JPS5814017B2 - 電子管用直熱型陰極 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電子管用直熱型陰極に係り、特にタングステ
ンージルコニウムーニッケル合金からなる陰極基体と、
基体の平板部上に、ニッケル粉の結合層を介して形成さ
れた熱電子放射性酸化物層とからなる電子管用直熱型陰
極の改良に関する。

最近、撮像管、各種ブラウン管、テレビ受信管などにお
いて、電源スイッチの投入後約１秒程度で始動可能な、
いわゆる即動型電子管の開発が要望され、従来の傍熱型
陰極にかわって、直熱型陰極が提案された。

直熱型陰極とは、耐熱性の合金から作られた陰極基体の
平板部にアルカリ土類金属酸化物などの熱電子放射性酸
化物の層を形成し、基体の脚部を介して平板部に直接通
電することによって、酸化物から熱電子を放射させるよ
うにしたものである。

陰極基体に要求される特性のうち主なものをあげると、
次のとおりである。

（イ）十分安定な電子放射を長時間与えることができる
こと。

２万時間後の電子放射量が初期の電子放射量の７０％以
下にならないこと。

（ロ）カットオフ電圧の変動が少ないこと。

カットオフ電圧の変化分が２Ｖ以内であること。

（ハ）アルカリ土類金属酸化物（Ｂａ−Ｓｒ−Ｃａ）Ｏ
の剥離を生じないこと。

（ニ）抵抗体になるため、常温比抵抗が５０μΩ−ｃｍ
以上で、８００℃の比抵抗が８０μΩ一ｃｍ以上あるこ
と。

（ホ）８００〜９００℃の高温における強さが１５ｋｇ
／ｍｍ２以上であること。

（ヘ）粉末治金法で製造でき、焼結性の良好なこと。

（ト）冷間加工性が良好であるとともに、５０μ以下に
することができ、板厚の変動を５％以下にできること。

以上の観点から、特公昭４４−２１００８号公報、特開
昭５２−５７７７１号公報および特開昭５２−１０８７
７０号公報に示されたような、タングステンーニッケル
ベース合金からなる基体が提案された。

特公昭４４−２１００８号公報には、タングステンーニ
ッケル合金に、不純物程度のジルコニウム、シリコン、
アルミニウムなどの還元剤を添加することが記載されて
いる。

また特開昭５２−５７７７１号公報には、比較例として
、０．４％のジルコニウムを含む合金の陰極基体を用い
、その平板部の全面にニッケル粉を塗布して焼付けたあ
と、酸化物層を形成した陰極について述べられている。

本発明者が、かかる陰極の熱電子放射特性を測定したと
ころ、種々の問題を有することがわかった。

なお、同特開公報には、予めニッケルめっき層を平板部
または基体全体に形成し、加熱拡散したあとニッケル粉
層を形成した陰極が記載されているが、このめっき層は
、熱電子放射特性に関しては、好ましくなかった。

従って、このような拡散層は、熱電子放射特性に関して
は不必要であることがわかった。

本発明の目的は、長時間にわたり熱電子放射特性がすぐ
れた電子管用直熱型陰極を提供することで、その特徴は
、タングステンージルコニウムーニッケル合金からなる
陰極基板と、その平板部に形成された熱電子放射性酸化
物層と、平板部と酸化物層が直接接触しうるように形成
されたニッケル粉からなる結合層とからなるものにおい
て、前記ジルコニウムの量を０．０１〜０．２５重量％
にしたことである。

本発明による直熱型陰極は、陰極の加熱変形に起因する
カットオフ電圧ΔＥｃｏが低く、熱電子放射量が長期間
にわたり高いという特長を有する。

以下、本発明を図面及び実施例により説明する。

第１図は、本発明による直熱形陰極の構造を示す側面図
で、陰極基体は、脚部４と平板部１とにより構成される
。

陰極基体は、２０〜３０重量％のタングステンと０．０
１〜０．２５重量％のジルコニウムおよび残部ニッケル
よりなる合金から作られる。

この陰極基体は、原料金属粉又はその化合物粉を焼結し
、圧延して板にしたあと、打抜きで所定形状の板にしこ
れを陰極形状に成形して作るのが、一般的である。

平板部１には、（Ｂａ・Ｓｒ・Ｃａ）Ｏなとのアルカリ
土類金属酸化物層２を熱電子放射性酸化物層として形成
される。

この酸化物層２は、平板部上に予め形成されたニッケル
粉の不連続層３を介して、平板部に焼付けられる。

このニッケル粉の層は、酸化物層を平板部に強固に結合
させるための結合層であり、この結合層は不連続である
ために、平板部と酸化物層は直接接触できる。

もしニッケル粉を平板部の全面に覆うように形成すると
、あとで詳しく述べるように、酸化物として用いたアル
カリ土類金属酸化物と基体中のジルコニウムの複合酸化
物が成長し、これが陰極を変形させると共に、熱電子放
射特性が短時間のうちに低下するという問題があること
がわかった。

故に本発明では、平板部に対しニッケル粉を点状に散布
し、それを焼付けることにより結合層を形成する。

散布するニッケル粉の量は、毎平方センチメートル当り
３０ミリグラム以下、とくに１０ミリグラムないし１ミ
リグラム程度であればよい。

使用するニッケル粉は、極く微細な粒径のもので、電子
管の分野では、インコ社（ＩＮＣＯ，米国）で製造され
た４〜７μｍのニッケル粉が広く用いられる。

この微粉末は、純度が高く、好適である。

ニッケルの粒径については、勿論上記のものに特定され
ない。

かかるニッケル微粉末を平板部に散布するには、スプレ
ー法によるのが便利で、メチルセルローズなどの分散媒
にニッケル粉を混合して、スプレーにより散布すれば良
い。

既にタングステン２０〜３０重量％を含むタングステン
−ニッケル合金が、陰極基体として適することは知られ
ているが、その添加量の限定理由を念のため説明すると
次の通りである。

タングステンが２０％未満であると、合金の常温での比
抵抗が５０μΩ一ｃｍ未満きなり、８００℃での比抵抗
が８０μΩ一ｃｍ未満となるので、発熱体としての作用
が不充分となり、直熱型陰極の即動性が低下する。

また、タングステンが２０％未満であると、合金の８０
０℃における高温強度が１５ｋｇ／ｍ４未満となり、高
温で陰極が変形したりするので、陰極の寿命が短かくな
る。

他方、タングステンが３０％より多いと、電気比抵抗、
高温強度の点では満足しうるが、ニッケルとタングステ
ンの金属間化合物が生じ、冷間加工時にわずか数％程度
の加工度を与えただけで割れが発生し、満足な板材が製
造できない。

タングステンージルコニウムーニッケル合金を製造する
手段としては、粉末治金法が好適である。

母材であるニッケルに比べ比重が大きく融点が高いタン
グステンを含む合金を容解法で製造すると、均一な溶湯
を作るのが困難である。

たとえ均一な溶湯を作ったとしても、凝固時にタングス
テンが偏析する。

凝固時のタングステンの偏析を防ぐため、溶湯を急速に
冷却すると、材料に割れが発生する。

これに対し、粉末治金法では以上のような問題がない。

焼結にさいしては、材料の酸化を防ぐため、５×１０−
５ｔｏｒｒ程度の真空度に保った零囲気中で例えば１３
５０℃で真空焼結をする。

得られた焼結体に対し、次に冷間圧延および真空焼鈍を
１回以上行なって、薄い板材を作る。

以上のような真空焼鈍、冷間加工で製造した、例えば４
０μ厚さの板材から所定形状に打抜き、平板部（面積１
ｍｍ２）に２〜７μのニッケル粉を約１．５■／ｃｍ２
程度吹き付けたのち、９００℃、３０ｍｍ、５×１０−
５ｔｏｒｒでニッケル粉を真空焼付し、冷却後、アルカ
リ十類金属炭酸塩（Ｂａ・Ｓｒ・Ｃａ）ＣＯ３を吹き付
け、電子管内に封止し、真空に排気しながら基体金属を
直接通電加熱して（Ｂａ・Ｓｒ・Ｃａ）ＣＯ３を（Ｂａ
・Ｓｒ・Ｃａ）Ｏに燐成し、脚部４を曲げて第１図に図
解した直熱型陰極が製造される。

第２図に、第１表に示す合金から作った試料の一酸化物
焼付温度と、ＢａＺｒＯ３のＸ線強度（ｃｐｓ）の関係
を示す。

即ち、試料合金中のジルコニウム量とＢａＺｒ０３の生
成量との関係を示す。

なお、用いられた試料は２０ｍｍ×２０ｍｍの板で、そ
の上にニッケル粉を１．５ｍｇ／ｃｍ２の割合で焼付け
、次いで（Ｂａ−Ｓｒ−Ｃａ）Ｏを０．５時間焼付けた
。

Ｘ線回折条件：ターゲット 銅、管電圧４０ｋＶ、管電
流 ４０ｍＡ、スリット系 １°−１°−０．３ｍｍ、
走査速度 １／２°／分。

第２図によれば、基体合金中のジルコニウムが多いほど
、ＢａＺｒ０３の生成量が多いことがわかる。

このＢａＺｒＯ３が形成されると、陰極の電子放射量が
低下するので、その生成量はできるだけ少ない方がよい
。

第３図には、ＢａＺｒＯ３のＸ線回折強度さ電子放射量
（相対量％）との関係を示した。

この実験で用いた試料は、第１図に示す構造を有し、平
板部の大きさは直径１．２ｍｍである。

ニッケル結合層、酸化物層の作り方は前述した方法によ
った。

第３図によれば、ＢａＺｒ０３の量が多いほど、電子放
射量が低下することがわかる。

本発明者が、平板部の状態を顕微鏡（倍率８９０倍）で
観察したところ、第４図ａおよびｂに示すようになって
いた。

第４図ａは、ニッケル結合層を形成した状態を示し、や
や凝集した（スプレーにより形成したため）ニッケル粉
が、基体上に不連続に散在する。

第４図ｂは、酸化物層を形成したあと、７３０℃（陰極
の運転温度）で１ＯＯＯ時間加熱したあと、酸化物層を
取り去って観察したものである。

写真で上部に大きい塊状に出ているのが、ニッケル粉上
に生成した、ＢａＺｒＯ３で、下部の微細な塊が、基体
上に生戚したＢａＺｒ０３である。

基体上にもＢａＺｒ０３が生成したのは、ニッケル粉を
焼付けた際に、ニッケルが拡散し、そのニッケルをベー
スにしたためと推定される。

ＢａＺｒＯ３塊が生成していない部分は、ニッケルが拡
散しなかった部分と推定される。

以上のことから、次の結論が得られる。

（１）ニッケル粉の量はあまり多くない方がよく、酸化
物層の結合を強める機能を与える量であれば充分である
こと。

即ち不連続層であるべきこと。

（２）ジルコニウムが多いほど、ＢａＺｒ０３が形成さ
れるので、ジルコニウムを少なくした方が、電子放射特
性は良いこと。

本発明者は更に、ジルコニウム添加量を変えて、電子放
射特性を測定し、その結果を第５図に示した。

横軸に、陰極の使用時間、縦軸に電子放射量（相対量、
％）を示した。

第５図において、曲線２０は、Ｎｉ−２８Ｗ−０．０７
Ｚｒの組成を有する陰極の特性、曲線２１は、Ｎｉ−２
８Ｗ一０．０１Ｚｒの、曲線２２は、Ｎｉ−２８Ｗ−０
Ｚｒの、曲線２３は、Ｎｉ−２８Ｗ−０．１８Ｚｒの、
曲線２４および２５は、Ｎｉ−２８Ｗ−０．４Ｚｒの、
曲線２６は、傍熱型陰極の特性を示す。

合格レベルを傍熱型陰極と同等またはそれ以上とするの
が実際的なので、ジルコニウム量は、０．４％では多す
ぎることがいえる。

電子放射率が、短時間に急激に低下するのは、仮に低下
の絶対量が小さくとも好ましくない。

その点で、０．４％ジルコニウムを添加した場合、急激
に電子放射量が低下する部分（例えば第３図で０〜１０
００時間で急激に低下する）を有するので好ましくない
。

本発明者は、電子管の陰極としてもう１つの重要な特性
である、カットオフ電圧ΔＥｃｏ（Ｖ）について検討し
た。

カットオフ電圧は、加熱による陰極の変形量を示す指標
となるもので、これが小さいほど変形が少なく、安定し
た陰極であるといえる。

陰極の変形は、特にスリーガン方式のカラーブラウン管
においては、色ずれの原因となるので、少ないほどよい
。

カットオフ電圧が２Ｖ以上のものを不合格とし、各試料
３個についてその測定結果を第３表に示した。

第３表によれば、ジルコニウムを添加しない場合は、カ
ットオフ電圧が高いため、陰極として不適当である。

また、０．４％ジルコニウム入りの場合、かなり良い特
性を示す場合もある反面、不合格になることもある。

これは、０．４％ジルコニウム入りの陰極は、安定した
特性のものが製造しにくい、つまり歩留りが悪いことを
意味する。

また、本発明による陰椿は、カットオフ電圧が低いとう
ことがら、電子管の運転中の変形が小さいといえる。

故に、本発明によれば特開昭５２−１０８７７０号公報
のようなニッケル拡散をしなくともよいことがわかる。

以上説明したように、本発明によれば、タングステンー
ジルコニウムーニッケル合金からなる陰極基体のジルコ
ニウム量を０．０１〜０．２５％に制御することによっ
て、ニッケル結合層によるＢａＺｒ０３の生成を抑制し
、電子放射特性を安定にし、かつカットオフ電圧を小さ
くすることができる。

本発明者の検討によれば、ジルコニウムを０．０５〜０
．１％にすることにより、特にすぐれた電子放射特性と
低いカットオフ電圧を有する陰極が得られることがわか
った。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による電子管用直熱型陰極の構造を示
す側面図、第２図は熱電子放射性酸化物の焼付温度とＢ
ａＺｒＯ３のＸ線回折強度の関係を示すグラフ、第３図
は、ＢａＺｒＯ３のＸ線回折強度と電子放射量（相対量
係）との関係を示すグラフ、第４図ａは基体にニッケル
粉を焼付けたときの顕微鏡写真、第４図ｂは、基体上に
ＢａＺｒ０３が生成した状態を示す顕微鏡写真、第５図
は、陰極の運転時間と電子放射量の関係を示すグラフで
ある。 １・・・・・・平板部、２・・・・・・酸化物層、３・
・・・・・ニッケル結合層、４・・・・・・脚部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量で２０〜３０％のタングステンと微量のジルコ
   ニウムを含み、残部ニッケルよりなる合金で作られた基
   体と、その基体の平板部に形成された熱電子放射性酸化
   物層と、その平板部と酸化物層とが直接接触しうるよう
   に平板部に形成された金属ニッケル粉からなる結合層か
   らなるものにおいて、前記ジルコニウムの量が０．０１
   〜０．２５重量％であることを特徴とする電子管用直熱
   型陰極。 ２ ジルコニウム量が０．０５〜０．１重量％であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電子管用直
   熱型陰極。