JPH11213861A - 陰極基体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオン衝撃後も高電流密度の電子放射が得ら
れるとともに、充分な強度を持った陰極基体の製造方法
を提供する。 【解決手段】 電子放射物質と板状の小片の金属スカン
ジウムとを所定量秤量して混合させる。を電子放射物質
に対して３重量％秤量して添加し、混合させることによ
り電子放射材とする。多孔質陰極基体の表面に塗布し、
水素雰囲気中で加熱して金属スカンジウムを多孔質陰極
基体に含浸し、次いで、温度を上げて電子放射物質を多
孔質陰極基体内に含浸させる。電子放射物質を含浸する
際には含浸温度より低い温度、たとえば１４００℃で１
時間保持するなどして電子放射物質のガス出しをする。
スカンジウムおよび電子放射物質を含浸した多孔質陰極
基体４を表面をクリーニングした後に、含浸型陰極構体
を組み立て電子銃を作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高電流密度動作が
可能な陰極基体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、走査線を増加させ解像度を改善し
たカラー受像管や、超高周波対応受像管の開発が要請さ
れており、また、投写管などにおいても輝度の向上が望
まれている。

【０００３】これら解像度の改善あるいは輝度の向上に
対応するためには、陰極からの放出電流密度を従来に対
し大幅に増大させる必要がある。

【０００４】ところで含浸型陰極は酸化物陰極に比べて
大きな放射電流密度が得られ、撮像管、進行波管あるい
はクライストロンなどの電子管に使用されている。

【０００５】一方、含浸型陰極は、カラー受像管の分野
ではＨＤ−ＴＶ管あるいはＥＤ−ＴＶ管などの特殊用途
のみに限られていたが、近年大型カラー受像管などにも
用いられつつある。

【０００６】また、カラー受像管に用いられる含浸型陰
極構体は、省電力の目的からコンパクトな構造に形成さ
れている。すなわち、たとえば図２に示すように、含浸
型陰極構体１は、両端が開口した筒状の陰極スリーブ２
を有し、この陰極スリーブ２の一端部の内側に、開口と
ほぼ同一面で凹面が上方に向いたカップ状固定部材３が
配設され、このカップ状固定部材３内に電子放射物質が
含浸された電子放射面を上面にした多孔質陰極基体４が
固定され、陰極スリーブ２内のカップ状固定部材３に
は、多孔質陰極基体４を加熱するヒータ５が配設されて
いる。なお、多孔質陰極基体４は、たとえば空孔率２０
％の多孔質タングステン（Ｗ）で構成され、空孔部には
たとえば酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化カルシウム（Ｃ
ａＯ）および酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）などの電
子放射物質が含浸され、電子放射面上に、スパッタ法な
どの薄膜形成手段によりイリジウム（Ｉｒ）あるいはオ
スミウム（Ｏｓ）などの薄膜層が設けられたメタルコー
ト型である。また、陰極スリーブ２の外側には、外周面
と所定間隔を保持して筒状ホルダ６が陰極スリーブ２と
同軸上に配設され、この筒状ホルダ６の上面には開口７
が形成され、この開口７には、複数個、たとえば３個の
短冊状のストラップ８が取り付けられ、このストラップ
８により陰極スリーブ２を保持している。さらに、筒状
ホルダ６の開口７には内方に向けて突出した張出部９が
形成され、この張出部９には陰極スリーブ２と同軸状の
遮蔽筒11がＬ字状の支持体12にて３箇所で取り付けられ
ている。なお、これら支持体12は、開口７内でストラッ
プ８と交互に位置している。

【０００７】さらに、この含浸型陰極構体１は支持体15
で第１グリッド16およびその他図示しないグリッドなど
とともにボンドガラス17にて保持され、多孔質陰極基体
４が第１グリッド16に形成された開口部18に対向して配
設され、電子銃19を形成し電子管内に搭載される。

【０００８】また、最近では動作温度を下げるととも
に、高電流密度の電子放射を得るために、酸化スカンジ
ウムを分散させた多孔質陰極基体４、あるいは、表面に
スカンジウム化合物を被着したスカンジウム型の多孔質
陰極基体４が開発されつつあるが、特性の再現性が乏し
く実用化への障壁となっている。

【０００９】このように、従来のカラー受像管などに用
いられている含浸型陰極構体は、省電力動作の目的から
コンパクトな構造に形成されており、必然的に多孔質陰
極基体４は厚さおよび直径が制限され、電子放射物質を
充分含浸させることができない。一般的に、含浸型陰極
構体の寿命特性は電子放射物質の主要成分であるバリウ
ムの蒸発量に支配され、蒸発によりバリウムが消耗する
と陰極基体のバリウム単原子層被覆率が減少して、要求
される長寿命特性が得られなくなる。これらの理由か
ら、低温動作および高電流密度動作が可能な含浸型陰極
構体の開発が強く要望されている。

【００１０】ところが、スカンジウム型の含浸型陰極構
体は低温動作および高電流密度動作が可能であるもの
の、含浸型陰極構体が収納される受像管内の残留ガスの
イオン衝撃を陰極基体が受けると、陰極基体の表面から
スカンジウムをはじめとする表面の単分子層が消失して
電子放射特性が劣化し、回復が遅いとともに充分でな
い。また、この回復が遅い理由としては、次のような理
由が考えられている。

【００１１】たとえば、スカンジウム型の含浸型陰極構
体にスカンジウムの供給材料として用いられている酸化
スカンジウム（Ｓｃ₂ ０₃ ）あるいはタングステン酸ス
カンジウム（Ｓｃ₂ Ｗ₃ Ｏ₁₂）などの場合、以下のよう
なスカンジウム生成反応が生じている（Applied Surfac
e Science 26 (1986) p173および真空 第３１巻 第１
０号 p833）。

【００１２】Ｓｃ₂ Ｏ₃ ＋３Ｂａ→２Ｓｃ＋３ＢａＯ Ｓｃ₂ Ｗ₃ Ｏ₁₂＋３Ｂａ→２Ｓｃ＋３ＢａＷＯ₄ なお、これらのスカンジウム生成反応は１１００〜１２
００℃で生じる。すなわち従来のスカンジウム型の含浸
型陰極構体の活性化温度は１１００〜１２００℃である
ため、含浸型陰極構体の動作温度である９００℃前後で
はスカンジウムの生成が不充分となり、イオン衝撃後の
電子放射特性の回復が遅くなる。

【００１３】また、イオン衝撃後の電子放射特性の回
復、すなわちイオン衝撃後のスカンジウムの回復を目的
としたものに、特開平１−１６３９４１号公報または特
開平３−１７３０３４号公報などに、スカンジウムまた
は水素化スカンジウムなどを陰極基体の材料である高融
点金属粉末、たとえばタングステン粉末と混合した後
に、プレス、焼結する方法が記載されている。

【００１４】しかしながら、これら特開平１−１６３９
４１号公報または特開平３−１７３０３４号公報に記載
の方法では、焼結中にスカンジウムの消失を防ぐために
焼結温度をあまり高く取れず、たとえば最大１５００℃
程度とし、一方、スカンジウムの融点は１５４０℃であ
るので、陰極基体の強度が不充分となり陰極基体に機械
加工時に欠けあるいはクラックを生じるおそれがある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
スカンジウム型の含浸型陰極構体は低温動作および高電
流密度動作が可能であるものの、含浸型陰極構体が収納
される受像管内の残留ガスのイオン衝撃を陰極基体が受
けると、陰極基体の表面からスカンジウムをはじめとす
る表面の単分子層が消失して電子放射特性が劣化し、回
復が遅いとともに充分でない。

【００１６】また、特開平１−１６３９４１号公報また
は特開平３−１７３０３４号公報に記載の方法では、陰
極基体の強度が不充分となり陰極基体に機械加工時に欠
けあるいはクラックを生じるおそれがある問題を有して
いる。

【００１７】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、イオン衝撃後も高電流密度の電子放射が得られると
ともに、充分な強度を持った陰極基体の製造方法を提供
することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、金属スカンジ
ウムを陰極基体に含浸し、金属スカンジウムを陰極基体
に含浸した後に前記陰極基体に電子放射物質を含浸する
ものである。

【００１９】また、本発明は、金属スカンジウムおよび
この金属スカンジウムより融点温度の高い電子放射物質
を混合し、前記金属スカンジウムの融点温度より高く前
記電子放射物質の融点温度より低い温度で前記金属スカ
ンジウムを陰極基体に含浸し、金属スカンジウムを陰極
基体に含浸した後に前記電子放射物質の融点温度より高
い温度で前記陰極基体に前記電子放射物質を含浸するも
のである。

【００２０】そして、陰極基体に存在するスカンジウム
は、従来例のように最初から酸化スカンジウム（Ｓｃ₂
０₃ ）あるいはタングステン酸スカンジウム（Ｓｃ₂ Ｗ
₃ Ｏ₁₂）などの安定した酸化物の状態ではなく、遊離し
たスカンジウムや不完全な酸化状態のスカンジウムの割
合が多くなり、スカンジウム生成反応に依存せず、ま
た、スカンジウム生成したとしてもより低い温度でスカ
ンジウムが生成されたため、動作温度においてもスカン
ジウムの生成は充分行なわれ、イオン衝撃により消失し
たスカンジウムの回復が大幅に改善されることにより、
イオン衝撃後の電子放射特性の回復が図られるととも
に、基体材料単体で形成されるため焼結温度を充分高く
とれ、充分な強度が得られる。

【００２１】また、電子放射物質を含浸する際に電子放
射物質を含浸する温度より低い温度で電子放射物質のガ
ス抜きをするもので、電子放射物質のガス抜きをするこ
とによりスカンジウムの酸化を抑制する。

【００２２】さらに、電子放射物質を含浸した後、水素
雰囲気中で加熱して電子放射物質を含浸する際に酸化し
たスカンジウムを還元するもので、動作温度においても
スカンジウムの生成は充分行なわれ、イオン衝撃により
消失したスカンジウムの回復が大幅に改善されることに
より、イオン衝撃後の電子放射特性の回復が図られる。

【００２３】またさらに、金属スカンジウムの含有量
は、電子放射物質に対して０．１〜１０重量％の範囲で
あるもので、金属スカンジウムを電子放射物質に対して
０．１重量％未満にするとスカンジウムの絶対量が不足
したり酸化する割合が増大して高電流密度の電子放射が
得られにくく、１０重量％より多くすると不活性物質を
生成する割合が増大して動作温度での活性化が進行しに
くくなり充分な電子放射特性が得られなくなる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の含浸型陰極構体の
一実施の形態を図面を参照して説明する。なお、従来例
で説明した部分に対応する部分には、同一符号を付して
説明する。

【００２５】含浸型陰極構体１は、図２に示すように、
両端が開口した筒状の陰極スリーブ２を有し、この陰極
スリーブ２の一端部の内側に、開口とほぼ同一面で凹面
が上方に向いたカップ状固定部材３が配設され、このカ
ップ状固定部材３内に電子放射物質が含浸された電子放
射面を上面にした多孔質陰極基体４が固定され、陰極ス
リーブ２内のカップ状固定部材３には、多孔質陰極基体
４を加熱するヒータ５が配設されている。なお、多孔質
陰極基体４は、たとえば空孔率２０％の多孔質タングス
テン（Ｗ）で構成され、空孔部にはスカンジウム（Ｓ
ｃ）が含浸されるとともに、たとえば酸化バリウム（Ｂ
ａＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）および酸化アルミニ
ウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）などの電子放射物質が含浸されてい
る。また、陰極スリーブ２の外側には、外周面と所定間
隔を保持して筒状ホルダ６が陰極スリーブ２と同軸上に
配設され、この筒状ホルダ６の上面には開口７が形成さ
れ、この開口７には、複数個、たとえば３個の短冊状の
ストラップ８が取り付けられ、このストラップ８により
陰極スリーブ２を保持している。さらに、筒状ホルダ６
の開口７には内方に向けて突出した張出部９が形成さ
れ、この張出部９には陰極スリーブ２と同軸状の遮蔽筒
11がＬ字状の支持体12にて３箇所で取り付けられてい
る。なお、これら支持体12は、開口７内でストラップ８
と交互に位置している。

【００２６】さらに、この含浸型陰極構体１は支持体15
で第１グリッド16およびその他図示しないグリッドなど
とともにボンドガラス17にて保持され、多孔質陰極基体
４が第１グリッド16に形成された開口部18に対向して配
設され、電子銃19を形成し電子管内に搭載される。

【００２７】ここで、多孔質陰極基体４はたとえば図１
に示すように形成される。

【００２８】まず、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 ）を
含んだ電子放射物質と金属スカンジウムとを所定量秤量
して混合させる。なお、電子放射物質は、酸化バリウ
ム：酸化カルシウム：酸化アルミニウム＝４：１：１の
モル比の混合物で、金属スカンジウムは、板状の小片を
電子放射物質に対して３重量％秤量して添加し、混合さ
せることにより電子放射材とする。

【００２９】次に、モリブデン製のカップの中で、この
混合された電子放射材をタングステン（Ｗ）などの高融
点金属粉末を焼結して得られた多孔質陰極基体４の表面
に盛り上げ、まず、たとえば水素雰囲気中で１５４０℃
に加熱して金属スカンジウムを多孔質陰極基体４に含浸
し、次いで、１６５０℃に加熱して酸化バリウム、酸化
カルシウムおよび酸化アルミニウムなどを含む電子放射
物質を多孔質陰極基体４内に含浸させる。また、電子放
射物質を含浸する際には含浸温度より低い温度、たとえ
ば１４００℃で１時間保持するなどして電子放射物質の
ガス出しをする。

【００３０】そして、これらスカンジウムおよび電子放
射物質が含浸された多孔質陰極基体４は、表面をクリー
ニングした後に、含浸型陰極構体１を組み立て、この含
浸型陰極構体１を電子銃19とした後、陽極を配設してダ
イオード構成の電子管を作成する。

【００３１】次に、このように構成した電子管を用いて
実験し、電子放射特性を評価した。

【００３２】まず、多孔質陰極基体４の動作温度を約１
３００Ｋとし、多孔質陰極基体４−陽極間に２００Ｖの
パルス電圧を印加し、印加パルスのデューティを０．１
％から９．０％まで変化させた。

【００３３】ここで、陽極に電圧が印加されていると
き、電子管内で発生するイオンによってイオン衝撃を受
け多孔質陰極基体４のスカンジウムが消失する。一方、
陽極に電圧が印加されていないとき、多孔質陰極基体４
の表面での熱拡散のためにスカンジウムの供給および表
面被覆率の回復がなされる。したがって、デューティが
高くなるに従い、イオン衝撃によって消失するスカンジ
ウムは増大するので、従来の構成のスカンジウム型の多
孔質陰極基体では、低デューティ領域で良好な放出電流
特性を示すものの、高デューティ領域では放出電流特性
が悪化し、高デューティ領域での動作が要求されるカラ
ー受像管などへの実用化の障害となっている。

【００３４】ここで、上述の実施の形態の多孔質陰極基
体４を用いた場合のデューティ−放出電流密度特性を図
３に示す。なお、ａは上記実施の形態のスカンジウム型
の多孔質陰極基体４、ｂは従来のスカンジウム型の多孔
質陰極基体、ｃは従来の一般的なＭ型の多孔質陰極基体
を用いた場合の測定結果である。

【００３５】そして、この測定結果によれば、従来のス
カンジウム型の多孔質陰極基体ではデューティ０．１％
で４５Ａ／ｃｍ² に対し、デューティ９％で１２Ａ／ｃ
ｍ²まで低下する。一方、上記実施の形態のスカンジウ
ム型の多孔質陰極基体４ではデューティ０．１％で従来
のものとほぼ同様の４２Ａ／ｃｍ² であるが、デューテ
ィ９％で１７Ａ／ｃｍ² となり、高デューティ領域での
放出電流密度の低下を抑制でき、高デューティ領域での
電子放射特性が改善されている。また、従来の一般的な
Ｍ型の多孔質陰極基体と比較すると、低高いずれのデュ
ーティ領域でも放出電流特性が優れている。

【００３６】この理由としては、酸化バリウム、酸化カ
ルシウムおよび酸化アルミニウムなどで構成される電子
放射物質の含浸される温度、すなわち溶融温度が１６０
０℃ないし１７００℃であるのに対し、金属スカンジウ
ムの含浸される温度、すなわち溶融温度が１５４０℃で
あるため、まず、金属スカンジウムが含浸して多孔質陰
極基体４内に取り込まれ、その後、電子放射物質が含浸
される。このため、多孔質陰極基体４内、表面に存在す
るスカンジウムは、最初から酸化スカンジウム（Ｓｃ₂
０₃ ）あるいはタングステン酸スカンジウム（Ｓｃ₂ Ｗ
₃ Ｏ₁₂）などの安定した酸化物の状態ではなく、遊離し
たスカンジウムや不完全な酸化状態のスカンジウムの割
合が多くなり、スカンジウム生成反応に依存せず、ま
た、スカンジウム生成したとしてもより低い温度でスカ
ンジウムが生成されため、動作温度においてもスカンジ
ウムの生成は充分行なわれ、イオン衝撃により消失した
スカンジウムの回復が大幅に改善されることにより、イ
オン衝撃後の電子放射特性が大きく回復されるためと考
えられる。

【００３７】なお、上記の実施の形態では、電子放射物
質のモル比をＢａＯ：ＣａＯ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ＝４：１：１
とし、金属スカンジウムの電子放射物質に対する重量比
を３％としたが、多孔質陰極基体４の電子放射特性およ
び寿命試験を満足するものであれば、他のモル比あるい
は重量比でもよく、必要とされる重量比になるようにス
カンジウムの重量を調整すればよい。

【００３８】また、金属スカンジウムの電子放射物質に
対する重量比を３％としたが、０．１重量％以上１０重
量％以下の範囲であればよい。なお、金属スカンジウム
の電子放射物質に対する重量比が０．１重量％未満では
スカンジウムの絶対量が不足したり、また少量であるた
めに酸化される割合が増大して動作温度での活性化が進
行しにくくなって充分な電子放射特性は得られなくな
る。反対に、金属スカンジウムの電子放射物質に対する
重量比が１０重量％を超えるとＢａ₃ Ｓｃ₄ Ｏ₉などの
不活性物質を生成する割合が増して寿命試験中に電子放
射特性が劣化してくる。

【００３９】また、焼結温度を高くとることができるた
め、多孔質陰極基体４の強度を充分とることができ、多
孔質陰極基体４に機械加工時に欠けあるいはクラックを
生じることを防止できる。

【００４０】次に、他の実施の形態の多孔質陰極基体４
について図４を参照して説明する。

【００４１】基本的には、上述の実施の形態と同様であ
るが多孔質陰極基体４の製造方法が異なる。

【００４２】まず、金属スカンジウム小片を、水素雰囲
気中で１５４０℃で多孔質陰極基体４に含浸させる。

【００４３】次に、所定量の電子放射物質を、水素雰囲
気中で１６２０℃の温度で２分間、金属スカンジウムが
含浸された多孔質陰極基体４に含浸させ、この多孔質陰
極基体４をクリーニングした後、上述の実施の形態と同
様に電子管を構成する。

【００４４】このように構成されたスカンジウム型の多
孔質陰極基体４も、上述の実施の形態と同様な電子放射
特性が得られた。

【００４５】なお、いずれの実施の形態でも、金属スカ
ンジウムは板状の小片に限らず、粒状などの取り扱いや
すい形状であればよく、また、金属スカンジウムの含浸
は水素雰囲気中に限らず、真空中でもよい。

【００４６】また、上記実施の形態では金属スカンジウ
ムを用いたが、多孔質陰極基体４の活性化処理温度にお
いてスカンジウムを解離できるような特性を持ち、電子
放射特性を満足するようなスカンジウム合金を用いても
よい。

【００４７】さらに、クリーニングの後に電子放射物質
と反応して酸化したスカンジウムを還元するために、水
素中での加熱処理してもよい。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、遊離したスカンジウム
や不完全な酸化状態のスカンジウムの割合が多くなり、
スカンジウム生成反応に依存せず、また、スカンジウム
生成したとしてもより低い温度でスカンジウムが生成さ
れため、動作温度においてもスカンジウムの生成は充分
行なわれ、イオン衝撃により消失したスカンジウムの回
復が大幅に改善されることにより、イオン衝撃後の電子
放射特性の回復が図られるとともに、基体材料単体で形
成されるため焼結温度を充分高くとれ、充分な強度が得
られる。

【００４９】また、電子放射物質を含浸した後、水素雰
囲気中で加熱して電子放射物質を含浸する際に酸化した
スカンジウムを還元するので、動作温度においてもスカ
ンジウムの生成は充分行なわれ、イオン衝撃により消失
したスカンジウムの回復が大幅に改善されることによ
り、イオン衝撃後の電子放射特性の回復を図ることがで
きる。

【００５０】さらに、金属スカンジウムを電子放射物質
に対して０．１重量％以上１０重量％以下にすれば、高
電流密度の電子放射が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の含浸型陰極構体の製造
工程を示す説明図である。

【図２】同上含浸型陰極構体を示す断面図である。

【図３】同上デューティと放出電流密度特性との関係を
示すグラフである．

【図４】同上他の実施の形態の含浸型陰極構体の製造工
程を示す説明図である。

【符号の説明】

４ 多孔質陰極基体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属スカンジウムを陰極基体に含浸し、 金属スカンジウムを陰極基体に含浸した後に前記陰極基
   体に電子放射物質を含浸することを特徴とする陰極基体
   の製造方法。
2. 【請求項２】 金属スカンジウムおよびこの金属スカン
   ジウムより融点温度の高い電子放射物質を混合し、 前記金属スカンジウムの融点温度より高く前記電子放射
   物質の融点温度より低い温度で前記金属スカンジウムを
   陰極基体に含浸し、 金属スカンジウムを陰極基体に含浸した後に前記電子放
   射物質の融点温度より高い温度で前記陰極基体に前記電
   子放射物質を含浸することを特徴とする陰極基体の製造
   方法。
3. 【請求項３】 電子放射物質を含浸する際に電子放射物
   質を含浸する温度より低い温度で電子放射物質のガス抜
   きをすることを特徴とする請求項１または２記載の陰極
   基体の製造方法。
4. 【請求項４】 電子放射物質を含浸した後、水素雰囲気
   中で加熱して電子放射物質を含浸する際に酸化したスカ
   ンジウムを還元することを特徴とする請求項１ないし３
   いずれか記載の陰極基体の製造方法。
5. 【請求項５】 金属スカンジウムの含有量は、電子放射
   物質に対して０．１〜１０重量％の範囲であることを特
   徴とする請求項１ないし４いずれか記載の陰極基体の製
   造方法。