JPH0443527A - 含浸形陰極及びこれを用いた電子管 - 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】 【産業上の利用分野】

本発明は含浸形陰極及びこれを用いた電子管。 更に詳しくいえば表示管、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、
低温動作において高電流密度を得ることのできる含浸形
陰極に関する。 ［従来の技術１ 含浸形陰極は高電流密度が得られる陰極であり、電子管
の高性能化、特に、高精細度化、高輝度化を達成する電
子管の陰極として有望視されている。 含浸形陰極はタングステンからなる耐熱多孔質体にバリ
ウムを含む酸化物、通常はＢａＯとＡｌ２Ｏ３からなる
化合物を含浸させた構造からなるものが基本であるが、
陰極表面にタングステンと酸化スカンジウム（ＳｃｚＯ
ａ）もしくはタングステンとタングステン酸スカンジウ
ム（Ｓ　ｃ　−Ｗ２Ｏｔｔ）ならなる薄膜を被覆するこ
とによって電子放出特性が向上することが知られている
（例えば文献アイ・イー・イー・イー　トランザクショ
ン　オンエレクトロン　デバイシズ、第３６巻（１９８
９年）第２０９頁から第２１４頁（ＩＥＥＥ、　Ｔｒａ
ｎｓ、　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ、　３６　
（１９８９）　ｐｐ、２０９−２１４）が挙げられる。 ）。 スカンジウム化合物被覆型含浸形陰極における電子放出
機構については、ジャパニーズ　ジャーナル　オン　ア
プライド　フィジックス、第２８巻（１９８９年）第４
９０頁から第４９４頁（Ｊｐｎ、　Ｊ、　Ａｐｐｌ。 Ｐｈｙｓ、　２８　（１９８９）　ｐｐ、　４９０−４
９４）において、論じられている。スカンジウム化合物
被覆型含浸形陰極は、加熱によって被覆膜表面にＢａ、
Ｓｃ、０からなる単原子層を形成する。この単原子層の
形成によって陰極表面の仕事関数が低下し、電子放出特
性が向上するものと考えられている。　　１０Ａ／ｃ＋
＋＋”の電流密度が得られる陰極温度を陰極の動作温度
と定義すると、陰極表面に被覆層の存在しない含浸形陰
極の仕事関数は約２．ＯｅＶ、動作温度は１１００〜１
２００℃であるのに対し、スカンジウム化合物被覆型含
浸形陰極の仕事関数は約１．．２ｅＶ、動作温度は８５
０〜９００℃である。　表面単原子層を構成するＢａは
、下記の式（１）のように、耐熱多孔質体をなすタング
ステンとバリウム酸化物の熱反応によって生成し、被覆
膜中を熱拡散して陰極表面に到達したものである。 Ｗ＋２８ａ３Ａ］２０６→３Ｂａ＋ＢａＷＯｎ＋２Ｂａ
Ａ］２０４−−　（１）Ｂａは絶えず陰極表面から蒸発
するが、式（１）の反応と拡散による陰極表面へのＢａ
の供給は、耐熱多孔質体に含浸されたＢａ○成分が枯渇
するまで続く。また、表面単原子層を構成するＳｃは。 式（２）で表される被覆膜中におけるＢａとスカンジウ
ム化合物との熱反応により生成したものである。 ３　Ｂａ＋５ＣｚＷａＯｔ　ｔ→２Ｓｃ＋３８ａＷＯ，
−−−−−（２）スカンジウム化合物被覆型含浸形陰極
の低温動作を可能にしているものは、陰極表面に形成さ
れたＢａ、Ｓｃ、０からなる単原子層であるが、この墾
原子層を形成するためには高温での長時間の加熱が必要
である。この加熱の過程を陰極の活性化と呼ぶが、１１
５０℃で陰極を加熱した場合、活性化に必要な時間は約
６時間である。 なお、スカンジウム化合物被覆型含浸形陰極として関連
するものには、例えば米国特許第４７３７６７９号があ
る。 ［発明が解決しようとする課題］ 」二連のように、従来のスカンジウム化合物被覆型含浸
形陰極が動作するためには、高温での長時間の加熱が必
要である。また、８５０〜９００℃の動作温度は、一般
に使用されている塗布型酸化物陰極の動作温度に比へる
と約１００℃も高い。このため、電子管の管球に実装し
た場合に、陰極から多量のＢａやＢａＯが蒸発して周辺
電極を汚染し１、高電界印加時にストレエミッションの
原因となるという問題があった。また、長時間加熱に耐
え得る信頼性の高いヒータの設計・製造が困難であると
いう問題もあり、実用化への障害となっていた。 本発明の目的は、上記従来のスカンジウム化合物被覆型
含浸形陰極の有していた課題を解決し、活性化温度が低
く、活性化時間が短く、動作温度がより低温である実用
化に耐え得る含浸形陰極を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、耐熱多孔質体の細孔部にバ
リウムを含む酸化物を含浸させた含浸形陰極の表面にタ
ングステンとタングステン酸スカンジウムおよびバリウ
ムもしくはバリウム含有酸化物を含む薄膜を設けた。特
に、上記タングステン酸スカンジウムをＳｃｚＷｓｏｘ
ｚおよびＳｃｇＷ０１２のいずれか一種、もしくは両者
の混合物とした場合、および、上記バリウム含有酸化物
をＢａＯ１もしくはＢａＯと他の酸化物の混合物あるい
は化合物とした場合に、その効果は顕著である。 また、上記薄膜の厚さが１０〜１１０００ｎの範囲にあ
る場合に顕著な効果が認められる。 また、上記目的を達成するために、耐熱多孔質体の細孔
部にバリウムを含む酸化物を含浸させた含浸形陰極の表
面にタングステンとタングステン酸スカンジウムを含む
薄膜とタングステンとバリウム含有酸化物を含む薄膜と
を複数層に設けた。 特に、上記タングステン酸スカンジウムをＳｃｌＷａＯ
□２およびＳｃ、ＷＯ，−のいずれが一種、もしくは両
者の混合物とした場合、および、上記バリウム含有酸化
物をＢａＯ１もしくはＢａＯと他の酸化物の混合物ある
いは化合物とした場合に、その効果は顕著である。また
、上記複数層に設けた膜を構成するそれぞれの薄膜の厚
さが１０〜５００ｎｍの範囲にあり、かつ、複数層に設
けた薄膜全体の厚さが５０〜１１０００ｎの範囲にある
場合に顕著な効果が認められる。 さらに、上記耐熱多孔質体を、タングステンを主成分と
し、高融点の活性金属であるチタン、バナジウム、クロ
ム、イツトリウム、ジルコニウム。 ニオブ、ハフニウム、タンタルの少なくとも一種を含む
多孔質体とした場合に、その効果はさらに顕著である。

【作用】

本発明のタングステンとタングステン酸スカンジウム、
およびバリウムもしくはバリウム含有酸化物を含む薄膜
を表面に設けた含浸形陰極を加熱すると、薄膜中でタン
グステンとバリウム含有酸化物が反応してＢａが生成し
、さらに、このＢａとタングステン酸スカンジウムの反
応によってＳＣが生成する。　これらの反応によって生
成したＢａおよびＳｃは陰極表面に拡散し、酸化物の熱
分解反応等により生成されたＯと結合して表面単原子層
を形成する。ＢａとＳｃの生成が薄膜中で起こるために
１表面単原子層の生成は速やかであり、活性化温度の低
下および活性化時間の短縮が達成される。 ここで、タングステンとタングステン酸スカンジウム、
およびバリウムもしくはバリウム含有酸化物を含む薄膜
の厚さは、１０ｎｍ以下では被覆が不完全であり、１１
０００ｎ以上では下地含浸型陰極からの拡散による陰極
表面へのＢａの供給が困難になるため、１０〜１１００
０ｎの範囲にある場合が効果的である。 本発明のタングステンとタングステン酸スカンジウムを
含む薄膜とタングステンとバリウム含有酸化物を含む薄
膜とを表面に複数層に設けた含浸形陰極を加熱すると、
タングステンとバリウム含有酸化物を含む薄膜中の反応
によってＢａが生成し、このＢａがタングステンとタン
グステン酸スカンジウムを含む薄膜中でタングステン酸
７、カンジウムと反応してＳｃが生成する。本発明の、
タングステンとタングステン酸スカンジウム、およびバ
リウムもしくはバリウム含有酸化物を含む薄膜を表面に
設けた含浸形陰極と同し理由により、活性化温度の低下
、および、活性化時間の短縮が達成される。 ここで、タングステンとタングステン酸スカンジウムを
含む薄膜、およびタングステンとバリウムもしくはバリ
ウム含有酸化物を含む薄膜の厚さは、それぞれ１０〜５
００ｎｍの範囲にある場合が効果的であり、また、複数
層に設けた薄膜全体の厚さは下地含浸型陰極からの拡散
によるＢａの十分な供給の得られる５０〜１１０００ｎ
の範囲にある場合が効果的である。 また、タングステン酸スカンジウムとしては。 Ｂａと反応してＳｃを生成することの容易なＳ　ｃ　ｚ
Ｗ　ａ　Ｏｒ　ｚおよびＳ　ｃ　ｒ、Ｗ　Ｏｔ　ｚのい
ずれか一種、もしくは両者の混合物とすることが効果的
である本発明含浸形陰極の活性化において、活性化に必
要とされるＢａは薄膜中での反応によって供給されるが
、長時間に渡る動作時には下地からの拡散による供給が
必要であるので、耐熱多孔質体をタングステンを主成分
とし、バリウム酸化物に対する還元力が強い金属元素、
例えばチタン、バナジウム、クロム、イツトリウム、ジ
ルコニウム。 ニオブ、ハフニウム、タンタルなどの高融点金属を添加
した合金系とすると、多孔質体中におけるＢａの生成が
促進され、動作温度を低下させるのに特に効果的である
。

【実施例】

（実施例１） 第１図に基づいて、本発明による含浸形陰極の１実施例
の作製について説明する。粒径５ｐｍのタングステン粉
末をプレス成形した後、真空中焼結を行なうことによっ
て空孔率２０％の多孔質体１を作製した。この基体に、
水素雰囲気中において４Ｂａ○・ＣａＯ・Ａ　ｌ　ｔ　
Ｏｓの組成の酸化物２を加熱融解して含浸させ、下地含
浸形陰極３を作製した。次に、モリブデンからなるカッ
プ４およびスリーブ５を作製し、カップ４に下地含浸形
陰極３を挿入することによって陰極本体を作製した。 次に、高周波マグネトロンスパッタ装置を使用し、タン
グステン板上にＢａＯおよびＳｃ、Ｗ。 ０＋２のペレットを配置したものをターゲットとして、
上記陰極本体の下地含浸形陰極３の表面に厚さ５００ｎ
ｍの薄膜６を形成した。ペレットの個数を変えることに
よって薄膜の組成を調整し、薄膜中のＳｃおよびＢａの
重量比をそれぞれ３％、１５％とした。使用した放電ガ
スはアルゴンであり、陰極本体を水冷しながらスパッタ
リングを行なった。 以上のようにして作製した本発明の含浸形陰極について
、超高真空容器内に設けた陽極と陰極からなる二極管配
置において陽極に正の高圧パルス電圧を印加して電子放
出特性の測定を行なった。 測定結果（ａ）を、比較のために」二記の陰極本体３に
ＷとＳ　ｃ　ｚＷ３０１ｘからなる薄膜を設けた従来の
スカンジウム化合物被覆型含浸形陰極についての測定結
果（ｂ）とともに、第２図および第３図に示す。まず、
第２図について説明する。図の横軸は加熱時間を示し、
縦軸は零電界における飽和電流密度を示す。陰極の加熱
はヒータ７に通電することで行ない、陰極温度を電子放
出特性測定時は８５０℃、それ以外の時は１１５０℃に
保った。図に丞した結果から、放出電流密度がほぼ一定
となる時間が従来の陰極の場合約６時間であるのに対し
て１本発明の陰極の場合約１時間であり、従来の陰極に
比へて活性化時間を数分の１に短縮できることがわかる
。次に、第３図について説明する。 図の横軸は活性化温度、縦軸は、零電界における飽和電
流密度がｌＯＡ／ｃＩ１１２を越える時間として定義し
た場合の活性化時間である。図の結果から、本発明の陰
極の活性化温度は、従来の陰極と同じ時間において比較
すると約１００℃低く、活性化温度の低下が達成されて
いることがわかる。 加熱後の陰極表面のＸ線回折分析を行った結果、薄膜中
にはＢａＯおよびＳ　Ｃ２Ｗ３０１２の微結晶ができて
いることが確認さおた。第２図および第３図にみられる
効果は、Ｓ　ＣｚＷ、＋０１．２を還元してＳＣを生成
するのに必要なりａが、従来の含浸型陰極では下地含浸
型陰極から拡散によって供給されるのに対し、本発明の
含浸型陰極では薄膜中におけるＷとＢａＯの反応によっ
て生成することに起因する。 上記実施例においては、スパッタターゲットとし２てＢ
ａＯとＳｃ２Ｗ３０１．を用い、陰極表面に設けた薄膜
の厚さを５００ｎｍとした場合について説明したが、Ｂ
ａＯの代わりに単体のバリウムあるいは他のバリウム含
有酸化物、例えばＢａ３Ａｌｐ○６を用いた場合、また
、タングステン酸スカンジウムとして　Ｓ　ｃ　ｖ　Ｗ
　３０１２の代わりにＳｃ６Ｗ○１゜を用いた場合につ
いても、薄膜中のＳｃおよびＢａの重量がそれぞれ１〜
１０％および１〜２０％の範囲にあり、かつ、薄膜の厚
さが１０〜１０００ｎｉの範囲にあれば、活性化時間の
短縮および活性化温度の低下に効果がある。第１表に、
薄膜中のＳｃの重量が４％の場合について、いくつかの
Ｂ　ａ　／　Ｓ　ｃの重量比と膜厚における陰極温度１
１５０℃での活性化時間を示した。 第１表 （戻入ｆ；靴（） この場合、薄膜中のＢａ／Ｓｃの重量比が１〜１０の範
囲にあり、かつ、薄膜の厚さが３００〜５００ｎｍの範
囲にあるとき、活性化時間は約１時間となり、最も活性
化が容易である。 なお１本発明含浸形陰極においては、スカンジウム化合
物被覆型含浸形陰極の欠点である陰極表面における放出
電流密度分布の不均一性が、従来の含浸形陰極に比べて
著しく低減される。 （実施例２） 複数のターゲットを用いた複数層膜の連続形成が可能な
高周波マグネトロンスパッタ装置を使用し、ＢａＯのペ
レットを配置したタングステン板とＳ　ｃ　ｍＷ　３０
よ、のベレットを配置したタングステン板の２種類のタ
ーゲットを用意して、実施例１と同様にして作製した陰
極本体の下地含浸形陰極の表面に複数の薄膜の形成を行
なった。まず、ＷとＢａＯを含む薄膜を２００ｎｍの厚
さで形成したのち、Ｗとｓｃｔｗｘｏ□２を含む薄膜を
３００ｎ園の厚さで形成した。 以上のようにして作製した含浸形陰極の実施例について
、実施例１において説明した方法により。 電子放出特性の測定を行なった。測定結果から、実施例
・２の含浸形陰極は、実施例１の含浸形陰極と同等の電
子放出特性を有することがわかった。 また、スパッタターゲットとして、ＢａＯの代わりに単
体のバリウムあるいは他のバリウム含有酸化物、例えば
Ｂ　ａ　ｍＡ　ｌ　ｔｏ　ｓを用いた場合、また、５Ｃ
ＩＷ３０１．の代わりにＳｃ６Ｗ○、２を用いた場合に
ついても、複数層からなる薄膜全体のＳｃおよびＢａの
重量比がそれぞれ１〜１０％および１〜２０％の範囲に
あり、かつ、それぞれの薄膜の厚さが１０〜５００ｎ■
の範囲にあって、複数層膜全体の厚さが５０〜１１００
０ｎの範囲にあれば、活性化時間の短縮および活性化温
度の低下に効果がある。 第２表に、各薄膜の厚さを一定とし、複数層膜全体のＳ
ｃおよびＢａの重量をそれぞれ４％および１２％とした
場合について、いくつかの膜厚における陰極温度１１５
０℃での活性化時間を示した。 第２表 （〃乙長ｌ：慶たく） この場合、各薄膜の厚さが１０〜５０の範囲にあり、か
つ、複数層膜膜の厚さが３００〜５００ｎｉの範囲にあ
るとき、活性化時間は約１時間となり、最も活性化が容
易である。 （実施例３） 重量比１５％のバナジウムを含むタングステン合金の粒
径５ｐｍの粉末をプレス成型した後、真空中焼結を行な
うことによって空孔率２０％の多孔質体を作製した。こ
の基体を用いて、実施例１と同様の方法で、陰極表面に
スカンジウム化合物を含む薄膜を設けた含浸形陰極を作
製した。 バナジウムはタングステンより還元力が強いため、陰極
加熱時に多量のＢａが生成する。この効果は、タングス
テンより活性な他の高融点金属チタン、クロム、イツト
リウム、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウム、タンタル
の耐熱多孔質体への添加によっても見られる。 実施例１において説明した方法により、本発明の含浸型
陰極の電子放出特性の測定を行なった。 測定結果から、実施例３の含浸形陰極は陰極温度８００
〜８２０℃において１０Ａ／ｃ１１１２の放出電流密度
を得ることが可能であり、動作温度の低下が達成されて
いることがわかった。 上記実施例においては、重量比２５％のバナジウムをタ
ングステンに添加した場合について説明したが、第３表
に示すように他の添加金属についても陰極動作温度の低
下に効果が見られる。 （以下余白） 第３表 以上本発明の実施例を示したが、本発明は上記実施例に
限定されるものでないことは明らかである。例えば薄膜
の中に含まれるタングステン酸スカンジウムはＳ　ｃ　
ｚＶ／ａＣ）＋２．５Ｃ６ＷＯ１２の１つのみでなく混
合物であってもよい。 ［発明の効果］ 本発明によれば含浸形陰極を、下地含浸層陰極の表面に
タングステンとタングステン酸スカンジウム、およびバ
リウムもしくはバリウム含有酸化物を含む薄膜を設けた
含浸形陰極とすること、または、下地含浸層陰極の表面
にタングステンとタングステン酸スカンジウムを含む薄
膜と、タングステンおよびバリウムもしくはバリウム含
有酸化物に含む薄膜とを複数重に設けた含浸形陰極とす
ることにより、上記実施例の含浸形陰極を表示管、ブラ
ウン管、撮像管、進行波管等の電子管に組み込む場合、
従来の含浸形陰極の活性化に比較しＣ１同じ温度であれ
ば数分の１の時間に短縮することができる。そのため、
電子管の製造行程を短縮すことができる。 さらに、本発明によれば、含浸形陰極な上記構成の含浸
形陰極にすることにより、従来の含浸形陰極に比べて陰
極表面における放出電流密度分布の不均一性を低減する
ことができる。 また、本発明によれば、上記含浸形陰極を構成する耐熱
多孔質体をタングステンを主成分としてジルコニウム等
の高融点の活性金属を含む多孔質体とすることにより、
動作温度を低下させることが可能となり、電子管に実装
したとき、陰極から多量のＢａやＢａＯが蒸発して周辺
電極を汚染し、高電界印加時にストレエミッションの原
因となるという問題、長時間加熱に耐え得る信頼性の高
いヒータの設計・製造が困難であるという問題を少なく
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による含浸形陰極の１実施例の概略構成
を示す断面図、第２図は本発明による含浸形陰極と従来
の含浸形陰極における放出電流密度の経時変化を示す図
、第３図は本発明による含浸形陰極と従来の含浸形陰極
における活性化時間の加熱温度依存性を示す図である。 符号の説明 １・・・耐熱多孔質体、 ２・・・バリウムを含む酸化物。 ３・・・下地含浸形陰極。 ４・・・カップ　、５・・・スリーブ ６・・・ＷとＳｃｔＷｓ○工２およびＢａＯを含む薄膜
７・・・ヒータ、 ａ・・・本発明含浸形陰極の電子放出特性、ｂ・・・従
来の含浸形陰極の電子放出特性。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、耐熱多孔質体とその細孔部にバリウムを含む酸化物
   を含浸させた構造からなる含浸形陰極において、陰極表
   面にタングステンとタングステン酸スカンジウム、およ
   びバリウムもしくはバリウム含有酸化物を含む薄膜を設
   けたことを特徴とする含浸形陰極。 ２、上記薄膜の厚さが１０〜１０００ｎｍの範囲の厚さ
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   含浸形陰極。 ３、耐熱多孔質体とその細孔部にバリウムを含む酸化物
   を含浸させた構造からなる含浸形陰極において、陰極表
   面にタングステンとタングステン酸スカンジウムを含む
   薄膜とタングステンとバリウムもしくはバリウム含有酸
   化物を含む薄膜とを複数層に設けたことを特徴とする含
   浸形陰極。 ４、上記複数層に設けた膜を構成するそれぞれの薄膜の
   厚さが１０〜５００ｎｍの範囲の厚さであり、かつ、複
   数層に設けた膜の全体の厚さが５０〜１０００ｎｍの範
   囲の厚さであることを特徴とする特許請求の範囲第３項
   に記載の含浸形陰極。 ５、上記タングステン酸スカンジウムはＳｃ＿２Ｗ＿３
   Ｏ＿１＿２およびＳｃ＿６ＷＯ＿１＿２のいずれか一種
   、もしくは両者の混合物であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項から第４項のいずれかに記載の含浸形陰
   極。 ６、上記バリウム含有酸化物はＢａＯ、もしくはＢａＯ
   と他の酸化物の混合物あるいは化合物であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項から第５項のいずれかに記
   載の含浸形陰極。 ７、上記耐熱多孔質体はタングステンを主成分とし、チ
   タン、バナジウム、クロム、イットリウム、ジルコニウ
   ム、ニオブ、ハフニウム、タンタルの少なくとも一種を
   含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項から第６項
   のいずれかに記載の含浸形陰極。 ８、特許請求の範囲第１項から第７項のいずれかに記載
   の含浸形陰極を使用した電子管。