JPH09180624A - 含浸形陰極およびそれを用いた電子管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被覆膜にスカンジウムを含む含浸形陰極の耐イ
オン衝撃性能を高める。 【解決手段】多孔質タングステン基体にバリウムを含浸
した陰極において、その被覆膜構成を、高融点金属とス
カンジウム酸化物を含む被覆膜を形成した上部被覆膜
と、スカンジウムからなる下部被覆膜の２層膜、または
スカンジウム酸化物からなる下部被覆膜とその上面に形
成した高融点金属とスカンジウムを含む上部被覆膜の２
層膜、またはスカンジウムの層と、スカンジウム酸化物
の層で構成される下部被覆膜と、その上面に形成した高
融点金属の上部被覆膜からなる構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は含浸形陰極およびそ
れを用いた電子管に関する。

【０００２】

【従来の技術】含浸形陰極は高電流密度動作が可能な陰
極であり、電子管の高出力化、特にブラウン管では高輝
度化，高精細化のために欠くことができない。

【０００３】含浸形陰極は、タングステンからなる耐熱
多孔質基体に、ＢａＯを主体に、他にＡｌ₂Ｏ₃やＣａＯ
を水素雰囲気中または真空中で加熱溶融して、含浸させ
た陰極構成をしている。この陰極は基本型含浸形陰極と
呼ばれている。また溶融含浸した物質を一般に含浸剤と
称する。含浸形陰極は動作時に、常に１０００℃程度に
加熱されており、耐熱多孔質基体と含浸剤は反応し、バ
リウムを遊離する。バリウムは拡散により陰極表面に供
給され、陰極内部または電子管内部雰囲気中から供給さ
れた酸素と共に、タングステン基体上に吸着する。この
ように、金属表面にバリウムと酸素から成る吸着層（単
分子層）が形成されると、金属表面の仕事関数が実質的
に引き下げられ、電子放出が容易となる。これが、含浸
形陰極の動作原理であり、これに対する詳細な考察は、
例えば、ジャーナル・オブ・フィジックス Ｄ：アプラ
イド・フィジックス，第１５巻(１９８２年)第１５１９
頁から第１５２９頁（J. Phys. D: Appl. Phys.，１５
(１９８２）pp１５１９−１５２９）に記載されてい
る。含浸形陰極は電子放出部分が基本的に金属であるた
め電気的な抵抗が小さく、酸化物陰極に見られるジュー
ル発熱による陰極材料自体の分解が生じることはない。
従って、含浸形陰極は、酸化物陰極と比較して高電流密
度動作が可能である。

【０００４】しかし、含浸形陰極は、高電流密度動作が
可能な反面、動作温度が約７５０℃である酸化物陰極と
比較して、より高い温度で動作させる必要がある。前述
の基本型含浸形陰極の場合、１０Ａ／cm² の電流密度を
得るためにはおよそ１１００℃に加熱する必要がある。
このため、含浸形陰極の改良は、この動作温度を低下さ
せることを目的に行われている。

【０００５】タングステンやモリブデン等の高融点金属
と共に、スカンジウムを含む薄膜を被覆した含浸形陰極
は、９００℃で前述の電流密度動作が可能である。本文
中においては以後、これらをＳｃ被覆型含浸形陰極と記
述するが、これらに関しては、米国特許第4,626,470
号、ならびにジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプラ
イド・フィジックス，第２７巻，ナンバー８(１９８８
年)第１４１１頁から第１４１４頁(Jpn. J. Appl. Phy
s.２７,Ｎo.８(１９８８)pp１４１１−１４１４)に記載
されている。

【０００６】Ｓｃ被覆型含浸形陰極では、１１５０℃程
度に陰極を加熱して活性化すると、被覆膜表面に、タン
グステン多孔質部よりバリウムが供給され、被覆膜中よ
りスカンジウムが供給され、これらと酸素から単分子層
が形成される。その結果として仕事関数が低下し、良好
な電子放出を可能とすると考えられる。これらに関して
はジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス，第２８巻，ナンバー３（１９８９年）第４９
０頁から第４９４頁（Jpn. J. Appl. Phys．２８，Ｎo.
３(１９８９)pp４９０−４９４）に記載されている。つ
まり、Ｓｃ被覆型含浸形陰極の良好な電子放出特性を発
現させるためには、バリウムと共に、被覆膜中より表面
にスカンジウムを供給する必要がある。

【０００７】図４に従来陰極の構成例を示す。この陰極
は、基本型含浸形陰極２の上面に、２００ｎｍのスカン
ジウム被覆膜１０を電子ビーム加熱による蒸着法によ
り、金属スカンジウムを蒸着源として成膜し、その上面
に、タングステン金属をターゲットとして５００ｎｍの
タングステン被覆膜１４を成膜したものである。

【０００８】ところで、陰極表面に形成された単分子層
は、ブラウン管での動作中にイオン衝撃により失われ、
その結果として電子放出特性が劣化することがある。こ
のとき、動作温度において、失われた単分子層を再構成
できる程のバリウム，酸素，スカンジウムの供給が行わ
れるならば、イオン衝撃による電子放出特性の劣化はお
こらない。オスミウム被覆の含浸形陰極は、ブラウン管
内でのイオン衝撃による電子放出特性の劣化は現われな
い。この陰極における単分子層は、バリウムと酸素であ
り、これらは十分な速度で供給されていると言える。と
ころが、Ｓｃ被覆含浸形陰極においては、しばしばイオ
ン衝撃による電子放出特性の劣化が起こる。これは、単
分子層構成要素であるスカンジウムの供給力が不十分な
ためと推定される。以上より、Ｓｃ系含浸形陰極におい
ては、スカンジウムの表面への供給力が耐イオン衝撃特
性を決定する。

【０００９】スカンジウム酸化物を含む被覆膜から、陰
極表面にスカンジウムを供給するためには、スカンジウ
ム酸化物を還元し、遊離スカンジウムを生成しなければ
ならない。酸化物の還元は、タングステンやバリウムと
の反応によって行われる。ここで、スカンジウムを酸化
物ではなく、金属として成膜すれば、還元反応が必要で
なくなり、陰極の特性の向上、また、耐イオン衝撃特性
の向上が期待できる。この例としては、基本型含浸形陰
極の表面に、スカンジウムを主体とする下部被覆膜と、
モリブデンを主体とする上部被覆膜を形成した陰極があ
り、この陰極をＭｏ／Ｓｃ被覆含浸形陰極と称する。し
かし、Ｍｏ／Ｓｃ被覆含浸形陰極は、活性化の後、１回
目のイオン衝撃においては１００％電子放出特性が回復
するが、２回目以降のイオン衝撃においては回復率が良
好ではない。これは、１回目のイオン衝撃でスカンジウ
ムが涸渇してしまうからと考えられる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、含浸
形陰極の低温動作化を可能とするＳｃ被覆型含浸形陰極
は、表面へのスカンジウムの供給力が不十分でイオン衝
撃による電子放出特性が劣化する問題があった。

【００１１】本発明の目的は、Ｓｃ被覆型含浸形陰極に
おいて、これを解決することにあり、そのための製造方
法ならびにその被覆膜構成を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を達成す
るため、本発明は基本型含浸形陰極の表面に、スカンジ
ウムを主体とする下部被覆膜と、タングステンやモリブ
デン等の高融点金属と、酸化スカンジウム，タングステ
ン酸スカンジウム，モリブデン酸スカンジウムのいずれ
か一つまたは複数を含む上部被覆膜の２層膜を形成す
る。また、基本型含浸形陰極の表面に、酸化スカンジウ
ム，タングステン酸スカンジウム，モリブデン酸スカン
ジウムのいずれか一つ、または複数を含む下部被覆膜を
被覆し、その上面に、タングステンまたはモリブデンの
高融点金属とスカンジウムを含む上部被覆膜の２層膜を
形成する。さらに、基本型含浸形陰極の表面に、スカン
ジウムの層と、酸化スカンジウム，タングステン酸スカ
ンジウム，モリブデン酸スカンジウムのいずれか一つま
たは複数を含む層で構成される下部被覆膜を形成し、そ
の上面に、タングステンまたはスカンジウムの高融点金
属の上部被覆膜を形成する。

【００１３】本発明では、初期のイオン衝撃にはスカン
ジウム金属を、その後のイオン衝撃には酸化スカンジウ
ム，タングステン酸スカンジウム，モリブデン酸スカン
ジウム等のスカンジウム酸化物をスカンジウム供給源と
する。本発明によれば、陰極表面へのスカンジウムの供
給手段を２重に具備することができるので、イオン衝撃
により放出電流の劣化した陰極を再度回復させることが
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】

（実施例１）図１に、基本型含浸形陰極表面に、スカン
ジウムを主体とする下部被覆膜を被覆し、その上面に高
融点金属とスカンジウム酸化物を含む上部被覆膜を形成
したＳｃ被覆型含浸形陰極の実施例を示す。基本型含浸
形陰極は、タングステン粉末をプレス，焼結したのち、
ＢａＯを主体とする酸化物つまり含浸剤２２を含浸して
作製した。本実施例では、含浸剤としてＢａＯ，Ｃａ
Ｏ，Ａｌ₂Ｏ₃を４：１：１に混合したものを用い、この
含浸剤２２を、水素雰囲気中で１９００℃に加熱溶融し
て、タングステンの焼結体つまり多孔質体２１に含浸し
た。本実施例で用いた基本型含浸形陰極２の大きさ及び
形状は、直径１.２mm，厚さ０.４mmの円筒状のペレット
である。

【００１５】本実施例では、この基本型含浸形陰極２の
上面に、２００ｎｍのスカンジウム下部被覆膜１０を電
子ビーム加熱による蒸着法により、金属スカンジウムを
蒸着源として成膜した。そして、その上面に５００ｎｍ
のタングステンおよびタングステン酸スカンジウムから
なる上部被覆膜１１を、スパッタ成膜法で、放電ガスを
アルゴンとして、タングステンおよびタングステン酸ス
カンジウムをスパッタターゲットとして用いて成膜し
た。この陰極を、１０００℃で２時間の活性化加熱を行
うと、従来のＭｏ／Ｓｃ被覆含浸形陰極と同等の電子放
出特性を得た。

【００１６】（実施例２）図２に、基本型含浸形陰極表
面に、スカンジウム酸化物の下部被覆膜を被覆し、その
上面に、高融点金属とスカンジウムを含む上部被覆膜を
形成したＳｃ被覆型含浸形陰極の実施例を示す。基本型
含浸形陰極は、実施例１と同様の陰極を使用した。本実
施例では、この基本型含浸形陰極２の上面に、２００ｎ
ｍのタングステン酸スカンジウムの下部被覆膜１２を、
スパッタ成膜法でタングステン酸スカンジウムをスパッ
タターゲットとして用いて成膜した。そして、その上面
に５００ｎｍのタングステンおよびスカンジウムを含む
上部被覆膜１３を、スパッタ成膜法で、タングステンお
よび金属スカンジウムのスパッタターゲットを用いて成
膜した。この陰極を、１０００℃で２時間の活性化加熱
を行うと、従来のＭｏ／Ｓｃ被覆含浸形陰極と同等の電
子放出特性を得た。

【００１７】（実施例３）図３に、基本型含浸形陰極表
面に、スカンジウムの層と、スカンジウム酸化物の層で
構成される下部被覆膜を形成し、その上面に、高融点金
属の上部被覆膜を形成したＳｃ被覆型含浸形陰極の実施
例を示す。基本型含浸形陰極は、実施例１と同様の陰極
を使用した。本実施例では、この基本型含浸形陰極２の
上面に、２００ｎｍのスカンジウム被覆膜１０を電子ビ
ーム加熱による蒸着法により、金属スカンジウムを蒸着
源として成膜した。そして、その上面に２００ｎｍのタ
ングステン酸スカンジウム被覆膜１２を、スパッタ成膜
法で、タングステン酸スカンジウムのスパッタターゲッ
トを用いて成膜した。そして、さらにその上面に、５０
０ｎｍのタングステン被覆膜１４を、スパッタ成膜法
で、タングステン金属をスパッタターゲットとして用い
て成膜した。この陰極を、１０００℃で２時間の活性化
加熱を行うと、従来のＭｏ／Ｓｃ被覆含浸形陰極と同等
の電子放出特性を得た。

【００１８】従来陰極と本実施例１，２，３の含浸形陰
極の耐イオン衝撃特性を評価した。イオン衝撃実験は、
実球試験の代わりに、イオンガンを用いてアルゴンガス
で陰極表面を１時間スパッタする方法でシミュレートし
た。この方法では、陰極表面の単分子層を完全に取り去
ることができることが確認されている。１回目のイオン
衝撃では、従来の陰極，本発明の陰極とも電子放出特性
が１００％回復した。２回目のイオン衝撃では従来陰極
は２０％回復したのに対して、本発明の陰極では１１５
０℃で再活性化を行うことにより１００％回復した。こ
れは、本発明の陰極が、１回目のイオン衝撃後では、被
覆膜中の金属スカンジウムを使用して陰極表面にスカン
ジウムを供給し、２回目以降のイオン衝撃後では、陰極
を1150℃に加熱し、スカンジウム酸化物を還元して遊離
スカンジウムを生成させることにより、スカンジウムを
陰極表面に供給しているからである。

【００１９】本実施例では、スカンジウム酸化物とし
て、タングステン酸スカンジウムを用いたが、これは、
酸化スカンジウム，モリブデン酸スカンジウム、また
は、それらの混合物でも同様の効果を示す。

【００２０】図５は本発明のＳｃ被覆型含浸形陰極を電
子銃１１１に組み込み、ブラウン管１１３に真空封止し
た状態を示すものである。ブラウン管で陰極を用いる場
合、活性化はブラウン管内でヒータを用いて加熱するこ
とにより実行される。

【００２１】本実施例では、含浸剤として、ＢａＯ，Ｃ
ａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃を４：１：１に混合したものを用いた。
しかし、含浸剤組成は本発明の効果とは本質的に無関係
である。これは５：３：２や他の組成のものにおいても
同様の効果を示すことは明らかである。さらに、本実施
例の被覆膜の構成要素としてスカンジウム以外には、タ
ングステンを用いて説明した。しかし、モリブデンもタ
ングステンと同様に用いることができ、モリブデンとタ
ングステンの両方を含んでいても、さらに他の高融点金
属を含んでいても問題ない。スカンジウムの被覆膜１０
は、蒸着法により成膜したが、これはＣＶＤ法など他の
成膜手段を用いても良い。また、タングステンおよびス
カンジウム酸化物からなる被覆膜１１，スカンジウム酸
化物を主体とする被覆膜１２，タングステンとスカンジ
ウムを含む被覆膜１３，タングステンを主体とする被覆
膜１４は、スパッタ成膜法を用いたが、同様に他の成膜
手段を用いても良い。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、陰極表面へのスカンジ
ウムの供給力および総供給量を向上できる。その結果、
イオン衝撃により失われる単分子層の回復性を向上で
き、耐イオン衝撃特性の改善を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のＳｃ被覆型含浸形陰極の要
部断面図。

【図２】本発明の一実施例のＳｃ被覆型含浸形陰極の要
部断面図。

【図３】本発明の一実施例のＳｃ被覆型含浸形陰極の要
部断面図。

【図４】従来の被覆含浸形陰極の要部断面図。

【図５】ブラウン管の断面図。

【符号の説明】

２…含浸形陰極、１０…被覆膜、１１…被覆膜、２１…
多孔質体、２２…含浸剤。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天野 勇人 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所電子デバイス事業部内 (72)発明者 山田 絵実子 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所電子デバイス事業部内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多孔質タングステン基体にバリウムを含む
   酸化物を含浸した構造の含浸形陰極において、スカンジ
   ウムを主体とする下部被覆膜を形成し、その上面に、高
   融点金属とスカンジウム酸化物からなる上部被覆膜を形
   成したことを特徴とする含浸形陰極。
2. 【請求項２】多孔質タングステン基体にバリウムを含む
   酸化物を含浸した構造の含浸形陰極において、スカンジ
   ウム酸化物の下部被覆膜を形成し、その上面に、高融点
   金属とスカンジウムからなる上部被覆膜を形成したこと
   を特徴とする含浸形陰極。
3. 【請求項３】多孔質タングステン基体にバリウムを含む
   酸化物を含浸した構造の含浸形陰極において、スカンジ
   ウムの層と、スカンジウム酸化物の層で構成される下部
   被覆膜を形成し、その上面に、高融点金属の上部被覆膜
   を形成したことを特徴とする含浸形陰極。
4. 【請求項４】請求項１，２または３に記載の前記高融点
   金属が、タングステンまたはモリブデンである含浸形陰
   極。
5. 【請求項５】請求項１，２または３に記載の前記スカン
   ジウム酸化物が、酸化スカンジウム，タングステン酸ス
   カンジウム，モリブデン酸スカンジウムのいずれか一
   つ、または複数を含む含浸形陰極。
6. 【請求項６】請求項１，２，３，４または５に記載の前
   記含浸形陰極を、電子ビームを放出する陰極として有す
   る電子管。
7. 【請求項７】前記電子管はブラウン管であり、さらに前
   記含浸形陰極で構成される電子銃から放射される電子ビ
   ームが到達する蛍光面を有している請求項６に記載の電
   子管。