JPS58133739A - 含浸型陰極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、含浸型陰極に関する。とくに陰極からの電子
放射物質の蒸発ｔを低減し、かつ電子放射効率の向上せ
しめた含浸型陰極に関する。

含浸型陰極は多孔質金属基体の空孔部にアルカリ土類金
属からなる電子放射物質を含浸させたものである。電子
放射物質としてｆｄＢａＯ，ＣａＯ。

Ａ／、、Ｏ，からなるバリウムアルミネートが最も一般
的に柑いられるが、ＢａＯ率独又はＢａＯを含１ノ他の
化合物を用いることもできる。多孔質陰極基体としては
、融点が高く、蒸気圧が低く、耐イオン衝撃性の商いこ
とが要求され、タングステ／（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ
）、メンタル（Ｔａ）。

ノニウム（Ｒ，ｅ）、ニッケル（Ｎｉ）などの耐熱金属
酸びこｎらの合金が用いられる。最も一般的には、Ｗか
らなる多孔質基体が用いられる。この含浸型陰極の動作
状態では、多孔質基体内に含浸された電子放射物が陰極
基体と反応して遊離バリしたＢａとＢａＯは基体の空孔
部を通って陰極基体表面、すなわち電子放射面に運し、
一部のＢａはさらに表面拡散して電子放射面にＢａの単
原子吸着層を形成して電子放射に寄与する。一方、大部
分の１３ａとＢａＯは無駄に真空中に蒸発する。

単原子吸着層を形成した含浸型陰極の仕事関数は、基体
のタングステ／（４，５ｅＶ）及びバリウム（１３ｅＶ
）の仕事関数より小さい１．９〜２０ｅＶと低いものと
なる。

金属の熱電子放射電流密度ＪＶｉＩＪチャードソン自ダ
ッシュマンの式［Ｊ＝ＡＴ”　ｅｘｐ（−ｅφ／ｋＴ）
］、（Ａは熱電子定数、Ｔは陰極の絶対温度、ｅは電子
の電荷、φは仕事関数、ｋ［ボルツマン定数である）で
与えられる。すなわち、熱電子放射電流密度Ｊは、物質
からめる温度で取り得る最大の飽和電流密度であり、温
度が高い程、仕事関数が小さい程、熱電子放射電流密度
Ｊは向上する。含浸型陰極は多孔質基体の電子放射面に
バリウムの単原子吸着層を形成して仕事関数を小さくし
て、低温動作で熱電子放射電流密度を向上した陰極であ
る。

きて、含浸型陰極の寿命は、主として多孔質基体内に含
浸した電子放射物質の量と消耗速度によって決まる。電
子放射物質は陰極基体と反応してＢａとＢａＯ金生酸生
成ＢａとＢａＯは基体の空孔部を通って陰極表面に運し
、表面の空孔から蒸発する陰極の寿命全向上させるため
ｓ、ＢａとＢａＯの蒸発量低下を目的とした技術も従来
いくつか提案されている。

その−例は、含浸型陰極において、電子放射物質と陰極
基体との反応で生成したＢａとＢａＯは、多孔質陰極基
体の空孔部の孔を通って陰ｌｆｊ！、表面に拡散するの
でめるから、このｆ３ａとＢａＯの空孔部の拡散速度と
、陰極表面からの蒸発量［を、空孔部の孔径を小さくす
る、すなわち多孔質陰極基体の空孔４を低下することに
より連成するものである。その結果を第１図に示す（Ｓ
ＰＥＣＴＲＭＡＴ。

ＩＮＣ，’ｌ’ｅｃｈｎｉｃａｌ　　Ｂｕｌｌｅｎ　４
１０５）。シかシ、含ダ型陰極の寿命は電子放射物質の
蒸発速度の他に、一孔質陰極基体の空孔部に内蔵する電
子放射物質の量に依存するから、多孔質基体の空孔率は
あまり小さくできない。それゆえ、この方法による陰極
−命の向上の効果は、あまり大きくない。

電子放射物質の含浸量ｔＳまり減少しないで電子放射物
質の蒸発量を低下するために考案された従来技術として
特公昭４８−２０９４３が提案されている。これは第２
図に示す如く、電子放射物質１會含浸した多孔質基体２
とこれを保持するスリーブ３、及び加熱用のヒータ４で
構成される。この％徴は多孔質基体２に電子放射物質１
を含浸した後、多孔質基体２の電子放射面５１１１１の
孔に耐熱金属粉６を埋設した構造で、電子放射面５側の
空孔率の低下をねらつ九ものである。第３図は他の従来
例であり、電子放射物質を含浸した空孔重大なる多孔質
基体７と陰極基体の電子放射Ｉｊ７ｉ５＠に空孔軍手な
る多孔質基体８を密着した複合多孔質基体を用いること
を特徴とする（４Ｉ開昭５６−５２８３５）。上記２件
の従来技術は多孔質基体の電子放射面側の空孔率を低下
して電子放射物質の蒸発量の減少を目的としたもので、
その効果は認められる。しかし、含浸型陰極からの蒸発
物質は）３ａとＢａＯであり、この内はとんどのＢａＯ
は無駄に真空中に蒸発しており、また基体内から陰極表
面に補給されＢａも一部分が電子放射に寄与するのみで
、大部分が無駄に真空中に蒸発している。含浸型陰極表
面の電子放射の状態をエミッション顕微鏡で観察すると
、第４図の模式図に示すように、陰極表面の空孔９の周
囲に電子放射点１０が集中し、ｑ！孔の周囲には明るい
輝点が多く観察される。すなわち、通常の含浸型陰極の
電子放射面では空孔の周囲の電子放射効率は高いが、空
孔と空孔の間の領域の電子放射効率は低く、陰極表面が
有効に利用されていない。従来技術の含浸型陰極では、
陰惨基体表面の空孔率低下により電子放射物質の蒸発量
の低減に効果が認められるが、陰極表面から無駄に蒸発
するＢａＯの有効利用がなされておらず、また陰極表面
全体の電子放射効率が低い欠点かめる。このように従来
の含浸型陰極では、陰極表面に補給されたｆ３ａの電子
放射への利用効率は３０〜４０％程度と低く、高い熱電
子放射を得るには基体からのＢａの補給量も増加させる
必要があり、その結果Ｂａ及びＢａＯ蒸発量が増加して
しまう欠点がめった。

本発明の目的は、多孔質基体の空孔部に電子放射物質を
含浸した含浸Ｗ陰極において、電子放出面の空孔から蒸
発する過剰Ｂａと無駄なりａＯの蒸発を減少し電子放射
物質の有効利用を計ることと、陰極基体表面の電子放射
点を増加して電子放射効率を向上した含浸型陰極を提供
することにある。

含浸型陰極は多孔質陰極基体の空孔に電子放射物質を含
浸した一種の単原子層吸着による熱陰極であり、いま、
多孔質基体としてＷとＭＯ％電子放射物質としてパリウ
ムアルミネー）（Ｂ暑、Ａ４０・）を例にとって内容を
説明する。電子放射物質（Ｂａ、Ａｔ、Ｏ，）　　は主
としてＢａとＢａＯとして陰極表面から蒸発し消耗する
。１３ａとＢａＯはＢ　ａｌ　Ａｌ１０＠と陰極基体（
ＷあるいはＭＯ）との熱反応及びＢ　ａ、　Ａ　４０ｍ
の熱解離にシ生成する。

すなわち、ＢＪｌは陰極基体との熱反応１ Ｂａ、Ａｔ山＋　ｍＷ→Ｔ　Ｂａ、ＷＯ＠＋ＢａＡ４０
４＋］３ａ訃・・・・・（１）ま九は １ Ｂ　ａ、Ａ４０＠　＋　−Ｍｏ　−＋　−５Ｈａ、Ｍｏ
Ｏ。

＋ＢａＡ／、Ｏ，＋Ｂａ↑・・・・・・・・・（２）に
より生成される。一方％　　ＢａＯはＢ　ａｓ　Ａ４０
・のＢＪＡ４０＠　→ＢａＡ／、ｏ、＋２８ａＱ↑−・
−・−（３）熱隔離により生成する。基体内で生成した
ＢａとＢａＯは基体の空孔を通って陰極嚢内に達する。

陰極表面では、ＢａＯはほとんど電子放射に寄与するこ
となく真空中に蒸発する。一方、Ｂａは一部が陰極表面
で単原子吸着層全形成して電子放射に寄与し、大部分が
無駄に蒸発する。第５図は空孔率２６％の多孔質Ｗ基体
と多孔質Ｍｏ基体にｆ３　ａ　＠　Ａ　１１　Ｑ＠　を
含浸し九含浸型陰極において、Ｂａ、ＢａＯ蒸発量と陰
極温度の関係を示す。

ｆ３ａ、Ａ４０＠やＢａＯと反応性の高い（すなわち活
性度の高い）Ｗ基体からのＢａ蒸発量１１は、活性度の
低いＭｏ基体からのＢ１蒸発ｔ１２より約５倍多いが、
熱電子放射特性はは七んど同じ値である。すなわち、Ｗ
基体のＢａ蒸発量１１は、発量１３は、陰極基体の活性
度の差によって変化せず、空孔率の大きい多孔質基体で
は空孔部を通過する途中に陰極基体とＢａＯが反応して
いない。

すなわち、熱解離したＢａ０Ｆ１基体の空孔部を通過す
る途中に ６ＢａＯ＋　Ｗ　　−＋　　Ｂａ、ＷＯ，＋　　３Ｂａ
↑　・−−−−・・（４）等の熱反応を起して遊離Ｂａ
の生成行っていない。

含浸型陰極の電子放射面ではｓ　ＢａＯＷ（ＢａＯｏｎ
Ｗ）ではなく　、Ｂ　ａ　　Ｏ−Ｗ　（Ｂ　ａ　　ｏｎ
　０ｏｎＷ）なる単原子吸着状態を形成し−【電子放射
していることは公知のことであシ、前記し九ＢａＯの蒸
発は無駄に消耗する分である。本発明の目的の１つは、
前記した無駄に蒸発するＢａ０ｔ−陰極基体の電子放射
面近傍で解離させ、電子放射に寄与する遊離Ｂａを生成
する手段を提供することにある。

本発明の第２の目的は、基体内から補給されたｆＪａを
有効利用して、無駄なりａとＢａＯの蒸発を減少し、陰
極表面からの電子放射効率の向上を計る手段ｔ−提供す
ることにある。

本発明の含浸型陰極は、電子放射性物質を含有する多孔
質基体からなる含浸部と、該含浸部の電子放射面側に密
着して形成され、上記多孔質基体を形成する材質よりＢ
ａＯに対し活性度の高い材質からなり、かつ上記多孔質
基体の空孔率と同じか又は小さい空孔率を有する多孔質
の浸透層とよりなることを特徴とする。

上記多孔質基体は、従来のものと同様の４の金柑いるこ
とができる。すなわち、その材質として、タングステン
、モリブデン、タンタル、レニウム及びニッケルなどの
中から選択され、２元素以上を含む合金であってもよい
。ただし上記活性度の点から、含浸層を形成する材質と
の関連を考慮する必要がある。

多孔質基体の厚さも、従来の含浸型陰極に用いていえ厚
さの範囲であれば問題はなく、通常は、０．２■〜１．
５−程度であることが多い。この厚みり、限定的なもの
でなく、これより厚いものでも使用することができる。

多孔質基体の空孔率も、従来のものと同様に、１７〜３
０％であることが好ましい。１７％未満であると、存在
する空孔の連結が完全でなくなり、電子放射性物質をす
べての空孔に含浸させることが困難になる。また３０％
を越えると、バリウム及びバリウム化合物の蒸発量が著
るしく多くなる。

このような空孔率をもつ多孔質基体は、例えば平均粒径
３〜６βｍ程度の金属粉を用いて、プレス成型、焼成し
て製造することができる。上記の空孔率の範囲は、好ま
しい範囲を示したものであり、この範囲外のものも使用
することもできる。しかし空孔率の上限は、６０％程度
までであり、６０％を越えると構造的強度が低下する。

電子放射面２２側、従来含浸型陰極に用いられていたい
ずれの材料を用いてもよく、通常は、アルカリ土類金属
の酸化物を主体とする材料、とくにＢＩＯを含む材料で
あり、１３ａＱ、ＣａＱ。

Ａ　ｌ、　Ｏ，なる組成を有するものが最も一般的に用
いられている。

浸透層を形成する材料は、前述の如く、含浸部を形成す
る材料より活性度が高いことが必要である。活性度が高
いということは％　Ｂａｏに対する反応性が高いことと
ほぼ同じであって、通常用いられる金属においてはつぎ
のような順で活性度が高い。

Ｚｒ＞Ｈｆ＞ｋｌ＞８　ｊ＞Ｔ　ｉ＞Ｔａ＞Ｗ＞Ｍｏ＞
Ｒｅ）Ｎｉこれらの金属のうち、Ｚｒ。

） ｏｆ、Ａｚ、ｓｉ、ｒｔなどは含浸部を形成し得る金属
との合金として、あるいは添加物として用Ｗ−＠Ｉｗｔ
％ｚｒ＞ｗ Ｍｏｓｘｗｔ％Ｗ＞Ｍ。

の関係になる。

浸透層は、その空孔率が１７〜２０％で含浸部のそれと
＃１ぼ同じかよシ小さいことが好ましい。

空孔率が小さい方が、ＢａＯが空孔部を通過する途中で
空孔壁との衝突回数が多くなり、より大なる効果を上げ
ることができる。そのため浸透層を形成するには平均粒
径がα１〜３μｍの金属粉をプレス成型し、焼成するこ
とが好ましい。

浸透層の厚さは、０．２μｍ以上であることが好ましい
、ｏ、２ｊｔｍ未満では、効果があまり顕著に認められ
ない。なお厚みの上限は、とくに限定しなａが、通常は
２００ｎｍ以下が好ましい。なお、浸透層に、初めから
電子放射性物質が含浸されていてもさしつかえない。

以下、本発明の一実施例を第６図により説明する。

実施例１ 本実施例の多孔質基体はエミツタ材を内蔵する含浸部２
１と、含浸部２１に密着して電子放射面２２側に含浸部
２１より活性度の高い金属粉から、　なる浸透層２３か
ら構成し九複合多孔質基体である。多孔質基体の製法ｆ
ｌ、　（１）所望の大きさになるように秤量し九原料金
属粉を蓼）プレスして固め、＠）　Ｈ、中で仮焼結後（
４）真空中で高温で本焼結する方法を用いた。含浸部２
１１′ｉ平均粒径５μｍのモリブデン（Ｍｏ）粉を用い
、浸透層２３はＭｏより活性度の高い平均粒径０．２μ
ｍのタングステン（Ｗ）粉を用い友。まず含浸部２１と
なるＭＯ粉ヲ１に径１．５■φのプレス治具を用いて１
　ｔｏｎ／ｉの圧力でプレス成形し、次に浸透層２３と
なるＷ粉を含浸部２１の上に積層状にのせて再びｌ　ｔ
ｏｎ／σ冨の圧力でプレスしてＷとＭＯからなる複合基
体を作る。

次に水素ガス中（ｄｅｗ　ｐａｉｎｔ約−５Ｏｃ）で１
０１０００ｒＸＩ仮焼結後、真空中で１６５０ｐｘ１ｈ
の本焼結をして複合多孔質基体２４を作った。上記製法
によった複合多孔質基体２４において、含浸部２１の空
孔率は約２６％、浸透層２３の空孔率は約２０％である
。本実施例では含浸部２１の厚みは約１篩、浸透層２３
の厚みは２０μｍとした。エミツタ材２５は４ＢａＣＯ
，・Ａ４０１　＊ＣａＣ０１（Ｄ原料配合比（主成分は
ｆ３ａ＠Ａ１ｇｏ。）のものを用い、上記複合多孔質基
体２４の含浸部２１側から含浸した。複合多孔質基体２
４ｔｉＴ龜製のスリーブ２６で保持し、ヒータ２７で加
熱した。本実施例の複合多孔質基体２４ｆ：用いた含浸
型陰極の動作状態では、含浸部２１において工室ツタ材
２５と陰極基体のＭｏとの反応で遊１１Ｂ暑が生成され
、またエミツタ材の熱解離によりＢａＯが生成する。遊
離１’ｌａとＢａＯは電子放射面２２に向って含浸部２
１の空孔を通って拡散する。浸透層２３は、含浸部２１
に比べて空孔率が小さく、基体の粒径が小さく、また基
体の活性度も高いため、含浸部２１から浸透層２３に入
ったＢａＯはここで還元され遊離Ｂａを生成し、含浸部
２１で先に生成し九遊離Ｂａに加算され、結果として電
子放射面２２の近傍のＢａ密度が向上する。また、電子
放射面２２となる浸透層２３０基体の粒径が小さいから
、電子放射面２２での空孔と空孔の間隔も短がく、空孔
から出九大部分のＢｍが電子放射に寄与し、無駄なりｌ
とＢａＯの蒸発が低減できる。以上、本実施例による含
浸型陰極では、活性度の高い浸透層２３ｔ−設けること
によシミ子放射面２２近傍においてＢａＯに対する遊離
１３ａの割合が、従来の浸透層２３ｉ有しない含浸型陰
極に比べて約３倍に増大した。しかも空孔率の低い浸透
層２３ｔ−設けることにより１３ａとＢａＯの合計の蒸
発量を１／２に低減できた。また、本発明の含浸型陰極
の電子放射面２２における電子放射の状ｌＩｌをエミッ
ション顕微鏡で観察すると、浸透層２３として粒径の小
さいＷ粉を用いたことにより電子放射面２２全域に渡っ
て一様に電子放射点が分布しており、遊離Ｈａの利用効
率も従来に比べて２〜３倍に向上し、同一温度での熱電
子放射も２〜３倍に向上する。

本発明の含浸型陰極によれば、多孔質基体の電子放射面
近傍の活性度を高くシ、また基体の平均粒径と空孔率を
小さくした複合多孔質基体を用いることにより、過剰の
電子放射物質の蒸発を約１／３に低減でき、また電子放
射面の有効利用により電子放射効率を約３倍向上ができ
るので、従来よシ約１００１Ｚ’低温動作のできる長寿
命の含浸型陰極を提供できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、基体の空孔率と電子放射物質の蒸発速度の関
係を示す図、第２図に従来の含浸型陰極の一例を示す図
、第３図線従来の含浸型陰極の他の一例を示す図、第４
図は従来の含浸型陰極のエミッション電顕儂の模零図、
第５図は含浸型陰極の温度と電子放射物質の蒸発量を示
す図、第６図は本発明の含浸型陰極の一例を示す図であ
る。 １・・・電子放射物質、２・・・多孔質基体、３・・・
スリーブ、４・・・ヒータ、５・・・電子放射面、６・
・・耐熱金属粉、７・・・空孔事大なる多孔質基体、８
・・・空孔軍手なる多孔質基体、９・・・空孔、１０・
・・電子放射点、１１・・・Ｗ基体からの１３ａ蒸発量
、１２・・・Ｍｏ基体からのＢａ蒸発量、１３・・・Ｂ
ＩＡＯの蒸発量、２１・・・含浸部、２２・・・電子放
射面、２３・・・浸透層、２４・・・複合多孔質基体、
２５・・・エイツタ材、２６・・・スＩＪ−７’％２７
・・・ヒータ。 ％／　　図　　　　　　第　Ｚ　図 空ＪＬ遺Ｐ（’／、） ｌ　に　図 １９６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子放射性物ＩＭｉを含有する多孔質基体からなる
   含浸部と、核含擾部の電子放射面側に密着して形成され
   、上記多孔質基体を形成する材質よりＢａＯに対し活性
   度の高い材質からなり、かつ上記多孔質基体の空孔率と
   実質的に同じか又は小さい空孔率を有する浸透層とより
   なることを特徴とする含浸型陰極。 ２、前記含浸部を形成する多孔質基体の空孔率が１７〜
   ３０％である特許請求の範囲第１項記載の含浸型陰極。 ３、前記含浸部を形成する多孔質基体の材質が、Ｗ、Ｍ
   Ｏ，Ｔａ、　Ｒｅ及び１ｊＪｉからなる群から選ばれた
   少なくとも一種の金属である特許請求の範囲第１項又は
   第２項記載の含浸型陰極。 ４、前記浸透層の厚さが、０．２μｍ以上である特許請
   求の範囲第１項、第２項又は第３項記載の含浸型陰極。 ５、前記浸透層を形成する材質が、Ｚ　ｒ　＊　Ｈ’　
   ｅ＊ｚ、ｓｉ及びＴｉからなる群から選ばれた少なくと
   も一種の元素と、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｒｅ及びＮｉからな
   る群から選ばれた少なくとも一種の金属との合金又は混
   合物である特許請求の範囲第１項、第２項又は第４項記
   載の含浸型陰極。 ６、前記含浸部を形成する多孔質基体の材質がＷであり
   、前記浸透層を形成する材質が、Ｚｒ。 Ｈｆ、Ａｔ、Ｓｉ及びＴｉからなる群から選ばれた少な
   くとも一種の元素とＷとの合金又は混合物である特許請
   求の範囲第１項、第２項又は第４項記載の含浸型陰極。 ７、前戦含浸部を形成する多孔質基体の材質がＭＯであ
   り、前記浸透層を形成する材質がＷ又はＷとＭＯとの合
   金若しくは混合物である特許請求の範囲第１項、第２項
   又は第４項記載の含浸型陰極。 ８、前記浸透層が平均粒径０．１〜３μｍの金輌粉奮プ
   レス成型し、焼成してなるものである特許清水の範囲第
   １項、第２墳並びに第４項から第７項までのいずれかに
   記載の含浸型陰極。