JPS5891691A - ガスレ−ザ管の陰極 - Google Patents

ガスレ−ザ管の陰極

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JPS5891691A
JPS5891691A JP18969681A JP18969681A JPS5891691A JP S5891691 A JPS5891691 A JP S5891691A JP 18969681 A JP18969681 A JP 18969681A JP 18969681 A JP18969681 A JP 18969681A JP S5891691 A JPS5891691 A JP S5891691A
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JP
Japan
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cathode
rare earth
gas
gas laser
laser tube
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JP18969681A
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Satoshi Watanabe
渡辺 聰
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Okaya Electric Industry Co Ltd
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Okaya Electric Industry Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/038Electrodes, e.g. special shape, configuration or composition

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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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】 本発明は冷陰極型ガスレーザ管の陰極、特に陰極基体上
にプラズマ溶射によるエミツタ層を形成させたガスレー
ザ管の陰極′に関する。
従来のガスレーザ管の陰極はCu、Fe、Ni 、Cr
、Al。
Zr  等の金属単体もしくはそれらの合金を板状ある
いはパイプ状等に加工し、陰極として動作させない部分
にはガラス等で絶縁被覆した構成となっていた。しかし
、上記従来の陰極は融点が低く、又イオン衝撃に弱いた
め放電によるスパッタが激しく、このためこの陰極を用
いたガスレーザ管はスパッタ物質による封入ガスの物理
的吸着、即ち封入ガスのクリーンアップ現象を生じ、こ
のクリーンアップ現象による封入ガスの組成変化とガス
圧力の低下が、封入ガス圧力が比較的低く、かつ最適動
作ガス圧力範囲が狭いガスレーザ管の寿命を著しく短か
いものと(L′″CI″魁 又、従来の陰極を備えたガスレーザ管は放電電圧が高く
、このため駆動電源も大盤のものが必要にな9、充分な
レーザ発振出力を得るには大きな入力が必要で消費電力
が大きなものとなっていた。これは上記従来の陰極材の
仕事関数が大きく、冷陰極放電において放電電圧の大部
分を占める陰極降下電圧を上昇させていたことが原因で
あった。
具体例として、第1図に従来のガスレーザ管陰極の一例
と7しての筒型中空陰極を示すが、陰極1′はパイプ状
に加工され九N1よシなる陰極基体2′の外面にガラス
の絶縁被覆3′を施し九構造となっている。この陰極基
体金属であるNlは融点が1,400℃と低くてイオン
衝撃にも御く、又その仕事関数が45eVと大きい丸め
、この陰極を使用し、例えばH・を封入ガス(ガス圧力
11Torr)としたガスレーザ管の放電電圧は250
V(放電電流600mA)であった。
以上述べ九スパッタによる寿命対策及び低電圧化対策と
しては、イオン衡機による摩耗が少く仕事−数の小さい
材料を陰極基体に付着層せた構造の陰極を使用すること
が考えられるが、上記特性を備えた材料′のうち融点の
高いもの拡従来一般に行われている方法で、陰極基体に
付着させることが困難であった。
即ち、上記高融点材料をビークルを用いてインク状とし
、ガスレーザ管の陰極基体上に厚膜印刷によりプリント
した場合、材料を加熱溶融させて付着させる必要がある
が、材料が高融点のため充分な溶融が行えず材料の粒子
結合が弱く、又蒸着の場合には材料を蒸発させることが
難しく、たとえ蒸着できたとしても厚さが不十分なため
耐久性に乏しいという問題があった。
更に仕事関数の小さい材料は、一般に陰極基体金属より
もイオン化傾向が大きく、そのためメッキや静電塗装に
より厚く強固な、付着層を形成させることも困難であっ
た。
本発明はかかる実情に鑑みなされた亀ので、上記高融点
材料をプラズマ溶射によって陰極基体上に溶融した状態
で付着させてエミツタ層として形成したことにより、上
述の問題を解決したものである。
本発明によれば、イオン衝撃による摩耗が少く仕事関数
が小さい高融点材料を陰極基体に付着させた構□造の陰
極が得られたため、この陰極を使用したガスレーザ管は
長寿命で消費電力の少いものとまる。以下図面に基づき
本発明の詳細な説明する。
第2図、第5図及び第4図線本発明の7−実施例を示し
、それぞれ斜視図、横−面町、縦断面図である。本例の
ガスレーザ管陰極は中空陰極の一種である筒型中空陰極
で、1は陰極全体、2は陰極基体、5は絶縁被覆、4は
エミツタ層である。陰極基体2は従来の陰極材料、即ち
Cu。
F・tNi、Cr、AI、Zr  等の金属あるいはそ
れらの合金をパイプ状に加工し、陰極として動作させな
い外面に異常放電防止のためスピネル構造のセラずツク
をプラズマ溶射て溶融付着させ、絶縁被覆3としている
。更に陰極基体2の陰極として動作させるパイプ内面に
は、イオン衝撃に強く仕事関数の小さい高融点材料をプ
ラズマ溶射により吹き付け、溶融した状態で付着させ、
工ミッタ層4を形成させている。プラズマ溶射ではプラ
ズマ内の温度が数千ないし、数万度に達し、融点の高い
材料を容易に溶かすことができる0 本発明に使用する溶射材料、則ち、イオン衝撃による摩
耗が少なく、仕事関数が小さくて、かつ融点の高い材料
としては、希土類元素の4ホウ化物(YB4 、CTd
B4等)、6はう化物(YB4゜LaB6 、 CeB
6 、GdB6等)希土類元素の酸化物(Y2Q5 。
La2O3、CeO2、Gd2O3、T602 、等)
、アルカリ土類金属元素の酸化物(BaO、MgOe 
S rO+ CaO等)及びアルカリ土類金属元素の複
合金属酸化物、例えばモリブデンとの複合金属酸化物、
タングステンとの複合金属酸化物(BaO、W)3 、
MgO、W)3等)、アルミニウムとの複合金属酸化物
(aMgo 、bAl 203 。
aBaO,b8ro、CA120L等)などがある。
上記材料のうち、希土類元素のほう化物は導電性である
が、希土類元素の酸化物、アルカリ(土類金属元素の酸
化物及びアルカリ土類金属元素の複合金属酸化物は絶縁
性である。尚、アルカリ土類金属元素の酸化物、モリブ
デンとの複合金属酸化物、タングステンとの複合金属酸
化物もしくはアルミニウムとの複合金属酸化物は、それ
ぞれ、アルカリ土類金属元素の炭酸塩、モリブデン酸塩
、タングステン酸塩もしくはアルミン酸塩をプラズマ溶
射することにより分解して得られる。
尚、イオン衝撃に対する強度はアルカリ土類金属の酸化
物のプラズマ溶射層よりも、複合金属酸化物により形成
されたプラズマ溶射層の方が強い。又、イオン衝撃によ
る摩耗の少い金属としては、モリブデン(Mo)、タン
グステン(W)。
ジルコン(Zr)等が挙げられるが、アルミニウム(A
I)も通常その表両にアルミナ(A1203)の薄い層
が形成されるため、イオン衝撃による摩耗が少い。
本発明においては、上記材料のうち、イオン衝撃に強く
て仕事関数が小さい導電性の材料はそのまま使用するか
、あるいはイオン衝撃に強い導電性の材料を混合して使
用する。例えば、希土類元素の4はう化物もしくは希土
類元素の6はう化物の単体又は混合体をそのttlある
いは上記希土類元素のほう化物の単体又は混合物とモリ
ブデン、タングステン、ジルコン及び表面にアルミナの
薄膜を形成したアルミニウムより成る群から選定される
一種類以上の材料を混合したものをプラズマ溶射により
溶融し、ガスレーザー管の陰極基体上にエミツタ層とし
て付着させる。
又、イオン衝撃に強くて仕事関数が小さいけれども絶縁
性を有する材料は、イオン衝撃に強くて仕事関数が小さ
い導電性の材料、もしくはイオン衝撃に強い導電性材料
もしくは両材料を混合して使用する。例えば、希土類元
素の酸゛化物、アルカリ土類金属元素の酸化物及びアル
カリ土類金属元素の複合金属酸化物よシなる群から選定
される一種類以上の材料と希土類元素の4はう化物、希
土類元素の6はう化物、モリブデン、ジルコン及び表面
にアルミナの薄層を形成したアルミニウムよりなる群か
ら選定される一種類以上の材料との混合材料をプラズマ
溶射により陰極基体上にエミツタ層として付着させる0 上記材料の混合比率については、導電性材料と絶縁性材
料の混合の場合、導電性の点から導電材料を容量比で6
0%以上混入する必要があるO 又、仕事関数の小さい材料とそうでない材料の混合の場
合、は、仕事関数の小さい材料の混合比率が大きいほど
放電電圧特性が改善されることはいうまでもないが、混
合比率は必l!に応じて任意に選ぶことができる。例え
ば、イオン衝撃に強く仕事関数が/」・さい材料として
LaB6  とBaO、Al2O5O混合材料(融点g
oo 〜goo℃。
仕事関数:2.0〜2.71V)を厚さ20〜80um
のエミツタ層として前記実施例に適用した場合、この陰
極を使用し、Heガスを封入ガス(ガ、ス圧力11To
rt)とし九ガスレーザ管の放電電圧祉175 V−(
放電電流600mA)となシ、エミツタ層のない従来の
陰極を使用し九ガスレーザ管の放電電圧よシも30X低
い亀のとなった。又、陰極寿命は10倍程度砥ばすこと
ができた。
最後に本発明に使用するプラズマ溶射について簡単に説
明する。第5図はプラズマ溶射に用いるプラズマ溶射ガ
ンの断面図を示し、溶射ガン5の陽極6と陰極7との間
に発生させたアーク放電8中にプラズマ用ガス9を高・
、圧で流入させてプラズマ流体を形成させ、更にこのプ
ラズマ流体を中心部に圧縮して発生させた熱的ピンチ現
象に゛よシプラズマ内の温度を上昇させ、超音速高温度
(数千ないし数万度)のプラズマ、即ちプラズマジェッ
ト10として溶射ガン5のノズル11から噴出させる。
  ゛ プラズマ溶射はこのプラズマジェット10内に溶射材料
12 (本発明の場合は粉末材料を使用)を供給し、プ
九メiジェットの有する高熱を利用して材料12を溶融
して被溶射物に吹き1    付け・付着さゞ6方法″
es載eo22パ溶射は被溶射物である陰極基体をさ奢
1ど高温にすることなく、高融点材料を溶融付着させる
ことができるとともに、前述した中空陰極の実施例の様
に、従来の方法では非常に困難であった細管内面へのエ
ミツタ層形成を、溶射ガンのノズル形状を細くする等し
て細管内面へ材料を吹き付けることによシ容易に行い得
る。尚、13は陽極6と陰極7との間の絶縁物、14は
溶射ガン5の過熱防止用冷却水である。
本発明のプラズマ溶射に使用するプラズマ用ガスは、溶
射材料に与える化学的作用を抑制する必要があるので、
環元性ガスを使用することが望ましい。即ち、冷陰極放
電の場合、プラズマ溶射によって陰極基体上に形成され
るエミツタ層は導電性を有する必要があり、プラズマ用
ガスによる酸化及び溶射中に混入する空気による酸化を
防止するため、希ガス又は希ガスを主体とした環元性ガ
スを使用することが望しい。
本発明では希ガス又は希ガスに水素もしくは窒素もしく
は双方を添加した混合ガスを使用しており、特にアルゴ
ンに水素を添加したプラズマ用ガスが好結果を示してい
る◇アルゴンは他の不活性ガスに比べ大きな原子である
からすみやかにイオン化して膨張しやすく、又水素はガ
スの環元性を強め、プラズマ温度を上昇させる。
以上述べた如く本発明によれば、高融点である丸めにガ
スレーザ管陰極のエミッタとして導入することが困難で
あっ光イオン衝撃に強く仕事関数の小さい材料を、プラ
ズマ溶射によって―融した状態でガスレーザ管の陰極基
体上にエミツタ層として付着させ九ため、緻密で強固な
エミツタ層を形成し喪陰極が得られ、この陰極を使用し
たガスレーザ管は原電圧で駆動でき、消費電力が少なく
てすむとともに、耐久性のある長寿命なものとなる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のガスレーザ管陰極の一例を示す斜視図、
第2図は本発明の一実施例のガスレーザ管陰極の斜視図
、第5図及び第4図は、それぞれ第2図の横断面図及び
縦断面図、第5図はプラズマ溶射ガンの断面図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)陰極基体金属上にプラズマ溶射により溶融付着させ
    たスパッタ率が低い高融点材料よりなる工ζツタ層を形
    成したことt−特徴とするガスレーザ管の陰□極。 2)陰極が中空陰極であることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載のガスレーザ管の陰極0 3)プラズマ溶射用プラズマガスが希ガス又は、希ガス
    に水素もしくは窒素もしくは双方を添加した混合ガスで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項
    記載のガスレーザ管の陰極。 4) エミツタ層が希土類元素の4 tlう化物もしく
    は希土類元素の6はうイし物の単体又は混合体であるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第5項のい
    づれかに記載のガスレーザ管の陰極。 5)エミツタ層が希土類元素の4はう化物もしくけ希土
    類元素の6はう化物の単体又は混合体とモリブデン、タ
    ングステン、ジルコン及び表面にアルミナの薄層を形成
    したアルミニウムより成る群から選定される一種類以上
    の金属との混合体であることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項ないし第3項のいづれかに記載のガスレーザ管
    の陰極。 6) エミツタ層が希土類元素の酸化物、プルカリ土類
    金属元素の酸化物及びアルカリ土類金属元素の複合金属
    酸化物より成る群から選定される一種類以上の金属化合
    物と、希土類元素の4はう化物。希土類元素の6はう化
    物、モリブデン、タングステン、ジルコン及び表面にア
    ルミナの薄層を形成したアルミニウムより成る群から選
    定される一種類以上の金属又は金属化合物との混合物で
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第5
    項のいづれかに記載のガスレーザ管の陰極。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6042891A (ja) * 1983-08-19 1985-03-07 Hitachi Ltd ガスレ−ザ発生装置
FR2568729A1 (fr) * 1984-08-03 1986-02-07 Trumpf Gmbh & Co Laser a co2 a courant transversal
DE3817145A1 (de) * 1987-06-03 1988-12-22 Lambda Physik Forschung Elektrode fuer gepulste gas-laser

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6042891A (ja) * 1983-08-19 1985-03-07 Hitachi Ltd ガスレ−ザ発生装置
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