JPH04232252A - ディスペーサーカソード用のスパッタリングされたスカンジュウム酸化物被覆およびその製造方法 - Google Patents

ディスペーサーカソード用のスパッタリングされたスカンジュウム酸化物被覆およびその製造方法

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JPH04232252A
JPH04232252A JP3174134A JP17413491A JPH04232252A JP H04232252 A JPH04232252 A JP H04232252A JP 3174134 A JP3174134 A JP 3174134A JP 17413491 A JP17413491 A JP 17413491A JP H04232252 A JPH04232252 A JP H04232252A
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scandium oxide
barium
layer
deposited
oxide
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JP3174134A
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Robert T Longo
ロバート・ティー・ロンゴ
Mario A Barillas
マリオ・エー・バリラス
Ralph Forman
ラルフ・フォーマン
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Hughes Aircraft Co
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Publication date
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    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/13—Solid thermionic cathodes
    • H01J1/20—Cathodes heated indirectly by an electric current; Cathodes heated by electron or ion bombardment
    • H01J1/28—Dispenser-type cathodes, e.g. L-cathode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/04—Manufacture of electrodes or electrode systems of thermionic cathodes
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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
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  • Physical Vapour Deposition (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。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高電流密度のディスペ
ーサーカソード用の低表面仕事関数被覆に関するもので
あり、特にそのようなカソード用のバリウム活性化スカ
ンジュウム酸化物被覆およびその製造方法に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】高電流密度のディスペーサーカソードは
表示管、カメラ管、オシロスコープ用管、クライストロ
ン、送信管等の電子源として広く使用されている。その
ようなカソード構造の特徴は、電子放射面と放射面の充
分に低い仕事関数を生成するように機能する電子放射材
料の蓄積部とが機能的に分離されていることにある。
【０００３】ディスペーサーカソードの１形式としてス
カンジュウム酸化物カソードがあり、それにおいては電
子放射は例えばバリウムカルシウムアルミニウム酸化物
混合物が含浸されて分布しているタングステンの多孔性
マトリックスの表面から行われる。これらのカソードに
おいて、表面仕事関数はスカンジュウム酸化物（Ｓｃ２
　Ｏ３　）からなる電子放射材料で金属マトリックスの
少なくとも表面を含浸または埋設することによって減少
させることができる。これが行われたとき完成した製品
は被覆されないバリウム含浸タングステンディスペーサ
ーカソード或いはオスミウムおよびルテニウムの混合物
（表面仕事関数は１．８０乃至１．８５ｅｖ）で被覆さ
れたディスペーサーカソードに比較して低い表面仕事関
数と長期間の安定性を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらスカンジ
ュウム酸化物は半導体または絶縁物であり、高電流にお
いてその電子流に対する抵抗は酸化物粒子の寸法がミク
ロン範囲内またはそれ以上であるとき大きな問題を生じ
る。この問題は認識され、それを克服するための方法が
開発されているが、これまで開発された方法では合理的
なコストで高品質の材料を確実に生成することはできな
い。例えば米国特許第４，５９４，２２０　号明細書（
発明者Ｈａｓｋｅｒ他）に記載された多ステップの方法
は、多孔性のバリウムとスカンジュウムの酸化物を含む
多孔性のタングステン基体上に予め付着されたタングス
テンとスカンジュウムの水素化物粉末の圧縮された混合
物を焼結する工程を含んでいる。英国特許第２，１７０
，９５０　号明細書（株式会社日立）に記載された別の
方法は金属（タングステンが好ましい）とスカンジュウ
ム酸化物の組合わせがスパッタリングによって通常のス
カンジュウム酸化物型のスカンジュウム酸化物を含浸し
たカソード表面に付着される。この方法はスパッタリン
グされた層中の金属とスカンジュウム酸化物との正確な
比率を維持することが困難であるために不正確で一定し
ない結果を生じる欠点がある。それ故この発明の目的は
、上述の欠点のない、改善されたスカンジュウム酸化物
カソードおよびそれを製造するための簡単な方法を提供
することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、ディスペーサ
ーカソード構造用の低表面仕事関数スカンジュウム酸化
物表面およびその製造方法に関する。カソード構造は主
要部分が多孔性タングステンから構成され、一部にバリ
ウムを含む含浸体が分布しているマトリックスであるコ
アまたは基体を具備し、その基体の最外面上には電子放
射材料としてバリウム活性化スカンジュウム酸化物のナ
ノメータの範囲の厚さの層が付着されている。カソード
構造はさらにヒータおよび絶縁体を備えている。それら
の全部品はスリーブその他の保持装置によって最終カソ
ード構造を形成するように結合して保持されている。
【０００６】このようなカソード構造をほ製造する方法
においては、バリウムを含浸されたタングステンから構
成された基体の最外面上にスカンジュウム酸化物の層が
付着される。付着された酸化物層の最終的な厚さは約１
乃至３０ナノメータの範囲である。付着された層が適切
な厚さおよび組成を有する限り、被覆を形成するために
通常使用される任意の付着方法が使用できる。適当な方
法にはスパッタリングおよび化学気相付着（ＣＶＤ）法
が含まれる。それから付着したスカンジュウム酸化物表
面層は約３７５乃至５００度Ｃの温度、約１０−５乃至
１０−７トルの酸素圧力において酸素雰囲気中に約２乃
至１０分間露出される。酸素に露出された酸化物表面層
はバリウムを含む含浸体中のバリウムの少なくとも一部
を解放させて解放したバリウム少なくとも一部をスカン
ジュウム酸化物表面層中へ移動させるように例えばカソ
ードヒータをオンにすることによって表面層を活性化す
る。 これはスカンジュウム酸化物表面層の少なくとも一部上
に酸化バリウムの単層を形成する。
【０００７】このような処理によって製造されたとき、
活性化された表面の仕事関数は約１．５乃至１．６ｅＶ
の範囲にある。さらにスカンジュウム酸化物に対する酸
化バリウムの結合エネルギは非常に高く、そのためこの
方法により形成された複合表面は約７００度Ｃ以上の温
度でさえも安定している。
【０００８】
【実施例】以下、添付図面を参照にして本発明の実施例
を詳細に説明する。図１は電子放射ディスペーサーカソ
ード構造１０の典型的な形態を示している。図示のよう
にカソード構造１０は多孔性タングステン基体１２で構
成された外側電子放射表面を備えている。多孔性タング
ステン基体１２は、好ましくはバリウムカルシウムアル
ミニウム酸化物のような分散した電子活性体を含むバリ
ウムで含浸され、さらにその上に付着されたスカンジュ
ウム酸化物のナノメータの厚さの最上層１４を有してい
る。図１に示すようにアルミニウム酸化物絶縁物１８、
その内部に配置されたヒータ１６、およびカンまたはフ
ランジを有するスリーブ形状であり次に使用されるため
に適当な位置に組立てられたディスペーサーカソード構
造１０の全構成要素を保持する保持体２０が設けられて
いる。以下の説明においてヒータ１６、アルミニウム酸
化物絶縁物１８、および保持体２０は全て標準のもので
よい。
【０００９】図１の構造の実施例において、多孔性タン
グステン基体１２は典型的には板状体であり、１インチ
平方で、１／４インチの厚さである。この板状体は直径
が約４．０　乃至７．５　ミクロンの範囲の粒子寸法の
タングステン粉末から通常製造され、通常理論的密度の
ほぼ８０±１０％の密度を有する最終基体板状体を形成
するために圧縮され、融着される。板状体がここで説明
する形式のディスペーサーカソード構造１０の基体１２
として使用されるとき活性体を含むバリウムを多孔性の
板状体に含浸するために広く使用されている技術は毛細
管作用を利用する方法である。典型的にこれは４−１−
　１バリウム・カルシウム・アルミニウム酸化物混合物
、すなわち約４部のバリウム酸化物と、約１部のカルシ
ウム酸化物およびアルミニウム酸化物の分子モル比を有
する混合物の融点以上の温度に多孔性の板状体を加熱し
てこの混合物中に加熱した板状体を浸漬することによっ
て行われる。
【００１０】本発明においては、最上層１４ｋ厚さはほ
ぼ１乃至３０ナノメータ、好ましくは５乃至２０ナノメ
ータ、さらに好ましくは８乃至１５ナノメータ、最も好
ましいのは１０乃至１２ナノメータの範囲のスカンジュ
ウム酸化物層を有する。このような範囲においてＳｃ２
　Ｏ３　の厚さは非常に薄いので、その抵抗は基体１２
から流れる高電流電子流を著しく妨害することはない。 スカンジュウム酸化物最上層１４は化学気相付着法およ
びスパッタリングのような既知の多数の方法によって付
着させることができるが、被覆されていない基体１２の
最上面上にキャリアとしてアルゴンプラズマを使用して
スカンジュウム酸化物をスパッタリングによって付着さ
せることが好ましい。図２に示された好ましい方法にお
いては、高周波発生器２２は内部で直流バイアスされ、
負の基体１２のターゲット区域を形成する。それにより
電荷が基体１２の最上層１４を付着させるために使用さ
れる絶縁性のスカンジュウム酸化物電極２４上に成長す
ることが阻止される。さらにＯ２ガスもまたアルゴンと
共に注入されて最終生成物の組成を制御することができ
る。
【００１１】スパッタリングのような付着処理に関連す
る不確実性のために、完全な生産工程が開始される前に
スカンジュウム酸化物の付着速度が所定の時間に対して
高周波発生器２２の電力レベルにおいて板状体サンプル
についてまず決定されることが好ましい。その上に付着
されたスカンジュウム酸化物の層の厚さの測定後、所定
の厚さのスカンジュウム酸化物の付着に必要な処理時間
が容易に設定できる。この時間はタングステンを含む基
体１２の最上面上にスカンジュウム酸化物の約１０ナノ
メータの厚さの層を付着させるのに必要なように調整さ
れることが好ましい。スパッタリング工程の完了したと
き付着された表面層１４が全てＳｃ２　Ｏ３　であって
スカンジュウムに富んだＳｃ２　Ｏ３　ではないことを
確実にするために、基体１２のスカンジュウム酸化物の
外面１４は約２乃至１０分間、好ましくは約４乃至７分
間、約３７５　度Ｃ乃至５００　度Ｃ、好ましくは約４
００　度Ｃ乃至４５０　度Ｃの温度で、約１０−５乃至
１０−７、好ましくは約１×１０−６乃至６×１０−６
の酸素圧力で酸素雰囲気中に露出させる。
【００１２】この工程に続いて表面層１４はヒータ１６
をオンにし、低表面仕事関数電子放射カソードとしてデ
ィスペーサーカソード構造１０を動作させることによっ
て活性化される。その代りに、表面層１４を活性化する
ために構造を加熱する他の手段が使用されることができ
る。多孔性カソードが加熱される都度少量のバリウムが
タングステンとバリウムを含む含浸物との反応によって
解放される。そのような動作中解放されたバリウムの少
なくとも一部はスカンジュウム酸化物表面層１４に移動
してそこで少なくともその一部にＢａＯの単層を形成し
、したがってカソード構造１０の低表面仕事関数の活性
化が完成する。このバリウムの解放と移動はカソード構
造１０の実効的寿命中連続し、したがってこの期間にそ
の発生の著しい減少なしにその低表面仕事関数を維持す
ることができる。
【００１３】本発明の方法によって製造されたカソード
によって達成される改善の程度は図３の特性曲線によっ
て示されている。これはほぼ３．７５アンペア／ｃｍ２
　の電流密度において約１．６ｅＶ（電子ボルト）の仕
事表面エネルギが約１０００度Ｋの動作温度で得られる
ことを示している。一方比較として示した通常のＭ型カ
ソードはこの同じ電流密度において約１．９６電子ボル
トの仕事表面エネルギが約１１００度Ｋの動作温度で得
られることを示している。
【００１４】本発明のさらに別の実施例において、バリ
ウム活性体はスカンジュウム酸化物のスパッタリングの
前に含浸したコアカソード構造１０の上面に少量のバリ
ウム酸化物をスプレーにより付着させることにより、ま
たはバリウム酸化物とスカンジュウム酸化物を同時にス
パッタリングすることによって供給されることができる
。 さらにタングステン基体１２はまた焼結動作前にある量
のスカンジュウム酸化物を混合されてもよい。どのよう
にスカンジュウム酸化物表面が活性化されるかには関係
なく、得られたカソード構造は低表面仕事関数を有し、
さらに比較的低い動作温度と長い動作寿命で多量の電子
放射を行う特徴を有する。
【００１５】以上ディスペーサーカソード構造のための
新しい改良されたバリウム活性化スカンジュウム酸化物
を含む表面被覆について説明した。上述の実施例は本発
明の原理を適用する多数の特定の実施例の幾つかの例示
に過ぎないことを理解すべきである。本発明の技術的範
囲を逸脱することなく多くのその他の装置が当業者によ
って容易に考えることができることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例のスカンジュウムカソードを
含む典型的なディスペーサーカソード構造の概略図。
【図２】本発明の原理による１方法の説明図。
【図３】通常のＭ型カソードと比較した本発明のカソー
ド構造により得られる表面仕事関数の改善を示す特性図
。
【符号の説明】
１０…ディスペーサーカソード構造、１２…多孔性タン
グステン基体、１４…最上層、１６…ヒータ、１８…ア
ルミニウム酸化物絶縁物、２０…保持体。

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　主要部分が多孔性タングステンから構
    成され、一部にバリウムを含む含浸体が分布しているマ
    トリックスである外側表面基体を具備しているディスペ
    ーサーカソード構造の低仕事関数スカンジュウム酸化物
    電子放射表面を形成する方法において、含浸されたタン
    グステンから構成された基体の最外面上にスカンジュウ
    ム酸化物の層を約１乃至３０ナノメータの最終的な厚さ
    に付着させ、付着したスカンジュウム酸化物表面層を約
    ３７５乃至５００度Ｃの範囲の温度において、約１０−
    ５乃至１０−７トルの範囲の酸素圧力において酸素雰囲
    気中に約２乃至１０分間露出させ、バリウムを含む含浸
    体中のバリウムの少なくとも一部を解放させて解放した
    バリウム少なくとも一部をスカンジュウム酸化物表面層
    中へ移動させてこの表面層の少なくとも一部上に酸化バ
    リウムの単層を形成するように表面層を活性化すること
    を特徴とするディスペーサーカソード構造の低仕事関数
    スカンジュウム酸化物電子放射表面の形成方法。
  2. 【請求項２】　　付着させる工程において付着したスカ
    ンジュウム酸化物層の厚さが約５乃至２０ナノメータの
    範囲である請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】　　付着させる工程において付着したスカ
    ンジュウム酸化物層の厚さが約８乃至１５ナノメータの
    範囲である請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】　　付着させる工程において付着したスカ
    ンジュウム酸化物層の厚さが約１０乃至１２ナノメータ
    の範囲である請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】　　バリウムを含む含浸体がバリウムカル
    シウムアルミニウム酸化物である請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】　　スカンジュウム酸化物層が化学気相付
    着方法によって付着される請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】　　スカンジュウム酸化物層がスパッタリ
    ングによって付着される請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】　　アルゴンプラズマがスパッタリングに
    おけるキュリアとして使用される請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】　　アルゴンプラズマキュリアがさらに酸
    素を含んでいる請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】　　酸素雰囲気中の露出時間が約４乃至
    ７分である請求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】　　酸素雰囲気中の露出温度が約４００
    乃至４５０度Ｃである請求項１記載の方法。
  12. 【請求項１２】　　酸素雰囲気中の露出における酸素圧
    力が約１×１０−６乃至６×１０−６トルである請求項
    １記載の方法。
  13. 【請求項１３】　　スカンジュウム酸化物層の付着にお
    いてタングステンの基体外側表面は負にバイアスされる
    請求項１記載の方法。
  14. 【請求項１４】　　ディスペーサーカソード構造はさら
    に加熱手段を備え、活性化段階において表面層はこの加
    熱手段を予め定められた時間オンにすることによって活
    性化される請求項１記載の方法。
  15. 【請求項１５】　　主要部分が多孔性タングステンから
    構成され、一部にバリウムを含む含浸体が分布している
    マトリックスである外側表面基体を具備し、さらに加熱
    手段を具備しているディスペーサーカソード構造の低仕
    事関数スカンジュウム酸化物電子放射表面を形成する方
    法において、含浸されたタングステンから構成された基
    体の最外面上にスカンジュウム酸化物の層を約１０乃至
    １５ナノメータの最終的な厚さにスパッタリングし、ス
    パッタリングされたスカンジュウム酸化物表面層を約４
    ００乃至４５０度Ｃの範囲の温度において、約１×１０
    −６乃至６×１０−６トルの範囲の酸素圧力において酸
    素雰囲気中に約４乃至７分間露出させ、バリウムを含む
    含浸体中のバリウムの小部を解放させて解放したバリウ
    ムの少なくとも一部をスカンジュウム酸化物表面層中へ
    移動させてこの表面層の少なくとも一部上に酸化バリウ
    ムの単層を形成するように加熱手段をオンにして表面層
    を活性化することを特徴とするディスペーサーカソード
    構造の低仕事関数スカンジュウム酸化物電子放射表面の
    形成方法。
  16. 【請求項１６】　　主要部分が多孔性タングステンから
    構成され、一部にバリウムを含む含浸体が分布している
    マトリックスである外側表面基体を具備し、さらに加熱
    手段を具備しているディスペーサーカソード構造の低仕
    事関数スカンジュウム酸化物電子放射表面を形成する方
    法において、含浸されたタングステンから構成された基
    体の最外面上にスカンジュウム酸化物の層を約１乃至３
    ０ナノメータの最終的な厚さに付着させ、付着したスカ
    ンジュウム酸化物表面層を約３７５乃至５００度Ｃの範
    囲の温度において、約１０−５乃至１０−７トルの範囲
    の酸素圧力において酸素雰囲気中に約２乃至１０分間露
    出させ、バリウムを含む含浸体中のバリウムの小部分を
    解放させて解放したバリウムの少なくとも一部をスカン
    ジュウム酸化物表面層中へ移動させてこの表面層の少な
    くとも一部上に酸化バリウムの単層を形成するように加
    熱手段をオンにすることによって表面層を活性化するこ
    とを特徴とするディスペーサーカソード構造の低仕事関
    数スカンジュウム酸化物電子放射表面の形成方法。
  17. 【請求項１７】　　請求項１記載の方法によって製造さ
    れた活性化されたスカンジュウム酸化物電子放射表面を
    有する低仕事関数ディスペーサーカソード構造。
  18. 【請求項１８】　　請求項１３記載の方法によって製造
    された活性化されたスカンジュウ酸化物電子放射表面を
    具備している低仕事関数ディスペーサーカソード構造。
  19. 【請求項１９】　　一部にバリウムを含む含浸体が分布
    している含浸された多孔性タングステンから構成された
    外側表面基体を具備し、基体の最外面部分上に付着され
    た約１乃至３０ナノメータの厚さのスカンジュウム酸化
    物層を含む表面被覆を有し、このスカンジュウム酸化物
    層は活性化された酸化バリウムを含んでいることを特徴
    とするディスペーサーカソード構造の低仕事関数スカン
    ジュウム電子放射表面被覆。
  20. 【請求項２０】　　スカンジュウム酸化物被覆層の厚さ
    が約５乃至２０ナノメータの範囲である請求項１９記載
    のカソード表面被覆。
  21. 【請求項２１】　　スカンジュウム酸化物被覆層の厚さ
    が約８乃至１５ナノメータの範囲である請求項１９記載
    のカソード表面被覆。
  22. 【請求項２２】　　スカンジュウム酸化物被覆層の厚さ
    が約１０乃至１２ナノメータの範囲である請求項１９記
    載のカソード表面被覆。
  23. 【請求項２３】　　表面被覆層がスパッタリングによっ
    て付着されている請求項１９記載のカソード表面被覆。
  24. 【請求項２４】　　多孔性タングステン基体はその理論
    的密度の８０±１０％の密度を有し、バリウム含有含浸
    体はバリウムカルシウムアルミニウム酸化物である請求
    項１９記載のカソード表面被覆。
  25. 【請求項２５】　　表面被覆が約１．５乃至１．６ｅＶ
    の表面仕事関数を有する請求項１９記載のカソード表面
    被覆。
JP3174134A 1990-12-21 1991-07-15 ディスペーサーカソード用のスパッタリングされたスカンジュウム酸化物被覆およびその製造方法 Pending JPH04232252A (ja)

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