JPH0384825A - 熱陰極 - 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、ブラウン管、表示管、撮像管、進行波管など
の電子管に用いるに好適な低温動作・高電流密度の熱陰
極に関する。

〔従来の技術〕

電子管の高性能化、特に高精細度化、高輝度化、をはか
るためには高ａ流密度陰極を用いることが必要であり、
これに対応できる陰極としては、含浸形陰極が有望視さ
れている。含浸形陰極は、通常、タングステン（Ｗ）か
らなる多孔質体にバリウム（Ｂａ）化合物からなるエミ
ッタ剤を含浸した構造が基本となっているが、さらに、
特公昭４７−２１３４３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）合金を被覆
し、陰極表面の仕事関数を下げて電子放出能を高める提
案もなされている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来技術における含浸形陰極では、例え
ば陰極表面に０ｓ−Ｒｕ合金を被覆し、仕事関数を下げ
ることにより電子放出能を高めた場合でも、その動作温
度は約１０００℃で、現在量も多く用いられている塗布
形酸化物陰極と比べて、約２５０℃も高い、このように
、含浸形陰極は、高電流密度は得られるが、動作温度の
高いことが最大の欠点であり、管球に実装した場合に、
周辺電極を高融点金属材料に変更しなければならない上
に、陰極からＢａやＢａＯが多量に蒸発し、他電極に付
着してグリッドエミッションの原因となり、管球特性に
悪影響を与えること、また、長時間加熱に耐え得る信頼
性の高いヒータの設計・製造が非常に困難であること、
などの問題があり、これらが実用化上の大きな障害とな
っていた。

本発明の目的は、上記従来技術の有していた課題を解決
して、従来の含浸形陰極よりも低い動作温度で同等の電
子放出能を有し、かつ、実用化に耐え得る信頼性の高い
熱陰極を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、基体部をＷとタングステン酸スカンジウム
とから構成し、エミッタ剤部を少なくともＢａを含む酸
化物から構成した含浸形構造の熱陰極とすることによっ
て達成することができる。

なお、該陰極表面にＷからなる薄膜層を設けることによ
って、その効果をさらに顕著にすることができる。

ここで、上記タングステン酸スカンジウムは。

５ｃ２Ｗ、Ｏ，、あるいはＳ　Ｃ＠　Ｗ　Ｏｘ　ｚのい
ずれかあるいは混合でもよく、単独で使用する場合には
、基体部中の５ｃ２Ｗ、０１．、Ｓ　ｃ−Ｗ　Ｏｚ　ｚ
の量は、それぞれ、２６±５重量％、７±１．５重量％
であることが望ましく、また、混合状態で使用する場合
には、基体部中のＳｃとＷとの割合（Ｓｃ／Ｗ）は重量
比で０，０２〜０．０４の範囲であることが望ましい。

また、基体部の熱陰極全体に対する容積率は０．６５〜
０．８の範囲にあることが望ましい。

〔作用〕

まず本発明の熱陰極を含む熱陰極構体の概略構成につい
て図示すれば第１図に示す通りで、本発明の熱陰極１は
障壁層としてのカップ７内に挿入され、さらにスリーブ
８およびヒータ９と組合されて熱陰極構体６を形成する
が、熱陰極１は、さらに、Ｗ３およびタングステン酸ス
カンジウム４とからなる基体部２と、Ｂａを含む酸化物
からなるエミッタ剤部５とからなることを示す。

ここで、熱陰極ｌは、ヒータ９による加熱によって、基
体部２のＷ３と、Ｂａを含むエミッタ剤部５とが反応し
て遊離のＢａを形成するとともに、エミッタ剤部５の熱
分解によって遊離Ｂａを形成する９例えば、エミッタ側
部材料としてＢａ３Ｍ１０．を使用した場合には、基体
部２中のＷ３と反応して、下式により、Ｂａが形成され
る。

ＢａＯ＝　Ｂａ＋Ｏ・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）このように
して形成されたＢａは、また、基体部２中のタングステ
ン酸スカンジウム４と反応して遊離のＳｃを形成する０
例えばタングステン酸スカンジウムとしてＳｃ、Ｗ、０
１□を用いた場合、次式の反応によってＳｃが形成され
る。

５ｃ４Ｗ３０．＋３Ｂａ＝　３ＢａＷＯ４＋２Ｓｃ　　
　　　・・・・・・・・・（３）以上の反応式（１）、
（２）、（３）によって形成されたＢａ、Ｏ，Ｓｃは、
陰極表面に拡散するとともに結合し、陰極表面に単〜数
分子層程度の極めて薄い（Ｂａ、Ｓｃ、Ｏ）複合化合物
層を形成する。

この複合化合物層の形成によって陰極表面の仕事関数が
約１　、２ａＶに下り、電子放出能が高められる。

該複合化合物層がＷ上に形成された場合に、電子放出能
向上効果はさらに顕著になる。

基体部２を構成するタングステン酸スカンジウム４とし
ては、Ｂａと反応してＳｃを形成しゃすいＳｃ、Ｗ□０
１．あるいはＳｃ、ＷＯ１□の使用が効果的であり、単
独あるいは複合した形態で用いられる。

単独で用いる場合の基体部２中のＳｃ、Ｗ３０工２、Ｓ
ｃ、ＷＯ１２の量は、それぞれ、２６±５重量％、７．
５±１．５重量％の場合が効果的であり、また、複合形
態の場合は、基体部２中のＳｃとＷとの比（Ｓ　ｃ　／
　Ｗ　）が重量比で０．０２〜０．０４の範囲となるよ
うな構成が好適である。また、エミッタ剤部（Ｂａを含
む酸化物）５の材料としては、基体部２のＷ３と反応し
て安定してＢａを生威し得るＢａｄ、　Ｂａ３ＡＩ！、
０．、　Ｂａ、ＣａＡａ、Ｏ，、あるいは複合化合物（
Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ）Ｏの使用が効果的であり、その熱陰
極１全体に占める割合は、容積率で０．２〜０．３５の
範囲が好適である。このような構成とすることによって
、形成されたＢａが無駄なく活用されることになる。

なお、熱陰極１の特性をより優れたものにするために設
けるＷ薄層の厚さは、特に制限はないが、製作上は１０
０〜３００ｎｍ程度が適切である。

〔実施例〕

以下、本発明の熱陰極の構成について実施例によって具
体的に説明する。なお、本実施例においては、タングス
テン酸スカンジウムとしてＳｃ、ＷＯ□２を用いた場合
について説明する。

まず、酸化スカンジウム（ｓｃｘｏａ）粉末と酸化タン
グステン（Ｗ○、）とを秤量・混合し、大気中で１１０
０℃２時間加熱してＳｃ、ＷＯｌ、を合成した。次いで
、平均粒径５ｔｍのＷ粉末に５〜１０重量％の範囲で０
．５重量％ごとに添加量を変えた上記Ｓｃ、ＷＯｌ、を
混合した試料１１種を作成、円板状にプレス成形した後
、水素雰囲気中１２００℃、１時間の加熱を行い、Ｗと
Ｓ　ｃ−Ｗ　Ｏｉｚとを固着させて基体部を作成した。

この場合、プレス成形時の圧力を調整することによって
、得られる基体部の空孔率が１６〜４２％の範囲に入る
ようにした。さらに、上記のようにして得られた基体部
と、４ＢａＯ−ＣａＯ−ＭヨＯ２の組成からなるエミッ
タ剤とを水素雰囲気中で加熱し、エミッタ剤を基体部空
隙に溶融含浸させて、円形状の熱陰極を作製した。

以上のようにして得られた熱陰極をカップ状の障壁層、
スリーブおよびヒータと組合わせて熱陰極構体を形成し
、該熱陰極構体と陽極とからなるダイオード方式により
、１０−’Ｐａの高真空中で、陽極に正のパルス電圧を
印加して電子放出特性の測定を行った０本発明陰極の代
表的な特性を第２図■に、また、比較として、従来型の
０ｓ−Ｒｕ合金を５００ｎｍ被覆した含浸形陰極の特性
を同図■に示す、ここで５図の横軸は陰極温度、縦軸は
零電界飽和電流密度を示す。この結果から、例えば、１
０Ａ／ｃｉ＋”の電流密度を得るに必要な陰極温度は従
来形の含浸形陰極では約１０００℃であるのに対して、
本発明熱陰極の場合８００〜８５０であり、本発明熱陰
極は従来形含浸形陰極に比べて動作温度を１５０〜２０
０℃低くすることができることがわがる。

本発明の熱陰極で動作温度を下げることができるのは、
陰極表面に約１，２ｅＶ程度の低い仕事関数を有する単
分子層〜数分子層程度の薄い（Ｂａ、　Ｓｃ、Ｏ）複合
化合物層が形成されていることによるものである。第３
図は本発明熱陰極表面についてオージェ分析を行った場
合のオージェスペクトルを示したもので、この結果から
、Ｗ上に単分子層程度の薄い（Ｂａ、　Ｓｃ、０）複合
化合物層が形成されていることがわかる。

また、上記の実施例において、最良の電子放出を示した
試料の基本組成はＳ　ｃ、　Ｗ　０２２７重量％であり
、また、最良の値に対して９０％以上の特性が得られた
のは、Ｓｃ、ＷＯ□２５．５〜８．５重量％の範囲の試
料であった。また、基体空孔率と電子放出特性との関係
については、空孔率が２０％以上であればほぼ一定の値
が得られた。しかし、熱陰極自体の強度を考慮した場合
、空孔率の上限は約３５％が適切である。（空孔率を容
積率に換算すると、上記は、それぞれ、０．８および０
．６５となる）。

なお、上記の例においては、基体部に用いるタングステ
ン酸スカンジウムとしてＳ　Ｃ，Ｗ　Ｏ工２を用いた場
合について説明したが、Ｓ　Ｃ，Ｗ○１□の代りに５ｃ
２Ｗ、Ｏ工２を用いても同様な効果が得られ、また、両
者を混合して用いた場合にも同様な効果が得られた。こ
こで、同等な効果の得られたＳｃ＊Ｗ３０−ａの量は２
６±５重量％であった。また。

混合して用いた場合については、基体部のＳｃとＷとの
重量比（Ｓ　ｃ　／　Ｗ　）が０．０２〜０．０４の場
合に同等の効果が認められた。

さらに、上記例において、熱陰極表面にＷの薄層を設け
たが、これはＷ上に（Ｂａ、Ｓｃ、Ｏ）複合化合物層が
形成された場合に低仕事関数の表面が得られる原理に基
づく。Ｗ薄層の厚さについては特に制約は認められなか
ったが、製作上は１００〜３００ｎ＠程度が適切であっ
た。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、熱陰極を本発明構成の熱陰極と
することによって、従来技術の有していた課題を解決し
て、低温動作・高電流密度で、かつ、実用化に耐え得る
、信頼性の高い熱陰極を提供することができた。具体的
には、従来の含浸形陰極と比較して、同一電流密度を得
るに必要な動作温度を１５０°〜２００℃低くすること
ができ、その結果、陰極からのＢａ、ＢａＯの蒸発速度
を１．５〜２桁程度下げることが可能となり、グリッド
エミッションによる管球特性劣化を格段に減少させるこ
とが可能となった。

なお、動作温度の低下によって、現在量も多く使用され
ている塗布形酸化物陰極用のヒータがそのまま利用でき
るようになり、ヒータの信頼性向上とともに、低消費電
力化が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明熱陰極の概略構成を示す図で、（ａ）は
本発明熱陰極の一部断面斜視図、（ｂ）は本発明熱陰極
を用いた熱陰極構体を示す断面図、第２図は本発明熱陰
極と従来の含浸形陰極との電子放出特性の比較を示す図
、第３図は本発明熱陰極表面のオージェスペクトル図で
ある。 ｌ・・・熱陰極　　　　　　２・・・基体部３・・・タ
ングステン（Ｗ） ４・・・タングステン酸スカンジウム ５・・・エミッタ側部　　　６・・・熱陰極構体７・・
・障壁層（カップ）　８・・・スリーブ９・・・ヒータ 第１ 図 第２ 図 ＋ｏｙ（柁対逼船 ＋Ｋ”１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、タングステン（Ｗ）とタングステン酸スカンジウム
   とからなる基体部と、少なくともバリウム（Ｂａ）を含
   む酸化物からなるエミッタ剤部とからなることを特徴と
   する熱陰極。 ２、表面にＷからなる薄層を設けたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の熱陰極。