JPH11297187A - 含浸型陰極構体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エミッタの変質、結露によるエミッタ吹き出
しを低減することによって、電子放出特性の劣化を抑え
た高性能で長寿命の陰極円板を提供すること。 【解決手段】 陰極スリーブに固着されて含浸型陰極
構体に用いられるアルカリ土類を含む酸化物からなるエ
ミッタを高融点金属焼結体に含浸させた陰極円板の前記
エミッタを炭酸塩としたことを特徴とする。酸化物から
炭酸塩への転化は、一酸化炭素と二酸化炭素の混合雰囲
気中で熱処理することにより行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、受像管、撮像
管、投写管などに用いられる高性能の含浸型陰極構体お
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、走査線の数を増大させて解像度を
上げたカラー受像管や、超高周波対応ディスプレー陰極
線管が開発されている。これらを実現するためには、電
子放出陰極からの放出電子密度を大幅に増大させた電子
管用陰極が必要とされる。

【０００３】含浸型陰極は酸化物陰極に比べて大きい電
流密度が得られてしかも長寿命なため、これらの分野の
用途に適しており、特に進行波管やクライストロンなど
の電子管の用途に対しては含浸型陰極が用いられてきて
いる。

【０００４】含浸型陰極構体は、陰極スリーブの一端に
エミッタを高温の水素雰囲気中で溶融含浸した陰極円板
を把持するカップを固着させ、陰極スリーブの他端から
はヒータを挿入して構成されており、その外側に同軸的
に配設された筒状ホルダーに複数（通常３本）のストラ
ップによって支持固定されて使用される。

【０００５】しかしながら、このような従来の含浸型陰
極構体には、非常に活性な状態のエミッタが陰極円板に
含浸されているため、陰極構体の組み立て期間中や、電
子銃構体の組み立てから受像管のネック封着までの期間
中に、水分などの影響を受けて極表面のエミッタが変質
してしまうことがある、という問題があった。

【０００６】エミッタの変質は、主に表面に水酸化物が
生成することにより起こるものと考えられるが、エミッ
タが変質すると含浸型陰極が電子放射能力の低下をきた
すようになる。

【０００７】また、含浸型陰極構体を組立てる各工程に
おいて温度変化があると、陰極円板の表面に結露が生じ
るが、このような結露があるとエミッタが膨潤して表面
に吹き出すようになり電子放射有効面積が減少するとと
もに部分的に仕事関数が大きくなり電子放射能力が著し
く低下してしまう。

【０００８】さらに、吹き出しが生じて陰極円板からの
電子放射が不均一になると、均一な電子ビームが得られ
なくなるためにフォーカス特性に支障を来すようにな
る。

【０００９】エミッタの変質が軽度である場合には初期
特性不良にはなりにくいが、寿命が短くなってしまい、
市場での信頼性予測が極めて難しくなる。

【００１０】以上のように、含浸型陰極は、製造、組み
立てにおける取り扱いの管理が、従来の酸化物陰極に比
べて難しく、保管可能な期間も短くなるなど、量産化に
障害となる問題が多く存在していた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のとおり、従来の
含浸型陰極構体には、陰極構体の組み立て期間中、電子
銃構体の組み立てから受像管のネック封着までの期間中
に、水分などによる影響を受けると陰極表面のエミッタ
が変質してしまい、電子放射能力の低下、電子放射の不
均一、寿命の短縮などを引き起こすという問題があっ
た。

【００１２】本発明は、かかる従来の問題を解消すべく
なされたもので、水分などの影響によるエミッタの変質
や結露によるエミッタの吹き出しなどの問題を解消した
含浸型陰極構体を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の含浸型陰極構体
は、陰極スリーブの一端にエミッタを含浸させた陰極円
板が固着され、他端からヒータが挿入されてなる含浸型
陰極構体において、前記陰極円板のエミッタを構成する
成分元素が炭酸塩とされていることを特徴とする。

【００１４】前記のエミッタは、高融点金属の焼結体
に、ＢａＯ，ＣａＯおよびＡｌ₂ Ｏ₃からなるエミッタ
構成成分を溶融含浸させた陰極円板素材を炭酸塩とした
もので、必ずしも成分の全部が炭酸塩とされている必要
はなく、成分の一部または表面だけが炭酸塩とされてい
てもよい。

【００１５】また、本発明の含浸型陰極構体の製造方法
は、高融点金属の焼結体に、ＢａＯ，ＣａＯおよびＡｌ
₂ Ｏ₃ からなるエミッタ構成成分を溶融含浸させて陰極
円板素材を形成する工程と、前記陰極円板素材を一酸化
炭素と二酸化炭素との混合ガス雰囲気中で加熱処理して
前記エミッタ構成成分の一部または全部を炭酸塩とする
工程とを有することを特徴とする。

【００１６】（作用）本発明においては、陰極円板に含
浸されたエミッタが水分に対して安定な炭酸塩とされて
いるので、陰極円板が水分によって変質したり、陰極構
体の組立期間中や電子銃構体の組立から受像管のネック
封着までの期間中に結露水によるエミッタの吹出しが抑
制される。なお、本発明の含浸型陰極構体の製造方法に
おいて、エミッタを炭酸塩とするのに、一酸化炭素と二
酸化炭素との混合ガスを用いたのは、二酸化炭素のみで
あると、陰極円板を構成するタングステンのような高融
点金属が酸化してしまうからである。

【００１７】本発明においては次のようにしてエミッタ
物質のうちの酸化バリウムと酸化カルシウムが炭酸塩に
転化される。

【００１８】一般的に、炭酸塩と酸化物との生成反応に
関する平衡ＣＯ₂ 分圧は、次式で表される。

【００１９】（ＢａＣＯ₃ ＝ＢａＯ＋ＣＯ₂ の反応） ｌｏｇＰ_CO2 (Torr)＝-14000/T＋11.85 ＋ｌｏｇａ
_BaCO3 - ｌｏｇａ_BaO （ＣａＣＯ₃ ＝ＣａＯ＋ＣＯ₂ の反応） ｌｏｇＰ_CO2 (Torr)＝-8796/T ＋10.40 ＋ｌｏｇａ
_CaCO3 - ｌｏｇａ_CaO （Ｔは絶対温度）上記式により、酸化物から炭酸塩に転
化させるためには、各反応温度において酸化カルシウム
が高いＣＯ₂ 圧力を必要とすること、酸化バリウムは低
いＣＯ₂圧力で転化することがわかる。

【００２０】しかし、実際には溶融して含浸されたエミ
ッタは固溶体化していると考えられるため、含浸組成比
から判断して、炭酸カルシウム量はモル分率（固容体を
構成する成分全体に対するモル分率）で０．２５を越え
ることはない。したがって、ａ_CaCO3 も０．２５を越え
ることはないものと考えられる。

【００２１】この仮定をもとに、ＣａＯ（ａ_CaO ＝１）
から固溶体中のａ_CaCO3 ＝０．２５の状態のＣａＣＯ₃
が生成する条件は、８００℃の場合、Ｐ_CO2 ≧４０Torr
の導入圧でよいこととなる。

【００２２】エミッタのみ炭酸塩に転化する場合は上記
の導入ＣＯ₂ 圧を設定すればよいのであるが、陰極円板
に含浸した後に炭酸塩に転化処理をする場合には陰極円
板の酸化を防止しなければならない。ここで、金属材料
の酸化は、一般に次式で表される。

【００２３】 Ｍｅ＋ＣＯ₂ ＝ＣＯ＋ＭｅＯ……(1) Ｍｅ：金属元
素 この式から、金属材料の酸化を防止するにはＣＯガスを
導入し、右辺の反応を阻止すればよい。ここで、(1) 式
の反応は、次の二段階に分けて考えることができる。

【００２４】ＣＯ₂ ＝ＣＯ＋１／２Ｏ₂ ……(2) Ｍｅ＋１／２Ｏ₂ ＝ＭｅＯ ……(3) (3) 式の反応に関連して金属材料の酸化が生じる平衡酸
素分圧の温度変化を求めると次のようになる。

【００２５】平衡酸素分圧は、(2) 式の反応を考えるこ
とで、以下に示す(4) 式を使ってＣＯとＣＯ₂ の平衡ガ
ス分圧比、Ｐ_CO／Ｐ_CO2 に換算される。

【００２６】 ｌｏｇＰ_CO/ _CO2 ＝−１／２ｌｏｇＰ_CO2 (atm)-14750/T+4.54……(4) 転化する温度を８００℃とした場合、ｌｏｇＰ_CO/ _CO2
＝１０とすれば、陰極円板を構成するタングステンの酸
化は防止される。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について説
明する。

【００２８】図１は、本発明の含浸型陰極を使用したカ
ラー受像管の電子銃構体を示す断面図である。

【００２９】同図において、符号１１は電極支持用ガラ
スビードであり、第一制御グリッド１２と、電子銃構体
を支持する支持アーム１３を保持している。

【００３０】電子放出部であるエミッタ含浸型陰極円板
１４は、陰極円板保持用キャップ１５に保持されて、陰
極スリーブ１６の先端部に圧入固定されている。

【００３１】陰極スリーブ１６は三本のストラップ１７
で支持され支持アーム１３に保持された陰極保持用円筒
１８に固定されている。陰極スリーブ１６の上部外周に
は熱反射用円筒１９が同心的に配置され支持リング２０
により陰極保持用円筒１８に固定されている。

【００３２】陰極スリーブ１６内には、加熱用の二重コ
イル型のヒータ２１が挿入されている。２２はヒータ端
子を表している。

【００３３】エミッタ型含浸陰極円板１４は、図２に拡
大して示すように、空孔率が約２０％の多孔質タングス
テン１４ａの基体に、モル比で４：１：１となる酸化バ
リウム（ＢａＯ）：酸化カルシウム（ＣａＯ）：酸化ア
ルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）からなるエミッタ（電子放射
物質）を含浸させたものである。なお、エミッタ型含浸
陰極円板１４の表面には、イリジウム−タングステン合
金層が形成されることもある。

【００３４】そして、陰極円板１４に含浸されたエミッ
タ中の酸化バリウムと酸化カルシウムは後述する方法に
より炭酸塩に転化されている。

【００３５】陰極円板保持用キャップ１５はタンタル製
であり、含浸型陰極円板１４からのエミッタ物質、例え
ば蒸発したバリウムがヒータ２１の方へ飛散して生じる
ヒータ２１と陰極スリーブ１６との絶縁劣化を防止する
ためのものである。

【００３６】ヒータ２１は、３％レニウム−タングステ
ン合金で構成しており、その表面には絶縁のためにアル
ミナを被覆している。さらに、そのアルミナの表面は、
熱放射特性を向上させるため、タングステンとアルミナ
との混合物からなるダーク層を被覆させている。

【００３７】陰極円板保持用キャップ１５、陰極スリー
ブ１６、および３本のストラップ１７は、いずれもタン
タル、ニオブまたはモリブデン、若しくはその少なくと
も一つを主成分とする合金で構成されている。陰極スリ
ーブ１６の内面には、ヒータ２１が発生する熱を効率よ
く陰極スリーブ１６に吸収させるため、薄い黒色被膜２
３を形成されている。この陰極スリーブ１６は、例えば
直径１．３ｍｍ、長さ４．５ｍｍ、肉厚２０μｍのパイ
プ状に形成され、黒色被膜２３の厚さは約５μｍとされ
ている。

【００３８】この実施例における陰極円板１４の炭酸塩
への転化は次のようにして行った。陰極円板１４にエミ
ッタ（ＢａＯ：ＣａＯ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ＝４：１：１）を溶
融含浸させた後、表面に付着した余剰のエミッタを除去
し、陰極円板１４を真空装置内に入れ、所定の圧力まで
排気する。次に、陰極円板１４を８００℃に加熱して保
持した。この状態でＰ_CO／Ｐ_CO2 ＝１０の混合ガスをガ
ス導入バルブよりゆっくり装置内に導入し、導入圧を４
４０Torrに保って２０分間保持することによって炭酸塩
への転化を行った。この操作によって陰極円板１４の表
面層のエミッタは酸化物から炭酸塩に完全に転化され
た。

【００３９】その後、陰極円板１４の温度を下げ、十分
に冷却した後、導入ガスを排気して所定圧まで再排気
し、陰極円板１４を真空装置内から取り出し、以後の陰
極構体の組立を行った。

【００４０】次に、この耐湿被膜２４を形成した陰極構
体を電子銃に組み込み、この電子銃構体を受像管に組込
んで、所要の排気、活性化後、各種の試験を行った。

【００４１】（強制結露試験）実施例の陰極構体を電子
銃構体へ組み込み、３℃の低温室に１０分間放置した
後、常温の室内に取り出して含浸型陰極構体の各部の表
面に結露を生じさせた後、電子銃構体を受像管へ封着し
て排気し、活性化処理を行い、電子放射能力と陰極イメ
ージ像を評価した。

【００４２】その結果を表１に示す。

【００４３】［電子放射能力］

【表１】 表１に示した通り、本発明に係る被腹膜の陰極構体を用
いた電子銃は、Ｇ１パルスエミッション、陰極効率とも
に、従来の陰極構体を用いた電子銃（比較例１）に比べ
て格段に良好であり、耐湿性被膜によって結露によるエ
ミッタの変質反応をほぼ完全に防止していることが確認
された。

【００４４】［陰極イメージ（陰極円板表面の電子放射
能力の均一性）］陰極イメージは、画像上のあるエリア
に映し出された画像を見て蛍光体の未発光部（黒の部
分）の面積が全体に占める比率で評価した。

【００４５】比較結果を表２に示す。

【００４６】

【表２】 なお、陰極円板の表面に電子放射能力の不均一な部分が
あれば未発光部が多くなるから、表２において全体に占
める未発光部の比率が大きいものほど電子放射能力が低
いものということができる。

【００４７】表２から明らかなように、実施例の陰極構
体を用いた電子銃では、従来のエミッタ含浸型陰極構体
を用いた電子銃に比べて未発光部がほとんどなく、陰極
円板面からほぼ均一に電子が放出されていることがわか
る。

【００４８】このような事実は、以下のような陰極構体
の分解調査によっても裏付けられた。

【００４９】（分解調査）試験試料を受像管から取り出
して陰極円板の表面を電子顕微鏡で観察した。

【００５０】その結果、耐湿性被膜の被覆を形成しなか
った従来の陰極円板の表面には、無数のエミッタの吹き
出しが認められたが、実施例の陰極円板の表面には、エ
ミッタの吹き出しはまったく観察されなかった。

【００５１】この観察結果から、従来の陰極構体を用い
た電子銃で未発光部が多いのは、強制的な結露によって
エミッタが吹き出して電子放射に寄与する陰極の有効面
積が減少し、仕事関数が増大したことが原因であるもの
と考えられる。

【００５２】（寿命特性）強制結露試験の試料とした実
施例の陰極構体を組み込んだ受像管（実施例）と従来の
陰極構体を組み込んだ受像管（比較例１）について、ヒ
ータ電圧を定格の１１０％と強制し、陰極電流は２．５
Ａ／平方ｃｍとし次の条件で寿命試験を行った。また、
参考のため、強制結露をさせない従来の陰極構体を組み
込んだ受像管（比較例２）も、同一条件にて寿命試験を
行った。

【００５３】試験結果を図３に示す。

【００５４】図から明らかなように、実施例の受像管は
ほとんど劣化を起こさなかったが、強制結露させた比較
例１の陰極構体を組み込んだ受像管は、試験開始直後か
ら徐々に電子放射能力が低下し、約３５０００時間で初
期比６５％以下となった。

【００５５】また、強制結露をさせていない比較例２の
従来の陰極構体を組み込んだ受像管でも、比較例２の陰
極構体を組み込んだ受像管ほどの劣化は起きないが、試
験時間が長くなるに連れて電子放射能力の低下が顕著と
なった。

【００５６】以上の結果より、本発明に係る陰極構体を
組み込んだ受像管は、寿命特性においても優れているこ
とが明らかとなった。

【００５７】また、強制結露をさせていない比較例２の
従来の陰極構体を組み込んだ受像管でも、比較例２の陰
極構体を組み込んだ受像管ほどの劣化は起きないが、試
験時間が長くなるに連れて電子放射能力の低下が顕著と
なった。

【００５８】以上の結果より、本発明に係る陰極構体を
組み込んだ受像管は、寿命特性においても優れているこ
とが明らかとなった。

【００５９】上記実施例では、炭酸塩への添加条件を温
度８００℃、ＣＯ／ＣＯ₂ ガス混合比１０、ガス導入圧
力４４０Ｔｏｒｒ、ガス導入時間２０分で行った場合に
ついて説明したが、本発明はかかる実施例に限定される
ものではなく、炭酸塩化と陰極円板材料の酸化を防止す
る転化条件であれば、同様の効果が得られる。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、水分によるエミッタの
変質や、結露によるエミッタの吹き出しがなくなるの
で、電子放射能力の低下が抑制され、電子放射が均一と
なり、寿命が長くなるなど、特性が大幅に改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の含浸型陰極構体を使用した電
子銃構体を示す拡大断面図。

【図２】本発明の実施例における実施の形態に係る陰極
円板の拡大断面図。

【図３】本発明の実施例における寿命試験の結果を示す
グラフ。

【符号の説明】

１１……電極支持用ガラスビード、１２……第一制御グ
リッドと、１３……電子銃構体を支持する支持アーム、
１４……エミッタ含浸型陰極円板、１５……陰極円板保
持用キャップ、１６……陰極スリーブ、１７……ストラ
ップ、１８……陰極保持用円筒、１９……熱反射用円
筒、２０……支持リング、２１……二重コイル型のヒー
タ、２２……ヒータ端子。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 陰極スリーブの一端にエミッタを含浸さ
   せた陰極円板が固着され、他端からヒータが挿入されて
   なる含浸型陰極構体において、 前記陰極円板のエミッタを構成する成分元素が炭酸塩と
   されていることを特徴とする含浸型陰極構体。
2. 【請求項２】 前記エミッタは、ＢａＯおよび／または
   ＣａＯの全部または一部を炭酸塩としたものであること
   を特徴とする請求項１記載の含浸型陰極構体。
3. 【請求項３】 高融点金属の焼結体に、ＢａＯ，ＣａＯ
   およびＡｌ₂ Ｏ₃ からなるエミッタ構成成分を溶融含浸
   させて陰極円板素材を形成する工程と、 前記陰極円板素材を一酸化炭素と二酸化炭素との混合ガ
   ス雰囲気中で加熱処理して前記エミッタ構成成分を炭酸
   塩とする工程とを有することを特徴とする含浸型陰極構
   体の製造方法。