JPS60177528A - 耐久性の優れたタンタルフイラメント及びその製造法 - Google Patents

耐久性の優れたタンタルフイラメント及びその製造法

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JPS60177528A
JPS60177528A JP59033676A JP3367684A JPS60177528A JP S60177528 A JPS60177528 A JP S60177528A JP 59033676 A JP59033676 A JP 59033676A JP 3367684 A JP3367684 A JP 3367684A JP S60177528 A JPS60177528 A JP S60177528A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
tantalum
filament
carbonized layer
metal
carbonized
Prior art date
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Pending
Application number
JP59033676A
Other languages
English (en)
Inventor
Yoshinao Kato
加藤 由尚
Osamu Imai
修 今井
Katsuo Naito
勝男 内藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissin Electric Co Ltd
Original Assignee
Nissin Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nissin Electric Co Ltd filed Critical Nissin Electric Co Ltd
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Publication of JPS60177528A publication Critical patent/JPS60177528A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details 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
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/13—Solid thermionic cathodes
    • H01J1/14—Solid thermionic cathodes characterised by the material

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Solid Thermionic Cathode (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、タンタルフィラメント及びその製造法に関
する8、さらに詳しくは、イオン衝撃と加熱による劣化
が改善されてなる耐久性の優れたタンタルフィラメント
及びその製造法に関する。
イオン照射装置などのイオン源に用いられる熱電子放出
用のフィラメントとしては従来からタングステン、タン
タル、ニオブ等のフィラメントが提案されている。これ
らのうちタンタルフィラメントは仕事関数が低(電子放
出能に優れているが、融点、寿命、コスト等の点でタン
グステンフィラメントに劣っているため実際にはほとん
ど使用されていない。
例えば、PIG型イオン源を例にとってみて従米の問題
点について以下説明する。添付図面による第1図及び第
2図は、グラファイトやモリブデン製のアークチャンバ
ー(4)に丸棒状のフィラメント(29を配設し、外部
にイオン引出TIl極(6)を付設してなるPI、G型
イオン源を示すものである。そして第3図に示すごとく
、フィラメント(29に電源vyにより直流電流を通電
すること゛によりフィラメントを加熱し熱電子を放出し
、ガス注入口(51から注入されたガスG(例えば、N
! 、 Ar 、 BFs 。
H2等]を、アーク放電下(チャンバー(4)とフィラ
メント(2′)の間は電源エムによりアーク放TfL電
圧が印加されてりる〕放出した熱電子eによりイオン化
し、イオン化したがスG+を引出電極により適宜加速し
て取り出しうるように構成されている。
この場合、アーク電流IAは矢印のごとくアークチャン
バー(4)よりフィラメント(2′)へと流れるが、フ
ィラメント電流IPもフィラメントのa端からb端へと
流れ、ことにb端では実質的iこエムと工!が流些るこ
ととな一す、アーー外放1ムラと相俟ってフィラメント
中最大の電流密度となり最も高温となる。
この際、フィラメント(29としてタンタルフィラメン
トを用いると、これ自体の融点が低いため短時間でb端
付近で蒸発及びイオン衝撃により消耗され易くついには
溶断することとなる。従って比咬的融点の高いタングス
テンフィラメントをかようなPIG型イオン源に適用す
ることは行なわれているが、このタングステンフィラメ
ントより電子放出特性が優れているタンタルフィラメン
トを用いることは実際上行なわれていない。また、タン
タルフィラメントの表面処理及び構造の改良の点等の長
寿命化もほとんど検討されていないのが現状である。
この発明はかかる状況に鑑みなされたものであり、上記
PIG型の実用フィラメントとして使用できる改善され
たタンク/I/フィラメントを提供することを目的とす
るものである。
かくしてこの発明によれば、フィラメント用金属タンタ
ルの表面に、炭化タンタルを主体とする炭化層を被覆形
成してなる耐久性の優れたタンクルフィラメント及びそ
の製造法が提供される。
この発明のフィラメント用金属タンタルとしてはフィラ
メント用として通常入手できる直線丸棒状の金属タンタ
ルが適している。
かかる金属タンタルの表面に炭化タンタル(Tag)を
主体とする炭化層を被覆形成する仁とにより第4図に示
すごときこの発明のタンタルフィラメント(1)を得る
ことができる。図において、(2)は直線丸棒状の金属
タンタル、(3)はその外周面に被覆形成された炭化タ
ンタルを主体とする炭化層を示す。
かかるタンタルフィラメントは炭化水素を用いることに
より効率良く形成しうるが、その方法はアーク放電を利
用した方法とイオン加速器を利用した方法に大別される
。前者は、フィラメント用金属タンタルを炭化水素ガス
雰囲気下、アーク放電に付すことによりその表面に炭化
層を被覆形成する方法である。この際の炭化水素ガスと
してはメタンガス又はエタンガスを用いるのが好ましい
。
この処理時間は通常、0.3〜0,5時間程度が適して
いる。このアーク放電を利用した方法は、前述したPI
G型のイオン源中で行なうのが好ましい。
すなわち、フィラメント(29として金属タンタルを用
いガスGとして炭化水素ガスを導入した条件下で、金鵡
タンタルに工1を流しつつチャンバー(4)と金属タン
タル間にアーク放電を所定時間行なうことにより効率良
く製造できる。この際、炭化水素ガスに接触する金属タ
ンタルの表面には炭化タンタルからなる炭化層が形成さ
れるが、ことに第3図のb端は中央部やa端に比してよ
り高温となるためこの部分での炭化層の炭化タンタル密
度はより密な好ましいタンタルフィラメントが得られる
。一方、後者は、フィラメント用金属タンタルに、炭素
イオン、ことにメタン又はエタンから生成する炭素イオ
ンを照射することによりその表面に炭化タンタルを主体
とする炭化層を形成させる方法である。この際の炭素イ
オンは、上記PIG型イオン源に限らず加速イオン照射
の分野で知られたイオン源により供給できる。
なお、上記炭化層の厚みは前記アーク放電条件やイオン
照射条件により変動しつるが、通常、5〜10μmの範
囲で充分である。
このようにして被覆形成される炭化タンタルを゛主体と
する炭化層は、母材すなわち金蝿タンタルより約100
0°Cも融点が高くかつ高硬度である。
従ってかかるタンタルフィラメントは耐熱性に優れてお
りかつ耐イオン衝撃性に優れているためPIG型イオン
源に用いても消耗や溶断が生じ無く、耐久性が顕著に改
善されてなるものである。こと薔こ使用を意図するアー
クチャンバー内のその場で製造されるタンタルフィラメ
ントはその高温部分に対応して炭化層の密度が高くなっ
ているため耐久性が理想的に改善されている。
従って、この発明のタンタルフィラメントはタングステ
ンフィラメントと同程度の耐久性を有するものである。
そして、タンタル及び炭化タンタルはいずれもタングス
テンより仕事関数が低く電子放出能に優れているため、
効率よ(電子を取り出すことができ、タングステンフィ
ラメントに比して消費電力を少なくすることができる。
なお、金属ニオブを用いたフィラメントもタンタルフィ
ラメントと同様な問題があるが、同様に表面を炭化する
ことにより耐久性を改善することが可能であることも見
い出されている。
実施例1 直径2111%、長さ145露のタンタル棒を、第1〜
3図に示すようにPIG型イオン源のフィラメントとし
て取り付け、約100ム、6.5 V (xy及びVν
に対応)の電圧、電流を印加すると共にメタンガスをガ
ス注入口からチャンバー内が2 X 10−”torr
 (導入前は約10−’ torrの真空)となるよう
導入し、この条件下でチャンバーとフィラメント間に平
均1.5A、80V(Iム及びVムに対応)のアーク電
流を流して約30分間アーク放電を行なった。これによ
りタンタルフィラメント表面に炭化物の層が被覆形成さ
れ、第4図に示すごときこの発明のタンタルフィラメン
トが得られた。この炭化層の厚みは平均5μm (ma
x、 10μm)であり、X線回折により表面分析を行
なったところその結果は下表の通りであり、 A8TMカードの炭化タンタル(Tag)の特性値にほ
ぼ一致し、この炭化層が炭化タンタルからなることが確
認された。なお、測定条件は下記の通りであった。
このようにして得たこの発明のタンタルフィラメントを
そのまま210mイオン源のフィラメントを用いた場合
とこの代わりに従来のタングステンフィラメント及びタ
ンタルフィラメントを用いた際の比較を以下に示す。
第1表 (必要とする電圧、電流及び電力)このように
、この発明のタンタルフィラメントの消費電力は同様な
アーク電流下におけるタングステンフィラメントに比し
て約20%減少されており、効率が上昇していることが
判る。さらに従来のタンタルフィラメントに比して消費
電力は若干上昇するもののアーク電流は約3倍になって
おり効率が良いことが判る。
一方、従来のタンタルフィラメントとこの発明のタンタ
ルフィラメントを1時間使用した際の各フィラメントの
重量減少は以下の通りであった。
第2表 このようにM量減少は約40%低減されており、耐久性
が顕著に改善されていることが判る。
なお、参考として下表に各材料の融点、硬度、スパッタ
率及び仕事関数を示した。
第3図に示すごとく、炭化タンタルは、タンタルに比し
て融点と硬度が高くスパッタ率も低くさらに仕事関数が
低いため電子放出特性に優れている。そのためこの発明
のフィラメントは、フイラメン)[流一定のもとて約3
倍電子放出能が良く、それゆえ、同一量の電子をとり出
すのにより少ないフィラメント電流でより低温下で動作
させることができると考えられる。そして、フィラメン
トの寿命はスパッタと蒸発量こよって決まるが、炭化タ
ンタルは金属タンタルよりスパッタ率も良くかつ低温で
動作させることができるので蒸発量が少なく F)O%
程度の長寿命化が可能になるものと考えられる。なお、
この発明のタンタルフィラメントを長期間使用する場合
には途中で極性を変えることにより、一層の長寿命化が
可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明のタンタルフィラメントが使用できる
PIG型イオン源を例示する縦断面図、第2図は同じく
横断面図、第3図は同じくその回路構成を示す構成説明
図、第4図はこの発明のタンタルフィラメントを例示す
る断面図である。 (1)・・・タンタルフィラメント、 (21・・・フィラメント用金属タンタル、(3)・・
・炭化層。 第1図 第3図 F 第2図 第4図

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) フィラメント用金属タンタルの表面に、炭化タ
    ンタルを主体とする炭化層を被覆形成してなる耐久性の
    優れたタンタルフィラメント。
  2. (2) フィラメント用金属タンタルを炭化水素ガス雰
    囲気下、アーク放電に付すことによりその表面に炭化タ
    ンタルを生体とする炭化層を形成させることを特徴とす
    る耐久性の優れたタンタルフィラメントの製造法。
  3. (3)炭化水素が、メタン又はエタンである特許請求の
    範囲第2項記載の製造法。
  4. (4) フィラメント用金属タンタルに、炭素の加速イ
    オンを照射することによりその表面に炭化タンタルを主
    体とする炭化層を形成させることを特徴とする耐久性の
    優れたタンタルフィラメントの製造法。
  5. (5)炭素の加速イオンが、メタン又はエタンから生成
    する炭素イオンからなる特許請求の範囲第4項記載の製
    造法。
JP59033676A 1984-02-23 1984-02-23 耐久性の優れたタンタルフイラメント及びその製造法 Pending JPS60177528A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5071708A (en) * 1987-10-20 1991-12-10 Showa Denko K.K. Composite diamond grain
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