JPH09312128A

JPH09312128A - 含浸型陰極構体、電子銃および電子管

Info

Publication number: JPH09312128A
Application number: JP12835396A
Authority: JP
Inventors: Eiichiro Uda; 英一郎宇田; Toshiharu Higuchi; 敏春樋口; Sadao Matsumoto; 貞雄松本; Osamu Nakamura; 修中村; Kiyomi Koyama; 生代美小山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-05-23
Filing date: 1996-05-23
Publication date: 1997-12-02

Abstract

(57)【要約】【課題】イオン衝撃後のスカンジウムの表面濃度回復
時間を短縮した陰極構体を提供することを目的とする。【解決手段】電子放出物質が含浸された陰極基体、陰
極基体をその端部に取り付けた陰極スリーブ、及び陰極
基体を加熱するためのヒーターを具備し、陰極基体の電
子放射面側表面に、タングステン粉末及び／又はタング
ステン化合物粉末と、スカンジウム粉末及び／又はスカ
ンジウム化合物粉末と、レニウム粉末及び／又はハフニ
ウム粉末よりなる薄層が付着形成されていることを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カラー受像管や進
行波管等の電子管に用いられる含浸型陰極構体に係り、
特に、高電流密度動作が可能な、高性能、長寿命の含浸
型陰極構体、およびそれを具備する電子銃、電子管に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、走査線を増加させ、解像度を改善
したカラー受像管や、超高周波対応受像管の開発が要請
されている。また、投写管等においても、輝度の向上が
望まれている。これらの要請に応えるためには、陰極か
らの放出電流密度を従来よりも大幅に増大させる必要が
ある。

【０００３】ところで、含浸型陰極は、酸化物陰極に比
べて大きな放射電流密度が得られ、これまで撮像管、進
行波管、クライストロン等の電子管に使用されてきた。
カラー受像管の分野では、ＨＤ−ＴＶ管、ＥＤ−ＴＶ管
等の特殊用途のみに限られていたが、近年、大型ＣＰＴ
等の要請が高まり、その採用の範囲が急速に拡大される
に至っている。

【０００４】このようなカラー受像管に用いられる含浸
型陰極構体は、従来より省電力の目的から、図３に示す
ようなコンパクトな構造に形成されている。即ち、図３
に示す陰極構体では、陰極スリーブ１の一端の内側に、
その一端開口縁とほぼ同一面をなすようにカップ状固定
部材２が固定されており、このカップ状固定部材２内
に、電子放射物質が含浸された多孔質陰極基体３が固定
されている。また、陰極スリーブ１を包囲するように、
筒状ホルダー４が同軸的に配置されてる。

【０００５】陰極スリーブ１は、複数個（図面では３
個）の短冊状ストラップ５により、筒状ホルダー４の内
側に同軸的に支持されている。即ち、短冊状ストラップ
５の一端部が陰極スリーブ１の他端部の外側面に取り付
けられ、他端部が筒状ホルダー４の一端部の内側張り出
し部に取り付けられている。また、陰極スリーブ１と複
数個のストラップ５との間にはしゃへい筒７が配置さ
れ、筒状ホルダー４の一端部の内側張り出し部に、支持
片６によって取り付けられている。更に、陰極スリーブ
１の内側にはヒーター８が挿入され、多孔質陰極基体３
を加熱する構造になっている。

【０００６】前記多孔質陰極基体３の空孔率は例えば約
２０％であり、材質はタングステンである。この多孔質
陰極基体３の空孔部には酸化バリウム（ＢａＯ）と酸化
カルシウム（ＣａＯ）と酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ
₃ ）からなる電子放射物質が含浸されていて、その表面
にはＩｒ膜がスパッタ法で形成されている。なお、この
陰極構体は、筒状ホルダー４の外表面に取り付けられた
ストラップ９を介して順次所定間隔離れて配置される複
数個の電極（図面には第１グリッドＧ１のみ図示）とと
もに、絶縁支持体１０に固定されている。

【０００７】最近では、動作温度を下げ、高電流密度の
電子放射を得る目的から、陰極基体表面に酸化スカンジ
ウムを分散させた含浸型陰極、あるいは陰極基体表面に
スカンジウム化合物を被着したスカンジウム型含浸型陰
極の開発が行われているが、特性の再現性が乏しく、実
用化への障壁となっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来よ
りカラー受像管に用いられている含浸型陰極構体は、省
電力動作の目的からコンパクトな構造に形成されてい
る。そのため、必然的に陰極基体は、厚さおよび直径が
制限され、電子放出物質を十分含浸させることができな
い。一般的に、含浸型陰極の寿命特性は電子放射物質の
主要成分であるバリウムの蒸発量に支配され、蒸発によ
りバリウムが消耗すると、陰極基体のバリウム単原子層
被覆率が減少して、要求される長寿命特性が得られず、
実用上大きな問題となっている。これらの理由から、低
温動作、高電流密度動作が可能な含浸型陰極構体の開発
が強く要望されている。

【０００９】また、低温動作が可能なスカンジウム型含
浸型陰極においても、イオン衝撃を受けると電子放出特
性の回復が遅い等の欠点を有している。スカンジウム型
含浸型陰極のオージェ電子分光による表面解析の結果、
イオン衝撃を受けると表面のスカンジウムが消失し、電
子放射の良好な濃度に回復するまでに時間を要すること
が判明した。

【００１０】本発明は、上記従来のスカンジウム型含浸
型陰極の問題点を解決するためになされたものであり、
イオン衝撃後のスカンジウムの表面濃度回復時間を短縮
した陰極構体を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明（請求項１）は、電子放出物質が含浸された
陰極基体、陰極基体をその端部に取り付けた陰極スリー
ブ、及び陰極基体を加熱するためのヒーターを具備し、
前記陰極基体の電子放射面側表面に、タングステン粉末
及び／又はタングステン化合物粉末と、スカンジウム粉
末及び／又はスカンジウム化合物粉末と、レニウム粉末
及び／又はハフニウム粉末よりなる薄層が付着形成され
ていることを特徴とする含浸型陰極構体を提供する。

【００１２】また、本発明（請求項２）は、上記含浸型
陰極構体（請求項１）において、前記陰極基体および薄
膜は多孔質であり、陰極基体の平均粒径は薄膜の平均粒
径より大きく、かつ陰極基体の空孔率は薄膜の空孔率よ
り小さいことを特徴とする。

【００１３】また、本発明（請求項３）は、上記含浸型
陰極構体（請求項１）において、前記スカンジウム化合
物は、酸化スカンジウム（Ｓｃ₂ Ｏ₃ ）又は水素化スカ
ンジウム（ＳｃＨ₂ ）であることを特徴とする。

【００１４】また、本発明（請求項４）は、上記含浸型
陰極構体（請求項１）において、前記タングステン粉末
及び／又はタングステン化合物粉末、及びレニウム粉末
及び／又はハフニウム粉末の平均粒径が、０．８μｍな
いし１．５μｍの範囲であることを特徴とする。

【００１５】また、本発明（請求項５）は、上記含浸型
陰極構体（請求項１）において、陰極基体の電子放射面
側表面に付着形成された薄層中に、前記レニウム粉末及
び／又はハフニウム粉末の占める割合が、５重量％ない
し５０重量％であることを特徴とする。

【００１６】また、本発明（請求項６）は、上記含浸型
陰極構体（請求項１）において、前記陰極基体の電子放
射面側表面に付着形成された薄層の厚さが、３μｍない
し３０μｍであることを特徴とする。

【００１７】また、本発明（請求項７）は、上記含浸型
陰極構体（請求項１〜６）を用いた電子銃を提供する。
また、本発明（請求項８は、上記含浸型陰極構体（請求
項１〜６）を用いた電子管を提供する。

【００１８】以下、本発明の含浸型陰極構体について、
より詳細に説明する。本発明の含浸型陰極構体は、陰極
基体の電子放射面側表面に、タングステン粉末及び／又
はタングステン化合物粉末と、スカンジウム粉末及び／
又はスカンジウム化合物粉末と、レニウム粉末及び／又
はハフニウム粉末よりなる薄層が付着形成されているこ
とを特徴とする。

【００１９】陰極基体としては、タングステン（Ｗ）、
モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）等の高融点金属
焼結体を使用することが出来る。この焼結体の空孔率
は、１５〜２５％であるのが好ましい。この焼結体の空
孔率が１５％未満では、陰極基体の体積に対して含浸さ
れる電子放射物質の体積が減少し、十分な陰極寿命が得
られなくなるばかりでなく、陰極表面への電子放射物質
の供給が不十分となり、陰極特性が劣化する。一方、焼
結体の空孔率が２５％を越えると、ほつような強度が得
られなくなるとともに、電子放射物質の消耗が増加して
陰極寿命が低下する。

【００２０】陰極基体に含浸される電子放射物質として
は、例えば酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化カルシウム
（ＣａＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）の混合物
が用いられ、その組成としては、ＢａＯ：ＣａＯ：Ａｌ
₂ Ｏ₃ ＝５：３：２あるいは４：１：１等を用いること
ができる。

【００２１】陰極基体の電子放射面側表面に付着形成さ
れる薄層に用いられるタングステン化合物としては、酸
化タングステンを挙げることができる。また、陰極基体
および薄膜は多孔質であり、陰極基体の平均粒径は薄膜
の平均粒径より大きく、かつ陰極基体の空孔率は薄膜の
空孔率より小さいものであるため、陰極基体において電
子放射物質の供給を一定に維持することができ、薄膜は
粒子間距離が短いために電子放射物質の拡散距離が短縮
されている。このため、電子放射物質の電子放射面の被
覆がより速く、より均一に行なわれ、電子放射物質の十
分な供給および電子放射面の十分な被覆率が達成でき
る。この被覆率が向上すると、より優れた耐イオン衝撃
性が得られる。

【００２２】また、スカンジウム化合物としては、酸化
スカンジウム（Ｓｃ₂ Ｏ₃ ）、水素化スカンジウム（Ｓ
ｃＨ₂ ）等を挙げることが出来る。タングステン粉末及
びタングステン化合物粉末の平均粒径は、０．８μｍな
いし１．５μｍ、スカンジウム粉末及びスカンジウム化
合物粉末の平均粒径は、０．８〜１．５μｍ、レニウム
粉末及びハフニウム粉末の平均粒径は、０．８μｍない
し１．５μｍであるのが好ましい。タングステン粉末及
びタングステン化合物粉末、レニウム粉末及びハフニウ
ム粉末の平均粒径が０．８μｍ未満では、薄層の空孔率
が低下し、電子放射物質の含浸が十分に行われなる。ま
た、１．５μｍ以上では、粒子間距離の増大のため、ス
カンジウムの表面への供給・被覆率の回復が十分に行わ
れなくなり、動作温度低減の効果が得られない。

【００２３】また、陰極基体の電子放射面側表面に付着
形成された薄層中に、前記レニウム粉末及び／又はハフ
ニウム粉末の占める割合が、５重量％ないし５０重量％
であることが好ましい。レニウム粉末及び／又はハフニ
ウム粉末の占める割合が、５重量％未満の場合には、ス
カンジウム凝離の効果が現れず、スカンジウムの表面へ
の供給・被覆率の回復効果が低下し、動作温度の低減効
果に重大な影響を及ぼす。一方、５０％を越える場合に
は、初期電子放出特性が低下してしまう。

【００２４】また、陰極基体の電子放射面側表面に付着
形成された薄層の厚さは、３μｍないし３０μｍである
ことが好ましく、更に好ましくは、３〜１０μｍの範囲
である。薄層の厚さが３μｍ未満の場合には、薄層の均
一な形成が困難となり、３０μｍを越える場合には、初
期電子放出特性が低下してしまう。

【００２５】以上のように構成される本発明の含浸型陰
極構体では、陰極基体の電子放出表面が微粒子からなる
薄層によって被覆されていることから、粒子間距離すな
わちスカンジウムの拡散距離が短縮され、また、前記微
粒子中のレニウム、ハフニウムは、スカンジウムの有効
な凝離材として働くため、イオン衝撃後のスカンジウム
の回復が大幅に改善される。

【００２６】このように、本発明の含浸型陰極構体によ
れば、陰極基体の上層部表面にタングステン粉末とレニ
ウム粉末等よりなる混合粉末層を形成している為、イオ
ン衝撃後のスカンジウムの回復時間が大幅に短縮され
る。

【００２７】又、低温動作が可能なため、Ｂａ蒸発量が
低減出来、このため陰極基体の厚さが薄くても十分な寿
命特性を得る事が出来る。本発明における陰極基体上に
形成される薄層は、例えば下記のような製造方法で形成
することができる。

【００２８】すなわち、タングステン粉末および／また
はタングステン化合物粉末とスカンジウム粉末および／
またはスカンジウム化合物粉末と、レニウム粉末および
／またはハフニウム粉末を所定量混合したものを有機溶
剤とともにペ−スト状に調製し、このペ−スト状に調製
したものをスプレ−法、スクリ−ン印刷法、又は電着法
などの各種薄膜形成法により塗布する。その後、これを
乾燥し、非酸化性雰囲気にて焼結することにより、優れ
た特性を有する電子銃および電子管を得ることができ
る。

【００２９】

【実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の実施の
形態を示し、本発明を具体的に説明する。図１に、本発
明の一実施例に係る含浸型陰極構体を示す。図１（ａ）
に示す陰極構体は、図１（ｂ）に示す含浸多孔質陰極基
体以外の部分は、図３に示す従来の陰極構体とほぼ同じ
構造に構成されている。即ち、図１に示す陰極構体で
は、陰極スリーブ１の一端の内側に、その一端開口縁と
ほぼ同一面をなすようにカップ状固定部材２が固定され
ており、このカップ状固定部材２内に、電子放射物質が
含浸された多孔質陰極基体２２が固定されている。ま
た、陰極スリーブ１を包囲するように、筒状ホルダー４
が同軸的に配置されてる。

【００３０】陰極スリーブ１は、複数個（例えば３個）
の短冊状ストラップ５により、筒状ホルダー４の内側に
同軸的に支持されている。即ち、短冊状ストラップ５の
一端部が陰極スリーブ１の他端部の外側面に取り付けら
れ、他端部が筒状ホルダー４の一端部の内側張り出し部
に取り付けられている。また、陰極スリーブ１と複数個
のストラップ５との間にはしゃへい筒７が配置され、筒
状ホルダー４の一端部の内側張り出し部に、支持片６に
よって取り付けられている。更に、陰極スリーブ１の内
側にはヒーター８が挿入され、多孔質陰極基体２２を加
熱する構造になっている。

【００３１】上記多孔質陰極基体２２は、図１（ｂ）に
示すように、タングステン焼結体からなる多孔質タング
ステン基体２２ａと、この多孔質タングステン基体２２
ａ上に形成された混合粉末焼結層２２ｂとから構成され
る。なお、多孔質タングステン基体２２ａには、Ｂａ
Ｏ、ＣａＯおよびＡｌ₂ Ｏ₃ よりなる電子放射物質２３
が含浸されている。

【００３２】このような陰極基体２２は、以下のように
して形成される。即ち、まず空孔率２０％のタングステ
ン焼結体の電子放出面上に、平均粒径約１．０μｍのタ
ングステン粉末、レニウム粉末、及び酸化スカンジウム
粉末を、タングステン粉末：レニウム粉末：酸化スカン
ジウム粉末＝８５：１０：５の重量比で混合したものを
有機溶剤とともにペースト状に調製し、スクリーン印刷
によって混合物層の厚さが２０μｍになるように塗布す
る。その後、乾燥し、水素雰囲気中、１９００℃で１０
分間熱処理する。最後に、従来の陰極基体の形成と同様
に、多孔質陰極基体に、ＢａＯ：ＣａＯ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ＝
４：１：１モル比の混合物からなる電子放出物質を水素
雰囲気中で溶融含浸させる。

【００３３】このように作成された含浸型陰極構体に陽
極を取り付け、ダイオード構成の電子管を作成し、電子
放出特性を評価した。電子放出特性評価の条件は以下の
通りである。即ち、陰極の動作温度は約１３００Ｋで、
カソード−陽極間に２００Ｖのパルス電圧を印加した。
ここで、印加パルスのデューティー（パルス幅／パルス
周期）は０．１％から９．０％まで変化させた。陽極に
電圧が印加されているとき、カソードは電子管内で発生
するイオンによってイオン衝撃を受け、スカンジウムの
除去量が多くなる。一方、陽極に電圧が印加されていな
いとき、カソード表面での熱拡散のためにスカンジウム
の供給量が多くなり、表面被覆率が大きく回復されるよ
うになる。

【００３４】従って、デューティーが高くなるに従っ
て、イオン衝撃の強さは増大する。従来のスカンジウム
型含浸陰極では、低デューティー領域では良好な放出電
流特性を示すが、高デューティー領域では放出電流特性
が悪化し、より高デューティー領域での動作が要求され
るカラー受像管などへの実用化の障害となっていた。

【００３５】本実施例に係る陰極構体のデューティー−
放出電流密度特性を図２に示す。図中、曲線Ｘは従来の
スカンジウム型含浸陰極構体についての測定結果、曲線
Ｙは本実施例に係るスカンジウム型含浸型陰極構体につ
いての測定結果、曲線Ｚは従来の非スカンジウム型含浸
型陰極構体についての測定結果である。図２から明らか
なように、従来のスカンジウム型含浸型陰極構体では、
デューティー０．１％で４５Ａ／ｃｍ² の放出電流密度
に対し、デューティー１０％で１２Ａ／ｃｍ²の放出電
流密度まで低下する。一方、本実施例に係るスカンジウ
ム型含浸型陰極構体では、デューティー０．１％で３０
Ａ／ｃｍ² の放出電流密度であるが、デューティー１０
％で２０Ａ／ｃｍ² の放出電流密度までしか低下せず、
高デューティー領域での電子放出特性が改善されている
ことがわかる。

【００３６】これは、陰極基体表面に形成した微粒子層
とそこに含まれるスカンジウム凝離剤であるレニウムに
よって、スカンジウムの供給量および被覆率の回復の度
合いが大きく改善されたためと考えられる。また、本実
施例に係るスカンジウム型含浸型陰極構体は、従来のス
カンジウム型でない含浸型陰極構体よりも、低・高デュ
ーティー領域共に放出電流特性が優れている。

【００３７】なお、上記実施例では、タングステン、レ
ニウム、ハフニウムの平均粒径が１．０μｍ、タングス
テン：レニウム：酸化スカンジウム＝８５：１０：５
（重量比）、混合物層の厚さが２０μｍとしたが、本発
明者らの実験によれば、タングステンおよびレニウムの
平均粒径が０．８〜１．５μｍの範囲、タングステン、
レニウム、及び酸化スカンジウムの総量に対するレニウ
ムの占める割合が５〜５０重量％、酸化スカンジウムの
占める割合が１〜５重量％の範囲、また混合物質層の厚
さが３〜３０μｍの範囲で、前記と同等の特性を示し
た。また、前記混合物中のレニウムの一部または全ての
代わりにハフニウムを用いても、酸化スカンジウムの一
部または全ての代わりにスカンジウムまたは水素スカン
ジウムを用いても、前記と同等の特性を示した。

【００３８】タングステン、及びレニウムまたはハフニ
ウム粉末の平均粒径が０．８μｍ未満では、混合物層の
空孔率が低下し、電子放射物質の含浸が十分に行われな
くなった。また、前記物質の平均粒径が１．５μｍ以上
では、粒子間距離の増大のためにスカンジウムの表面へ
の供給・被覆率の回復が十分に行われなくなり、動作温
度低減の効果が得られなかった。また、混合物層中での
レニウムまたはハフニウムの混合比が５％以下では、ス
カンジウム凝離の効果が現れなくなり、スカンジウムの
表面への供給・被覆率の回復効果が低下し、動作温度の
低減効果に重大な影響を及ぼしてしまった。また、前記
混合比が５０重量％以上になると、初期電子放出特性が
低下してしまった。さらに、混合物層の厚さが３０μｍ
以上でも初期電子放出特性が低下し、厚さ３μｍ以下の
混合物層を多孔質陰極表面に均一に形成することは実用
的にきわめて困難であった。

【００３９】上記本発明の含浸型陰極構体をカラ−受像
管の電子銃に使用したところ、優れた特性を有する電子
銃が得られたとともに、さらに電子管に使用した場合に
おいても、同様に優れた特性を有する電子管を得ること
ができた。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
陰極基体の上層部に、タングステン粉末及び／又はタン
グステン化合物粉末と、スカンジウム粉末及び／又はス
カンジウム化合物粉末と、レニウム粉末及び／又はハフ
ニウム粉末よりなる薄層が付着形成されているため、陰
極基体の電子放出表面は、粒子間距離の小さいスカンジ
ウムが均一に分布した表面となる。このため、スカンジ
ウムの拡散距離が短縮され、かつスカンジウム粒子から
のスカンジウムの凝離が促進され、イオン衝撃後のスカ
ンジウム回復時間が大幅に短縮される。また、低温動作
が可能なため、陰極基体寸法がコンパクトでもバリウム
の熱蒸発量が低減でき、従来の省電力型含浸型陰極で問
題となっていた含浸量の絶対量不足から生じる寿命特性
を改善することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る含浸型陰極構体および
陰極基体を示す断面図。

【図２】本発明と従来のスカンジウム型含浸陰極構体に
おけるデューティー−放出電流密度特性を示す特性図。

【図３】従来の含浸陰極構体を示す断面図。

【符号の説明】

１…陰極スリーブ、２…カップ状固定部材、３，２２…
多孔質陰極基体、４…筒状ホルダー、５…短冊状ストラ
ップ、６…支持片、７…しゃへい筒、８…ヒーター、１
０…絶縁支持体。

フロントページの続き (72)発明者中村修神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者小山生代美神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子放出物質が含浸された陰極基体、陰
極基体をその端部に取り付けた陰極スリーブ、及び陰極
基体を加熱するためのヒーターを具備し、前記陰極基体
の電子放射面側表面に、タングステン粉末及び／又はタ
ングステン化合物粉末と、スカンジウム粉末及び／又は
スカンジウム化合物粉末と、レニウム粉末及び／又はハ
フニウム粉末よりなる薄層が付着形成されていることを
特徴とする含浸型陰極構体。
【請求項２】前記陰極基体および薄膜は多孔質であ
り、陰極基体の平均粒径は薄膜の平均粒径より大きく、
かつ陰極基体の空孔率は薄膜の空孔率より小さいことを
特徴とする請求項１に記載の含浸型陰極構体。
【請求項３】前記スカンジウム化合物は、酸化スカン
ジウム（Ｓｃ₂ Ｏ₃）又は水素化スカンジウム（ＳｃＨ₂
）であることを特徴とする請求項１に記載の含浸型陰
極構体。
【請求項４】前記タングステン粉末及び／又はタング
ステン化合物粉末、及びレニウム粉末及び／又はハフニ
ウム粉末の平均粒径が、０．８μｍないし１．５μｍの
範囲であることを特徴とする請求項１に記載の含浸型陰
極構体。
【請求項５】陰極基体の電子放射面側表面に付着形成
された薄層中に、前記レニウム粉末及び／又はハフニウ
ム粉末の占める割合が、５重量％ないし５０重量％であ
ることを特徴とする請求項１に記載の含浸型陰極構体。
【請求項６】前記陰極基体の電子放射面側表面に付着
形成された薄層の厚さが、３μｍないし３０μｍである
ことを特徴とする請求項１に記載の含浸型陰極構体。
【請求項７】請求項１〜６のいずれか１項に記載の含
浸型陰極構体を具備する電子銃。
【請求項８】請求項１〜６のいずれか１項に記載の含
浸型陰極構体を具備する電子管。