢａの生成量に依存することから、
本発明のように耐熱多孔質体に還元力の大きい活性金属
を分散などにより添加することによって、前掲（２）式
によりＢａの生成量が増大し、陰極表面に短時間で低仕
事関数の（Ｂａ、　５ｃＯ）複合層が形成できるため、
活性化時間を短縮できることになる。

また、本発明の含浸形陰極を用いた場合、動作温度をこ
れまで公知の含浸形陰極（例えば、特公昭４７−２１３
４３号公報記載など）よりもさらに１５０〜２００℃近
く下げ得ることから、陰極表面からのＢａおよびＢａＯ
の蒸発速度を１．５〜２桁程度低くすることができ、グ
リッドエミッションなどに起因する管球特性の劣化を大
幅に低減することができる。

さらに、動作温度を下げ得ること、活性化時間を短縮し
得ることによって動作中のヒータの信頼性も向上する。

なお、上記実施例においては電子放出物質を溶融含浸さ
せた耐熱金属多孔質基体の表面に形成するｆｄｊ膜とし
てＷとＷおよびＳｃの酸化物からなる薄膜を用いた場合
の例について説明したが、Ｓｃの他にさらにイツトリウ
ムなどの希土類元素を数〜１０％の範囲で添加すること
もできる。

［発明の効果コ以上述べてきたように、含浸形陰極を本発明構成の含浸
形陰極とすること、すなわち、ＷもしくはＭｏを主成分
とする耐熱金属多孔質基体の空孔部にＢａを主成分とす
る電子放出物質を溶融含浸させ、その表面にＷとＷおよ
びＳｃを含む酸化物からなる薄膜を設けてなる含浸形陰
極において。

上記耐熱金属多孔質基体としてＷもしくはＭ。

にＷもしくはＭｏよりも還元力の大きい活性金属を分散
もしくは添加した多孔質基体を用いた含浸形陰極とする
こと、によって、従来技術の有していた課題を解決して
、低温動作形でありかつ高電流密度を安定して得ること
ができ、従って、管球特性劣化発生を格段に改善するこ
とのできる含浸形陰極を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明含浸形陰極の概略構成を示す断面図、第
２図は活性化時間と飽和電流密度との関係を示す図で、
（ａ）は本発明陰極の、（ｂ）は従来形陰極についての
経過を示したもの、第３図は本発明構成含浸形陰極活性
化後の陰極表面についてのオージェスペクトルを示した
図である。１・・・耐熱金属多孔質基体、２・・・電子放出物質、
３・・・下地含浸形陰極ペレット、　　４・・・障壁層
、５・・・スリーブ、　　　　　　　　　６・・・ヒー
タ、７・・・ＷとＷおよびＳｃを含む酸化物との混合薄
膜、８・・・活性金属、　　　　　９・・・Ｗもしくは恥第
１図シー８　柱イヒ時Ｆ５（ｈｌ０００００オー遇電子二ネルで（ｅＶｌ

Claims

【特許請求の範囲】１、ＷもしくはＭｏを主成分とする耐熱金属多孔質基体
の空孔部にＢａを主成分とする電子放出物質を溶融含浸
させ、その表面にＷとＷおよびＳｃを含む酸化物からな
る薄膜を設けてなる含浸形陰極において、上記耐熱金属
多孔質基体がＷもしくはＭｏにＷもしくはＭｏよりも還
元力の大きい活性金属を分散もしくは添加した多孔質基
体であることを特徴とする含浸形陰極。２、上記活性金属が、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈ
ｆ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｈおよびこれらを含む合金からなる
群から選ばれる少なくとも何れか一つの活性金属である
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の含浸形陰
極。