JPS62133632A - 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】 １１より１月分！ 本発明は、電子管用の含浸型陰極に関する。更に詳しく
は、長寿命化、高信頼化を達成する含浸型陰極の改良に
関する。

従来の技術 電子管にとって、陰極は、電子管の効率や寿命を左右す
る重要な構成要素である。その電子管用陰極として要求
される特性としては、■電子放射効率が良い、■電流密
度が大きい、■放射電子のエネルギーが均一である、■
安定に動作する、■寿命が長い、■電子管の所与の真空
にも耐え得る等が上げられる。このような特性を得るこ
とができるものとして、含浸型陰極がある。

含浸型陰極は、バリウムを主成分とする複合酸化物から
なる電子放射材料を、多孔質の耐熱性金属基体例えば多
孔質タングステンに含浸したものである。そして、この
含浸陰極は、通常ヒータを収納するスリーブに装着し更
にヒータを設けて使用される。使用時、多孔質金属基体
に含浸された複合酸化物中の酸化金属が、ヒータにより
加熱され活性化温度で還元され遊離金属となり、上記多
孔質金属基体表面に拡散し、単原子層を形成する。

そのようにして形成される単原子層が、タングステンと
比較して、仕事関数がはるかに小さくなるようにするこ
とにより、効率的な電子放出が可能となる。

この様な含浸型陰極は、含浸される電子放射材料の組成
、組成比、基体金属の種類等の違い、あるいは陰極表面
上に形成された［ｌｓ、　ｂ等の薄膜の有無等により種
々な種類力七存在する。

例えば、最も代表的な含浸型陰極には、２０％の空孔率
を有するポーラスタングステン基体に５８ａＯ・３Ｃａ
０　・２ＡＩ２０３（モル比）からなる電子放射材料を
含浸させたものがあり、これは通常Ｂタイプと呼称され
ている。

また、上記Ｂタイプの陰極表ｍｌにＯ８あるいは○ｓ　
　Ｒｈ合金の被膜を形成したＭタイプと称される含浸型
陰極も使用されている。

更に最近では、電子放射材料として、従来の複合酸化物
組成物、即ち酸化バリウム、酸化カルシウムおよび酸化
アルミニウムに加えて、酸化スカンジウムを添加したス
カンデート陰極（ＳｃａｎｄａｔｅＣａｔｈｏｄｅ）や
、陰極基体としてタングステン粉末とイリジウム粉末を
混合して焼成したＭＭタイプ（Ｍｉｘｅｄ−Ｍｅｔａｌ
　Ｃａｔｈｏｄｅ）などが提唱されている。

上記した様な、一連の含浸型陰極は、高電流密度化、長
寿命化、高信頼度化の達成を図る目的で作製されてきた
ものであり、これらの条件は、高輝度ＣＲＴ、衛星搭載
用進行波管等の電子デバイスには必須である。

ところで、基体金属の空孔率および基体内部に含浸され
た電子放射材料の量は、電子放射特性、特に経時特性に
非常に大きな影響を与える。添付第２図は、基体金属で
あるタングステンの空孔率を１４．７〜２９％迄変化さ
せた場合の電子放射特性の初期経時変化を表すグラフで
あり、縦軸は電流（ｍＡ）を、横軸は時間（ｈｒ）をそ
れぞれ示している。

この図から明らかな様に、初期（はぼ１５００時間まで
）では、空孔率の大きい方が経時変化が少ない。

これは、電子放射材料としてバリウムを仮定して説明す
るならば、表面被覆を形成するバリウムが動作時に蒸発
し、これを補う様に空孔内部から供給されるバリウムの
量が、空孔率の大きなものほど多いためである。空孔率
が小さい場合、空孔内部からのバリウムの供給量が充分
でなく、表面被覆は減少し、電流の減少は大きくなる。

一方、長時間動作、即ち電子管の寿命について考えて見
ると、含浸された放射材料の量が限られているため、全
く反対の結果となる場合がある。

添付第３図は、長時間動作の場合の空孔率の影響を表わ
したものであり、縦軸は電流＜ｍＡ）を、横軸は（ｈｒ
）をそれぞれ示している。ここでＡは空孔率が２０％の
陰極、Ｂは空孔率が４０％の陰極の特性を示している。

この図から明らかな様に、空孔率が大きい場合（Ｂ）は
、動作開始時より１５０００時間で、急激に電流値がさ
がり、空孔率の小さなもの（Ａ）と電流値が逆転する。

これは、空孔率が大きな方が、動作時の表面被覆へのバ
リウム供給量が多く蒸発量も多いため基体金属であるポ
ーラスタングステン内部に含浸された酸化バリウムを使
い尽す時間が早くなるためである。

この様に、電流変化の小さい安定した含浸型陰極を得る
ためには、陰極基体の空孔率が大きい方が良く、逆に、
長寿命化するためには、１３ａの蒸発を押えるために空
孔率は小さく、シた方が良いという矛盾に関係がある。

そこで、空孔率および含浸された電子放射材料の量と、
電子放射特性との関係を考慮し、従来では、 （１）陰極表面には、空孔率の小さなタングステン焼結
体を用い、バリウムの蒸発量をおさえ、その下側に空孔
率の大きなタングステン焼結体を用い、バリウムの供給
を高めたもの、あるいは、（２）　　ポーラスタングス
テンと、スリーブとの間に含浸用電子放射材料を蓄積す
るキャビティを設け、バリウムの絶対潰を増加させたち
のくキャビティ付含浸型陰極）等が提唱されている。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記（１）あるいは−（２）等の含浸型
陰極は、以下に述べる様な問題点を有していた。

即ち、（１）の型の含浸型陰極は、タングステン基体が
二枚以上となるためスリーブとのろう付が困難である。

例えば、ろう付時に重ね合わせたタングステン基体のす
き間にろう材が流入してしまうという不都合がしばしば
起こり、ろう付の歩留りが著しく低いという問題点を有
していた。

また、（２）の型の場合には、例えば、ＢａＯ−ＣａＯ
−Ａ１２０３の電子放出材料が、キャビティ内で反応し
てＢａＯまたはＢａを生成するためには、動作温度を１
１００℃以上と高くする必要があった。

そこで、本発明は、上述した含浸型陰極の持つ問題点即
ち、製造が困難で歩留りが低い、動作温度が高い等の欠
点を有さず、長寿命かつ安定動作する含浸型陰極を提供
せんとするものである。

問題点を解決するための手段 本発明者は、上記した様な従来の含浸型陰極の問題点を
有さず、長寿命かつ安定動作する含浸型陰極を開発すべ
く種々検討した結果、高融点金属焼結体製基体に凹部を
設け、さらにその凹部に充填する電子放射材料に還元性
金属粉末を加えることが上記本発明の目的を達成する上
で非常に有利であることを発見し、本発明を完成した。

即ち、本発明による含浸型陰極は、陰極スＩＪ　−ブと
、多孔質高融点金属から形成され且つ前記陰極スリーブ
に装着された陰極基体とを有し、該陰極基板には、前記
陰極スリーブ側に凹部が形成され、該凹部に電子放射材
料が充填されており、該電子放射材料が、バリウムカル
シウムアルミネート粉末および還元性金属粉末からなる
ことを特徴とする。

本発明において使用される還元性金属粉末は、ＷＮ　０
ｓＳＩｒＳＲｕおよびＲｈの少なくとも一種類の材料の
粉末又はそれらから選択される粉末混合物あるいは合金
粉末である。

九月 還元性金属粉末としてＷを使用するとすると、上記した
含浸型陰極は、電子管の動作中に於て、例えば以下の反
応式、 ３　ＢａＪ］□Ｏｓ　＋　６　Ｃａ　Ｏ＋　Ｗ　　≠３
　Ｂａ２ＣａＡ１２０ｓ　十Ｃａ　Ｗ　Ｏｓ　＋　３　
Ｂａに示される様な反応により、遊離Ｂａを生成してい
る。この遊離Ｂａは基体金属の空孔を通って陰極表面に
達し、Ｂａ−０−Ｗの単原子層を形成する。その結果、
陰極表面の仕事関数を低下し、Ｂａ単原子層は電子供給
源となる。

上記のように、陰極表面に形成されたＢａ−０−Ｗの単
原子層は、陰極表面から蒸発するため、基体内部から十
分な量のＢａの供給を受は続けなければ安定した電子放
出ができない。（例えば、従来例のように、基体の空孔
率が小さく、動作時に十分な量のＢａが供給できない場
合、あるいは基体内部のＢａ化合物が消耗してしまった
場合には、Ｂａ　−０−Ｗの単原子層の被覆度が小さく
なり、仕事関数が上昇し、電子放出の均一性がそこなわ
れる。

特に、後者の場合には、その時点で寿命（ｌｉｆｅｅｎ
ｄ　）となる。この様に、含浸型陰極の寿命は基体金属
内部からのＢａ供給量および基体金属内部のＢａ絶対量
と、基体金属表面からのＢａ蒸発量とのバランスによっ
て決定される。） しかし、本発明による含浸型陰極は、多量の電子放射材
料を、陰極基体で覆っているため、Ｂａの絶対量が大で
あるため、基体の空孔率を高くしても、基体表面の８ａ
単原子層へのＢａ供給を十分かつ長時間行うことができ
る。また、基体に覆われた電子放射材料は、還元性金属
との混合体であるため、従来のキャビティ付含浸型陰極
に比べて低温動作ができるため、Ｂａ蒸発量が少ないと
いう特徴を有している。

従って、本発明による含浸型陰極は、従来の含浸型陰極
に比べてより長時間、安定動作を行うことができる。

ス１勇 本発明による含浸型陰極の実施例を、添付第１図に基づ
いて更に詳しく説明する。添付第１図は、本発明による
含浸型陰極の好ましい一態様を示す概略断面図である。

即ち、本発明による含浸型陰極は、陰極基体１と、基体
に覆われた電子放射材ネ斗タフ゛レット２と、それらを
装着するスリーブ３とを具備している。スリーブ３内に
は、ヒータコイル４が内蔵されており、アルミナ焼結体
５によって固定されている。

本実施例の場合、陰極基体１は、空孔率２９％を有する
タングステン焼結体であり、電子放射材料２は、４Ｂａ
ＣＩＣａ○・Ａｌ２Ｏ３とＷ−０，（５０１５０ｗｔ％
）との混合材料粉末からなるタブレットである。

以下本実施例における上記含浸型陰極の製造法を詳しく
説明する。

先ず、炭酸バリウム：ＢａＣＯ３、炭酸カルシウム：Ｃ
ａＣＯ３および酸化アルミニウム：Ａｌ２Ｏ３を４：１
：１のモル比で混合し、大気中にて１４００℃、２４時
間加熱し、複合酸化物、バリウム力ルシウムアルニミネ
ートの焼結体を形成した。その後、この焼結体を粉砕し
、あらかじめ混合したＷ−Ｏ５（５０／　５０ｗｔ％）
粉末を５０ｗｔ％添加し、プレス成形した。その後、水
素雰囲気中で、１２００℃、３０分間加熱し焼結を行い
、電子放射材料タブレット２（以下タブレット２と称す
）を作製した。

一方、基体２（空孔率２９％の多孔質タングステン）の
裏面には、上記タブレット２を挿入する凹部を機械加工
で形成した。

又、スリーブ３は、機械加工後、ヒータコイル４とアル
ミナ粉末を充填し、水素雰囲気中で加熱してアルミナ粉
末６を焼結させ、アルミナ熱結体５によってヒータコイ
ル４をスリーブ３内に固定した。

次に、陰極基体１の凹部にタブレット２を挿入し、カソ
ードスリーブ４と重ね合わせ、嵌合部をろう材６　（Ｍ
ｏ−Ｎｉ　（５０１５０ｗｔ％）合金）でろう付した。

上記方法により作製した陰極を二極管に組み込み動作さ
せた場合の電子放射特性の経時変化を添付第３図のＣと
して示した。１０００℃で２万時間以上経過しても、電
流値の低下率は５％以下であった。従来の含浸型陰極に
比べて、経時変化特性が小さくなっていることがわかろ
う。

発明の効果 以上、説明したように、本発明による含浸型陰極は、電
子放射材料を陰極基体の凹部に充填しており、多量のＢ
ａを有しているため、陰極表面の電子放射性単原子層に
長期間にわたって十分な量のＢａを供給することが可能
である。また、電子放射材料が還元性金属との混合体で
あるため、従来のキャビティ付含浸型陰極に比べて低温
動作ができ、Ｂａ蒸発量を低くおさえられるという特徴
を有している。

即ち、本発明の含浸型陰極は、従来の含浸型陰極に比べ
てより長時間安定動作が可能となった。

【図面の簡単な説明】

添付第１図は、本発明による含浸型陰極の好ましい一態
様を示す概略断面図であり、 添付第２図は、基体金属であるタングステンの空孔率を
１４．７〜２９％迄変化させた場合の電子放射特性の初
期経時変化を表すグラフであり、添付第３図は、含浸型
陰極の長時間動作の場合の空孔率の影響を表わした電子
放射特性の経時変化を表すグラフである。 （主な参照番号） １　・・・陰極基体、 ２・・・電子放射材料タブレット、 ３　・・・カソードスリーブ、 ４　・・・　ヒータコイル、 ５・・・アルミナ焼結体、 ６・・・嵌合部ろう材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）陰極スリーブと、多孔質高融点金属から形成され
   且つ前記陰極スリーブに装着された陰極基体とを有し、
   該陰極基板には、前記陰極スリーブ側に凹部が形成され
   、該凹部に電子放射材料が充填されており、該電子放射
   材料が、バリウムカルシウムアルミネート粉末および還
   元性金属粉末からなることを特徴とする含浸型陰極。
2. （２）上記還元性金属粉末は、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒｕお
   よびＲｈからなる群から選択された１つの材料の粉末ま
   たは前記群から選択された少くとも２つの材料の粉末混
   合物あるいは合金粉末であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の含浸型陰極。