(57)【要約】  ３００℃を超える温度を発生する加熱装置１，２、前記加熱装置１，２に接続された導電性を有する陰極支持部３、及び前記陰極支持部３に付けられ、ナトリウム、カリウム、ルビジウム及びセシウムから成る群から選択される少なくとも一のアルカリ金属を有する電子放出材料４から成り、３００℃から６００℃の間の動作温度において１０Ａ／ｍ２以上の放出電流密度を有する陰極被膜、を有する電子放出用陰極である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３００℃を超える温度を発生する加熱装置、
前記加熱装置に接続された導電性を有する陰極支持部、及び
前記陰極支持部に付けられ、ナトリウム、カリウム、ルビジウム及びセシウムから成る群から選択される少なくとも一のアルカリ金属を有する電子放出材料から成り、３００℃から６００℃の間の動作温度において１０Ａ／ｍ２以上の放出電流密度を有する陰極被膜、
を有する電子放出用陰極。
【請求項２】
前記電子放出材料が前記放出電流密度を維持するアルカリ金属供給源を有することを特徴とする請求項１に記載の電子放出用陰極。
【請求項３】
前記電子放出材料が、
ジルコン粒と好ましくはタングステン、ニッケル、レニウム及び／又は白金の金属粒との混合物から成り２０％から４０％の間の多孔率を有する多孔質母材、及び
前記母材の孔隙中に組み込まれ、アルカリ金属及び／又はアルカリ金属酸化物の被膜を前記多孔質母材の表面に供給するアルカリ金属合金、
を有し、
前記陰極支持部が前記電子放出材料を収容する容器を有することを特徴とする請求項２に記載の電子放出用陰極。
【請求項４】
前記アルカリ金属合金が、アルカリ金属クロム酸塩、アルカリ金属−シリコン合金、アルカリ金属−スズ合金、特にＣｓ２Ｃｒ２Ｏ７, ＣｓＳｉｋ又はＣｓＳｎｋ（１＜ｋ＜４）から成る群から選択される少なくとも一の材料を有することを特徴とする請求項３に記載の電子放出用陰極。
【請求項５】
特にＷ, Ｒｅ, Ｉｒ, Ｐｔ, Ｎｉ, Ｔｉ, ＺｒＣ, ＴａＣから成る群から選択される少なくとも一の材料から成る保護層が前記電子放出材料に付けられ、当該保護層が環境の影響から前記電子放出材料を保護することを特徴とする請求項３又は４に記載の電子放出用陰極。
【請求項６】
前記保護層が０．３μｍから３．０μｍの間の厚さを有することを特徴とする請求項５に記載の電子放出用陰極。
【請求項７】
前記電子放出材料がアルカリ金属及び／又はアルカリ金属酸化物の単層で覆われた緻密層を有し、前記緻密層は、アルカリ金属窒化物、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属スズ酸塩、アルカリ金属金化物、ジントル相から成る群から選択される少なくとも一の材料から成り、３００℃を超える融点を有し、前記アルカリ金属及び／又はアルカリ金属酸化物の単層を供給することを特徴とする請求項２に記載の電子放出用陰極。
【請求項８】
前記緻密層が１０ｎｍから１００ｎｍの間の厚さを有することを特徴とする請求項７に記載の電子放出用陰極。
【請求項９】
前記陰極支持部が、電子ビームの方向に見て前記電子放出材料上で当該電子放出材料の一部を覆う保護装置を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電子放出用陰極。
【請求項１０】
請求項１から９に記載された陰極の少なくとも一つを有する真空電子管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出用陰極及び真空電子管に関し、特に陰極線管に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子放出用陰極は、例えば従来のテレビ受信機や電子線リソグラフィ装置中の真空電子管に使用される。いわゆるＩ陰極（ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅｄ ｃａｔｈｏｄｅ）とＯ陰極（ｏｘｉｄｅ ｃａｔｈｏｄｅ）との間には違いがある。それらの金属的な性質を理由として、いわゆるＩ陰極（＝ディスペンサ型陰極：ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ  ｃａｔｈｏｄｅ）は、Ｏ陰極に比べて大幅に高い電流密度を永続的に供給することができる。引き出される電流の大きさは、放出材料の電子仕事関数及び動作温度に依存する。１０Ａ／ｃｍ２程度の電流密度を発生する通常のＯｓ／Ｒｕ Ｉ陰極の動作温度は、９６０℃である。そのような温度の発生は、複雑かつ高コストな陰極構造を必要とし、そのような陰極構造の機械的安定性は、熱伝導を低減させる手段のために、量産時における陰極及び陰極線管の不良率の増加につながる。加えて、そのような温度は真空電子管内での動作中において放出材料の電子ビーム誘導部品上への高い蒸着率を引き起こし、このことは、ビームの集束や偏向に用いられ、しばしば数千ボルトに達する引き出し電圧において、電子ビーム光学系とも呼ばれる電子ビーム誘導装置内における頻繁な絶縁問題につながる。
【０００３】
特許文献１は、タングステン金属体上のレニウム及びスカンジウム酸化物から成る複雑な積層構造のおかげで、９６０℃の動作温度において、従来のＩ陰極に比べて大幅に高い電流密度を供給できるスカンジウム酸ディスペンサ型陰極について説明している。しかしながら、非特許文献１によると、スカンジウム酸ディスペンサ型陰極における１．４２ｅＶの仕事関数は、１０Ａ／ｃｍ２を超える電流密度を発生させるために７００℃より高い動作温度を要し、１００Ａ／ｃｍ２を超えるピーク電流を供給するために８５０℃より高い動作温度が必要である。
【特許文献１】ドイツ国公開特許公報１９９６１６７２号
【非特許文献１】Ｐ−２７， Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ， ＩＶＥＳＣ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｏｒｌａｎｄｏ， Ｆｌｏｒｉｄａ （ＵＳＡ）， １０ − １３ Ｊｕｌｙ ２０００．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらの動作温度において、動作中における電子放出材料の蒸着を理由とする電子ビーム光学系における絶縁問題は、程々に低減できるに過ぎない。当該動作温度は、商業的に入手可能なＯｓ／Ｒｕ Ｉ陰極の動作温度よりもわずかに低いだけであり、加熱装置の実質的な単純化を可能にすることなく、レニウム及びスカンジウム酸化物の積層構造の高い製造コストを引き起こす。従来技術は、同様の大きさの放出電流と同様の耐用年数を維持しつつ、いかに陰極の動作温度をより低減させることができるかについて、何ら示していない。
【０００５】
よって本発明の目的は、従来技術の欠点を回避しつつ、一定かつ再現可能な仕方で十分高い電流密度を長時間に亘って供給することが可能な、コスト効率が良く信頼性が高い電子放出用陰極を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
当該目的は、３００℃を超える温度を発生する加熱装置と、前記加熱装置に接続され導電性を有する陰極支持部と、前記陰極支持部上に配置され、ナトリウム、カリウム、ルビジウム及びセシウムから成る群から選択される少なくとも一のアルカリ金属を有する電子放出材料から成り、３００℃から６００℃の間の動作温度において１０Ａ／ｍ２以上の放出電流密度を有する陰極被膜とを有する、電子放出用陰極により達成される。３００℃以上の動作温度は、電子放出に悪影響を及ぼす表面不純物、例えば酸素を熱蒸発させることによって、電子放出材料の表面を確実に連続的に洗浄することを保証する。この有利な電子放出材料のおかげで、６００℃以下の動作温度であっても１０Ａ／ｍ２以上の電子電流密度を得ることができ、それゆえ、非常に単純で、よりコスト効率の良い陰極構造が可能となる。特に、陰極支持部は、機械的に頑丈かつ信頼性が高い仕方で加熱装置に接続され得、何ら特別な材料及び／又は熱反射被膜を必要としない。６００℃以下の動作温度のおかげで、電子ビーム光学系は、蒸発した材料によってわずかに汚染されだけである。
【０００７】
ひとつの有利な実施の形態においては、電子放出材料は、放出電流密度を維持するためのアルカリ金属供給源を有する。動作中において、蒸発し又は汚染された電子放出材料は連続的に置換されるので、そのような陰極は、例えば酸素、水分又は二酸化炭素といったクリティカルな気体に対してそれ程敏感でない。
【０００８】
電子放出材料を収容するための容器を有する陰極支持部を備える陰極は有利であり、電子放出材料は、ジルコン粒と好ましくはタングステン、ニッケル、レニウム及び／又は白金の金属粒との混合物から成り２０％から４０％の間の多孔率を有する多孔質母材と、アルカリ金属及び／又はアルカリ金属酸化物の被膜を多孔質母材の表面に供給するように孔隙内に組み込まれたアルカリ金属合金とを有する。そのような陰極（ディスペンサ型陰極）は、１００００時間より長い動作時間に亘り１０Ａ／ｍ２以上の電流密度を均一に供給することを可能とする。
【０００９】
多孔質母材の表面にアルカリ金属及び／又はアルカリ金属酸化物の被膜を供給するために孔隙内に配置される材料として、アルカリ金属クロム酸塩、アルカリ金属−シリコン合金、アルカリ金属−スズ合金、特にＣｓ２Ｃｒ２Ｏ７, ＣｓＳｉｋ又はＣｓＳｎｋ（１＜ｋ＜４）から成る群から選択される少なくとも一の材料を有するアルカリ金属合金を使用することがさらに有利である。
【００１０】
電子放出材料に付けられる保護層、特にＷ, Ｒｅ, Ｉｒ, Ｐｔ, Ｎｉ, Ｔｉ, ＺｒＣ, ＴａＣから成る群から選択される少なくとも一の材料から成る層は、陰極をその最初の動作前に取り扱う際に特に有利であり、当該保護層は、特に当該保護層が０．３μｍから３．０μｍの間の厚さを有する場合に、環境の影響から電子放出材料を保護する。
【００１１】
他の有利な実施の形態において、電子放出材料は、アルカリ金属及び／又はアルカリ金属酸化物の単層により覆われた緻密層を有する。当該緻密層は、アルカリ金属窒化物、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属スズ酸塩、アルカリ金属金化物、ジントル相から成る群から選択される少なくとも一の材料から成り、３００℃を超える融点を有し、アルカリ金属及び／又はアルカリ金属酸化物の単層を供給するために設けられている。
【００１２】
緻密層が、当該層の伝導率が１０Ａ／ｍ２以上の放出電流密度を可能にするのに十分であるように、１０ｎｍから１００ｎｍの間の厚さを有する場合、特に有利である。
【００１３】
陰極支持部が電子ビームの方向に見て電子放出材料上で当該電子放出材料の一部を覆う保護装置を有する場合、さらに有利である。このような手段によって、加熱された陰極から蒸発した材料の一部は電子放出材料上に位置した保護装置の面上に凝結し、その結果、もはや陰極の周囲を汚染することはできない。
【００１４】
本発明は、また、電子放出用陰極に関する請求項の任意の項に記載された陰極の少なくとも一つを有する真空電子管に関する。
【００１５】
本発明は、図面に示された実施例を参照してさらに説明される。但し、本発明は当該図面に限定されない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、電子ビームの発生、電子ビームの集束及び電子ビームの偏向のための通常数千ボルトの動作電圧が印加される機能群を典型的に有する真空電子管中に組み込まれる、本発明に係る陰極の一実施の形態を示す。電子ビームの集束及び電子ビームの偏向のための装置は電子ビーム光学系とも呼ばれる。本実施の形態によると、真空電子管は、電子ビームが向けられる蛍光スクリーン又はターゲット物体も有する。電子ビーム発生システムは、少なくとも一つの陰極から成る配置を含む。例として、電子ビーム発生システムは、一以上の点陰極、又は一以上の線陰極、ストリップ陰極若しくは平面陰極から成るシステムとすることができる。陰極は、表面全体から放出する必要は無い。陰極は、加熱コイル１から成る加熱素子、陰極軸２、及びその上に電子放出材料４が付けられる導電性の陰極支持部３を有する。図１に示した加熱素子の形状は単に加熱素子の例を示した過ぎず、当該加熱素子は当業者によって異なって実施されることもできる。動作中に電子放出材料４から放出される電子１３は、導電性の陰極支持部３を介して供給される。電子放出材料の加熱は、加熱コイル１からの熱伝導又は放射熱を用いること、及び陰極支持部３を介した熱伝導を用いることによる陰極支持部３の加熱を介して行われる。陰極支持部の温度ひいては電子放出材料の温度は、加熱コイルの動作電圧を用いて調整することができる。
【００１７】
電子放出材料の蒸発は、本発明に係る陰極の比較的低い動作温度のおかげで典型的なＩ陰極に比べて低減しているが、陰極支持部３が、動作温度に達しているにもかかわらず電子ビーム集束及び偏向装置の界分布を理由として放出していない電子放出材料４の領域を覆う保護装置１７（図５参照）を有する場合、さらに低減され得る。非放出領域から蒸発した材料は、その後、保護装置１７の電子放出材料に向かい合う面上に凝結する。このようにして、電子ビーム集束及び偏向装置の部品１５の汚染、ひいては起こり得る絶縁問題を防止することが可能である。電子放出材料４の電子ビーム５が引き出される領域は覆われないままである。しかしながら、放出領域上に位置する電子ビーム集束及び偏向装置の部品１５の部分の汚染は、それ程重要ではない。ビームの誘導を目的とした切り抜き１６がそこに位置し、かつ幾何学的理由により、材料が切り抜きの縁にほとんど凝結することができないからである。
【００１８】
図２は、陰極支持部３上に配置された又は陰極支持部３の一部である容器１１内の、本発明に係る電子放出材料４を示す。容器１１は、ジルコン粒６並びに金属粒７、特にタングステン、ニッケル、レニウム及び／又は白金の混合物から成る多孔質母材で満たされる。母材は、典型的には、粉体形状の出発材料を圧縮することにより製造される。そのような母材は、適切な合金を発泡させ冷却することによっても製造することができる。母材の多孔率は、陰極の動作時間に対して十分な量のアルカリ金属合金８を保持するために、好ましくは２０％から４０％である。アルカリ金属合金は、好ましくは保護気体の下で、当該アルカリ金属合金（孔隙材料）の融点以上の温度の液相状態で母材中に組み込まれる。通常、孔隙材料の溶融物が製造され、多孔質母材が当該溶融物中に加えられる。十分な時間が経過した後、細孔は完全に孔隙材料で満たされ、母材は再び溶融物から取り出されて室温まで冷却される。上昇した温度、例えば動作温度において、アルカリ金属合金８が母材表面と反応してアルカリ金属元素１０が形成され、アルカリ金属元素１０はそれから電子放出材料の表面を覆い、電子放出材料の仕事関数を大幅に低下させる。例として、タングステン表面のＣｓＯ２被膜は、仕事関数を４．５ｅＶ（タングステンについての値）から１．２ｅＶに低減する。同様の仕事関数を有するその他の適切な材料は、ルテニウム上のルビジウム酸化物である。アルカリ金属及び／又はアルカリ金属酸化物９を有する被膜は、上昇した温度、例えば動作温度において揮発し、その結果、陰極が動作している間、アルカリ金属合金８と母材６及び７との間の化学反応から、アルカリ金属元素１０が連続的に形成されることになる。例として、重クロム酸セシウム合金と母材のジルコン粒との間の化学反応は、次のようにセシウム元素を放出する。
Ｃｓ２Ｃｒ２Ｏ７ ＋ ２Ｚｒ  →  ２Ｃｓ ＋ ２ＺｒＯ２ ＋ Ｃｒ２Ｏ３
【００１９】
放出されたセシウム１０は電子放出材料４の表面に向かって拡散し、母材から、又は陰極が設置された装置の残留ガスから生じた酸素と共に、多孔質母材の表面上に仕事関数低減アルカリ金属及び／又はアルカリ金属酸化物被膜９を形成する。またセシウムは、母材材料と他の合金、例えばＣｓＳｉｋ又はＣｓＳｎｋ（１＜ｋ＜４）との化学反応によっても同様に形成することができる。容器及び酸化されていないジルコニウムの表面中に収容されたアルカリ金属合金の量は、動作温度と同様に、ここで例として記述したＣｓ含有陰極の可能動作時間を決定し、１００００時間以上の動作時間を達成することができる。
【００２０】
一つの有利な実施の形態では、図３に模式的に示すように、電子放出材料が保護層１２で覆われている。アルカリ金属化合物は、酸素、水及びＣＯ２と反応し保護層１２とは反応しない傾向があることを特徴とし、このことは、陰極の製造及び保管の間の環境条件、陰極の真空電子管内への設置及び陰極のプロセス条件に、高い要求をする。希ガス又は乾燥窒素雰囲気内で陰極を取り扱うことは可能ではあるが、複雑である。一方、保護層１２は、特に０．３μｍから３．０μｍの間の厚さのものは、環境の影響から電子放出材料４を保護する。保護層１２の厚さの上限は、さらなる動作条件で決まる。保護層１２は電子放出材料４を全て覆うので、この状態ではアルカリ金属原子１０は電子放出材料４の表面に到達することができない。真空電子管内に設置された状態の陰極を、例えば３００℃を超えるいわゆる活性化温度において適切に熱処理することにより、保護層は割れ、アルカリ金属及び／又はアルカリ金属酸化物９が電子放出材料４及び／又は保護層１２の表面を覆うことができる。よって、保護層１２は、Ｗ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｔｉ，ＺｒＣ，ＴａＣから成る群から選択される少なくとも一の材料から成る場合、有利である。例として、０．８５ｅＶの仕事関数がＣｓで被覆されたＴａＣ層に対して得られる。
【００２１】
本発明に係る陰極は、低い動作温度において非常に良好な放出電流密度を、例えばＣｓ含有陰極では４８０℃の動作温度において１４Ａ／ｃｍ２以上の放出電流密度を生じさせる。これは、放出特性が同じである従来のＩ陰極に比べて、動作温度を５００℃低減することに相当する。５９０℃の動作温度においては、１３０Ａ／ｃｍ２以上の放出電流密度が得られ、このことはスカンジウム酸ディスペンサ型陰極に比べても、動作温度を約３００℃低減することに相当する。
【００２２】
その他の実施の形態では、アルカリ金属を保持及び放出するための多孔質母材は使用されず、使用される電子放出材料４がアルカリ金属含有材料から成る緻密層１３であり、当該アルカリ金属含有材料は前記緻密層１３にアルカリ金属及び／又はアルカリ金属酸化物の被膜９を形成する（図４参照）。層１３は十分に高い融点、及び動作温度において安定な緻密層を形成するための十分な化学的安定性を有する。本発明の陰極用の適切な材料は、アルカリ金属窒化物（例えば、ＮａＢａ３Ｎ， Ｎａ５Ｂａ３Ｎ）、アルカリ金属アルミン酸塩、アルカリ金属スズ酸塩（例えば、Ｋ４１Ｓｎ１２Ｏ１６, Ｋ４ＳｎＯ３）、アルカリ金属金化物（例えば、ＮａＡｕ２, Ｋ２Ａｕ３, ＲｂＡｕ, ＣｓＡｕ, ＮａＡｕＧｅ, Ｒｂ３ＡｕＯ）、ジントル相（例えば、ＮａＳｉ, ＣｓＳｉ, Ｋ３Ｐ）の群から選択される少なくとも一の材料を有する。これらの化合物は３００℃を超える融点を有し、アルカリ金属及び／又はアルカリ金属酸化物を熱的に放出９ｂすることに適している。この場合も、また、必要とされる酸素は、真空電子管の残留ガスから生じ得る。例として、Ｃｓ−Ａｕの融点は５９０℃である。Ｃｓ−Ａｕは、したがって、３００℃から５５０℃の温度範囲において、電子放出材料として用いることができる。Ｃｓ−ＡｕにおけるＣｓの蒸気圧は、長時間に亘って一定である十分なＣｓ−Ａｕ表面の被膜９が得られる速度でのＣｓの放出９ｂを可能とし、かつ蒸発損失９ｃを補償する。層１３は好ましくは１０ｎｍから１００ｎｍの厚さを有し、その結果、陰極から放出される電子を放出表面に供給するために十分な導電性を材料が有する。必要ならば、導電性を増加させるドーピングを緻密層１３に加えてもよい。
【００２３】
図面及び本文を参照して説明された実施の形態は、電子放出用の、又は真空電子管の陰極の例に過ぎず、特許された特許請求の範囲をこれらの例に限定するものとして理解されることを意図するものではない。別の実施の形態もまた当業者にとって可能であり、これらもまた特許された特許請求の範囲の保護範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】加熱装置を備える陰極を示す図である。
【図２】本発明に係る電子放出材料を収容するための容器を有する陰極支持部の概要構造を示す図である。
【図３】保護層を備えた、本発明に係る電子放出材料を収容するための容器を有する陰極支持部の概要構造を示す図である。
【図４】本発明に係る緻密電子放出材料を有する陰極支持部の概要構造を示す図である。
【図５】保護装置を備えた本発明に係る陰極を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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