JPH0630214B2 - 含浸カソードおよびその製造方法 - Google Patents

含浸カソードおよびその製造方法

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JPH0630214B2
JPH0630214B2 JP4668985A JP4668985A JPH0630214B2 JP H0630214 B2 JPH0630214 B2 JP H0630214B2 JP 4668985 A JP4668985 A JP 4668985A JP 4668985 A JP4668985 A JP 4668985A JP H0630214 B2 JPH0630214 B2 JP H0630214B2
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/04Manufacture of electrodes or electrode systems of thermionic cathodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02Main electrodes
    • H01J1/13Solid thermionic cathodes
    • H01J1/20Cathodes heated indirectly by an electric current; Cathodes heated by electron or ion bombardment
    • H01J1/28Dispenser-type cathodes, e.g. L-cathode

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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Solid Thermionic Cathode (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、耐熱性金属の多孔性体がアルカリ土類を含む
溶融酸化物を含浸して成る含浸カソードに関する。
〔従来技術〕
初期の含浸カソードが、多孔性体を形成するために一団
の粉状タングステンを焼結することによつて作られた。
多孔性材料は、所望の形状に機械加工するために溶融銅
又は有機重合体を含浸された。機械加工後、この含浸剤
に除去されて、多孔性カソードは溶融アルミン酸バリウ
ムを含浸された。1955年1月18日にアール・レビ
に発行された米国特許第2,700,000号が、そのようなカ
ソードを説明している。
1964年11月12日に発行された米国特許第3,373,
307号が、放出面がイリジウム又は他の白金族の金属で
コーテイングされる改良含浸カソードを説明している。
そのコーテイングは電子放出を改良するが、その改良は
しばしば一時的なものであることが知られている。主な
問題が、高電流密度が高圧でカソードから生じる電子管
で、イオンが残留ガスから形成されることにあると考え
られる。それらのイオンは、カソードへと後方に加速さ
れて、薄い層を表面からスパツタ(sputter)してイリ
ジウムを除去する。
1979年8月21日にルイス・アール・フマルスに発
行されて本発明の譲受人に譲渡された米国特許第4,165,
473号が、イリジウム又は均等物の粒子がマトリツクス
(matrix)のタングステン粒子中に分散したカソードを
開示している。焼結中、イリジウムは、部分的にタング
ステンと合金になる。この分散したカソードは、表面の
スパツタリングの問題を解決した。しかしながら、焼結
は非常に微妙な処理であることが知られている。その時
間及び温度が多くの合金を作るのに十分であるならば、
放出は、しばしば少ない。焼結が最小に保たれるなら
ば、放出は最初良好であるが、イリジウム及びタングス
テンの相互拡散が動作温度で起こつて反応しない合金を
形成する。この相互拡散はまた、表面へのバリウムの供
給をもたらし、放出での結果として生じる崩壊とともに
衰える。更に、カソードボタンの収縮が放出面のひずみ
とともに起こる可能性があり、逆に電子銃に衝突する。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、永続的スパンに亘つて改良された放出
を有する含浸カソードを提供することである。
本発明の他の目的は、製造及び動作の正確なパラメータ
を許容する含浸カソードを提供することである。
これらの目的は、2種類の粒子の混合の多孔性マトリツ
クスを形成することによつて達成される。2種類の粒子
とは、タングステン−イリジウム合金の小さい粒子及び
純粋タングステンの多孔性マトリツクスから成る大きい
粒子である。
〔好適実施例の説明〕
進歩的カソードの物理的形態のための基礎として、デイ
スペンサーカソードの動作の概念について以下に簡単に
説明する。基本的に従来技術のカソードでしばしば相争
つていた2つの要件がある。
第1に、放出面が、低い仕事関数を有することを必要と
される。これは、バリウム、ストロンチウム、カルシウ
ムのようなアルカリ土類金属又はこれらの混合物の薄い
(ときどき1原子から成る)、しばしば更に酸素も含む
層によつてもたらされる。
第2の要件は、活性層が蒸着又はスパツタリングによる
動作で除去されるとき活性層を補充するための手段であ
る。
以下の説明で、用語「タングステン」は、モリブデンの
ような多数の耐熱性で適度に化学的活性の金属を含むよ
うに使用される。用語「バリウム」は、アルカリ土類金
属又は化合物の例として使用され、加えてカルシウム、
ストロンチウム、及びそれらの合金もまた含み得る。
もとのタングステンマトリツクスカソードで、放出層
は、多孔性タングステンの表面上にある。多孔性タング
ステンは、適度に低い仕事関数を有し、従つて、1平方
センチメートルあたり数アンペアの放出性能を与える。
寿命は、非常に良好である。しかしながら、アルミン酸
バリウム含浸剤と接触するタングステンマトリツクスの
表面は、約1000℃の動作温度で化学的に還元されている
ため、酸化物と反応してバリウム自由原子を生成するの
に十分である。次にこのバリウムを、表面物質が除去さ
れたのと同じ速度で活性面を再活性化するための活性面
に輸送し得る。
イリジウム又は白金族の他の金属を表面層に加えること
により、更に仕事関数の顕著な低下を引き起こし、従つ
て、より高い放出密度をもたらす。仕事関数は、表面の
金属がバリウム双極分子層を分極し得る程度によつて影
響を及ぼされる考えられる。
イリジウムは、バリウム原子のより緊密な結合をもたら
し、仕事関数と同様に蒸着をも減少させる。しかしなが
ら、イリジウムは、低い還元力を有する。米国特許第4,
165,473号によつて説明されるようにイリジウムがマト
リツクスへ加えられるとき、イリジウムは、たぶん多く
が塊状合金としてよりも表面コーテイングとして、タン
グステンと合金になる。これによつてタングステンの還
元力は減り、失われたバリウムの補充速度は低下するで
あろう。
第1図に示す本発明の実施において、タングステン−イ
リジウム合金粒子12のマトリツクス10で純粋タング
ステンの多孔性の「アイランド(islands)」14が提
供される。イリジウムは、低い仕事関数を有するために
活性化され得る表面20をもたらす。表面物質が除去さ
れるときさえ、表面は再生される。純粋タングステンア
イランド14は、多孔性粒子である。その粒子の各々
が、ともに焼結される多数の細かいタングステン粒子1
6から形成される。これらの大きな表面領域は、還元接
触面に含浸剤18をもたらして、放出面20へ再活性化
バリウムの適切な供給をもたらす。タングステンアイラ
ンドの大きさ及び回旋状態(convolutions)は、これら
の外面上を除いてイリジウムと合金になるのを防止する
のに十分である。
進歩的カソードを生成するための処理の一例として、以
下の工程が行なわれる。
1.多孔性タングステン棒原料が、周知のように直径約
5ミクロンの微小なタングステン粉状粒子を圧縮して焼
結することにより作られる。その結果の棒の密度は、固
体タングステンの密度の約72%である。
2.タングステン棒は、メタクリル酸メチルのような液
体プラスチツクモノマーを含浸される。このプラスチツ
クモノマーは、次に熱によつて重合させられる。このこ
とは、1963年2月5日にオツトー・ジー・コツピア
スに発行された米国特許第3,076,916号で記載されてい
る。タングステン棒は、旋盤にかける等の機械加工をす
ることによつて凝集体(agglomerates)の混合物に分解
される。
3.プラスチツク含浸剤は凝集体から除去され、幾らか
の炭素残滓は湿性の水素中で750℃で燃焼させることに
よつて一掃される。
4.150ミクロンより大きい凝集体は、ふるい分けされ
て廃棄される。
5.100メツシユのふるいを通過するタングステン凝集
体及び微粒子は、タングステン60部、イリジウム40
部の重量比で−325メツシユの粉状イリジウムと撹拌混
合させる。
6.粉状混合物は、50,000ポンド/平方インチ(3515Kg
w/cm2)で圧縮され、水素中で1720℃で焼成される緊密
な結果物はイリジウム−タングステン合金のマトリツク
スで分散される純粋なタングステン凝集体を与える。大
部分の凝集体は、イリジウム粒子に比較して大きい。タ
ングステン微粒子は、イリジウム粒子と合金になる。
7.次に焼結された物体は、在来技術によつてカソード
素子に加工される。
7a.が溶融銅が、空孔内に浸透して、機械加工するため
の支持をもたらす。
7b.カソード形状は、銅浸透棒から機械加工される。
7c.銅は、化学的エツチング及び水素燃焼によつて除去
される。
7d.カソード素子は、アルミン酸バリウム−カルシウ
ム、代表的に6BaO:1CaO:2Alを水素
又は真空中で含浸される。
8.放出面を、タングステン及びイリジウムの50:50共
沈混合物でスパツタコーテイングしてもよい。このコー
テイングはイリジウム−タングステン合金混合物とほぼ
同一の組成であり、イオンスパツタリングによつてコー
テイングを除去することはカソードに重大な影響を及ぼ
さない。
本発明の実施例は、従来技術の最良の例に等しいか又は
それより優れた放出電流密度をもたらし、更に従来技術
を越える寿命をもたらす。しかしながら、従来技術と違
つて、このカソードは、再生可能に製造され得る。1050
℃の輝度以下で1平方センチメートル当たり8アンペア
の性能のカソードが、90%以上の収量で生成される。
一定の電流密度のための駆動温度が、互いの10℃以内
であつた。性能は、動作時間に従つて非常に安定であつ
た。カソードは、事実上変化なく8A/cm2で4,000時間
を越えている。
大きな凝集体は、焼成及び次の動作中にイリジウムと合
金になるが、その大きさのため合金化は、凝集体の外面
でのみ起こる。凝集体は、多孔性であり、活性酸化物に
よつて完全に浸透されて、バリウムを生成するための還
元は凝集体の内部で自由に起こる。
第2図は、線形ビームマイクロ波管で用いられるような
カソード構造内に放出素子(「カソード」が適切)を組
み入れたものを図示する。カソード10′が、滑らかな
放出凹面20′(通常球面状)を有するように機械加工
される。カソード10′の基部は、モリブデン又はタン
タル等から成ぬ円筒形支持体22上に備えつけられて、
接合点23で溶接する等によつて支持体22上に取り付
けられる。二本巻きでのタングステンワイヤ等から成る
輻射加熱器24が、円筒22の支持手段(図示せず)に
より支柱によつて支持される。
前述のカソード及び生産処理について多数の変形を本発
明の真の範囲内で行ない得ることは、当業者にとつて明
らかであろう。種々の成分の比率は、広い範囲に及び得
る。例えば、イリジウム対タングステンの比は、約20
%から約80%まで変化してもよい。「バリウム」は、
更にカルシウム、及び/又はストロンチウム、又はそれ
らの混合物をも含み得る。「タングステン」は、モリブ
デン、タングステン、又はそれらの合金であり得る。
「イリジウム」は、オスミウム、ルテニウム、レニウ
ム、イリジウム又はそれらの合金であり得る。
前述の特定の実施例は、例示であつて、それに制限する
ものではない。本発明は、特許請求の範囲によつてのみ
制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明を実施するカソードの一部の概略拡大
断面図である。 第2図は、線形ビームマイクロ波管のための凹形カソー
ドの断面図である。 〔主要符号〕 10′……カソード、20′……放出凹面 22……円筒形支持体、23……接合点 24……輻射加熱器

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】含浸カソードであって、 タングステン、モリブデン及びこれらの合金から成る族
    の耐熱性金属と白金族の少なくとも一の貴金属との合金
    から成る多孔性マトリックス、 前記マトリックスの前記成分と比較して大きい寸法を有
    し、前記耐熱性金属のうちの一の金属から成る、前記マ
    トリックス内で分散した多孔性凝集体、並びに 少なくとも一のアルカリ土類酸化物から成る活性物質で
    満たされた前記マトリックス及び前記凝集体の空孔、 から成る含浸カソード。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項に記載された含浸カ
    ソードであって、 前記活性物質は更に、酸化アルミニウムから成る含浸カ
    ソード。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項に記載された含浸カ
    ソードであって、 前記白金族の金属はイリジウムである、含浸カソード。
  4. 【請求項4】特許請求の範囲第1項に記載された含浸ソ
    ードであって、 前記耐熱性金属はタングステンである、含浸カソード。
  5. 【請求項5】特許請求の範囲第1項に記載された含浸カ
    ソードであって、 更に、電子放出に適した滑らかな面を有する、含浸カソ
    ード。
  6. 【請求項6】特許請求の範囲第5項に記載された含浸カ
    ソードであって、 更に、前記貴金属及び前記耐熱性金属から成る前記滑ら
    かな面上の均質で同種の層を有する含浸カソード。
  7. 【請求項7】特許請求の範囲第6項に記載された含浸カ
    ソードであって、 前記層の組成は前記マトリックスのほぼ平均の組成であ
    る、含浸カソード。
  8. 【請求項8】特許請求の範囲第1項に記載された含浸カ
    ソードであって、 更に、前記含浸カソードを支持するための手段を有する
    含浸カソード。
  9. 【請求項9】特許請求の範囲第1項に記載された含浸カ
    ソードであって、 更に、約1000℃乃至1100℃の温度まで前記含浸カソード
    を加熱するための手段を有する含浸カソード。
  10. 【請求項10】含浸カソードを製造する方法であって、 タングステン、モリブデン及びこれらの合金から成る族
    の耐熱性金属の粒子をともに焼結することによって多孔
    性体を形成する工程、 前記粒子に比較して大きい凝集体、及び微粒子に前記多
    孔性体を機械的に分解する工程、 イリジウム、レニウム、ルテニウム及びオスミウムから
    成る族の少なくとも一の貴金属を含む、前記凝集体と比
    較して小さい寸法の粒子と、前記凝集体及び前記微粒子
    とを混合させる工程、 前記混合物を圧縮する工程、 前記混合物を焼結して、前記貴金属粒子と前記微粒子と
    の合金で多孔性マトリックスを形成し、前記凝集体を前
    記多孔性マトリックスに分散させる工程、並びに 前記マトリックスにアルカリ土類酸化物から成る溶融酸
    化物を含浸させる工程、 から成るところの製造方法。
  11. 【請求項11】特許請求の範囲第10項に記載された製
    造方法であって、 前記混合物を焼結した後、更に、 前記多孔性マトリックスに液体を含浸させる工程、 前記多孔性マトリックスを支持するために前記液体を固
    体に変換する工程、 前記マトリックスを所望の含浸カソード形状に機械加工
    する工程、並びに 前記固体を除去する工程、 を有する製造方法。
  12. 【請求項12】特許請求の範囲第11項に記載された製
    造方法であって、更に、 前記含浸カソード形状について電子放出に適した滑らか
    な面に機械加工する工程、並びに 前記滑らかな面上に前記貴金属及び前記耐熱性金属から
    成る均質で同種の層を沈着させる工程、 を有する製造方法。
  13. 【請求項13】特許請求の範囲第12項に記載された製
    造方法であって、 前記層の組成は前記貴金属を含む前記粒子のほぼ平均の
    組成である、製造方法。
  14. 【請求項14】特許請求の範囲第11項に記載された製
    造方法であって、更に、 前記含浸カソードを支持手段に固着させる工程を有する
    製造方法。
  15. 【請求項15】特許請求の範囲第14項に記載された方
    法であって、更に、 前記含浸カソードの付近で該含浸カソードを約1000℃乃
    至1100℃まで加熱可能な加熱器を前記支持手段に取り付
    ける工程を有する製造方法。
JP4668985A 1984-04-02 1985-03-11 含浸カソードおよびその製造方法 Expired - Lifetime JPH0630214B2 (ja)

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US59578984A 1984-04-02 1984-04-02
US595789 1984-04-02

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JPS60220529A JPS60220529A (ja) 1985-11-05
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DE3564511D1 (en) 1988-09-22
EP0157634A3 (en) 1986-01-08
EP0157634B1 (en) 1988-08-17
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EP0157634A2 (en) 1985-10-09

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