JPH04286827A - 含浸形陰極 - Google Patents
含浸形陰極Info
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- JPH04286827A JPH04286827A JP3052198A JP5219891A JPH04286827A JP H04286827 A JPH04286827 A JP H04286827A JP 3052198 A JP3052198 A JP 3052198A JP 5219891 A JP5219891 A JP 5219891A JP H04286827 A JPH04286827 A JP H04286827A
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Landscapes
- Solid Thermionic Cathode (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は表示管,ブラウン管,撮
像管,進行波管などの電子管に用いられる含浸形陰極に
係り、特に、低温動作型であり、かつ高電流密度を得る
ことのできる含浸形陰極に関する。
像管,進行波管などの電子管に用いられる含浸形陰極に
係り、特に、低温動作型であり、かつ高電流密度を得る
ことのできる含浸形陰極に関する。
【0002】
【従来の技術】含浸形陰極は、タングステン(W)など
からなる耐熱多孔質基体にバリウム(Ba)化合物から
なる電子放出物質を含浸した構造が基本である。陰極の
動作温度を下げる方法としては、特公昭47−2134
3号公報記載のように、陰極表面にオスミウム−ルテニ
ウム(Os−Ru)合金などを被覆する方法が一般的で
ある。この多孔質基体は粒径6〜10μmの粒子からな
る焼結体からなり、その空孔率としては18〜20%の
範囲で選ばれている。しかしながら、このような方法で
は、陰極の動作温度は約1000℃と高く、実用化促進
への大きな障害となっていた。
からなる耐熱多孔質基体にバリウム(Ba)化合物から
なる電子放出物質を含浸した構造が基本である。陰極の
動作温度を下げる方法としては、特公昭47−2134
3号公報記載のように、陰極表面にオスミウム−ルテニ
ウム(Os−Ru)合金などを被覆する方法が一般的で
ある。この多孔質基体は粒径6〜10μmの粒子からな
る焼結体からなり、その空孔率としては18〜20%の
範囲で選ばれている。しかしながら、このような方法で
は、陰極の動作温度は約1000℃と高く、実用化促進
への大きな障害となっていた。
【0003】さらに、動作温度を下げる方法として、特
開昭61−13526号公報記載のように、Os−Ru
合金の代わりにタングステン(W),スカンジウム(S
c)及び酸素(O)を含む薄膜を被覆する方法がある。 この方法によれば、動作温度800℃で飽和電流密度1
0A/cm2以上が得られ、結果として動作温度を前者
の方法よりも150〜200℃下げることができる。し
かし、W,Sc及びOを含む薄膜を被覆した含浸形陰極
は、高い電子放出能を得るために、陰極表面に高い電界
を印加しなければならない。これは、高い電子放出能を
有する部分と低い電子放出能を有する部分、すなわち仕
事関数の小さい部分と大きい部分が分布することに起因
するパッチ電界効果の存在によるものである。この仕事
関数の不均一分布すなわちパッチ電界効果の存在が、空
間電荷制限領域と温度制限領域の境界を不明瞭とし、低
温下での陰極の使用を難しくしている。
開昭61−13526号公報記載のように、Os−Ru
合金の代わりにタングステン(W),スカンジウム(S
c)及び酸素(O)を含む薄膜を被覆する方法がある。 この方法によれば、動作温度800℃で飽和電流密度1
0A/cm2以上が得られ、結果として動作温度を前者
の方法よりも150〜200℃下げることができる。し
かし、W,Sc及びOを含む薄膜を被覆した含浸形陰極
は、高い電子放出能を得るために、陰極表面に高い電界
を印加しなければならない。これは、高い電子放出能を
有する部分と低い電子放出能を有する部分、すなわち仕
事関数の小さい部分と大きい部分が分布することに起因
するパッチ電界効果の存在によるものである。この仕事
関数の不均一分布すなわちパッチ電界効果の存在が、空
間電荷制限領域と温度制限領域の境界を不明瞭とし、低
温下での陰極の使用を難しくしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の含浸形陰極において、動作温度は低いが、陰極表面に
仕事関数の不均一分布が存在するために、高い電子放出
能を得るには高い電界を印加しなければならなく、実用
化を難しくしているという難点があった。
の含浸形陰極において、動作温度は低いが、陰極表面に
仕事関数の不均一分布が存在するために、高い電子放出
能を得るには高い電界を印加しなければならなく、実用
化を難しくしているという難点があった。
【0005】本発明の目的は、W,Sc及びOを含む薄
膜を被覆した含浸形陰極表面の仕事関数の不均一分布を
軽減すなわちパッチ電界効果を低減し、実装に耐え得る
含浸形陰極を提供することにある。
膜を被覆した含浸形陰極表面の仕事関数の不均一分布を
軽減すなわちパッチ電界効果を低減し、実装に耐え得る
含浸形陰極を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的は、含浸形陰極
の耐熱多孔質基体を粒径1〜5μmの粒子からなる耐熱
金属焼結体とし、しかも空孔率を25〜32%とするこ
とによって達成することができる。
の耐熱多孔質基体を粒径1〜5μmの粒子からなる耐熱
金属焼結体とし、しかも空孔率を25〜32%とするこ
とによって達成することができる。
【0007】
【作用】図1は本発明の含浸形陰極の概略構造を示す断
面図で、耐熱多孔質基体1と電子放出物質2とからなる
下地含浸形陰極ペレット3,障壁層4,スリーブ5,ヒ
ータ6,及びWとSc2W3O12を含む薄膜7から構
成されている。まず、ヒータ6への通電により陰極を加
熱することによって、下地含浸形陰極ペレット3内にお
いて耐熱多孔質基体1と電子放出物質2とが反応してB
aを生成する。たとえば、電子放出物質2にBa3Al
2O6を,多孔質基体1にWを使用した場合には、次の
式によってBaが生成される。
面図で、耐熱多孔質基体1と電子放出物質2とからなる
下地含浸形陰極ペレット3,障壁層4,スリーブ5,ヒ
ータ6,及びWとSc2W3O12を含む薄膜7から構
成されている。まず、ヒータ6への通電により陰極を加
熱することによって、下地含浸形陰極ペレット3内にお
いて耐熱多孔質基体1と電子放出物質2とが反応してB
aを生成する。たとえば、電子放出物質2にBa3Al
2O6を,多孔質基体1にWを使用した場合には、次の
式によってBaが生成される。
【0008】
(2/3)Ba3Al2O6+(1/3)W→(1/3
)BaWO4+(2/3)BaAl2O4+Ba 生成したBaの一部は陰極表面に拡散すると同時に、他
のBaは薄膜7中のW及びScを含む酸化物と反応して
Scを生成する。たとえば、薄膜7がW及びSc2W3
O12からなる場合、Sc2W3O12とBaが反応し
、次の式によってScが生成される。
)BaWO4+(2/3)BaAl2O4+Ba 生成したBaの一部は陰極表面に拡散すると同時に、他
のBaは薄膜7中のW及びScを含む酸化物と反応して
Scを生成する。たとえば、薄膜7がW及びSc2W3
O12からなる場合、Sc2W3O12とBaが反応し
、次の式によってScが生成される。
【0009】
Sc2W3O12+3Ba→3BaWO4+2Sc陰極
表面に拡散したBaおよびScは、電子放出物質2の熱
分解によって生ずる酸素や雰囲気中の酸素と結合して、
薄膜7上に単分子層から数分子層程度の極めて厚さの薄
い(Ba,Sc,O)複合層8を形成する。この複合層
8はその電子放出仕事関数が1.2eVと小さく、高い
電子放出能が得られる要因である。しかし、従来の含浸
形陰極は、この複合層8が陰極表面全領域に均一には形
成されず、島状に形成されていた。(Ba,Sc,O)
複合層8が存在しない部分は、仕事関数が2.0eVと
大きく、仕事関数の不均一分布が観測された。したがっ
て、複合層8と薄膜7との間でパッチ電界効果が存在し
、高い電子放出能を得るためには高い電界を印加しなけ
ればならない。
表面に拡散したBaおよびScは、電子放出物質2の熱
分解によって生ずる酸素や雰囲気中の酸素と結合して、
薄膜7上に単分子層から数分子層程度の極めて厚さの薄
い(Ba,Sc,O)複合層8を形成する。この複合層
8はその電子放出仕事関数が1.2eVと小さく、高い
電子放出能が得られる要因である。しかし、従来の含浸
形陰極は、この複合層8が陰極表面全領域に均一には形
成されず、島状に形成されていた。(Ba,Sc,O)
複合層8が存在しない部分は、仕事関数が2.0eVと
大きく、仕事関数の不均一分布が観測された。したがっ
て、複合層8と薄膜7との間でパッチ電界効果が存在し
、高い電子放出能を得るためには高い電界を印加しなけ
ればならない。
【0010】(Ba,Sc,O)複合層8の形成を注意
深く観察すると、その複合層8は多孔質基体1の細孔部
すなわち電子放出物質2の部分を中心に島状に形成され
ていた。これは生成したBa,Scが陰極表面で拡散速
度が遅く、かつ滞在時間が短いために、(Ba,Sc,
O)複合層8で陰極表面全領域を覆うことができなかっ
た。
深く観察すると、その複合層8は多孔質基体1の細孔部
すなわち電子放出物質2の部分を中心に島状に形成され
ていた。これは生成したBa,Scが陰極表面で拡散速
度が遅く、かつ滞在時間が短いために、(Ba,Sc,
O)複合層8で陰極表面全領域を覆うことができなかっ
た。
【0011】Ba,Scの拡散速度及び滞在時間を補っ
て陰極表面全領域を(Ba,Sc,O)複合層8で覆う
ためには、多孔質基体1の細孔部間すなわち電子放出物
質2の部分の間隙を縮めれば、(Ba,Sc,O)複合
層8の被覆率が向上して仕事関数の不均一分布が解消さ
れ、パッチ電界効果を低減できる。したがって、多孔質
基体1は従来よりも細粒で製作した金属焼結体とすれば
良い。すなわち、実用的な粒子径については、顕著な効
果が認められたのは1〜5μmの範囲であった。また、
空孔率はBaの生成量を支配し、さらにScの生成量も
左右される。(Ba,Sc,O)複合層8をスムーズに
形成するためには、従来の陰極の空孔率よりも大きい方
が有利である。電子放出特性測定によって実験的に求め
た空孔率については、顕著な効果が認められたのは25
〜32%の範囲で、28%のとき電子放出特性が最良で
あった。
て陰極表面全領域を(Ba,Sc,O)複合層8で覆う
ためには、多孔質基体1の細孔部間すなわち電子放出物
質2の部分の間隙を縮めれば、(Ba,Sc,O)複合
層8の被覆率が向上して仕事関数の不均一分布が解消さ
れ、パッチ電界効果を低減できる。したがって、多孔質
基体1は従来よりも細粒で製作した金属焼結体とすれば
良い。すなわち、実用的な粒子径については、顕著な効
果が認められたのは1〜5μmの範囲であった。また、
空孔率はBaの生成量を支配し、さらにScの生成量も
左右される。(Ba,Sc,O)複合層8をスムーズに
形成するためには、従来の陰極の空孔率よりも大きい方
が有利である。電子放出特性測定によって実験的に求め
た空孔率については、顕著な効果が認められたのは25
〜32%の範囲で、28%のとき電子放出特性が最良で
あった。
【0012】
【実施例】以下、本発明の含浸形陰極について実施例に
よって具体的に説明する。
よって具体的に説明する。
【0013】先ず、図1に基づいて、本発明の含浸形陰
極の製作について説明する。粒径1,3,5μmのW粉
末と従来陰極に使用している粒径7μmのW粉末を用意
し、それぞれプレス成形,水素中で仮焼結,真空中で本
焼結を行い、空孔率20,23,25,28,32%で
直径1.2mm,厚さ0.45mmの耐熱多孔質基体1
を製作した。なお、空孔率の調整は、プレス成形圧力、
焼結温度を変えることによって実施した。製作した多孔
質基体1に水素雰囲気中で4BaO・CaO・Al2O
3の組成からなる電子放出物質2を加熱溶融,含浸し、
下地含浸形陰極ペレット3を製作した。次いで、該ペレ
ット3をモリブデン(Mo)からなるカップ状の障壁層
4に挿入し、さらにヒータ6を内包するためのMoスリ
ーブ5に挿入したのち、それらを固着して陰極本体を製
作した。
極の製作について説明する。粒径1,3,5μmのW粉
末と従来陰極に使用している粒径7μmのW粉末を用意
し、それぞれプレス成形,水素中で仮焼結,真空中で本
焼結を行い、空孔率20,23,25,28,32%で
直径1.2mm,厚さ0.45mmの耐熱多孔質基体1
を製作した。なお、空孔率の調整は、プレス成形圧力、
焼結温度を変えることによって実施した。製作した多孔
質基体1に水素雰囲気中で4BaO・CaO・Al2O
3の組成からなる電子放出物質2を加熱溶融,含浸し、
下地含浸形陰極ペレット3を製作した。次いで、該ペレ
ット3をモリブデン(Mo)からなるカップ状の障壁層
4に挿入し、さらにヒータ6を内包するためのMoスリ
ーブ5に挿入したのち、それらを固着して陰極本体を製
作した。
【0014】次に、複数物質を同時にスパッタリングす
ることが可能な装置(図示せず)を使用し、W,Sc2
W3O12の2種をスパッタ・ターゲットとして、上記
陰極本体のペレット3表面に上記WとSc2W3O12
からなる混合薄膜7を形成した。
ることが可能な装置(図示せず)を使用し、W,Sc2
W3O12の2種をスパッタ・ターゲットとして、上記
陰極本体のペレット3表面に上記WとSc2W3O12
からなる混合薄膜7を形成した。
【0015】上記の如く形成した含浸形陰極について、
真空度10−7Paクラスの高真空容器内に陽極と陰極
からなる平行平板の2電極を配置し、陰極温度を115
0℃まで加熱して陰極を活性化したのち、陰極温度を8
50℃に下げて陽極に正のパルス電圧を印加したときの
陰極の放出電流を測定した。図2は陰極の放出電流密度
と印加電圧の平方根との関係(ショットキー曲線)を示
す。同図において、曲線21は本発明による含浸形陰極
の放出電流密度特性、曲線22は従来の含浸形陰極の特
性、曲線23は従来の実用的なレベルにあるOs−Ru
被覆含浸形陰極の特性である。
真空度10−7Paクラスの高真空容器内に陽極と陰極
からなる平行平板の2電極を配置し、陰極温度を115
0℃まで加熱して陰極を活性化したのち、陰極温度を8
50℃に下げて陽極に正のパルス電圧を印加したときの
陰極の放出電流を測定した。図2は陰極の放出電流密度
と印加電圧の平方根との関係(ショットキー曲線)を示
す。同図において、曲線21は本発明による含浸形陰極
の放出電流密度特性、曲線22は従来の含浸形陰極の特
性、曲線23は従来の実用的なレベルにあるOs−Ru
被覆含浸形陰極の特性である。
【0016】表1は上記実施例で説明した耐熱多孔質基
体の製作条件による陰極の電子放出特性を定性的に優劣
評価した結果で、記号は特性が優れている順にA>B>
C>Dである。A及びBが陰極として実用的なレベルの
ものである。
体の製作条件による陰極の電子放出特性を定性的に優劣
評価した結果で、記号は特性が優れている順にA>B>
C>Dである。A及びBが陰極として実用的なレベルの
ものである。
【0017】
【表1】
【0018】図2から分かるように、本発明による含浸
形陰極の放出電流密度特性21は従来の含浸形陰極の特
性22に比較して高い放出電流密度が得られ、特に低電
界においてはそれが顕著になっている。また、従来の実
用レベルのOs−Ru被覆含浸形陰極の特性23と同様
に、空間電荷制限領域から温度制限領域への移行が明瞭
になった。これは低仕事関数の(Ba,Sc,O)複合
層8の陰極表面での被覆率が向上し、仕事関数の不均一
分布が低減されたことを意味する。また、動作温度(陰
極温度850℃)状態において、陰極表面のオージェ分
析を実施しても明らかに(Ba,Sc,O)複合層8の
被覆率向上が確認された。
形陰極の放出電流密度特性21は従来の含浸形陰極の特
性22に比較して高い放出電流密度が得られ、特に低電
界においてはそれが顕著になっている。また、従来の実
用レベルのOs−Ru被覆含浸形陰極の特性23と同様
に、空間電荷制限領域から温度制限領域への移行が明瞭
になった。これは低仕事関数の(Ba,Sc,O)複合
層8の陰極表面での被覆率が向上し、仕事関数の不均一
分布が低減されたことを意味する。また、動作温度(陰
極温度850℃)状態において、陰極表面のオージェ分
析を実施しても明らかに(Ba,Sc,O)複合層8の
被覆率向上が確認された。
【0019】
【発明の効果】以上、本発明になるW及びScを含む酸
化物の混合膜を有する含浸形陰極において、耐熱多孔質
基体を従来よりも小粒径の粉末から製作した焼結体とし
、さらに空孔率を25〜32%と従来よりも高くするこ
とによって、陰極表面に低仕事関数の(Ba,Sc,O
)複合層が高い被覆率で容易に形成でき、仕事関数の不
均一分布の低減すなわちパッチ電界効果を低減できる。 したがって、本発明による含浸形陰極は、小さい電界で
も高い放出電流密度が得られ、実用レベルの低温動作形
の含浸形陰極として使用できる。
化物の混合膜を有する含浸形陰極において、耐熱多孔質
基体を従来よりも小粒径の粉末から製作した焼結体とし
、さらに空孔率を25〜32%と従来よりも高くするこ
とによって、陰極表面に低仕事関数の(Ba,Sc,O
)複合層が高い被覆率で容易に形成でき、仕事関数の不
均一分布の低減すなわちパッチ電界効果を低減できる。 したがって、本発明による含浸形陰極は、小さい電界で
も高い放出電流密度が得られ、実用レベルの低温動作形
の含浸形陰極として使用できる。
【0020】また、本発明による含浸形陰極を電子管に
実装した場合に、動作温度を従来のOs−Ru被覆含浸
形陰極よりもさらに150〜200℃下げることができ
るので、陰極表面からのBa及びBaOの蒸発速度を約
1桁低減出来、グリッド・エミッション等に起因する管
球特性の劣化を防止できる。さらに、本発明による含浸
形陰極は低温動作であることから、陰極を加熱するヒー
タの信頼性も大巾に向上する。
実装した場合に、動作温度を従来のOs−Ru被覆含浸
形陰極よりもさらに150〜200℃下げることができ
るので、陰極表面からのBa及びBaOの蒸発速度を約
1桁低減出来、グリッド・エミッション等に起因する管
球特性の劣化を防止できる。さらに、本発明による含浸
形陰極は低温動作であることから、陰極を加熱するヒー
タの信頼性も大巾に向上する。
【図1】本発明の含浸形陰極の概略構造を示す断面図で
ある。
ある。
【図2】本発明構成の含浸形陰極と従来の含浸形陰極の
放出電流密度特性を比較した図である。
放出電流密度特性を比較した図である。
1・・・耐熱多孔質基体、2・・・電子放出物質、3・
・・ペレット、7・・・W及びScを含む酸化物の混合
薄膜、8・・・(Ba,Sc,O)複合層、21・・・
本発明の含浸形陰極の特性、22,23・・・従来の含
浸形陰極の特性。
・・ペレット、7・・・W及びScを含む酸化物の混合
薄膜、8・・・(Ba,Sc,O)複合層、21・・・
本発明の含浸形陰極の特性、22,23・・・従来の含
浸形陰極の特性。
Claims (1)
- 【請求項1】耐熱多孔質基体と、その細孔部には電子放
出物質、表面にはタングステン(W),スカンジウム(
Sc)及び酸素(O)を含む薄膜を設けた含浸形陰極に
おいて、前記耐熱多孔質基体は粒径1〜5μmの粒子の
耐熱金属焼結体からなり、かつ25〜32%の空孔率を
有することを特徴とする含浸形陰極。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3052198A JPH04286827A (ja) | 1991-03-18 | 1991-03-18 | 含浸形陰極 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3052198A JPH04286827A (ja) | 1991-03-18 | 1991-03-18 | 含浸形陰極 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04286827A true JPH04286827A (ja) | 1992-10-12 |
Family
ID=12908091
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3052198A Pending JPH04286827A (ja) | 1991-03-18 | 1991-03-18 | 含浸形陰極 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH04286827A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1996042100A1 (fr) * | 1995-06-09 | 1996-12-27 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Structure de cathode impregnee, substrat de cathode pour une telle structure, structure de canon a electrons utilisant une telle structure de cathode, et tube electronique |
-
1991
- 1991-03-18 JP JP3052198A patent/JPH04286827A/ja active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1996042100A1 (fr) * | 1995-06-09 | 1996-12-27 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Structure de cathode impregnee, substrat de cathode pour une telle structure, structure de canon a electrons utilisant une telle structure de cathode, et tube electronique |
US6034469A (en) * | 1995-06-09 | 2000-03-07 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Impregnated type cathode assembly, cathode substrate for use in the assembly, electron gun using the assembly, and electron tube using the cathode assembly |
US6304024B1 (en) | 1995-06-09 | 2001-10-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Impregnated-type cathode substrate with large particle diameter low porosity region and small particle diameter high porosity region |
US6447355B1 (en) | 1995-06-09 | 2002-09-10 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Impregnated-type cathode substrate with large particle diameter low porosity region and small particle diameter high porosity region |
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