JPH06260079A - 含浸形陰極 - Google Patents

含浸形陰極

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JPH06260079A
JPH06260079A JP4502893A JP4502893A JPH06260079A JP H06260079 A JPH06260079 A JP H06260079A JP 4502893 A JP4502893 A JP 4502893A JP 4502893 A JP4502893 A JP 4502893A JP H06260079 A JPH06260079 A JP H06260079A
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JP
Japan
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thin film
cathode
impregnated
porous body
film layer
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JP4502893A
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English (en)
Inventor
Tadanori Taguchi
貞憲 田口
Yukio Suzuki
行男 鈴木
Norihisa Miyama
憲久 深山
Shunji Saito
駿次 斎藤
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 さらなる高電流密度を得る。 【構成】 多孔質体と、この多孔質体の細孔部に含浸さ
れたバリウムを含む電子放出物質とを備える含浸形陰極
において、前記多孔質体の主表面に順次被着された第1
薄膜と第2薄膜を備え、該第1薄膜は少なくともバリウ
ムを含んだ薄膜、第2薄膜は少なくともタングステン、
スカンジウム、および酸素を含む薄膜からなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、含浸形陰極に係り、た
とえば表示管、ブラウン管、撮像管、進行波管等に組み
込まれる含浸形陰極に関する。
【0002】
【従来の技術】この種の含浸形陰極は、たとえばタング
ステン(W)からなる耐熱多孔質基体にバリウム(B
a)化合物からなる電子放出物質を含浸した構成からな
る。
【0003】そして、近年では、該陰極の動作温度を下
げるため、該耐熱多孔質基体の主表面に、たとえばスパ
ッタ蒸着、原料粉末の焼き付け、あるいは焼結体とし
て、WとSc23からなる複合薄膜を形成する構成が知
られるようになった(特開昭61−13526号公報参
照)。
【0004】すなわち、このような構成において、陰極
内部で耐熱多孔質体と電子放出物質が反応してまずBa
を生成する。生成されたBaは耐熱多孔質体の細孔部内
を拡散して、その一部は陰極表面に拡散するとともに、
他の一部は表面の複合薄膜と反応してScを生成するよ
うになる。
【0005】このようにして陰極表面に拡散したBaお
よびScはBaOの熱分解等により形成される酸素と結
合し、単分子程度の極めて薄い低仕事関数の複合層を形
成することになる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成からなる含浸形陰極は、(Ba、Sc、O)か
らなる低仕事関数複合層の形成に長時間を要し、さらに
該複合層の形成率に安定した再現性が得られないという
問題点が認識されるようになってきた。
【0007】このため電子放出量がいまだ充分でなく、
高電流密度の向上が望まれていた。
【0008】本発明はこのような事情に基づいてなされ
たものであり、その目的とするところのものは、さらな
る高電流密度を得ることのできる含浸形陰極を提供する
ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、基本的には、多孔質体と、この多
孔質体の細孔部に含浸されたバリウムを含む電子放出物
質とを備える含浸形陰極において、前記多孔質体の主表
面に順次被着された第1薄膜と第2薄膜を備え、該第1
薄膜は少なくともバリウムを含んだ薄膜、第2薄膜は少
なくともタングステン、スカンジウム、および酸素を含
む薄膜からなることを特徴とするものである。
【0010】
【作用】このように構成された含浸形陰極によれば、そ
の陰極ペレット上にBaを含む第一の薄膜層が存在する
ことによって、第二の薄膜層の表面に低仕事関数(B
a、Sc、O)複合層の形成を短時間で形成させること
になることが確認された。
【0011】すなわち、加熱初期の段階で、陰極内部で
多量のBaが生成され、これによりScも容易に生成さ
れる結果、陰極表面において極めて短時間で低仕事関数
(Ba、Sc、O)複合層によって被われることにな
る。
【0012】この低仕事関数(Ba、Sc、O)複合層
は再現性よくしかも安定して得ることができ、したがっ
て、電子放出特性を向上させることができるようにな
る。
【0013】このため、陰極表面に電子放出に適した低
仕事関数の複合層を短時間でしかも再現性良く形成で
き、電子放出特性の優れたものになる。
【0014】したがって、さらなる高電流密度を得るこ
とができるようになる。
【0015】
【実施例】図1は、本発明による含浸形陰極の一実施例
を示す断面図である。
【0016】同図において、まず、陰極ペレット3があ
る。この陰極ペレット3は、耐熱多孔質基体1内に電子
放出物質2が含浸されて構成されている。
【0017】この陰極ペレット3は、たとえば次のよう
にして形成される。まず、平均粒径5μmのW粉末を、
1.25%のポリメチルメタアクリルをバインダとして
添加したアセトン液中で撹拌しながら徐々にアセトンを
揮発させることによって顕粒化を行う。そして、この顕
粒を200メッシュのふるいで分粒し、プレス成形、水
素中仮焼結、真空中焼結を行うことによって空孔率28
%の耐熱多孔質基体1を得る。
【0018】そして、該耐熱多孔質基体1を水素雰囲気
中に配置し、この水素雰囲気中で、4BaO・CaO・
Al23の組成からなる電子放出物質2を加熱させるこ
とによって、該電子放出物質2を耐熱多孔質基体1の細
孔部内に含浸させる。その後、該耐熱多孔質基体1の表
面に付着されている余剰の電子放出物質を除去する。
【0019】そして、このように構成された陰極ペレッ
ト1は、それが挿入されるカップ状のMoからなる障壁
層4を介して筒状のスリーブ5の一端における開口部に
接合されている。
【0020】さらに、該スリーブ5の内部には、その他
端における開口部からヒータ6が挿入されて配置されて
いる。
【0021】そして、この実施例では、特に、前記陰極
ペレット3のヒータ6側の面と対向する主表面におい
て、Baを含む第一の薄膜層7、さらには(W、Sc、
O)を含む第二の混合薄膜層8が、スパッタ蒸着、イオ
ンプレーテング、真空蒸着、CVD(化学気相成長法)
等を用いて形成されている。
【0022】ここで、前記第一の薄膜層7および第二の
薄膜層8は、たとえば次のようにして形成される。
【0023】用いる装置としては、異種膜を連続して多
層に形成が可能なスパッタリング装置を使用し、スパッ
ターゲットとしてBaCO3、W、WO3、Sc23の四
種を用いる。
【0024】そして、前記記陰極ペレット3の表面にま
ずBaCO3ターゲットを用いて第一の薄膜層7を形成
する。次いで、この第一の薄膜層7上に、W、WO3
Sc23のそれぞれのターゲットを用いた3次元同時ス
パッタリングを行い、(W、WO3、Sc23)からな
る第二の混合薄膜層8を形成する。
【0025】ここで、それぞれの膜形成は、いずれもア
ルゴン(Ar)を放電ガスとして高周波(RF)スパッ
タリングにより、第一の薄膜層7を90nmの厚さで被
着した後、連続して第二の混合薄膜層8を200nmの
厚さで被着する。この場合、スパッタ各薄膜の厚さの調
整はスパッタリングパワーおよび時間の調整によって行
い、また、第二の混合薄膜8の組成はそれぞれのターゲ
ットパワー比を調整することによって可能となる。な
お、この混合薄膜組成は、たとえば溶液発光分光分析
(ICP)法により調べた結果、Sc/W(重量比)が
0.029〜0.036の範囲の場合に優れた電子放出
特性が得られることが判明した。
【0026】このように構成した含浸形陰極は、次のよ
うにして動作する。
【0027】まず、ヒータ6への通電によってこれを加
熱することによって、第二の混合薄膜層8の内部で、W
3とSc23とが次式で示す反応で反応し、Sc23
12が生成される。
【0028】 WO3+Sc23⇒Sc2312…………(1) 次に、耐熱多孔質基体1のWと第一の薄膜層7のBaO
が反応し、下記の反応式(2)で、さらには耐熱多孔質
基体1のWと電子放出物質2のBa3Al26が反応し
て、反応式(3)によってBaが生成される。
【0029】 4BaO+W⇒BaWO4+3Ba…………(2) (2/3)Ba3Al26+(1/3)W ⇒(1/3)BaWO4+(2/3)BaAl24+Ba………(3) このことから、陰極の加熱初期においては、(2)式が
支配的で大量のBaを生成することになる。
【0030】生成したBaの一部は陰極表面に拡散する
と同時に、他のBaはSc2312と反応し、反応式
(4)によってScが生成される。
【0031】 Sc2312+3Ba⇒3BaWO4+2Sc…………(4) 陰極表面に拡散したBaおよびScは、第一の薄膜層7
のBaO、電子放出物質2の熱分解によって生じる酸素
や雰囲気中の酸素と結合して、陰極表面に単分子層から
数分子層程度の極めて厚さの薄い(Ba、Sc、O)複
合層9が短時間で形成される。
【0032】そして、このように形成された複合層9は
その電子放出仕事関数が1.2eVと小さく、高い電子
放出能が得られることになる。
【0033】このように構成した含浸陰極の電子放出特
性を以下の方法で測定した結果について説明する。
【0034】まず、電子放出特性は、真空度10~7Pa
クラスの高真空容器内に陽極と陰極からなる平行平板の
2電極を配置し、陰極温度を1150℃まで加熱して陰
極を活性化した後、陰極温度を850℃に下げて陽極に
正のパルス電圧を印加し、陰極からの放出電流を測定し
た。
【0035】図3は、陰極の活性化時間と動作温度85
0℃における放出電流密度との関係を示したものであ
る。同図において、特性31は、実施例による含浸形陰
極である。特性32は、陰極表面に(W−Sc23)薄
膜を有している従来のものである。さらに、特性33
は、表面に(Os−Ru)合金を被覆した従来のもの
で、動作温度1000℃における放出電流特性である。
【0036】この図から明らかなように、特性33の従
来陰極は活性化を繰り返しても、放出電流密度の飽和に
多くの時間を要することが判る。実施例の特性31によ
る陰極の場合、最大の放出電流密度を示す活性化時間は
極めて短くなっていることが判る。
【0037】また、放出電流特性においても優れ、しか
も安定かつ再現性良く得られた。
【0038】さらに、図4は、実施例による陰極の、活
性化した陰極表面のオージェスペクトルを示すグラフで
ある。ここでのオージェスペクトルは動作状態(陰極温
度850℃)で分析したものである。
【0039】この図は、陰極表面上に電子放出に適した
単分子層から数分子層程度の極めて薄い低仕事関数(B
a、Sc、O)複合層が形成されていることを示してい
る。
【0040】以上説明したことから明らかなように、実
施例による含浸形陰極によれば、その陰極ペレット3上
にBaを含む第一の薄膜層7が存在することによって、
第二の薄膜層8の表面に低仕事関数(Ba、Sc、O)
複合層9の形成を短時間で形成させることになることが
確認された。
【0041】すなわち、加熱初期の段階で、陰極ペレッ
ト3内部で多量のBaが生成され、これによりScも容
易に生成される結果、陰極ペレット3の表面において極
めて短時間で低仕事関数(Ba、Sc、O)複合層9が
被われることになる。
【0042】この低仕事関数(Ba、Sc、O)複合層
9は再現性よくしかも安定して得ることができ、したが
って、電子放出特性を向上させることができるようにな
る。
【0043】なお、上述した実施例において、第二の混
合薄膜層8としては、Baと反応してScを生成するこ
との容易な(W、WO3、Sc23)、(W、Sc
23)、(W、Sc2312)、(W、WO3、Sc2
312)、(W、WO3、Ba2Sc25)、(W、W
3、Ba2Sc49)、(W、Sc6WO12)、(W、
WO3、Sc6WO12)、(W、Ba2Sc25)、
(W、Ba3Sc49)のいずれかから選択することが
効果的でるあことが判明した。
【0044】また、第一の混合薄膜層7としては、Ba
を主成分とし、耐熱多孔質基体の耐熱金属部との反応が
大きいことが望ましく、BaO、BaCO3、Ba(O
H)2、Ba3Al26、(Ba、Sr、Ca)O、(B
a、Sr、Ca)CO3もしくはBA−Caアルミネー
ト化合物の中から選ばれた少なくとも一を用いることが
効果的であることが判明した。
【0045】さらに、第一の薄膜層7の厚さは30〜1
000nmの範囲で、第二の混合薄膜の厚さは60〜7
00nmの範囲が効果的であることが判明した。
【0046】なお、このような含浸形陰極を電子管に実
装した場合に、動作温度を従来の(Os−Ru)合金が
被覆された陰極よりもさらに150〜200℃まで下げ
ることができるので、動作中における陰極表明からのB
aおよびBaOの蒸発速度を約一桁低減でき、グリッド
・エミッション等に起因する管球特性の劣化を防止する
ことができるようになる。さらに、低温動作で駆動でき
ることから、陰極を加熱するヒータの信頼性も大幅に向
上するようになる。
【0047】
【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明による含浸形陰極によれば、さらなる高電流密度
を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による含浸形陰極の一実施例を示す断面
構成図である。
【図2】本発明による含浸形陰極の一実施例の効果を示
すグラフである。
【図3】本発明による含浸形陰極の一実施例の効果を示
すグラフである。
【符号の説明】
1 耐熱多孔質基体 2 電子放出物質 3 陰極ペレット 7 第一の薄膜層 8 第2の混合薄膜層 9 複合層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 駿次 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所電子デバイス事業部内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多孔質体と、この多孔質体の細孔部に含
    浸されたバリウムを含む電子放出物質とを備える含浸形
    陰極において、 前記多孔質体の主表面に順次被着された第1薄膜と第2
    薄膜を備え、該第1薄膜は少なくともバリウムを含んだ
    薄膜、第2薄膜は少なくともタングステン、スカンジウ
    ム、および酸素を含む薄膜からなることを特徴とする含
    浸形陰極。
JP4502893A 1993-03-05 1993-03-05 含浸形陰極 Pending JPH06260079A (ja)

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