JPS60220529A - 含浸カソードおよびその製造方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、耐熱性金属の多孔性体がアルカリ土類を含む
溶融酸化物を含浸して成る熱イオンカソードに関する。

〔従来技術〕

初期の含浸カソードが、多孔性体を形成するために一団
の粉状タングステンを焼結することによって作られた。

多孔性材料は、所望の形状に機械加工するために溶融銅
又は有機重合体を含浸された。機械加工後、この含浸剤
は除去されて、多孔性カソードは溶融アルミ／酸バリウ
ムを含浸された。１９５５年１月１８日に７−ル・レビ
に発行された米国特許第２，７００Ω００号が、そのよ
うなカソードを説明している。

１９６４年１１月１２日に発行された米国特許第３．３
７３３０７号が、放出面がイリジウム又は他の白金族の
金属でコーティングされる改良含浸カソードを説明して
いる。そのコーティングは電子放出を改、良するが、そ
の改良はしばしば一時的なものであることが知られてい
る。主な問題が、高電流密度が高圧でカソードから生じ
る電子管で、イオンが残留ガスから形成されることにあ
ると考えられる。それらのイオンは、カソードへと後方
に加速されて、薄い層を表面からスバンタ（ｓｐｕｔｔ
ｅｒ）してイリジウムを除去する。

１９７９年８月２１日にルイス・アール・フマルスに発
行されて本発明の譲受人に譲渡された米国特許＠　４，
１６５，４７３号が、イリジウム又は均等物の粒子がマ
トリックス（ｍａｔｒｉｘ）のタ／ゲステン粒子中に分
散したカソードを開示している。焼結中、イリジウムは
、部分的にタングステンと付会になる。この分散したカ
ソードは、表面のスパッタリングの問題を渭決した。し
かしながら、焼結は非常に微妙な処理であることが知ら
れている。その時間及び温度が多くの合金を作るのに十
分でるるならば、放出は、しばしば少ない。焼結が最小
に保たれるならば、放出は最初良好でろるが、イリジウ
ム及びタングステンの相互拡散が動作温度で起こって反
応しない合金を形成する。この相互拡散はまた、表面へ
のムリウムの供給をもたらし、放出での結果として生じ
る崩壊とともに衰える。

更に、カソードボタンの収縮が放出面のひずみとともに
起こる可能性がめり、逆に電子銃に衝突する０ 〔発明の目的〕 本発明の目的は、永続的スパンに亘って改良された放出
を有するカソードを提供することでおる。

本発明の他の目的は、製造及び動作の正確なパラメータ
を許容するカソードを提供することでめる０ これらの目的は、２種類の粒子の混合の多孔性マトリッ
クスを形成することによって達成される。

２種類の粒子とは、タングステン−イリジウム合金の小
さい粒子及び純粋タングステンの多孔性マトリックスか
ら成る大きい粒子である。

〔好適実施例の説明〕

進歩的カソードの物理的形態のための基礎として、ディ
スペンサーカソードの動作の概念について以下に簡単に
説明する０基本的に従来技術のカソードでしばしば相争
っていた２つの要件がちる。

第１に、放出面が、低い仕事関数を有することを必要と
される。これは、バリウム、ストロンチウム、カルシウ
ムのようなアルカリ土類金属又はこれらの混合物の薄い
（ときどき１原子から成る）、しばしば更に酸素も含む
層によってもたらされる。

第２の要件は、活性層が蒸着又はスパッタリングによる
動作で除去されるとき活性層を補充するための手段であ
る。

以下の説明で、用語「タングステン」は、そリブデンの
ような多数の耐熱性で適度に化学的活性の金属を含むよ
うに使用される。用語「バリウム」は、アルカリ土類金
属又は化合物の例として使用され、加えてカルシウム、
ストロンチウム、及びそれらの合金もまた含み得る。

もとのタングステンマトリックスカソードで、放出層は
、多孔性タングステンの表面上にある。

多孔性タングステンは、適度に低い仕事関数を有し、従
って、１平方センチメートルおたり数アンペアの放出性
能を与える。寿命は、非常に良好である。しかしながら
、アルミン酸バリウム含浸剤と接触するタングステンマ
トリックスの表面は、約１０００℃の動作温度で化学的
に還元されているため、酸化物と反応してバリウム自由
原子を生成するのに十分である。次にこのバリウムを、
表面物質が除去されたのと同じ速度で活性面を再活性化
するために活性面に柘送し得る。

イリジウム又は白金族の他の金属を浅面層に加えること
により、災に仕事関数の顕著な低下を引き起こし、従っ
て、より烏い放出密度をもたらす。

仕事関数は、表面の金属がバリウム双極分子層を分極し
得る程度によって影響を及はされる考えられる。

イリジウムは、バリウム原子のより緊密な結合をもたら
し、仕事関数と同様に蒸着をも減少させる。しかしなが
ら、イリジウムは、低い還元力を有する。米国特許第４
２６５．４７３号によって説明されるようにイリジウム
がマトリックスへ加えられるとき、イリジウムは、九ぶ
ん多くが塊状合金としてよシも表面コーティングとして
、タングステンと合金になる。これによってタングステ
ンの還元力は減り、失われたバリウムの補充速度は低下
するであろう。

本発明の実施において、タングステン−イリジウム合金
のマトリックスで純粋タングステンの多孔性の「アイラ
ンド（Ｉｓｌａｎｄｓ）Ｊが提供される。

イリジウムは、低い仕事関数を有するために活性化され
得る表面をもたらす。表面物質が除去されるときさえ、
表面は再生される。純粋タングステンアイランドは、多
孔性粒子である。その粒子の各々が、ともに焼結される
多数の細かいタングステン粒子から形成される。これら
の大きな表面領域は、還元接触面に含浸剤をもたらして
、放出面へ再活性化バリウムの適切な供給をもたらす。

仁れらの大きさ及び回旋状態（ｃｏｎｖｏｌｕｔＬｏｎ
ｓ）は・これらの外面上を除いてイリジウムと合金にな
るのを防止するのに十分である。

進歩的カソードを生成するための処理の一例として、以
下の工程が行なわれる。

１、多孔性タングステン棒原料が、周知のように直径約
５ミクロンの微小なタングステン粉状粒子を圧縮して焼
結することによシ作られる。その結果の棒の密度は、固
体タングスタンの密度の約７２％でるる。

２、　タングステン棒は、メｆクリル酸メチルのような
液体プラスチックモノマーを含浸される。

このプラスチック七ツマ−は、次に熱によって重合させ
られる。このことは、１９６３年２月５日にオツトー・
ジー・コツピアスに発行された米国牝許第３ρ７６ρ１
６号で記載されている。タングステン棒は、旋盤にかけ
る等の機械加工をすることによって凝集体（ａ　ｇｇ　
ｌθｍｅｒａｔｅｓ）の混合物に分解される。

３、グラスチック浸透剤は凝集体から除去され、幾らか
の炭素残滓は湿性の水素中で７５０℃で燃焼させること
によって一掃される。

４、　１ｓｏミクロンより大きい凝集体は、ふるい分け
されて廃棄される。

ｓ、ｉｏｏメツシュのふるいを通過するタングステン凝
集体及び微粒子は、タングステン６０部、イリジウム４
０部の重量比で一３２５メツシュの粉状イリジウムと攪
拌混合される。

６、粉状混合物は、５０ρ００ボンド／平方インチ（３
５ｔ　５Ｋｐｗ、／ｄ）で圧縮され、水素中で１７２０
℃で焼成される緊密な結果物はイリジウム−タングステ
ン合金のマトリックスで分散される純粋なタングステン
凝集体を与える。大部分の凝集体は、イリジウム粒子に
比較して太きい。タングステン微粒子は、イリジウム粒
子と合金になる０ ７、次に焼結された物体性、在来技術によってカソード
米子に加工される。

７ａ、溶融銅が、小孔内に浸透して、機械加工するため
の支持をもたらす。

７ｂ、　カソード形状は、銅浸透棒から機械加工される
０ ７ｃ、銅は、化学的エツチング及び水素燃焼によって除
去される。

７ｃＬ　カソード素子は、アルミン酸バリウム−カルシ
ウム、代表的に６ＢａＯ：　１０ａＯ：　２Ａ１１０ｇ
を水素又は真空中で含浸される。

８、放出面を、タングステン及びイリジウムの５０：５
ｏ共沈混合物でスパッタコーティングしてもよい。この
コーティングはイリジウム−タングステン合金混合物と
ほぼ同一の組成でめシ、イオンスパッタリングによって
コーティングを除去することはカソードに重大な影曽を
及はさないＯ 本発明の実施例は、従来技術の最良の例に等しｂか又は
それよシ優れ九放出電流＠良をもたらし、更に従来技術
を越える寿命をもたらす。しかしながら、従来技術と違
って、このカソードは、再生可能に製造され得る。１０
５０℃の輝度以下で１平方センチメートル尚たυ８アン
ペアの性能のカソードが、９０％以上の収量で生成され
る。一定の電流密度のための駆動温度が、互いの１０℃
以内であった。性能は、動作時間に従って非常に安定で
あった。カソードは、事実上変化な（８Ａ／ｄで４，０
００時間を越えている。

大きな凝集体は、焼成及び次の動作中にイリジウムと合
金になるが、その大きさのため合金化は、゛　凝集体の
外面でのみ起こる。凝集体は、多孔性であり、活性酸化
物によって完全に浸透されて、バリウムを生成するため
の還元は凝集体の内部で自由に起こる。

第２図は、線形ビームマイクロ波管で用いられるような
カソード構造内に放出系子（「カソード」が適切）を組
み入れたものを図示する。カソード１０′が、滑らかな
放出凹面２０′（通常球面状）を有するように機械加工
される。カソードｉ　ｏ’の基部は、モリブデン又はタ
ンタル等から成る円筒形支持体２２上に倫えつけられて
、接合点２３で溶接する等によって支持体２２上に取り
付けられる。

二本巻きでのタングステンワイヤ等から成る輻射加熱器
２４が、円筒２２の支持手段（図示せず）により支柱に
よって支持される。

前述のカソード及び生産処理について多数の変形を本発
明の真の範囲内で行ない得ることは、当業者にとって明
らかでわるう。種々の成分の比率は、広い範囲に及び得
る。例えば、イリジウム対タングステンの比は、約２０
％から約８０チまで変化してもよい。「バリウム」は、
更にカルシウム、及び／又はストロンチウム、又はそれ
らの混合物をも含み得る。「タングステン」は、モリブ
デン、タングステン、又はそれらの合金であり得る。「
イリジウム」は、オスミウム、ルテニウム、レニウム、
イリジウム又はそれらの合金でｈＦ）得る０ 前述の特定の実施例は、例示でおって、それに制限する
ものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみ
制限されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施するカソードの一部の概略拡大
断面図でるる。 第２図は、線形ビームマイクロ波管のための凹形カソー
ドの断面図でろる。 〔主要符号〕 １０−一カソード　２０−一放出凹面 ２２−−円筒形支持体　２３−一接合点２４−−輻射加
熱器 特許出願人　パリアン・アソシエイツ・Ｂ面の６１化−
（内心に変更なし） １／Ｉ ＦＩＧ、１ １〇− ＦＩＧ、２ 手続補正書 昭和６０年４月タ日 特許庁長官　志　賀　学　殿 １、　事件の゛表示　昭和６０年　特　許　願　第４６
６８９号２、　発明の名称　タングステン−イリジウム
含浸カソード３、　補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称　パリアン・アソシエイツ・ インコーホレイテッド ４、代理人 住　所　東京都港区西新＠１丁目６番２１号大和銀行虎
ノ門ビルディング ５、　補正命令の日付　自　発

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　熱イオンカソードであって： タングステン、そリプデン及びこれらの合金から成る族
   の耐熱性金属と白金族の少なくとも−の金属との合金か
   ら成る多孔性マトリックス； 前記マトリックスの前記成分と比較して大きい寸法を有
   し、前記耐熱性金輌のうちの−の金属から成る、前記マ
   トリックス内で分散した多孔性凝集体；並びに− 少なくとも−のアルカリ土類酸化物から成る活性物質で
   満たされるべき前記マトリックス及び前記凝集体の小孔
   ； から成るところのカソード。 ２、特許請求の範囲第１項に記載されたカソードであっ
   て： 前記活性物質は更に、酸化アルミニウムから成るところ
   のカソード。 ３、特許請求の範囲第１項に記載されたカソードであっ
   て： 前記白金族の金属はイリジウムであるところのカソード
   。 ４、判許請求の範囲第１項に記載されたカソードであっ
   て、 前記耐熱性金属はタングステンであるところのカソード
   。 ５、特許請求の範囲第１項に記載されたカソードであっ
   て： 更に、電子放出に適した滑らかな面から成るところのカ
   ソード。 ６、特＃ｒ−６Ｔｉ求の範囲第５項に記載されたカソー
   ドで必って： 更に、前記貴金属及び前記耐熱性金属から成る前記滑ら
   かな面上の均質で同種の層から成るところのカソード。 ７、’％特許請求範囲第６項に記載されたカソードであ
   って： 前記層の組成は前記マトリックスのほぼ平均の組成であ
   るところのカソード。 ８、特許請求の範凹第１項呼記載されたカソードであっ
   て； 更に、前記カソードを支持するための手段から成るとこ
   ろのカソード。 ９、特許請求の範囲第１項に記載されたカソードであっ
   て： 更に、約１０００℃乃至１１００℃の温度まで前記カソ
   ードを加熱するための手段から成るところのカソード。 １０、熱イオンカソードを製造するための処理方法であ
   って： タングステン、モリブデン及びこれらの合金から成る族
   の耐熱性金属の粒子をともに焼結することによって多孔
   性体を形成する工程。 前記粒子に比較して大きい凝集体及び微粒子に前記多孔
   性体を機械的に分解する工程。 イリジウム、レニウム、ルテニウム及びオスミウムから
   成る族の少なくとも−の貴金属を含む、前記凝集体と比
   較して小さい寸法の粒子と、前記凝集体を混合させる工
   程；前記混合物を圧縮する工程； 前記混合物を焼結して前記粒子及び前記凝集体を多孔性
   塊状体に付着させる工程；並びに 前記塊状体にアルカリ土類酸化物から成る溶融酸化物を
   含浸させる工程； から成るところの方法。 １１、特許請求の範囲第１０項に記載された方法であっ
   て： 前記混合物を焼結した後、更に、 前記多孔性塊状体に液体を含浸させる工程；前記多孔性
   塊状体を支持するために前記液体を固体に変換する工程
   ； 前記塊状体を所望のカソード形状に機械加工する工程；
   並びに 前記固体を除去する工程； から成るところの方法。 １２、特許請求の範囲第１１項に記載された方法であっ
   て：更に、 前記カソード形状について電子放出に適した滑らかな面
   に機械加工する工程；並びに前記滑らかな面上に前記貴
   金属及び前記耐熱性金属から成る均質で同種の層を沈着
   させる工程； から成るところの方法０ １３、請求の範囲第１２項に記載された方法でろって： 前記層の組成は前記貴金属を含む前記粒子のほぼ平均の
   組成であるところの方法。 １４、％許請求の範囲第１１項に記載された方法でるっ
   て二更に、 前記カソードを支持手段に固着させる工程。 から成るところの方法。 １５、％許請求の範囲第１４項に記載された方法であっ
   て二更に、 前記カソードの付近で該カソードを約１０００℃乃至１
   １００℃まで加熱可能な加熱器を前記支持手段に取シ付
   ける工程； から成るところの方法。