JPH06260079A - 含浸形陰極 - Google Patents

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Ｓｃ₂Ｏ₃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・
Ａｌ₂Ｏ₃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、Ｓｃ₂Ｏ₃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、
Ｓｃ₂Ｏ₃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、Ｓｃ₂Ｏ₃）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
Ｏ₃とＳｃ₂Ｏ₃とが次式で示す反応で反応し、Ｓｃ₂Ｗ₃
Ｏ₁₂が生成される。

【００２８】 ＷＯ₃＋Ｓｃ₂Ｏ₃⇒Ｓｃ₂Ｗ₃Ｏ₁₂…………（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Ｂａ₃Ａｌ₂Ｏ₆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）Ｂａ₃Ａｌ₂Ｏ₆＋（１／３）Ｗ ⇒（１／３）ＢａＷＯ₄＋（２／３）ＢａＡｌ₂Ｏ₄＋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Ｓｃ₂Ｗ₃Ｏ₁₂と反応し、反応式
（４）によってＳｃが生成される。

【００３１】 Ｓｃ₂Ｗ₃Ｏ₁₂＋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−Ｓｃ₂Ｏ₃）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、Ｓｃ₂Ｏ₃）、（Ｗ、Ｓｃ
₂Ｏ₃）、（Ｗ、Ｓｃ₂Ｗ₃Ｏ₁₂）、（Ｗ、ＷＯ₃、Ｓｃ₂Ｗ
₃Ｏ₁₂）、（Ｗ、ＷＯ₃、Ｂａ₂Ｓｃ₂Ｏ₅）、（Ｗ、Ｗ
Ｏ₃、Ｂａ₂Ｓｃ₄Ｏ₉）、（Ｗ、Ｓｃ₆ＷＯ₁₂）、（Ｗ、
ＷＯ₃、Ｓｃ₆ＷＯ₁₂）、（Ｗ、Ｂａ₂Ｓｃ₂Ｏ₅）、
（Ｗ、Ｂａ₃Ｓｃ₄Ｏ₉）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、Ｂａ₃Ａｌ₂Ｏ₆、（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。