JPH065198A - 陰極素子を含む陰極 - Google Patents

陰極素子を含む陰極

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JPH065198A
JPH065198A JP4276893A JP4276893A JPH065198A JP H065198 A JPH065198 A JP H065198A JP 4276893 A JP4276893 A JP 4276893A JP 4276893 A JP4276893 A JP 4276893A JP H065198 A JPH065198 A JP H065198A
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JP
Japan
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cathode
particles
refractory metal
cathode element
porous
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JP4276893A
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English (en)
Inventor
Georg Gaertner
ゲルトナー ゲオルグ
Hans Dr Lydtin
リドティン ハンス
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Koninklijke Philips NV
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Publication of JPH065198A publication Critical patent/JPH065198A/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02Main electrodes
    • H01J1/13Solid thermionic cathodes
    • H01J1/14Solid thermionic cathodes characterised by the material

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  • Solid Thermionic Cathode (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 所定の温度でより高い放出電流密度及び長い
寿命を達成可能な陰極素子を提供する。 【構成】 2つの面間に多孔性陰極素子を有する高融点
金属の陰極。孔は1000nmより小さい直径を有し、
片面又は両面に開いている。陰極素子は放出材料を含
み、又は含浸した陰極の上部に外部素子として形成され
得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、2つの向かい合った面
間に高融点金属(特にタングステン、タンタル、レニウ
ム、イリジウム、オスミウムのような)からなる多孔性
陰極素子を含む陰極に関する。
【0002】
【従来の技術】性能要求が増々厳しくなるので、真空電
子管、例えば、受像管、X線管及び高周波数及びマイク
ロ波技術の一般的な管の電子エミッタは可能な低い操作
温度で放出電流密度が高く、寿命が長く、残留気体の毒
性に対して抵抗性が高く及び電子衝撃の間の挙動が安定
でなければならない。
【0003】HDTV陰極は20A/cm2 の放出電流
密度を有し、作動温度は1000℃より十分に低く、一
方20000時間より寿命が長いことが要求される。今
日の高性能のX線管の陰極は10-3mbarまでの比較的高
い残留気体の圧力で且つ強いイオン衝撃の下で10A/
cm2 の放出電流密度を有する。
【0004】陰極の最も重要な性質の基準は、その寿命
を通じて安定した高い放出電流密度である。電子に対し
て所定の動作機能を有する既知の材料では、電子放出は
温度の増加につれて指数関数的に増加し得る。しかしな
がら、このことはパワーの散逸の増加、放射固体構造体
又はその加熱素子の機械的安定性の減少、放射材料の蒸
発のためにディスペンサ材料の急激な消耗及び管の系成
分(例えば格子)の有害な汚染を引き起こすことがあ
り、その結果、それ自体は電子放射に好ましい温度増加
に限度を設けなければならない。
【0005】高温操作ではわずかの高融点金属のみ、特
に耐熱性を有する金属W,Re 及びTa が適当である。
これは低蒸発速度の要求を同時に満たさなければならな
いからである。
【0006】純粋な金属の高温操作の利点は陰極表面の
汚染(ポイゾニング)が低いこと及びイオン衝撃に対し
て感度が低いことである。純粋なタングステンでさえ5
A/cm2 を超える高放出電流密度及び103 hを超え
る寿命に対して不適である。一方、このような放出条件
を、電子動作機能を減ずるために適当な表面錯体(吸着
質/基質双極子層)を形成することにより満たさなけれ
ばならない。そして、比較的低い操作温度で且つ少ない
エネルギーロスで高放出電流密度が得られる。実際上は
W/ThO2 , W/Th,W/Ba, W/BaO, W/
Sc2 3 /Ba O/CaO/Al2 3 の材料の組合
せを用いる。
【0007】低動作機能及び低蒸発速度を同時に有する
錯体を形成した放出表面の可能な限りの均一な被膜を考
慮すべきである。実際上は、この目的達成のために、例
えば、含浸、上部層、混合金属基材、多層及び制御され
た多孔性ディスペンサー陰極のような構造的に変形した
陰極を用いることを試みる。従来の構造的に変形した陰
極の未だ不適当な放出に対する原因は例えば、蒸発/ス
パッタリング後に孔又は粒子境界からの分配が不適であ
るために、又は残留気体による表面位置の汚染のために
含浸した陰極におけるBaOによる放出陽極表面の被膜
程度が不充分なことによる。
【0008】このような陰極の実施態様においては、よ
り高温にて達成される高放出電流密度は寿命に負担とな
る。最悪の場合には、表面部分を不可逆的に純粋な基材
金属の値を越えて作動機能を増加する素子又は分子で被
膜する。蒸発又はイオン衝撃のための作動機能の損失−
吸着質の減少(例えばSc2 3 からSc)を再生可能
であるが、その効果においては同様に有害である。
【0009】上述の型の陰極素子を含むディスペンサー
陰極は欧州特許公開第0442163 号明細書によりI陰極と
して既知である。例えばBaOのような酸化物粒子は材
料構造中に埋め込まれている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、所定の温度でより高い放出電流密度及び長い寿命を
達成可能な上述のタイプの陰極素子を提供することであ
る。この目的は、陰極素子が、平均直径が1000nm
より小さい高融点金属の粒子を含み、片面又は両面から
利用できる孔を有することで解決される。
【0011】
【課題を解決するための手段】高融点金属及び平均直径
が1000nmより小さいナノ−構造の粒子を含む陰極
が以下のことを特徴とする。即ち、陰極素子が、平均直
径が1000nmより小さく、均一な分散にて多孔性陰
極素子に連結した粒子から完全になり、陰極素子の全体
積の5〜90%が、周囲に対して開いており、距離がな
く、孔により構成され、1000nmより小さい隣り合
う粒子間の無充填の孔からなる。
【0012】更に、陰極は、多孔性陰極素子が高融点金
属の粒子及び金属酸化物の粒子(例えばSc2 3 , Y
2 3 , Eu2 3 , La2 3 , TnO2 )からな
り、加熱可能な基体上に形成されることを特徴とする。
【0013】以下に、本発明の陰極素子を“放出陰極素
子(effusion cathode element)”として述べる。これ
は操作中に電子が表面に最も近い密につまった孔から真
空中に“放出する”からである。アルカリ土類金属酸化
物を含まない場合でさえ、本発明の放出陰極電子を例え
ば既知のタイプのI陰極に対して上部層又は被膜素子と
して使用できる。一方、本発明の放出陰極素子は完全な
陰極として使用できるように、アルカリ土類金属酸化物
の粒子をも含み得る。
【0014】粒子の均一な分散は、体積(20)
【外1】 を有する各体積素子において、直径dを有する粒子の数
は平均直径〔外1〕が±20%未満であることとは違う
ことを意味することがわかる。こにおいて、〔外1〕を
粒子の統計的な種々の直径dの平均値として定義する。
別の角度位置にて測定した立体拡張(spatial extensio
n) の平均値は完全ではない球状の粒子の直径dである
ことがわかる。本発明の放出陰極素子は特にOs 又はR
u の既知の上部被膜をも有し得る。
【0015】本発明の放出陰極素子において、電子放出
に重要な素子及び化合物は均一な微細な分散にて且つ孔
の高度な全表面積を有して互いに結びつく。孔は開いて
おり、もって、固体状態材料がない通路を通って放出陰
極素子の外側両面から利用できるので、本発明の放出陰
極体の活性表面がかなり増加する。開孔を通って表面に
最も近い領域にアルカリ土類金属の原子を分配すること
はより容易である。結果として、高放出電流密度が比較
的低い操作温度にて達成できる。
【0016】又、本発明の装置はイオン衝撃(スパッタ
リング)及び残留基体(ポイゾニング)に鈍感である。
事実、スパッタリング効果は表面に最も近い孔構造の領
域ではなく、外側表面においてのみ影響がある。構造の
内側部分の望ましくない残留気体の体積は、操作条件下
では妨害される。これはこの領域にある粒子の自由表面
は望ましい原子/分子を高度に有するからである。
【0017】既知の陰極と比べると、これらの利点は、
放出陰極素子が少なくとも90%が5〜100nmの
間、好ましくは30〜50nmの間の直径を有する粒子
を含む場合に特に有意義である。粒子の直径が小さけれ
ば小さい程、利用可能な活性表面の全体と放出陰極素子
の外側表面との比が大きくなる。粒子の直径(d<1n
m)が小さすぎると、又、孔の直径が小さすぎると、孔
はあまり効果的ではなくなる。というのは、直径dが1
nmより小さい粒子を含む構造は750゜の操作温度で
一定した安定を維持しないからである。固体状態構造の
10%より多い粒子が50nmより大きい直径を有する
場合、本発明の陰極のイオン衝撃に対する顕著な抵抗性
が大きく影響する。
【0018】高融点金属化合物は固体状態粒子の全体積
の30%超過、特に約50〜90%の量からなる。アル
カリ土類金属酸化物の粒子を含む本発明の放出陰極体の
約50%の値が有利であることがわかった。金属量が3
0%より少ない場合は放出陰極素子の十分に満足な金属
導電性はもはや保証できない。
【0019】本発明の別の実施態様において、酸化粒子
は少なくとも部分的に薄い金属外皮で覆われており、又
は金属粒子の少なくとも一部が薄い酸化被膜層で覆われ
ている。勿論、被膜層は、とても薄く、透明構造を有し
ているので、被覆されたコアは被膜層を通して活性にな
る。非常に高い放出電流密度が、放出陰極素子の上部の
孔体積が下部より大きい場合に可能となる。
【0020】
【実施例】図3において、放出陰極素子1をI陰極素子
2に形成する。I陰極素子2はアルミン酸BaCa4を
含浸した多孔性Wマトリックス3からなる。放出陰極素
子1の体積素子の構造を図1に示す。30nmの平均値
径のタングステン粒子5は操作中に電子気体雲を生じる
多孔性スペース6まわりの支持フレームを構成する。ほ
ぼ同径を有するSc2 3 の分離酸化物粒子7を混合し
ている。I陰極素子2(図3)から矢印8の方向へのB
aの補給に応答して例えば、900℃で陰極を操作する
際に孔に向かって指向するW粒子5の表面にBa−Sc
−Oの表面錯体9を形成する。900℃且つ約4kV/
mmの強度域で、110A/cm2の放出電流密度(矢
印10及び11で示す電子流れ方向)を50時間の操作
の後、測定した。これらの実験室テストでは、既知の陰
極素子に比べてかなり良好な値を既に得ている。965
℃で3000時間以上の寿命を何の問題もなく達成し
た。
【0021】図2の実施態様において、Sc2 3 コア
12及びBaOコア13(又はCaOコアも)をW被膜
14a及び14bでそれぞれ包む。Ba−Sc−Oの放
出被膜を孔スペース15に向かって指向する二重被膜粒
子のW表面に形成する。矢印16,17の方向に流れる
電子流れに対して、850℃且つ約4kV/mmの強度
域にて95A/cm2 の流れ密度を測定した。既知の粉
末−冶金学的に製造された陰極素子において、これは開
孔構造を有していないが、多くても80A/cm2 を比
較可能な条件下で達成できた。本発明により達成された
好ましい値を実験室において非−最適化テスト試料で測
定したことを考慮すべきである。本発明の素子にて要求
される開孔を特にPCVDのような堆積法により達成で
きた。焼結法はあまり適当でないことがわかった。
【0022】図4は、図2で示すような構造を有する折
曲形箔タイプの放出陰極素子20を示す。これは好まし
くはW,Ni,又はTiからなる支持体21上に配置さ
れる。支持体21は同時に放出電極素子20の被膜を製
造するための基体である。
【0023】本発明の放出陰極素子の金属導電率及びナ
ノ−構造均一構造のために、折曲形放出陰極素子20は
支持体21なしで直接加熱することもできる。熱流れ
(矢印18)が通過する際、矢印19の方向の電子流れ
が生じ得る。勿論、間接に加熱することもできる。例え
ば、図2のように、構成された放出陰極素子を抵抗熱素
子上に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の放出陰極素子の体積素子の断面図であ
り、W及びSc2 3 粒子からなり、アルカリ土類金属
酸化物粒子ではなく、I陰極素子(図3)の上部層とし
て適当である。
【図2】完全なディスペンサー陰極として使用できるア
ルカリ土類金属酸化物粒子を有する実施態様を示す。
【図3】図1に示した放出陰極素子をI陰極素子上に形
成した陰極素子の断面図である。
【図4】図2に示したような構造を有する放出陰極素子
の流れ加熱折曲形の実施態様を示す。
【符号の説明】
1 放出陰極素子 2 I陰極素子 3 多孔性Wマトリックス 4 アルミン酸BaCa 5 W粒子 6 多孔性スペース 7 酸化物粒子 9 表面錯体 12 Sc2 3 13 BaO 14a W被膜 14b W被膜 15 孔スペース 20 放出陰極素子 21 支持体

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2つの向かい合った面の間に、高融点金
    属を含んでなる多孔性陰極素子を含む陰極において、陰
    極素子(1)が、平均直径が1000nmより小さい高
    融点金属の粒子(5)を含み、且つ片面又は両面から利
    用できる孔を有することを特徴とする陰極。
  2. 【請求項2】 2つの向かい合った面の間に、高融点金
    属を含んでなる多孔性陰極素子を含む陰極において、陰
    極素子(1)が、平均直径が1000nmより小さい高
    融点金属の粒子(5)及び平均直径が1000nmより
    小さい金属酸化物の粒子(7)を含み、且つ片面又は両
    面から利用できる孔を有することを特徴とする陰極。
  3. 【請求項3】 多孔性陰極素子を加熱装置に形成するこ
    とを特徴とする請求項2記載の陰極。
  4. 【請求項4】 含浸剤(4)及び放出表面を備える多孔
    性陰極体(3)を含む陰極において、陰極が放出表面上
    に多孔性陰極素子(1)を含み、該素子が2つの向かい
    合った面の間に高融点金属を含み、該陰極素子(1)
    が、平均直径が1000nmより小さい高融点金属の粒
    子(5)及び平均直径が1000nmより小さい金属酸
    化物の粒子(7)を含み、且つ2つの面間に拡がる孔を
    有することを特徴とする陰極。
  5. 【請求項5】 少なくとも高融点金属及び平均直径が1
    000nmより小さいナノ−構造粒子を含んでなる多孔
    性陰極素子を含む陰極において、陰極素子(1)が、平
    均直径が1000nmより小さく、均一な分散にて多孔
    性陰極素子に連結した粒子(5,7)から完全になり、
    陰極素子(1)の全体積の5〜90%が、周囲に対して
    開いており、距離がなく、孔(6,15)により構成さ
    れ、1000nmより小さい隣り合う粒子(5,7,1
    4a,14b)間の無充填の孔(6,15)からなるこ
    とを特徴とする陰極。
  6. 【請求項6】 多孔性陰極素子が、加熱可能な基体上に
    形成された高融点金属の粒子(5)及び金属酸化物
    (7)の粒子からなることを特徴とする請求項5記載の
    陰極。
  7. 【請求項7】 多孔性陰極素子が、高融点金属の粒子
    (5)、又は高融点金属の粒子及び金属酸化物の粒子
    (7)のみを含み、且つ陰極素子(1)がI陰極素子
    (2)上に形成されることを特徴とする請求項5記載の
    陰極。
  8. 【請求項8】 多孔性陰極素子が、高融点金属(5)の
    粒子及びアルカリ土類金属酸化物の粒子(13)、又は
    高融点金属の粒子及び金属酸化物の粒子及びアルカリ土
    類金属酸化物の粒子を含むことを特徴とする請求項5又
    は6記載の陰極。
  9. 【請求項9】 金属部分(5,14a,14b)が、全
    陰極素子の30%より多い体積部分になることを特徴と
    する請求項5〜8のうちいずれか1項に記載の陰極。
JP4276893A 1992-03-05 1993-03-03 陰極素子を含む陰極 Pending JPH065198A (ja)

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EP0559283B1 (de) 1996-11-13
DE59304447D1 (de) 1996-12-19
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