JP3715790B2

JP3715790B2 - 放電管用含浸型陰極の製造方法

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Publication number: JP3715790B2
Application number: JP23551898A
Authority: JP
Inventors: 洋之宮本; 雅朗加藤; 淳井上; 文雄高村
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1998-08-21
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 2005-11-16
Anticipated expiration: 2018-08-21
Also published as: JP2000067811A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は放電管に用いられる含浸型陰極の製造方法であって、電子放出面の仕事関数の降下及び均質化が促進できる陰極の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、放電管用陰極として、タングステン陰極、トリア入りタングステン陰極、そして含浸型陰極が広く使用されている。この前二者のタングステン陰極とトリア入りタングステン陰極は、放電時の電流のほとんどを熱電子放出に頼っており、陰極基材の融点近傍まで温度を上昇させることで必要な放出電子を確保している。このため、当該陰極の最高温度は、３０００〜３５００℃に達し、また放電時の陰極電圧降下も比較的大きくなるが、上記３０００℃を超える温度では、陰極先端を溶融させたり、蒸発させたりする。しかも、陰極電圧降下が大きくなるということは、電離によって生じた封入ガスイオン（例えばキセノンランプ）の衝突によって陰極温度の上昇や陰極基材のスパッタを促進させる。
【０００３】
従って、これらの陰極では、約１７００時間で陰極先端形状が劣化して寿命となり、これら陰極自体の寿命が放電管の寿命となる。一方、この種の陰極ではその先端を鋭利にすることにより光出力を安定化させることができるので、これらのタングステン陰極及びトリア入りタングステン陰極の先端を約２０度程度に鋭利に加工している。
【０００４】
また、後者の含浸型陰極は、タングステン粉末を加圧、成形そして焼結し、又は浸銅タングステンを真空処理して得られた気孔率１５〜２５％の多孔質タングステンに、アルミン酸バリウム・カルシウムを含浸したものである。この含浸型陰極は、上記前二者のタングステン陰極やトリヤ入りタングステンと比較すると、高い熱電子放出特性及びγ作用（イオンの衝突による２次電子放出作用）を持っており、放電時の陰極電圧降下が比較的緩和される。
【０００５】
従って、含浸型陰極の最高温度は３０００℃以下に抑制され、封入ガスイオンによるスパッタもほとんど生じることはなく、この含浸型陰極を用いた放電管によれば、先端形状の劣化が小さく、長寿命の放電管を得ることができる。例えば、１５０Ｗ級の高圧アークランプにおいて、現在のところ、上記タングステン陰極等の場合よりも比較的長い約２５００時間の寿命が得られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の含浸型陰極を用いた放電管の寿命の原因は、含浸材の蒸発物がガラス管壁に付着し、光透過率を低下させたことによる輝度の低下であり、上記前二者の陰極のような陰極形状自体の劣化による寿命ではない。従って、この含浸材の蒸発量を減らせば、含浸型陰極を用いた放電管の長寿命化が図れることになる。
【０００７】
このための最も有効な手段として、陰極の熱電子放出能力とγ作用を向上させて陰極電圧降下を緩和させることにより、陰極温度を低減する方法が考えられる。即ち、陰極の電子放出面に、イリジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウムのうちの少なくとも一つの金属をスパッタ蒸着することにより、熱電子放出能力及びγ作用の向上を図ることができる。
【０００８】
しかし、この方法では、放電点灯時に温度が上昇した部分だけに自己形成的に上記のスパッタ金属と陰極基材との合金層が形成され、陰極の電子放出面が不均質となる。このため、陰極温度が部分的に過上昇し、かえって含浸材（或いは陰極基材）の蒸発量が増加して短寿命となり、また輝点が揺らいで、光出力の安定性が低下するという問題があった。しかも、この含浸型陰極の場合は、基材が多孔質であるため、上記のタングステン陰極やトリア入りタングステン陰極のように陰極先端の先鋭化が困難であり、先端形状の鋭利加工による光出力の安定化には限界がある。
【０００９】
更に、この含浸型陰極はその電子放出面に水蒸気、水酸基、酸化物等の分子が吸着することから、光出力の安定性を含めた初期特性が不安定で、本来の特性を引き出すためには、ある程度の期間を必要とするエージング工程が不可欠であった。
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電子放出面の仕事関数の降下、均質化の促進を行い、光出力の安定化、長寿命化を図ることができる放電管用含浸型陰極の製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明に係る放電管用含浸型陰極の製造方法は、多孔質タングステン又は多孔質モリブデンを陰極基材とする放電管用含浸型陰極の電子放出面に、イリジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウムのうちの少なくとも一種類の金属をスパッタ蒸着し、このスパッタ蒸着後の陰極部材を１０００〜２４００℃でアニール処理すると共に、このアニール処理は、上記陰極基材含浸材の蒸発を抑制するために、当該陰極基材含浸材と同一の材料を炉内に配置して当該陰極基材含浸材の飽和蒸気圧中で行い、上記陰極基材と上記各金属との合金層を０．１〜１０μｍの膜厚で上記電子放出面に形成するようにしたことを特徴とする。
請求項２の発明に係る放電管用含浸型陰極の製造方法は、多孔質タングステン又は多孔質モリブデンを陰極基材とする放電管用含浸型陰極の電子放出面に、イリジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウムのうちの少なくとも一種類の金属を塗布又は含浸し、この塗布又は含浸後の陰極部材を１０００〜２４００℃でアニール処理すると共に、このアニール処理は、上記陰極基材含浸材の蒸発を抑制するために、当該陰極基材含浸材と同一の材料を炉内に配置して当該陰極基材含浸材の飽和蒸気圧中で行い、上記陰極基材と上記各金属との合金層を上記電子放出面に形成するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
上記の製造方法によれば、例えばタングステンの陰極基材表面に、イリジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウムのうちの少なくとも一種類の金属層がスパッタ蒸着或いは塗布又は含浸により形成され、この後、アニール処理により上記金属と陰極基材のタングステンとの合金層が均一に形成される。即ち、上記イリジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウムとの合金層とすることにより、仕事関数の降下が促進でき、またアニール処理で均一な合金層を形成することにより、電子放出面の均質化を図ることができる。
【００１４】
ここで、含浸型陰極又は上記の合金層を形成した含浸型陰極の電子放出面は、活性化処理を施すこともでき、これによれば、その表面に付着している水蒸気、水酸基、酸化物等の吸着分子が除去されると共に、含浸材のバリウム（Ｂａ）のマイグレーションが促進され、電子放出面にＢａ−Ｏ双極子層が形成される。これにより、高い熱電子放出特性及びγ作用が得られることになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１には、実施形態例に係る放電管用含浸型陰極の二つの構成が示されており、これらは陰極表面（電子放出面）に合金層を形成したものである。図１（Ａ）に示されるように、含浸型陰極基材１Ａは例えば円錐形先端を持つ円柱形に成形された多孔質タングステン又は多孔質モリブデンからなり、この多孔質基材内に、アルミン酸バリウム・カルシウムを含浸したもので、後端側にモリブデンリード２Ａが取り付けられる。そして、この陰極基材１Ａの表面、即ち電子放出面に、イリジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウムのうちの少なくとも一つの金属と、陰極材料であるタングステン又はモリブデンとの合金層３Ａが形成される。
【００１６】
また、図１（Ｂ）に示される他の構成の放電管用陰極の場合は、上記と同様の陰極基材１Ｂがモリブデンリード２Ｂの先端部に一部埋め込まれる状態で固着され、この陰極基材１Ｂに、例えばイリジウムとタングステンの合金層３Ｂ（上記合金層３Ａと同様）が形成される。
【００１７】
図２には、上記の図１の含浸型陰極を形成するための製造方法の第１例（製造工程）が示されており、この第１例はスパッタ蒸着とアニール処理を行う方法である。この第１例では、図２（Ａ）のように、モリブデンリード２を固着した陰極基材４が母陰極として用いられ、この陰極基材４は、図１で説明したように、多孔質タングステン又は多孔質モリブデン内にアルミン酸バリウム・カルシウムを含浸したものである。これは、例えばタングステン粉末を加圧・成形・焼結し、又は浸銅タングステンを真空処理して、気孔率２０％の多孔質タングステンからなる陰極基材４を作り、この多孔質陰極基材４に上記の含浸材を含浸させる。
【００１８】
そして、図２（Ｂ）のスパッタ蒸着工程では、図示されるように、まずアルゴン（Ａｒ）雰囲気５（〜１０^-3Ｔｏｒｒ）としたスパッタ用チェンバー６内において、イリジウム（ルテニウム、レニウム、オスミウムでもよい）ターゲット７に対向させて上記陰極基材４を配置し、これらに高電圧（ターゲット７に負電圧、陰極基材４に正電圧）を印加してスパッタ蒸着を行う。この結果、図２（Ｃ）に示されるように、陰極基材４の表面に、約０．１〜１０μｍの厚さのイリジウム層８が蒸着、形成される。
【００１９】
次に、図２（Ｄ）のアニール処理工程に移ることになり、ここでは、水素ガス（Ｈ₂）雰囲気１０を有するアニール炉１１の中に、モリブデン製密閉容器１２が入れられる。この容器１２は、その内部が含浸材（アルミン酸バリウム・カルシウム）１３の配置によりこの含浸材雰囲気１４とされ、この含浸材雰囲気１４中に、モリブデン製試料台１５を介して上記の陰極基材４が配置される。そして、この陰極基材４はアニール炉１１により例えば１８００℃まで加熱され、約２０分のアニール処理が行われる。このアニール処理の温度は、合金層形成が始まる１０００℃から、合金層の融点近傍の２４００℃の範囲で設定することができる。
【００２０】
このようなアニール処理工程によれば、図２（Ｅ）に示されるように、陰極基材４の電子放出面の表層として、約０．１〜１０μｍの厚さのイリジウム−タングステン合金（Ｉｒ₃Ｗ合金）層１７が均質に形成される。また、このアニール処理工程では、含浸材雰囲気１４中で実行することにより、含浸材の減少が良好に抑制される。
【００２１】
即ち、上記の温度では、含浸材１３であるアルミン酸バリウム・カルシウムが溶融又は蒸発し易く、アニール処理中の陰極基材４内のその量が減少し劣化することになる。そこで、含浸材１３を陰極基材４と直接接触しないようにモリブデン製試料台１５の下に置き、密閉容器１２内をアルミン酸バリウム・カルシウムの飽和蒸気圧雰囲気（１４）とする。これにより、熱平衡状態における陰極基材４からの含浸材の減少をかなり抑制できることになる。
【００２２】
図３には、含浸型陰極の製造方法である第２例が示されており、この第２例は金属微粉末を塗布又は含浸した陰極基材にアニール処理を施すものである。この第２例では、図３（Ａ）に示されるように、容器１８内に粒径１μｍ以下のイリジウム微粉末を添加したバインダー溶液１９を入れ、このバインダー溶液１９中に母陰極である陰極基材４を浸漬する。その後、図３（Ｂ）に示されるように、この陰極基材４を漬けた容器１８をそのままアクリル製容器２０に入れ、減圧とリーク（大気圧）を繰り返す真空含浸を実行する。
【００２３】
そうした後、バインダー溶液１９中から陰極基材４を取り出すと、図（Ｃ）に示されるように、陰極基材４の表面上と表面下にイリジウム微粉末を固着・含浸した層が形成される。次に、この陰極基材４は、図３（Ｄ）に示されるアニール炉１１により、アニール処理が行われる。
【００２４】
このアニール処理は、第２例のアニール処理と全く同一であり、アニール炉１１内の水素ガス１０中にモリブデン製密閉容器１２を配置し、この容器１２内に設定されたアルミン酸バリウム・カルシウム雰囲気１４中で、上記陰極基材４につき例えば１８００℃（１０００℃〜２４００℃の範囲）、約２０分のアニール処理が行われる。
【００２５】
これによっても、含浸材の減少を抑制して陰極基材４を劣化させることなく、図３（Ｅ）に示されるように、陰極基材４の電子放出面に、約０．１〜１０μｍの厚さのイリジウム−タングステン合金（Ｉｒ₃Ｗ合金）層２３が均質に形成される。そして、この第２例の場合は、上記のプロセスを何回でも繰り返すことができ、塗布・含浸及びアニール処理を繰り返し実行することにより、上記第２例に比較して合金層２３の厚膜化を図ることが可能となる。この厚膜化は、更なる長寿命化を達成できる。
【００２６】
次に、含浸型陰極の活性化処理を、図４及び図５により説明する。図４には、スパッタとアニール処理で活性化処理をする第３例の工程が示されており、図４（Ａ）に示されるように、アルゴン（Ａｒ）雰囲気５としたスパッタ用チェンバー６内で、上記の第２例又は第２例で合金層が形成された含浸型陰極基材２４がモリブデン製陽極２５に対向して配置される。この陰極基材２４としては、合金層が形成されていない含浸型陰極基材でもよい。
【００２７】
そうして、このスパッタ用チェンバー６において高電圧（上記陽極２５に正電圧、上記陰極基材２４に負電圧）を印加してスパッタを行い、アルゴンプラズマ中で陰極基材２４の電子放出面を約１００Å削り、清浄なタングステン面を露出させる。即ち、アルゴンイオンを電子放出面に衝突させ、その表面に存在する水蒸気、水酸基又は酸化物等の吸着分子を除去する。
【００２８】
次に、図４（Ｂ）に示されるように、アニール炉１１内を不活性ガス雰囲気（又は真空）２６とし、この不活性ガス雰囲気２６中に陰極基材２５を置いて、１０５０℃〜１２００℃、３０分のアニール処理をする。このアニール処理によれば、陰極基材２４中に含浸されているアルミン酸バリウム・カルシウム中のバリウムのマイグレーションが促進され、その電子放出面にＢａ−Ｏ双極子層が形成される。これによって、図４（Ｃ）に示される陰極２８、即ち電子放出面が活性化された陰極２８を得ることができる。
【００２９】
図５には、アニール処理及び電気的分解により活性化処理をする第４例の工程が示されており、この第５例では、図５（Ａ）に示されるように、アニール炉１１内で、合金層が形成された含浸型陰極基材（又は合金層が形成されない陰極基材）２４がモリブデン製陽極２５に対向して配置される。このアニール炉１１では、内部が１０^-7Ｔｏｒｒ以上の真空又は不活性ガスの雰囲気３０とされ、１０５０〜１２００℃の温度でアニール処理を行うと同時に、陰極基材２４と陽極２５との間に、１〜２ｋＶの高電圧を約３０分間印加する。
【００３０】
このアニール炉１１での処理によれば、真空３０下では熱電子又は残留ガスイオンにより、一方不活性ガス雰囲気３０では放電作用により、陰極基材２４表層の水蒸気、水酸基又は酸化物等の吸着分子が電気的に分解される。同時に、陰極基材２４中のバリウムのマイグレーションが促進され、その電子放出面にＢａ−Ｏ双極子層が形成されることになり、これによって、図５（Ｂ）に示される陰極３１、即ち電子放出面が活性化された陰極３１を得ることができる。
【００３１】
なお、上記の第３例及び第４例における上記アニール処理の温度は、バリウムのマイグレーションが可能な１０５０℃以上であることが好ましく、また１２００℃を超えると、バリウムの飛散が著しくなって陰極基材２４を劣化させてしまうことから、１０５０〜１２００℃の範囲で設定することが好適である。
【００３２】
また、上記の例では、合金層を形成した陰極基材２４に対し適用する場合を説明したが、この活性化処理は、合金層が形成されていない含浸型陰極基材でも同様に施すことにより、電子放出面活性化の効果を発揮することができる。そして、このような活性化処理によれば、従来行っていたエージング工程が不要となる利点がある。
【００３３】
上記図１の含浸型陰極、第１例及び第２例の製造方法で作られた含浸型陰極、第３例及び第４例の活性化処理が施された含浸型陰極は、放電管用のガラス管内に組み入れられ、このガラス管に放電ガスが封じ込められることにより放電管が製造される。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、含浸型陰極の電子放出面に、イリジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウムのうちの少なくとも一種類の金属をスパッタ蒸着し、このスパッタ蒸着後の陰極部材を１０００〜２４００℃でアニール処理し、上記陰極基材と上記各金属との合金層を０．１〜１０μｍの膜厚で上記電子放出面に形成して放電管用含浸型陰極を製造したので、電子放出面の仕事関数降下と合金層の均質化が促進され、高い熱電子放出能力とガンマ作用を得ることができ、大幅な光出力の安定化、長寿命化を図ることが可能となる。
請求項２記載の発明によれば、上記イリジウム等の金属を塗布又は含浸し、この塗布又は含浸後の陰極部材をアニール処理して、電子放出面に上記合金層を形成したので、上記請求項２の場合と同様の効果を得ることができ、特にこの場合は、厚膜合金層の形成により効果を更に高めることが可能となる。
【００３６】
しかも、上記発明では、上記アニール処理を当該陰極基材の含浸材の飽和蒸気圧中で行うので、含浸材の蒸発を抑制して陰極の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る放電管用含浸型陰極の二つの実施形態例［図（Ａ）と図（Ｂ）］を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る放電管用含浸型陰極の製造方法の第１例の工程を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る放電管用含浸型陰極の製造方法の第２例の工程を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る放電管用含浸型陰極の製造方法の第３例の工程（活性化処理工程）を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る放電管用含浸型陰極の製造方法の第４例の工程（活性化処理工程）を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，４，２４ … 陰極基材、
２Ａ，２Ｂ，２ … モリブデンリード、
３Ａ，３Ｂ，１７，２３ … イリジウム-タングステン合金層、
６ … スパッタ用チェンバー、
１１ … アニール炉、
７ … イリジウムターゲット、
１３ … 含浸材（アルミン酸バリウム・カルシウム）、
２５ … モリブデン製陽極。

Claims

多孔質タングステン又は多孔質モリブデンを陰極基材とする放電管用含浸型陰極の電子放出面に、イリジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウムのうちの少なくとも一種類の金属をスパッタ蒸着し、
このスパッタ蒸着後の陰極部材を１０００〜２４００℃でアニール処理すると共に、このアニール処理は、上記陰極基材含浸材の蒸発を抑制するために、当該陰極基材含浸材と同一の材料を炉内に配置して当該陰極基材含浸材の飽和蒸気圧中で行い、
上記陰極基材と上記各金属との合金層を０．１〜１０μｍの膜厚で上記電子放出面に形成するようにした放電管用含浸型陰極の製造方法。
多孔質タングステン又は多孔質モリブデンを陰極基材とする放電管用含浸型陰極の電子放出面に、イリジウム、ルテニウム、レニウム、オスミウムのうちの少なくとも一種類の金属を塗布又は含浸し、
この塗布又は含浸後の陰極部材を１０００〜２４００℃でアニール処理すると共に、このアニール処理は、上記陰極基材含浸材の蒸発を抑制するために、当該陰極基材含浸材と同一の材料を炉内に配置して当該陰極基材含浸材の飽和蒸気圧中で行い、
上記陰極基材と上記各金属との合金層を上記電子放出面に形成するようにした放電管用含浸型陰極の製造方法。