JPH07235254A - 含浸型陰極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化
イッテルビウム等の電子放射増強機能を有する物質を添
加した実現可能な含浸型陰極を提供する。 【構成】 多孔質基体の焼結時にジルコニウム、チタ
ン、ニッケルのいづれかを単体あるいは組合せとして添
加し、焼結温度を下げて酸化スカンジウム、酸化イット
リウム、酸化トリウム、酸化イッテルビウムの還元を防
ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は含浸型陰極、特に電子放
射性能の優れた含浸型陰極に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】受像管の電子銃には電子ビームを放射す
る陰極を設けられており、この陰極としては通常陰極基
体に酸化バリウム等の酸化物被膜を形成した酸化物陰極
が用いられていた。しかしながら、このような酸化物陰
極の電気伝導を高め放出電流密度を高くするために含浸
型陰極が実用化され、このような含浸型陰極は例えば、
応用物理学会誌第５６巻第１１号（１９８７）１４２３
頁〜１４３２頁に詳述されている。

【０００３】含浸型陰極は、一般には、タングステン
（Ｗ）金属の微細粉体を高温焼結した多孔質を基体と
し、この基体の空孔に酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化カ
ルシウム（ＣａＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）
等を溶融含浸させたものを電子放射体とする熱陰極であ
る。

【０００４】前記資料によれば、これらの物質が５：
３：２の割合で構成されたＢタイプと称されるものの場
合、

【数１】５ＢａＯ，３ＣａＯ，２Ａｌ₂ Ｏ₃ ＋Ｗ→Ｂａ
Ａｌ₂ Ｏ₄＋３／４Ｃａ₂ ＢａＷＯ₆ ＋１／４Ｃａ₃ Ｗ
Ｏ₆ ＋９／４Ｂａ＋３／４Ｃａ の反応が行なわれる。すなわち、基体のタングステン
（Ｗ）が還元剤として作用し還元Ｂａを生成する。別
に、このバリウム（Ｂａ）が電子放射源として働く。従
って基体タングステンは酸化していないことが重要であ
る。

【０００５】含浸型陰極の基体となる多孔質タングステ
ン基体は、粒径数ミクロンの粉末タングステンを真空中
あるいは水素ガス等の還元性雰囲気中で約２０００℃に
加熱焼結して作る。タングステンの融点は３３８０℃で
あるが、プレス機で押し固めてあるので焼結が可能であ
る。タングステンには電子放射物質の還元剤の機能を必
要とされるので、焼結中に酸化しないように還元性雰囲
気で熱処理することが重要である。

【０００６】このように、含浸型陰極は電気伝導度が高
く、かつ高電流密度で使用できるという長所を有する
が、一方において、酸化物陰極に比して動作温度が２０
０℃以上高い約１０００℃という高温度のために電子放
射物質であるバリウム（Ｂａ）蒸発が激しく、蒸発によ
るバリウム（Ｂａ）の消耗と蒸発したバリウム（Ｂａ）
不要電子放射を生じさせるという短所を有している。

【０００７】従来、この高い動作温度を下げるために、
陰極の電子放射能力を増大させることによって、動作温
度を下げても結果として必要な放射電流を得ることがで
きるという改善が考えられている。

【０００８】特開昭５８−１９２２３７号公報には、ス
カンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、トリウム
（Ｔｈ）、イッテルビウム（Ｙｂ）及びその酸化物（Ｓ
ｃ₂ Ｏ₃ 、Ｙ₂ Ｏ₃ 、ＴｈＯ₂ 、Ｙｂ₂ Ｏ₃ ）を陰極基
体内に分散混合することにより、飽和特性が良くかつ９
００℃で約１０Ａ／ｃｍ² の高い飽和電流密度の含浸型
陰極が得られることが開示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来装置では、スカンジウム、イットリウム、トリウム、
イッテルビウムの単元素を用いているので、実際上、多
孔質基体の製作が困難であった。

【００１０】すなわち、これらの元素の融点はスカンジ
ウム、イットリウム、トリウム、イッテルビウムの順
に、１５４０℃、１５０２℃、１７５０℃、８２４℃と
低いために、タングステンの焼結に必要な約２０００℃
に加熱すると、これらの添加元素が溶融して多孔質体の
空孔を埋めるため、電子放射物質が十分に含浸できない
ことがあった。トリウムは含浸の程度はやや良いが、放
射性元素であることによる危険性があり、実用的に扱い
にくい物質であるという欠点があった。

【００１１】この不具合を回避するためには、これら単
元素の添加量を極度に少なくすれば空孔が埋まる問題は
低減できるが、本来必要な物質も減少してしまい、所望
の機能が得られないという問題が発生する。

【００１２】上記問題を解決するために、従来において
も、前記各元素を単元素として用いることなく、それぞ
れ酸化物として用いることが提案された。

【００１３】スカンジウム、イットリウム、トリウムイ
ッテルビウムの酸化物の融点は、それぞれ、２６７８
℃、２４１０℃、３３００℃、２１９６℃と高いため
に、２０００℃のタングステン焼結で単元素のような溶
融による顕著な空孔の埋没閉塞は起こらなかったが、上
記酸化物の粒子とタングステン粒子では焼結しにくく、
多孔質体の強度の確保が困難であった。また、焼結時の
温度が高いと、還元性雰囲気とタングステンによる酸化
物の還元が起こり、やはり多孔質の製作が困難であっ
た。

【００１４】従って、前記の単体元素を添加する場合に
は融点以下に焼結温度を下げる必要がある。しかし、こ
の場合には低すぎてタングステンの焼結体を製作するこ
とは実用的にも無理があった。

【００１５】すなわち、以上の要件を考慮した実験評価
によれば、酸化物を添加する場合には焼結温度を１５０
０℃〜１８００℃程度に下げることが望ましいことが判
った。しかし、この程度の温度ではタングステン粉末の
焼結が十分でなく、多孔質基体は脆弱になり、陰極の組
立工程において焼結基体が崩れるなど種々の問題が生じ
ていた。

【００１６】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、その目的は高い飽和電流密度特性を有す
る実用可能な含浸型陰極を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は低い温度で焼結が可能になるように、第１
添加剤として用いられる酸化スカンジウム、酸化イット
リウム、酸化トリウム、酸化イッテルビウムの単体また
は複数の組合せに加えて、第２の添加剤としてジルコニ
ウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）の単
体あるいは組合せを分散混合したことを特徴とする。

【００１８】第２流加剤としては、電子放射機能に障害
を与える物質であってはならず、実験の結果、ジルコニ
ウム、チタン、ニッケルが好適であった。

【００１９】ジルコニウム、チタン、ニッケルの融点は
それぞれ、１８５２℃、１６６８℃、１４５３℃であ
る。本発明によれば、焼結温度をジルコニウム、チタ
ン、ニッケルそれぞれの融点温度により僅かに高い温度
に設定することによって、基体の焼結時に、これら第２
の添加剤が溶解し、タングステン粒子を結合して焼結を
補助的に支え、実用可能な多孔質気体を得ることができ
る。

【００２０】

【実施例】本発明の一実施例として、平均粒径が４．５
μｍのタングステン粉末に３重量％の酸化イットリウム
（第１流加剤）と０．１重量％のジルコニウム（第２流
加剤）を撹拌混合して直径１．４ｍｍの圧縮プレス金型
のダイ（押型）に装填し、２．６トン／ｍｍ² の圧力を
掛けて厚さ０．５ｍｍの円形ペレットを作った。このペ
レットを水素雰囲気炉中、ジルコニウムの融点温度より
僅かに高い１８６０℃で１０分間加熱して焼結した。

【００２１】この焼結ペレットは、続いて行なう含浸工
程での取扱いに耐えるに充分な強度を有していた。

【００２２】一方、比較のために試みた、ジルコニウム
を添加しない場合には、焼結後のペレットをピンセット
でつまみ上げる際に細心の注意を払って弱くつまみ上げ
ないとペレットが崩れることがあり、実用的でなかっ
た。

【００２３】次に含浸剤としてのＢａＯ、ＣａＯ、Ａｌ
₂ Ｏ₃ が４：１：１の割合で混合された粉体を０．１ｍ
ｍ厚のタングステン板で作ったボートの中に入れ、その
粉体中に前記の焼結ペレットを埋没させて１５００〜１
８００℃の範囲好ましくは１７５０℃の水素雰囲気炉中
で２分間加熱して、含浸型陰極を得た。

【００２４】この含浸工程を終えたペレットを破断し、
その断面を走査型電子顕微鏡で観察した。

【００２５】図１は、その破断面を１０００倍の倍率で
撮った写真である。白く見える部分はタングステン粒子
の焼結体Ａであり、黒く見える部分は電子放射物質が含
浸充填されている部分Ｂである。

【００２６】この観察結果から、電子放射物質の含浸は
十分に行われていると判断できる。この含浸済ペレット
を通常の手段で二極管に組立て、電子放射性能を評価し
た。

【００２７】図２は、その結果を示している。これは熱
電子放射理論でよく知られたリチャードソン−ダッシュ
マンの式のプロットに相当し、横軸は二極管に印加した
電圧を、縦軸はその時得られた電子放射電流を示し、６
本の曲線は上から順に陰極温度が１０５０℃、１０００
℃、９５０℃、９００℃、８５０℃、８００℃の場合で
ある。

【００２８】この図２において、曲線の右側の部分は印
加電圧に対して放射電流が飽和している状態を示してい
る。例えば、陰極温度１０００℃の場合の右側の飽和部
から、左側に延長した印加電圧ゼロの時の放射電流がリ
チャードソン−ダッシュマンの式の零電界電流に相当
し、１５０ｍＡである。この値を前記ペレットの放射面
積で除したものが電流密度に相当し、この場合、約１０
Ａ／ｃｍ² という高い電流密度が得られた。

【００２９】第２の添加材として、例えば、チタンを
０．１％添加した実施例では、焼結温度１７００℃を選
定したが、得られた焼結ペレットの強度はジルコニウム
の場合とほぼ同程度であった。但し、電流密度は約６．
５Ａ／ｃｍ² でやや低い値が得られた。

【００３０】前述した実施例においてジルコニウムとチ
タンを説明したが、ニッケルの場合も焼結ペレットの強
度は前２例とほぼ同じ程度であり、電流密度の両者のほ
ぼ中間の値が得られた。

【００３１】従来の含浸型陰極では電流密度は５Ａ／ｃ
ｍ² 程度であった。従って、本発明における第２の添加
剤の効果が確認できた。

【００３２】本実施例では、第１添加剤として酸化イッ
トリウムを使用した場合を例示したが、酸化スカンジウ
ムの場合は酸化イットリウムより電流密度においてやや
良好な結果が得られ、酸化トリウムと酸化イッテルビウ
ムの場合は酸化イットリウムより電流密度がやや劣る結
果が得られた。

【００３３】また、本実施例では、高融点金属としてタ
ングステンを使用した場合を示したが、モリブデンを使
用した場合には焼結はタングステンの場合より容易であ
った。電子放射性能に有意差はみられなかった。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高融点金属粉体の焼結温度を２０００℃以下に下げて
も、ジルコニウム、チタン、ニッケルのいづれかの単体
あるいは組合せを第２の添加剤として分散混合すること
によって電子放射特性を損なうことなく実用十分な焼結
強度を有した多孔質基体を得ることができるので、第１
添加剤としての酸化スカンジウム、酸化イットリウム、
酸化トリウム、酸化イッテルビウムの効果を十分に発揮
した含浸型陰極を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の効果を確認するための含浸型陰極多孔
質基体断面の結晶構造を示す電子顕微鏡写真である。

【図２】本発明の含浸型陰極の電子放射性能を確認する
ための二極管特性を示す図である。

【符号の説明】

Ａ タングステン粒子の焼結体 Ｂ 電子放射物質の含浸充填部

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【手続補正書】

【提出日】平成６年４月２０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】スカンジウム、イットリウム、トリウム、
イッテルビウムの酸化物の融点は、それぞれ、２６７８
℃、２４１０℃、３３００℃、２１９６℃と高いため
に、２０００℃のタングステン焼結で単元素のような溶
融による顕著な空孔の埋没閉塞は起こらなかったが、上
記酸化物の粒子とタングステン粒子では焼結しにくく、
多孔質体の強度の確保が困難であった。また、焼結時の
温度が高いと、還元性雰囲気とタングステンによる酸化
物の還元が起こり、やはり多孔質の製作が困難であっ
た。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】第２添加剤としては、電子放射機能に障害
を与える物質であってはならず、実験の結果、ジルコニ
ウム、チタン、ニッケルが好適であった。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】

【実施例】本発明の一実施例として、平均粒径が４．５
μｍのタングステン粉末に３重量％の酸化イットリウム
（第１添加剤）と０．１重量％のジルコニウム（第２添
加剤）を撹拌混合して直径１．４ｍｍの圧縮プレス金型
のダイ（押型）に装填し、２．６トン／ｍｍ² の圧力を
掛けて厚さ０．５ｍｍの円形ペレットを作った。このペ
レットを水素雰囲気炉中、ジルコニウムの融点温度より
僅かに高い１８６０℃で１０分間加熱して焼結した。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】図１は、その破断面を１０００倍の倍率で
撮った写真である。白く見える部分はタングステン粒子
の焼結体であり、黒く見える部分は電子放射物質が含浸
充填されている部分である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古谷 幸史 東京都板橋区板橋１丁目10番14号 株式会 社東京カソード研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タングステンあるいはモリブデンの高融
   点金属粉体に酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸
   化トリウム、酸化イッテルビウムの単体または複数の組
   合せを分散混合して焼結した複合多孔質基体の空孔部に
   バリウム化合物からなる電子放射物質を含浸した含浸型
   陰極において、該基体にジルコニウム、チタン、ニッケ
   ルの単体あるいは複数の組合せを分散混合したことを特
   徴とする含浸型陰極。
2. 【請求項２】 上記酸化スカンジウム、酸化イットリウ
   ム、酸化トリウム、酸化イッテルビウムの総量は５重量
   ％以下であり、ジルコニウム、タンタル、チタンの総量
   は１重量％以下であることを特徴とする請求項１記載の
   含浸型陰極。