JPH04253138A

JPH04253138A - 含浸形陰極

Info

Publication number: JPH04253138A
Application number: JP3028006A
Authority: JP
Inventors: Michio Hara; 通雄原; Shinichiro Shiromizu; 白水　進一郎; Shinji Ogawa; 伸二小川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-01-29
Filing date: 1991-01-29
Publication date: 1992-09-08

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、テレビジョン受像機の
受像管や、撮像管、高周波発振管等、各種電子管の陰極
（カソード）として用いられる含浸形陰極に関するもの
であり、特に低温動作のための改良に関するものである
。

【０００２】

【従来の技術】陰極線管や撮像管等の電子管に用いられ
る陰極（カソード）として、耐高電流密度と長寿命を併
せ持つ含浸形陰極が知られている。この含浸形陰極は、
タングステン粉末等を焼結してなる耐熱性の多孔質基体
中に、Ｂａ，Ｃａ，Ａｌ等を含んだ酸化物を電子放出物
質として含浸させた構造を有するものである。

【０００３】ところで、上述の含浸形陰極は、酸化物陰
極等に比べて動作温度が高いという欠点を有しており、
これを改善すべく、含浸形陰極の表面の仕事関数を下げ
、動作温度を低下させる技術が種々開発されている。例えば、特開昭６１−１３５２６号公報には、電子放出
物質を含浸させた耐熱性多孔質基体及びその電子放出面
に、タングステン（Ｗ）等の高融点金属と、スカンジウ
ム（Ｓｃ）または酸化スカンジウムもしくはその両者と
からなる薄層を形成する技術が開示されている。

【０００４】また、特開昭６３−９１９２４号公報には
、含浸形陰極の表面に、ＷとＳｃ２　Ｗ３　Ｏ１２、も
しくはＷとＳｃ８ＷＯ１６からなる薄膜層を形成する技
術が開示されている。さらに、特開昭６３−９８９３０
号公報に記載されるように、耐熱性多孔質基体自体を、
Ｗ等の高融点金属と、酸化スカンジウムまたはＳｃもし
くはその両者とから構成する技術も知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
技術を採用した場合、薄膜層や多孔質基体の構成が複雑
なものとなり、安定した特性が得られないという不都合
を有する。そこで本発明は、かかる従来の実情に鑑みて
提案されたものであって、低温動作できるような良好な
電子放出特性が安定して得られる含浸形陰極を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明は、多孔質基体に電子放出物質が含浸され
てなる含浸形陰極において、電子放出面に厚さ１〜５０
ｎｍの酸化スカンジウム層が形成されていることを特徴
とするものである。

【０００７】

【作用】含浸形陰極の電子放出面に、酸化スカンジウム
のみからなる薄膜層を形成すると、表面の仕事関数が下
がり、動作温度が低下する。この場合、動作温度は酸化
スカンジウム層の厚さによって大きく変わり、酸化スカ
ンジウム層の厚さを１〜５０ｎｍとしたときに９４０℃
以下の低温で動作するようになる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を適用した具体的な実施例につ
いて、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施例の
含浸形陰極１は、図１に示すように、耐熱性の多孔質基
体２に電子放出物質３を含浸させるとともに、その電子
放出面に酸化スカンジウム層４を成膜してなるものであ
る。

【０００９】上記多孔質基体２は、タングステン粒子を
焼結することによって形成される略円板状の基体であっ
て、ここではその構成材料としてタングステン粒子のみ
が用いられている。この多孔質基体２は、相対密度で７
０〜８５％（空孔率１５〜３０％）であることが好まし
い。また、前記多孔質基体２に充填される電子放出物質
３としては、Ｂａを含む電子放出物質が用いられ、通常
はＢａＯ，ＣａＯ，Ａｌ２　Ｏ３　からなる複合酸化物
が用いられる。特に、４ＢａＯ・１ＣａＯ・１Ａｌ２　
Ｏ３　なる組成とするのが一般的である。一方、電子放
出面に成膜される酸化スカンジウム層４は、酸化スカン
ジウム（Ｓｃ２　Ｏ３　）のみからなり、その厚さは１
〜５０ｎｍとされている。この酸化スカンジウム層４に
おいては、膜厚の選定が重要であり、これを前述の通り
１〜５０ｎｍとすることで低温動作が可能となる。膜厚
が１ｎｍ未満であったり５０ｎｍを越えると、動作可能
温度が高くなってしまう。

【００１０】上述の構成を有する含浸形陰極１は、例え
ば図２に示すように、Ｔａ，Ｔｉ等の高融点金属からな
るキャップ５内に装着した後、このキャップ５をスリー
ブ６に例えばレーザ溶接等により結合することで、カソ
ードとして組み立てられる。ここで、スリーブ６内には
、例えばタングステン芯線をアルミナで被覆したヒータ
７が設けられており、このヒータ７によりカソード（含
浸形陰極１）を加熱するようになっている。

【００１１】次に、図１及び図２に示すように電子放出
面に酸化スカンジウム層を形成した含浸形陰極を実際に
作成して、その特性を評価した。作成した含浸形陰極の
多孔質基体は、タングステン粉末のみからなる焼結体で
あり、電子放出物質は４ＢａＯ・１ＣａＯ・１Ａｌ２　
Ｏ３　である。また、酸化スカンジウム層の厚さは５ｎ
ｍとした。図３に作成したカソード（実施例）の動作温
度８５０℃における電子放出特性を示す。なお、図３に
は、比較のために電子放出面をＩｒで被覆したＩｒ被覆
含浸形陰極（比較例）の特性も併せて示す。この図３を
見ると明らかなように、酸化スカンジウム層を形成した
含浸形陰極は、低温（８５０℃）でも非常に良好な電子
放出特性を示している。これに対して、Ｉｒ被覆含浸形
陰極は、動作温度８５０℃では十分な放出電流密度を得
ることができず、低温動作には適さないことがわかる。

【００１２】そこでさらに、酸化スカンジウム層の厚さ
を変え、陰極として動作可能な温度について調べた。結
果を図４に示す。酸化スカンジウム層が全く形成されて
いないと、動作可能温度は１０００℃以上と非常に高い
が、酸化スカンジウム層が僅かでも被着されていると、
急激に動作可能温度が低下する。特に５ｎｍ前後で最も
低くなっている。そして、酸化スカンジウム層の厚さの
増加に伴って、次第に動作可能温度が上昇し、厚さが５
０ｎｍを越えると、動作可能温度が９４０℃を越え不良
となる。

【００１３】また、薄膜層の構成による特性の相違を調
べるために、酸化スカンジウム層単層としたサンプルと
、高融点金属膜との積層構造としたサンプルを、それぞ
れ２０個ずつ作成し、陰極として動作可能な温度のバラ
ツキを調べた。酸化スカンジウム層単層とした場合、酸
化スカンジウム層の厚さは５ｎｍである。高融点金属膜
との積層構造とした場合、酸化スカンジウム層（上層）
の厚さは５ｎｍ、高融点金属膜（下層）の厚さは２５０
ｎｍであり、その他の構成は酸化スカンジウム層単層の
場合と同一である。図５は酸化スカンジウム層単層とし
た場合のサンプル数の分布を示すグラフであり、図６は
高融点金属膜との積層構造とした場合のサンプル数の分
布を示すグラフである。酸化スカンジウム層単層とした
場合には、全てのサンプルの動作可能温度が８００〜９
００℃の範囲にあり、動作可能温度９４０℃以下を良品
とすれば、歩留１００％ということになる。これに対し
て、高融点金属膜との積層構造とした場合には、動作可
能温度のバラツキが大きく、動作可能温度が１０００℃
近いサンプルもあった。また、動作可能温度９４０℃を
越えるサンプルが５個あり、歩留は７５％であった。し
たがって、安定に低温動作可能とするためには、酸化ス
カンジウム層単層とする方が有利である。

【００１４】ところで、上述の構成を有する含浸形陰極
は、電子放出の物質の含浸工程及び酸化スカンジウム層
の形成工程を経て作成され、最後に活性化工程によって
電子放出能が高められる。そして、前記プロセス中、含
浸工程は、Ｂａを含む電子放出物質を１６００〜１９０
０℃に加熱し、真空中あるいは水素雰囲気中でタングテ
ンからなる多孔質基体の空孔中に溶融含浸する工程であ
って、良好な特性を安定に得るために重要な工程である
。これまで、含浸方法としては、例えば特開昭５７−８
７０４０号公報に記載されるように、電子放出物質を高
融点金属キャップに圧縮充填し、これを多孔質基体に被
せる如く配置した後、溶融含浸させる方法が知られてい
る。

【００１５】しかしながら、この例にも見られるように
、これまでの含浸工程は電子放出物質を多孔質基体の片
側からのみ含浸するものばかりで、十分な量の電子放出
物質が多孔質基体中に入らず、特性が安定しないという
不都合がある。特に、上述のように電子放出面に酸化ス
カンジウム層を形成した含浸形陰極においては、十分な
量の電子放出物質が多孔質基体の空孔中に含浸されてい
ないと、良好な電子放出特性が安定して得られない。そこで、図７に示すように、電子放出物質３を多孔質基
体２の上下両側に配置し、真空中、１６００〜１７００
℃（最高温度の範囲）で溶融含浸することが好ましい。このように、電子放出物質を多孔質基体の上下両側に配
置して含浸すれば、十分な量の電子放出物質が多孔質基
体の空孔中に含浸され、良好な電子放出特性が安定して
得られるようになる。実際、電子放出物質を多孔質基体
の上下両側に配置して含浸した場合、多孔質基体１個当
たりに含浸された電子放電物質の重量は４００μｇであ
り、片側に配置して含浸した場合の値（２５０μｇ）を
大きく上回った。

【００１６】また、これまで電子放出物質の含浸工程に
は、タングステンヒータによる抵抗加熱炉や、高周波加
熱炉、グラファイトカーボンによる抵抗加熱炉等が用い
られているが、コストの点や炉体，電源の小型化、応答
性、ヒータ寿命等の点で不満が多い。そこで、航空機用
材料等として開発されたカーボン／カーボン複合材をヒ
ータとする加熱炉を用いることが好ましい。このカーボ
ン／カーボン複合材は、カーボン繊維に有機物質（合成
樹脂等）を含浸させ、還元雰囲気中で焼き固めたもので
、グラファイトカーボンが非常に割れ易いのに対して強
度が高く、しかも熱容量が小さいという特徴を有する。このカーボン／カーボン複合材をヒータとして用いれば
、高温に耐え、ヒータ寿命も長く、電源，炉体等の設備
も簡便な、理想的な高温炉を構成することができる。な
お、前記カーボン／カーボン複合材をヒータとする加熱
炉は、電子放出物質の含浸工程ばかりでなく、多孔質基
体の焼結工程等にも用いることができる。

【００１７】一方、酸化スカンジウム層が形成された後
の活性化工程において、陰極が加熱されると、多孔質基
体の表面近傍に存在する電子放出物質と酸化スカンジウ
ムとが反応して、電子放出能が劣化することがある。そ
こで、図８に示すように、陰極の電子放出面に相当する
多孔質基体２の表面２ａ近傍に存在する電子放出物質３
を、酸化スカンジウム層４を形成する前に予め除去して
おくことが好ましい。ここで、電子放出物質３を除去す
るのは、前記表面２ａからの深さｔが０〜１００μｍ、
好ましくは３〜１００μｍとなる範囲である。このよう
にして得られた含浸形陰極においては、電子放出物質３
と酸化スカンジウム層４が接触することはなく、良好な
特性が得られる。前述のように多孔質基体の表面近傍の
電子放出物質を除去する方法としては、純水あるいは酸
溶液中において含浸工程後の多孔質基体を浸漬あるいは
超音波洗浄（洗浄時間１〜１５分）する方法が挙げられ
る。

【００１８】なお、純水あるいは酸溶液中で電子放出物
質を湿式除去した場合、乾燥工程も新たに設ける必要が
ある。これは、乾燥工程を設けないと、例えば含浸形陰
極を２４時間以上保管しておく際に、除去工程後に残存
する水あるいは酸溶液と電子放出物質が反応し、再び多
孔質基体表面を汚染するからである。ただし、大気中で
加熱乾燥または自然乾燥すると、やはり多孔質基体表面
を電子放出物質が汚染する。そこで、乾燥工程として、
（１）アルコールまたはアセトン等の有機溶剤に多孔質
基体を浸漬するか、あるいは有機溶剤中にて超音波洗浄
する。（２）真空中で加熱あるいは真空中で自然（室温）乾燥
する。（３）アルコールまたはアセトン等の有機溶剤に多孔質
基体を浸漬するか、あるいは有機溶剤中にて超音波洗浄
した後、真空中で加熱あるいは真空中で自然（室温）乾
燥する。のいずれかの方法をとるのが良い。

【００１９】さらに、活性化工程においては、最高温度
や保持時間を適正なものとする必要がある。本発明者等
が活性化工程の条件と電子放出能力の良否について検討
を重ねたところ、活性化工程の最高温度を１０００〜１
３００℃とすることによって、低温動作可能な含浸形陰
極を安定して得ることができることがわかった。また、
最高温度によって最適な保持時間が異なり、最高温度１
０００℃のときに保持時間２〜８時間、１１００℃のと
きに１〜８時間、１２００℃のときに０．５〜３時間、
１３００℃のときに０．５〜２時間とすることによって
、電子放出能力が良好なものとなった。

【００２０】以上、本発明を適用した実施例について説
明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更
が可能であることは言うまでもない。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明においては、多孔質基体に電子放出物質を含浸してな
る含浸形陰極の電子放出面に、厚さ１〜５０ｎｍの酸化
スカンジウム層を設けているので、低温動作できるよう
な良好な電子放出特性を安定して得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した含浸形陰極の一実施例を示す
概略断面図である。

【図２】電子管のカソード部の構造例を示す概略断面図
である。

【図３】実施例における陽極電圧と放出電流密度の関係
を比較例のそれと比べて示す特性図である。

【図４】酸化スカンジウム層の厚さと動作可能温度の関
係を示す特性図である。

【図５】電子放出面に酸化スカンジウム層のみを設けた
場合の動作可能温度のバラツキを示すグラフである。

【図６】電子放出面に高融点金属膜と酸化スカンジウム
層を設けた場合の動作可能温度のバラツキを示すグラフ
である。

【図７】含浸工程の一例を示す概略断面図である。

【図８】電子放出面近傍の電子放出物質を除去した含浸
形陰極の一例を示す概略断面図である。

【符号の説明】

２・・・多孔質基体３・・・電子放出物質４・・・酸化スカンジウム層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　多孔質基体に電子放出物質が含浸され
てなる含浸形陰極において、電子放出面に厚さ１〜５０
ｎｍの酸化スカンジウム層が形成されていることを特徴
とする含浸形陰極。