JPS6188420A - オスミウム被覆含浸形陰極 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）−
タンタル（Ｔａ）　、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（
Ｉｒ）、ニッケル（Ｎｉ）などの耐熱金属またはこれら
の金属の合金よりなる基体上に設けた耐酸化性オスミウ
ム（Ｏｓ）被覆に関するもので、特に、前記の金属また
は合金よりなる多孔質基体に電子放射物質を含浸してな
る含浸形陰極の電子放射効率向上のために前記の含浸形
陰極の電子放射面に被覆した耐酸化性オスミウム被膜に
関するものである。

〔発明の背景〕

含浸形陰極は多孔質金属基体の空孔部にアルカリ土類金
属からなる電子放射物質を含浸させたもので、現在、実
用化されている熱陰極の中では酸化物陰極に次ぐ低温動
作の高電流密度陰極である。

多孔質金属基体としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、　Ｒｅ、Ｉ
ｒ、Ｎｉなどの耐熱金属およびこれらの金属の合金が用
いられている。一般には、多孔質金属基一体としては、
融点が高く、蒸気圧が低く、耐イオン衝撃性が高いタン
グステンを用い、また電子放射物質としてはＢａｄ、Ｃ
ａｂ、ＡＱ２０．の化合物が用いられる。この含浸形陰
極の動作状態では、多孔質タングステン内に含浸された
電子放射物質がタングステンと反応して遊離バリウムを
生成し、基体内の空孔部を通って陰極基体表面、すなわ
ち電子放射面に到達し、さらに表面拡散して電子放射面
にバリウムの単原子吸着層を形成する。その結果、含浸
形陰極の仕事関数は、基体のタングステン（４，５ｅＶ
）およびバリウム（２，３ｅＶ）の仕事関数より小さい
１．９〜２．ＯｅＶと低いものとなる。

金属の熱電子放射電流密度Ｊはリチャードソン・ダシュ
マンの式（Ｊ　＝ＡＴ２ｅｘｐ　（−ｅφ／ｋＴ））、
（ここで、Ａは熱電子定数、Ｔは陰極の絶対温度。

ｅは電子の電荷、φは仕事関数、ｋはボルツマン定数で
ある）で与えられる。すなわち、熱電子放射電流密度、
■は、物質からある温度で取り得る最大の飽和電流密度
であり、温度が高いほど、仕事関数が小さいほど、熱電
子放射電流密度Ｊは向上する。含浸形陰極はタングステ
ン基体表面にバリウムの単原子吸着層を形成して仕事関
数を小さくし、低温動作で熱電子放射電流密度を向上し
た陰極である。

含浸形陰極では、陰極基体の種類により電子放射特性を
向上できる。例えば、フィリップス社が提案したオスミ
ウム被覆含浸形陰極がある（特公昭４７−２１３４３）
。これは多孔質タングステン基体に電子放射物質を含浸
した含浸形陰極の電子放射面にオスミウム被覆層を設け
たものである。この陰極の動作状態ではオスミウムの表
面にバリウムの単原子吸着層が形成され、タングステン
基体の場合に比べてさらに仕事関数が低下しく１．７〜
１．８ｅＶ）、熱電子放射電流密度はさらに向上する。

−例として、Ｗを基体とする含浸形陰極と、前記の陰極
の電子放射面に０．５虜厚のオスミウム被覆層を設けた
オスミウム被覆含浸形陰極の１０００℃における飽和電
流密度を比較すると、前者に比べて後者のオスミウム被
覆含浸形陰極では約３倍高い飽和電流密度が得られる。

一方、このオスミウム被覆含浸形陰極は、被覆層の酸化
により熱電子放射特性が、オスミウムを被覆しない含浸
形陰極のレベルまで劣化するどい・　う欠点がある。す
なわち、オスミウムは低温で極めて酸化されやすく、オ
スミウムの酸化物（Ｏｓ’、）は蒸気圧が高いため（１
，７８Ｘ１０’Ｐａ　ａｔ５００℃）、電子管の製造過
程中に陰極から蒸発して消失し、その結果熱電子放射特
性が劣化するという欠点がある。また、オスミウムの酸
化物（ｏｓＯ４）の蒸気は人体に有害である。

上記したように、オスミウム被覆含浸形陰極はオスミウ
ム被覆層が保たれている限りでは熱電子放射特性が優れ
ている長所を有するものであるが、このオスミウム被覆
層は電子管の製造過程中に酸化して蒸発しやすいオスミ
ウム酸化物となり、消失してしまうという致命的な欠点
があるため、その実用化は妨げられていた。

さて、現在一般的に行なわれている電子管の製造法にお
いては、第１図を参照して示す封止工程を経過して電子
管は製造され、陰極は主にこの封止工程で酸化される。

第１図により電子管製造法における一般的な封止工程に
ついて説明する。陰極１は、電子線集束用の電極群２と
幾何学的寸法を保つように固定され、さらに電極群２は
支持金具３を介して真空排気管４に固定される。封止工
程においては、真空排気管４は保持具５に取り付けて、
電子管６に設けたネック部７の内孔に沿って挿入する。

次に、接続部８の周囲をガスバーナ９等で加熱し、接続
部８において真空排気管４をネック部７に接続する。こ
の工程を電子管製造における封止工程と呼んでいる。封
止工程は、一般に大気中で行なわれ、また陰極１の周囲
はガスバーナ９の熱で約４００℃まで昇温するから、陰
極１は酸化される。特に、オスミウム被覆含浸形陰極で
は、封止工程によりオスミウムが酸化蒸発して陰極表面
から消失し、熱電子放射特性が劣化するという問題があ
る。

一方、上記の封止工程における陰極１の酸化を防止する
目的から、陰極１の周囲を窒素ガス、アルゴンガス等の
非酸化性のガス雰囲気に置換して封止を行なう方法が提
案された。この方法は、陰極の酸化防止という点からは
有効であるが、封止工程中に非酸化性雰囲気への置換と
いう作業がはいるため、従来の封止工程に比べて、電子
管製造の手間がかかり、また製造設備が複雑になり、コ
スト高になるという欠点のあるものであった。

〔発明の目的〕

本発明は、上記のような従来技術の欠点を解消した、オ
スミウム被覆基体またはオスミウム被覆含浸形陰極が酸
化条件に置かれても、オスミウムの酸化蒸発を防止でき
る耐酸化性オスミウム被膜を提供することを目的とする
ものである。

〔発明の概要〕

本発明の耐酸化性オスミウム被膜の特徴とするところは
、タングステン、モリブデン、タンタル、レニウム、イ
リジウム、ニッケルなどの耐熱金属またはこれらの金属
の合金からなる基体上、あるいはこれらの金属および合
金を主成分としてなる多孔質基体にバリウム化合物等か
らなる電子放射物質を含浸せしめた含浸形陰極の電子放
射面上に被覆したオスミウム被膜において、該オスミウ
ム被膜は基体または電子放射面を被覆したものを非酸化
性雰囲気中で耐酸化性付与の熱処理を施されて、前記の
基体金属の一部をオスミウム被膜中に浸み込ませ、オス
ミウム被膜の表面を前記の基体金属の層で被覆してなる
ものである。このような本発明の耐酸化性オスミウム被
膜を被覆したものは、大気酸化条件下に置かれてもオス
ミウムが酸化蒸発することがないので、オスミウム被覆
含浸形陰極に用いた場合、封止工程中におけるオスミウ
ムの消失を防止することができるものであり、上記の従
来技術による欠点を解消できるものである。

なお、上記における非酸化性雰囲気中で耐酸化性付与の
熱処理を施す際の、基体金属の種類に対する好ましい温
度は下記のようなものである。

Ｗ　　：　　１０００〜１５００℃。

Ｍｏ：　　　９００〜１４００℃。

Ｔａ　　：　　　９００−１５００℃。

Ｒｅ　　：　　　１０００−１５００℃。

Ｉｒ　　：　　　　９００−１４００℃。

−Ｎｉ：６００〜１１００℃。

〔発明の実施例〕

以下に、本発明を実施例につき、さらに詳細に説明する
。

〔実施例　１〕 タングステン（Ｗ）板にオスミウム（Ｏ８）の被膜を０
．５虜の厚さで被覆したものを試料（以下、○ｓ／Ｗ試
料と略記する）とした。Ｏ５は高融点金属であり電子線
蒸着法により被覆した。

なんらの処理も施されない通常のＯｓ　／　Ｗ試料は、
２００℃以上の大気中酸化処理を受けた場合、Ｏｓは酸
化蒸発してＷ基板上から消失した。この状態を示したの
が第２図の破線（、）である。

一方、上記Ｏｓ　／　Ｗ試料において、非酸化性の雰囲
気、例えば真空中で１１００℃で２時間の熱処理を施し
たものは、第２図の実線（ｂ）で示すように、大気中で
酸化処理を受けてもオスミウムが酸化蒸発することがな
かった。

Ｏｓ／Ｗ試料を非酸化性の雰囲気で処理したときのＯｓ
とＷの濃度変化を示したのが第３図のグラフである。縦
軸はＩＭＡ（質量分析計）による分析結果からの濃度比
（相対値）で、横軸はＯｓ被膜の表面からの深さく岬）
である。したがって、横軸の０．５１１Ｉｎの所がＯ５
被膜を被覆する前のＷ板の表面の位置である。

第３図において、曲線（ｃ）はＯｓの濃度変化を示した
ものであり１曲線（ｄ）はＷがＯ８被膜の表面まで浸入
した場合を示したものであり、曲線（ｅ）はＷがＯ８被
膜の途中まで浸入した場合を示したものである。

第３図のグラフから明らかなように、Ｏｓ／Ｗ試料を非
酸化性雰囲気中で熱処理すると、基板のＷがＯｓ被膜の
中に浸入し、遂にはＯｓ被膜の表面を覆うに至り、Ｏｓ
の酸化に対するＷの保護層を形成することになる。すな
わち、Ｏｓ　／　Ｗ試料に対して、これを非酸化性雰囲
気中で熱処理を施すことにより、基板のＷがＯ５被膜中
に浸入しＯ８被膜の表面をＷの保護層で覆うようになる
。

第３図を参照すれば、基板のＷがＯｓ被膜の表面まで浸
入した曲線（ｄ）の状態においては、Ｏ５被膜は耐酸化
性となる。それに対して、曲線（ｅ）の状態では、基板
のＷが浸入していない部分のＯ５被膜は酸化により消失
する。また、この熱処理では、基板のＷがＯ５被膜中に
浸入するが、ＷとＯｓとの合金もしくは化合物は生成し
てし１なし１゜このようにして、本発明になる耐酸化性
付与の熱処理を施されたＯ５被膜は、大気酸化に曝され
た際は、Ｗが酸化被膜となってＯ５被膜の表面を覆うこ
とになり、それによりＯｓの酸化を防止する。このＷの
酸化被膜は真空中で再加熱することで容易に除去され、
再び清浄なＯ３被膜が得られる。

ＯＳ被膜の耐酸化性付与の熱処理の条件は、真空中熱処
理の場合の真空は０２）Ｈ２Ｏ，ＣＯ２等の酸化性のガ
ス分圧がＩ　Ｘ　１０−’　Ｔｏｒｒ以下とするのが良
い。これは熱処理中に雰囲気中の酸化性のガスによりＯ
ｓが酸化蒸発して消耗するのを防止するためである。ま
た、熱処理は非酸化性ガス中、例えば露点−５０℃以下
の水素、アルゴン、窒素ガス中で行なってもよい。

なお、上記の実施例では、基板にＷを用い。

Ｏ５被膜の厚さを０．５７７Ｉｎとしたが、熱処理はＯ
５被膜中に基板の一部を浸入させることを目的としてお
り、熱処理の温度と時間は、Ｏｓ被膜の厚さと基板の種
類によって異なる。一般に、Ｏｓ被；茎が厚いほど、基
板金属の融点が高いほど、；Ｒ処理温度は高く、また時
間も長くなる。例えば、０．５１１厚のＯｓ被膜に対し
ては、Ｗ基板では１１００℃、１時間；Ｍｏ基板ではｔ
ｏｏｏ℃、１時間；Ｎｉ基板では６００°Ｃ１１時間の
熱処理でＯｓ被膜の耐酸化性付与の熱処理が可能である
。

〔実施例　２〕 空孔率２６％の多孔質Ｗ基体の空孔部にＢａＯ１Ｃａｂ
、　Ａ１１２０．からなる電子放射物質を含浸し、表面
研摩により滑らかな電子放射面を形成した含浸形陰極を
作製した。この陰極の電子放射面に電子線蒸着によりＯ
ｓを０．５．ｃｍ厚に蒸着し、オスミウム被膜被覆含浸
形陰極を作製した。

次に、ＩＸ　１Ｏ−５Ｔｏｒｒ以下の真空中で１１００
°Ｃ１２時間の耐酸化性付与の熱処理を行ない１、基体
のＷをＯｓ被膜中に浸入、拡散させてＯｓ被膜表面を基
体のＷの一部で覆う処理を行ない、本発明の実施例にな
る試料、耐酸化性オスミウム被膜を被覆した含浸形陰極
を作製した。

上記の本発明になる耐酸化性オスミウム被膜被覆含浸形
陰極の熱電子放射特性の耐酸化性につき試験した結果を
１本発明によらない通常のオスミウム被１″１１含浸形
陰極である比較試料と比較して第４図のグラフに示す。

比較試料の本発明によらない通常のオスミウム被覆含浸
形陰極は、上記の実施例における真空中の耐酸化性付与
の熱処理を施さなかったものである。比較試料につき、
大気中の熱処理を受けなかった試料そのものの熱電子放
射特性は、第４図の白丸点２１の群で示すようなもので
あった。この比較試料を大気中で４５０℃、１０分間の
酸化処理を行なったものの熱電子放射特性は第４図の黒
色四角点２２の群で示すようなもので、酸化処理を施さ
れないものに比し約１／３以下の値に劣化した。一方１
本発明になる真空中で１１００℃、２時間の耐酸化性付
与熱処理を施された上記の本発明の実施例になる試料の
オスミウム被膜被覆含浸形陰極を。

大気中で５００℃、１０分間の酸化処理を行なったもの
の熱電子放射特性は、第４図の黒丸点２３の群で示すよ
うにオスミウム被覆含浸形陰極本来の特性を維持した良
好なものであった。

本実施例に明らかなように、本発明によるものは大気中
の熱処理に充分耐えるものであり、通常の電子管製造の
封止工程においてなんら劣化されることのない優れた性
能を有するものである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、タングステン、モリブデン、タンタ
ル、レニウム、イリジウム、ニッケルなどの耐熱金属ま
たはこれら金属の合金からなる基体上に被覆したオスミ
ウム被膜、あるいはタングステン、モリブデン、タンタ
ル、レニウム、イリジウム、ニッケルなどの耐熱金属ま
たはこれらの金属の合金からなる多孔質基体に電子放射
物質を含浸した含浸形陰極の電子放射面上に被覆したオ
スミウム被膜において、該オスミウム被膜は基体あるい
は含浸形陰極の電子放射面を被覆した後、オスミウムが
これらの耐熱金属またはその合金と合金あるいは化合物
を形成しない温度で、非酸化雰囲気中で耐酸化性付与の
熱処理を行ない、前記の基体金属の一部をオスミウム被
膜中に浸入、拡散させてオスミウム被膜の表面に基体金
属の保護層を形成せしめられてなる本発明の耐酸化性オ
スミウム被膜は極めて有益な効果を示すものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は促来一般の電子管製造における封止工程を説明
するための説明図である。 第２図は、タングステン板にオスミウム被膜を被覆した
試料についての、本発明による耐酸化性付与の熱処理を
施されたものと施されないものについての大気酸化処理
によるオスミウムの消失量を示したグラフである。第３
図は、タングステン板にオスミウム被膜を被覆した試料
を、非酸化性雰囲気中で熱処理した場合のオスミウム被
膜中に基板のタングステンが浸入したことを示すＩＭＡ
による１度変化のグラフである。 第４図は、本発明の実施例によるオスミウム被膜を被覆
した含浸形陰極の熱電子放射特性の耐熱性につき、比較
試料のものとともに示したグラフである。 １・・・陰極　　　　　　　２・・・電極群３・・支持
金具　　　　　４・・真空排気管５・・・保持具　　　
　　　６・・電子管７・・・ネック部　　　　　８・・
・接続部９・・・ガスバーナ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）タングステン、モリブデン、タンタル、レニウム
   、イリジウム、ニッケルなどの耐熱金属またはこれらの
   金属の合金からなる基体上に被覆したオスミウム被膜に
   おいて、該オスミウム被膜は基体を被覆したものを非酸
   化性雰囲気中で耐酸化性付与の熱処理を施されて、前記
   の基体金属の一部をオスミウム被膜中に浸み込ませ、オ
   スミウム被膜の表面を前記の基体金属の層で被覆してな
   ることを特徴とする耐酸化性オスミウム被膜。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の耐酸化性オスミウム
   被膜において、前記の基体上に被覆したオスミウム被膜
   は、タングステン、モリブデン、タンタル、レニウム、
   イリジウム、ニッケルなどの耐熱金属またはこれらの金
   属の合金を主成分としてなる多孔質基体に電子放射物質
   を含浸した含浸形陰極の電子放射面に被覆したオスミウ
   ム被膜であるもの。