JP2000510996A - ガス放出用冷電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、支持体物質（１）を有し、該物質に放出被膜（３）が配置されている導電性のガス放出用冷電極に関し、放出被膜（３）の物質の光電仕事関数が支持体物質（１）の仕事関数より少ないかまたは５.６×１０^-19ジュール／電子より少ない。放出被膜（３）は特にイットリウムを含有してもよい。前記電極は、有利には中空体の形を有し、ガラス成形体（８）に埋め込まれていてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス放出用冷電極 本発明は導電性物質を有するガス放出用電極に関する。 中空カソード効果を利用するガス放出用冷電極は従来から知られており、技術 的に、例えば電子管または照明目的のために使用されている（米国特許第１１２ ５４７６号明細書、中空カソード効果に関しては、文献、例えばＭａｎｆｒｅｄ ｖｏｎ Ａｒｄｅｎｎｅ（Ｈｒｓｇ）“Ｅｆｆｅｋｔｅ ｄｅｒ Ｐｈｙｓｉ ｋ ｕｎｄ ｉｈｒｅ Ａｎｗｅｎｄｕｎｇｅｎ” Ｖｅｒｌａｇ Ｈａｒｒｉ Ｄｅｕｔｓｃｈ Ｔｈｕｎ Ｆｒａｎｋｆｕｒｔ／Ｍａｉｎ １９９０参照） 。 冷電極は、多くの場合に仕事関数を減少するために、内側に、以下に活性物質 と記載するアルカリ土類金属酸化物の混合物からなる被覆層を有する（Ｐｒｉｎ ｚｉｐ ｖｏｎ Ｗｅｈｎｅｌｔ ｉ.Ｊ.1907）。酸化物は標準的な周囲条件下 で安定でないので、電極の支持体物質に炭酸塩の形の放出被膜を被覆し、低圧お よび高温で、例えば支持体物質を焼成して相当する酸化物に変換する。 前記の電極の電気的損失は、これと結びついた欠点 とともに状態調節の際に、炭酸塩の反応の間は境界条件におよび運転中は放出空 間中の残留ガスに顕著に依存し、これが放出能力を低下する（活性物質の毒化） 。 従って、本発明の課題は、作業中に境界条件に対して反応せず、ガス放出装置 の全部の使用時間中に少ない電気的損失およびそれとともに少ない加熱を有する 電極を提供することである。 前記課題は、放出被膜（３）の物質の光電仕事関数が５７０°Ｋより低く、有 利には４２０°Ｋより低い電極の作業温度の範囲内で支持体物質（１）の光電仕 事関数より少ないことにより解決される。 従って、本発明の解決手段の核心は、電子を放出する電極の被膜（放出被膜） を光電仕事関数に関して特別の方法で選択することである。 この仕事関数は、典型的には２６０〜４５０°Ｋである電極の作業温度範囲内 で電極の支持体物質の仕事関数より少ないことが必要である。支持体物質に関係 なく光電仕事関数は０〜５００°Ｋの温度範囲内で５.６×１０^-19ジュール／電 子より少ないことが必要である。具体的に使用可能な被覆物質は請求の範囲３に より、イットリウム、プラセオジムまたはルビジウムまたはこれらの混合物であ る。 光電仕事関数は、電子が電極から放出するために、電子１個当たりの消費され なければならない光電量子 エネルギーとして定義される（ｅＶ／電子またはジュール／電子で測定される） 。 本発明により、低い光電仕事関数を有する表面および高い光電仕事関数を有す る表面を組み合わせる。この場合に電子を放出する層は、低温で高い光電仕事関 数を有する酸化物の代わりに、支持体物質に比べて低い光電仕事関数を有する金 属または半導電性物質からなっていてもよく、しばしば同時に原則的に公知の中 空カソード効果を利用する。 本発明の利点は、電極表面の好ましくない化学反応を回避することである。こ れにより製造中および状態調節中に電極はガス雰囲気にほとんど無関係である。 活性物質が毒化されず、反応の際の不完全に行われる反応により後の時点でガス 放出空間の雰囲気に反応生成物を放出することもない。 低い光電仕事関数を有する相当する化学的に不活性の物質（例えばイットリウ ム）を使用することにより、本発明の電極は製造および状態調節の際に、例えば 訓練されていない人間による誤った処理から十分に安全である。炭酸塩混合物の ための従来必要な製造技術的にきわめて費用のかかる製造方法の回避はかなりの 費用の利点を生じることがある。 更に本発明による電極を作動する際に、測定により、酸化物混合物で活性化さ れた同じ大きさおよび構造の電極に比較してかなり少ない加熱が生じる。 種々の温度での光電仕事関数の測定により、作業温度Ｔ＝３００°Ｋにおいて 本発明の電極のかなり低い光電仕事関数が示される（第３図参照）。 酸化物混合物は熱的に活性化されて、低い光電仕事関数を有する。電子の帯域 構造が間接的な移行部分を有する不均一な、多成分の、絶縁性の固体から熱によ り電子を放出する場合は、格子振動（フォノン）が帯域の間隙を最小にして移行 部分の活性化に関与する（例えばＪｏｓｅｐｈ Ｅｉｃｈｍｅｉｅｒ Ｍｏｄｅ ｒｎｅ Ｖａｋｕｕｍｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ Ｂｅｒｌｉｎ １９８１参照）。 冷電極を用いるガス放出に関して、光電仕事関数が損失のための決定的な値と して見出される。これは特定の状況下で熱により決定される仕事関数と異なる。 冷電極中のフォノンエネルギーは熱放出電極中よりかなり低いので、冷電極にお いては間接的な帯域移行部分が全く活性化されない。 本発明による被覆物質は、ほぼ直接的な帯域移行部分および小さな帯域の間隙 を有し、これが活性化工程での高いエネルギーのフォノンの関与を不要にする。 本発明の１つの構成は、電極が中空体として、特にコップ状に形成され、放出 被膜（３）が中空体の内側に存在することである。このようにして本発明の被膜 の利点に付加的に、中空カソード効果を有利に利用す ることができる。中空体は特にコップの形を有し、放出被膜が中空体の内側に存 在し、ここで電子の放出が行われる。 中空体電極の他の構成においては、放出被膜（３）がその他の電極の表面、特 に中空体の外側表面より少ない光電仕事関数を有する。これにより放出被膜の電 子放出が濃縮される。 本発明の他の構成により、支持体物質（１）が中空体の外側に、有利にはニッ ケルまたは白金からなる被覆層（４）を有し、これは高い光電仕事関数、有利に は８.０×１０^-19ジュール／電子より高い光電仕事関数を有する。これは、支持 体の外側への放出の広がりを阻止し、それとともに支持体の分解を阻止すること により、有利に作動中の電極の寿命を高めることを可能にする。 支持体物質（１）が、低い光電仕事関数、有利には６.４×１０^-19ジュール／ 電子より少ない光電仕事関数を有する本発明の他の構成は、支持体物質および被 覆物質が同じであってもよいので、電極空間の内側の特別の被覆を節約できると いう利点を有する。 支持体物質は、有利には金属、特に鉄を含有してもよい。内容に関しては支持 体物質が金属からなることが特に有利である。 放出被膜（３）は純粋物質に対して光電仕事関数を減少するために、更にドー パント、有利にはドーパン ト、例えばカルシウム、セシウムまたはバリウムを１０^-5ａｔ％〜１ａｔ％の濃 度で含有してもよい。これにより、純粋物質の使用に対して電子の帯域構造中の 帯域の間隙の減少により、仕事関数の更なる減少およびそれとともに損失の更な る減少を達成できる。 支持体物質（１）の表面の一部に、電子流またはイオン流を抑制するために、 電気的に絶縁性の被覆層（４）が備えられていることが更に有利である。これは 支持体物質の外側の電子流の完全な抑制という利点を有し、これにより電極の寿 命が高まる。 電極のガス放出に向けられる部分は電気的に絶縁性の、温度および真空に安定 の物質、有利にはセラミックが被覆されていてもよい。これは、ガス放出に向け られる縁部から出発する、電極の活性物質または支持体物質の飛散が阻止される という有利な効果を有する。 本発明により、つばを有する電気的に絶縁性のスリーブ（９）が、電極により 形成される中空空間の開口内に、つばがガス放出方向の開口の縁部を覆うように 配置されていてもよい。これにより、特に前記の飛散の阻止と同時に、絶縁物質 からなるシリンダ状の空間中の電極を使用する場合に、例えばリング状の溝の形 成が達成される。支持体の外側および電流供給線材への有害な、従って好ましく ない放出の広がりが回避される。 電極により形成される中空空間の開口のガス放出に面した縁部は、更に、有利 には曲げることによりまたは縁をつけることにより、開口での電場の勾配が減少 するように形成されていてもよい。これにより、他の製造技術的部材を必要とせ ずに飛散速度の部分的な減少が達成される。 更に電極は、有利にはシリンダ状に形成されていてもよい、ガラス成形体（８ ）に包囲されていてもよい。本発明の他の有利な構成においては、電極はガラス 成形体（８）内に、熱伝導性の劣る絶縁物質、有利にはセラミックまたは雲母か らなるリング（１０）を用いて中心に配置されていてもよい。これにより、例え ば電極を状態調節する際に生じるような、機械的負荷（例えば衝突、衝撃）また は片側の熱負荷の場合にガラスの破断を回避するための、シリンダ状のガラス成 形体内の電極の中心配置が達成される。 更に、金属のコップ、中空シリンダまたは中空円錐の内側に少なくとも部分的 に場のない空間が形成されることが有利である。これにより本発明の装置は、存 在する製造工具を、自体公知の構造の支持体の製造に使用するために適している 。 本発明の装置は、更に、支持体物質（１）の表面の少なくとも一部に反応性ガ スを結合する物質（ゲッター）が被覆され、これが例えば電極の状態調節の際に 活性化するように形成されていてもよい。これは、ガ ス放出の希ガス雰囲気が作動中に、場合により放出ガス容器または電極成形体か ら放出される反応性ガスまたは蒸気の化学的および／または物理的結合により純 粋に維持されるという利点を有する。 支持体物質（１）を被覆する物質は水素化物の形で、有利には水素化イットリ ウムとして被覆されていてもよい。水素化物は電極の状態調節の際に水素を遊離 して金属の形に変換する。これは、水銀含有放電ランプ、例えば高圧照明管の再 生の際に見出されるように、十分な加熱工程および焼成工程で放出空間に存在す る反応性物質の酸化を回避するので有利である。 以下に本発明を実施例により詳細に説明する。 第１図は本発明の例示的構成を示す。その際電極は縦断面図で示される。層厚 は説明のために図面では実物大で示されていない。 本発明の電極は、例えば鉄から製造される支持体（１）からなり、例としてコ ップの形に形成され、ガス放出に面した開口（２）を有する。 支持体（１）の内側は低い光電仕事関数を有する物質、例えばイットリウムの 層（３）を有し、この物質は機械的、化学的および／または物理的被覆法（例え ば加圧、圧延、蒸発、スパッタリング、電気メッキ、噴霧）により被覆され、一 方外側表面（４）は、例えば高い光電仕事関数を有する物質、例えばニッケルま たは白金で被覆されている。 ここでは半球状の端部の形の、支持体（１）の閉鎖された端部に、電流供給線 材（５）が自体公知方法で、例えば点溶接により固定されている。 第２図は例として、例えば高圧照明管に使用するための、ガス放出容器の部材 として、自体公知の構造でシリンダ状ガラス成形体（８）に埋め込まれた、本発 明の電極の縦断面図を示す。その際電流供給線材（５）は圧搾底部（６）で真空 密にガラス成形体（８）とともに封止されている。圧搾底部（６）に付加的に融 合されるガラス管（７）は第２図に示されていないガス放出容器を真空にするた めに用いられる。電極は一般にガラス成形体（８）を用いてガス放出容器に取り 付けられている。 更に第２図は、例えばセラミックからなる絶縁性保護リング（９）を有する支 持体（１）の開口（２）を示し、該リングは自体公知方法で支持体（１）に圧搾 、巻き込み、縁取り、圧延等により固定される。 同様に保護リング（９）と支持体（１）の間に、例えば雲母からなる付加的な 中心リング（１０）が例として示される。これはシリンダ状ガラス成形体（８） 内に電極が中心に配置されることを保証する。中心リング（１０）は、付属管（ ７）によりガス放出容器の流動技術的に有利な真空を可能にするために、円環の 形から離れて、例えば刻み目等を有していてもよい。 第３図は本発明の構成と比較した種々の市販の電極 の光電仕事関数の測定の比較した結果を示す。 図面の電極の説明は以下のとおりである。電極Ｎｏ． 電極の構造（支持体物質：鉄） １ 活性物質を有しない ２〜４ アルカリ土類酸化物からなる活性物質を 有する種々の製造者の市販の電極 ５ イットリウムからなる活性物質を有する 本発明の電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．導電性の支持体物質（１）を有し、該物質に放出被膜（３）が配置されてい るガス放出用電極において、放出被膜（３）の物質の光電仕事関数が５７０°Ｋ より低く、有利には４２０°Ｋより低い電極の作業温度の範囲内で支持体物質（ １）の光電仕事関数より少ないことを特徴とする、ガス放出用電極。 ２．導電性の支持体物質（１）を有し、該物質に放出被膜（３）が配置されてい るガス放出用電極において、放出被膜（３）の物質の光電仕事関数が２００〜５ ００°Ｋ、有利には２６０〜４５０°Ｋの温度範囲内で５．６×１０^-19ジュー ル／電子より少ないことを特徴とする、ガス放出用電極。 ３．導電性の支持体物質（１）を有し、該物質に放出被膜（３）が配置されてい るガス放出用電極において、放出被膜（３）がイットリウム、プラセオジム、セ リウムまたはルビジウムまたはこれらの混合物を含有することを特徴とする、ガ ス放出用電極。 ４．放出被膜（３）が導電性または半導電性の物質からなる請求の範囲１から３ までのいずれか１項記載の電極。 ５．電極が少なくとも一部分中空体として、特にコップ状に形成され、放出被膜 （３）が中空体の内側に存在する請求の範囲１から４までのいずれか１項記 載の電極。 ６．放出被膜（３）が電極のその他の表面より少ない光電仕事関数を有する請求 の範囲５記載の電極。 ７．支持体物質（１）が中空体の外側に、有利にはニッケルまたは白金からなる 被覆層（４）を有し、該層が高い光電仕事関数、有利には８.０×１０^-19ジュー ル／電子より高い光電仕事関数を有する請求の範囲５または６記載の電極。 ８．支持体物質（１）が低い光電仕事関数、有利には５．６×１０^-19ジュール ／電子より低い光電仕事関数を有する請求の範囲１から７までのいずれか１項記 載の電極。 ９．支持体物質（１）が金属、有利には鉄である請求の範囲１から８までのいず れか１項記載の電極。 １０．放出被膜（３）が純粋物質に対して光電仕事関数を減少するためにドーパ ントを含有し、有利にはドーパント、セシウム、カルシウムまたはバリウムまた はこれらの混合物を１０^-5ａｔ％〜１ａｔ％の濃度で含有する請求の範囲１から ９までのいずれか１項記載の電極。 １１．支持体物質（１）の表面の一部が電子流またはイオン流を抑制するために 電気的絶縁被覆層（４）を有する請求の範囲１から１０までのいずれか１項記載 の電極。 １２．電極のガス放出に向けられる部分に、電気的に 絶縁性の、温度および真空に安定な物質、有利にはセラミックが被覆されている 請求の範囲５から１１までのいずれか１項記載の電極。 １３．つばを備えた電気的に絶縁性のスリーブ（９）が電極により形成される中 空空間の開口内に、つばがガス放出方向の開口の縁部を覆うように配置されてい る請求の範囲５から１２までのいずれか１項記載の電極。 １４．電極から形成される中空空間の開口のガス放出に向けられる縁部が、開口 の電場の勾配が、有利には曲げることによりまたは縁をつけることにより減少す るように形成されている請求の範囲５から１３までのいずれか１項記載の電極。 １５．電極がガラス成形体（８）により包囲され、成形体が有利にはシリンダ状 である請求の範囲１から１４までのいずれか１項記載の電極。 １６．電極がガラス成形体（８）内に、熱伝導性の劣る絶縁物質、有利にはセラ ミックまたは雲母からなるリング（１０）を用いて中心に配置されている請求の 範囲１５記載の電極。 １７．金属のコップ、中空シリンダまたは中空の円錐の内側に少なくとも一部分 場のない空間が生じる請求の範囲５から１６までのいずれか１項記載の電極。 １８．支持体物質（１）の表面の少なくとも一部分に 反応性ガスを結合する物質（ゲッター）が被覆されている請求の範囲１から１７ までのいずれか１項記載の電極。 １９．支持体物質（１）を被覆する物質が電極の状態調節の際に水素を遊離して 金属の形に変換する水素化物の形で、有利には水素化イットリウムとして被覆さ れる請求の範囲１から１８までのいずれか１項記載の電極。