(57)【要約】  カソード支持体３上に配されるカソードボディ４と、レニウム又はレニウム合金６１及びスカンジウム酸化物又はスカンジウム合金６１の１つ又は複数の交互配置層からなる層組織６と、カソードボディ４と層組織６との間に配される活性化促進層組織５を有するカソード被覆５，６とを有するスカンデート含浸型カソード。活性化促進層組織は、バリウム酸化物その他のアルカリ性土類金属酸化物を有する少なくとも１つの放出層５２と、カソードボディの材料よりも高い耐酸化性を持つ障壁材料及びバリウム酸化物その他のアルカリ性土類金属酸化物を還元するための活性化材料を有する活性化層組織５１とを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード支持体に配されるカソードボディと、レニウム又はレニウム合金及びスカンジウム酸化物又はスカンジウム合金の１つ又は複数の交互配置層からなる層組織を有するカソード被覆と、前記カソードボディと前記層組織との間に配される活性化促進層組織とを有するスカンデート含浸型カソードであって、前記活性化促進層組織は、バリウム酸化物その他のアルカリ性土類金属酸化物を有する少なくとも１つの放出層と、前記カソードボディの材料よりも高い耐酸化性を持つ障壁材料及びバリウム酸化物その他のアルカリ性土類金属酸化物を還元するための活性化材料を有する活性化層組織とを有する、カソード。
【請求項２】
請求項１に記載のスカンデート含浸型カソードであって、前記障壁材料は、Ｒｅ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｎｉなる群のうちの少なくとも１つの元素を有する、カソード。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のスカンデート含浸型カソードであって、前記活性化材料は、Ｃ，Ｚｒ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉなる群のうちの少なくとも１つの元素からなる、カソード。
【請求項４】
請求項１，２又は３に記載のスカンデート含浸型カソードであって、前記活性化層組織は、少なくとも１つの障壁材料の層と少なくとも１つの活性化材料のドーピングとを有する、カソード。
【請求項５】
請求項１ないし４のうちいずれか１つに記載のスカンデート含浸型カソードであって、前記活性化層組織は、少なくとも１つの障壁材料の第１の層及び第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に配された少なくとも１つの活性化材料の活性化層とを有する、カソード。
【請求項６】
請求項５に記載のスカンデート含浸型カソードであって、前記活性化層は、少なくとも１つの活性化材料の超微細な粒子からなる、カソード。
【請求項７】
請求項１ないし６のうちいずれか１つに記載のスカンデート含浸型カソードであって、前記活性化層組織は、少なくとも１つの活性化材料及び少なくとも１つのバリア材料の超微細な粒子の少なくとも１つ又は複数の層を有し、前記障壁材料は、前記活性化材料をカプセル化する、カソード。
【請求項８】
請求項１ないし７のうちいずれか１つに記載のスカンデート含浸型カソードであって、前記活性化促進層組織は、３０ｎｍないし１０μｍの厚さを有する、カソード。
【請求項９】
請求項１ないし８のうちいずれか１つに記載のスカンデート含浸型カソードであって、前記カソード支持体は、当該放出方向において見た場合に、前記層組織の上方において前記層組織の一部を被覆する保護デバイスを有する、カソード。
【請求項１０】
請求項１ないし９のうちいずれか１つに記載のスカンデート含浸型カソードを少なくとも１つ有する真空電子管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出のためのスカンデート含浸型カソード及びスカンデート含浸型カソードを有する真空電子管に関する。
【背景技術】
【０００２】
スカンデート含浸型カソードは、非常に高度な電子放出を伴うカソードとして知られている。ドイツ特許出願に係る文献のＤＥ１９８２８７２９は、カソードボディ、基部層及び放出面のカソード被膜からなるスカンデート含浸型カソードを記述している。カソードボディに塗布されるカソード被膜は、レニウム及び／又はレニウム合金を含有する１つ又は複数の層と、スカンジウム酸化物を含有する１つ又は複数の層とからなり、これらの層が交互に配されている。カソードボディは、少なくとも１つの高融点金属及び／又は１つの高融点合金による母材と、当該母材との化学反応により放出表面にバリウムを与えるように設けられたバリウム化合物とからなる。この母材は、粉体冶金学法を用いたタングステン粉体から生成される多孔性タングステン母材からなるのが好ましい。この多孔性母材には、ＢａＯ，ＣａＯ及びＡｌ２Ｏ３の混合物が含浸させられる。このため、ＢａＣＯ３，ＣａＣＯ３及びＡｌ２Ｏ３の混合物が融かされ、その多孔性母材には溶融浸透により当該混合物が充填される。そしてボディの表面は、超音波及び水により外側に付着する酸化物の混合物が洗浄され、その後にバリウム含有基部層が設けられる。こうしたスカンデート含浸型カソードは、耐用年数が長く、電子電流密度が高く、カソード表面にわたる均等な放出を呈するものの、スカンデート含浸型カソードに伴う大きな問題が依然として存在する。すなわち、通常の２時間の活性化フェーズの後に、通常の動作温度１０３３℃における１００時間よりも長い付加的な動作時間が、３００Ａ／ｃｍ２よりも大なる最大の電子電流密度に達するまで必要である点である。この問題は、上記文献に記述されているカソード被覆とカソードボディとの間の付加的なバリウム含有基部層により軽減することができない。さらに、より急速に最大放出電流密度を達成するための活性化フェーズの大幅な延長は、活性化温度における電子放出材料の高い蒸発レートを考慮すると、これはカソードの耐用年数の短縮及び電子ビームを導くための手段の汚れによる絶縁欠陥のリスクの増加に繋がるので、実用的でない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明の目的は、同じ活性化条件の下で活性化フェーズが終了した直後における最大放出電流密度を呈する改善されたスカンデート含浸型カソードを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、カソード支持体と、カソードボディと、レニウム又はレニウム合金及びスカンジウム酸化物又はスカンジウム合金の１つ又は複数の交互配置層からなる層組織を有するカソード被覆と、前記カソードボディと前記カソード被覆との間に配される活性化促進層組織とを有するスカンデート含浸型カソードであって、前記活性化促進層組織は、バリウム酸化物その他のアルカリ性土類金属酸化物を有する少なくとも１つの放出層と、前記カソードボディの材料よりも高い耐酸化性を持つ障壁材料及びバリウム酸化物その他のアルカリ性土類金属酸化物を還元するための活性化材料を有する活性化層組織とを有する、カソードによって達成される。カソードボディとスカンジウム含有層組織との間の本発明による活性化促進層組織の構成によって、放出するアルカリ性土類金属／スカンデート合成物、好ましくはＢａ／スカンデート合成物の促進された形成のためにスカンデート酸化物又はスカンデート合金の層の近傍に、酸化に対する保護が施されたアルカリ性土類金属ソース、好ましくはバリウムソースが配される。必要とされる成分のアルカリ土類金属、好ましくはバリウムは、活性化層組織から放出層中に熱的に拡散する活性化材料の還元作用により放出される。障壁材料は、カソードボディからの酸素による酸化に対して、活性化材料及び放出されるアルカリ性土類金属好ましくはバリウムを保護する。
【０００５】
前記障壁材料は、Ｒｅ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｎｉなる群のうちの少なくとも１つの元素を有するものとすると、有利である。これら元素は、カソードボディの材料、通常はタングステンよりも不活性の度合いのかなり高いものであり、すなわちこれらはカソードボディの材料よりも酸化し易さの度合いが非常に低いのである。
【０００６】
前記活性化材料は、Ｃ，Ｚｒ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉなる群のうちの少なくとも１つの元素からなるものとすると、特に有利である。これら元素は、カソード動作温度において高い拡散性を有し、アルカリ土類金属酸化物、好ましくはバリウム酸化物と一緒に、活性材料酸化物及び成分のアルカリ土類金属好ましくはバリウムを形成する。
【０００７】
１つの有利な実施例では、前記活性化層組織は、少なくとも１つの障壁材料の層と少なくとも１つの活性化材料のドーピングとを有する。
【０００８】
他の有利な実施例では、前記活性化層組織は、少なくとも１つの障壁材料の第１の層及び第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に配された少なくとも１つの活性化材料の活性化層とを有するものであり、当該活性化層は、小型であり、或いは超微細な粒子からなるものとすることができる。「超微細な粒子」という文言は、１ｎｍないし数１００ｎｍの粒径を有する粒子を意味する。
【０００９】
他の有利な実施例において、活性化層組織は、少なくとも１つの活性化材料及び少なくとも１つのの障壁材料の１つ又は複数の層を有し、当該障壁材料が当該活性化材料をカプセル化する。
【００１０】
さらに有利なものとしては、前記活性化促進層組織は、３０ｎｍないし１０μｍの厚さを有するものとし、生成される、活性化材料又はアルカリ土類金属好ましくはバリウムの酸化を防ぐために十分な障壁効果を達成するようにすれば、活性化材料の放出層への拡散距離は長過ぎず、これによりアルカリ土類金属酸化物好ましくはバリウム酸化物の還元のレートが低過ぎず、アルカリ性土類金属酸化物好ましくはバリウム酸化物の十分な量が当該還元のために利用可能となる。
【００１１】
特に有利なのは、前記カソード支持体は、当該放出方向において見た場合に、前記層組織の上方において前記層組織の一部を被覆する保護デバイスを有する場合である。したがって、電子ビームに寄与しない層組織の表面から気化した材料は、当該保護装置の内側（当該層組織の表面に面する側）に析出し、例えば電子ビームを導くための装置の例えばカソード周辺の汚れが少なくとも大幅に減少する。
【００１２】
本発明はまた、先行する請求項のいずれかに記載されているようなスカンデート含浸型カソードを少なくとも１つ有する真空電子管に関する。
【００１３】
以下、図面に示される各具体的実施例を参照して本発明を詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
スカンデート含浸型カソードは、多くの真空電子管において、特に、電子ビームリソグラフィのためのシステムだけでなくＣＲＴマイクロ波管、高周波管、Ｘ線管又は熱電子発電器におけるカソードとしても用いられる。開始時において、スカンデート含浸型カソードは、動作温度よりも高い活性化温度で活性化フェーズを通じて機能する。通常の活性化時間は２時間である。通常の動作温度１０３３℃では、本発明による活性化促進層組織５を持たない従来のスカンデート含浸型カソードは、最大飽和放射３００Ａ／ｃｍ２から４００Ａ／ｃｍ２が得られるまで、平均的に１００動作時間をかけて電子放出の比較的に緩慢な立ち上がりを呈する。最大値までの飽和放出の上昇期間は、動作温度を大幅に上回る温度で延長された活性化フェーズにより短くすることができるが、エミッタ材料特にバリウムの増大する気化及びこれに伴う耐用年数の短縮化を考慮すると、これは有利ではない。また、エミッタ材料の増加する気化により、カソード周辺、特に電子ビームをフォーカシングし偏向するための手段の汚れが生じ、これが真空電子管の動作特性の減退を招く。
【００１５】
図１は、本発明によるスカンデート含浸型カソードを示しており、これには、平均的に１０３３℃の動作温度を発生するための加熱コイル１と、熱損失を防止しカソード支持体３を保持するためのカソードシャフト２と、カソード支持体３上に配されたカソードボディ４と、レニウム又はレニウム合金６１とスカンジウム酸化物又はスカンジウム合金６２の１つ又は複数の交番層（図２参照）からなる層組織６と、カソードボディ４と層組織６との間に配される活性化促進層組織５とを有するカソード被覆５及び６とを有し、当該活性化促進層組織は、アルカリ性土類金属酸化物好ましくはバリウム酸化物を有する少なくとも１つの放出層５２と、カソードボディの材料よりも大きな酸化耐性を持つ障壁材料及びアルカリ性土類金属酸化物好ましくはバリウム酸化物を還元するための活性化材料を有する活性化層組織５１とを有する。
【００１６】
従来技術のスカンデート含浸型カソードでは、活性化フェーズが終了したときの飽和放出の緩慢な上昇は、高放出Ｂａ／スカンデート合成物が堆積されたスカンジウム含有層６２と、カソードボディ４の細孔４２の領域におけるカソードボディ４の材料とのバリウム酸化物含有含浸体４１の化学反応により活性化及び動作温度（図２参照）においてのみ生成される原子状バリウムとから形成されるという事実によるものである。バリウムは、低速な表面及び固体拡散によってスカンジウム含有層６２中へ透過する。図１に示されるような本発明によるスカンデート含浸型カソードは、層構造体６（図２参照）の下方にアルカリ性土類金属酸化物を有する放出層５２の形態のアルカリ性土類金属ソースを備えた活性化促進層組織５を有し、当該アルカリ性土塁金属ソースは、活性化層組織５１により酸化から保護される。一好適実施例では、この層５２は、例えばバリウム酸化物、ストロンチウム酸化物及びカルシウム酸化物の混合物などのアルカリ性土類金属酸化物のバリウム含有混合物からなる。さらに効果的な実施例では、放出層５２がバリウム酸化物からなる。活性化層組織５１は、好ましくは、カソードボディの材料よりも高い耐酸化性を持つ、Ｒｅ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｎｉなる群のうちの少なくとも１つの元素からなる材料を有するのが良く、これにより、放出層５２において放出されたアルカリ性土類金属の酸化を防ぐための障壁層を形成する。好ましくはバリウムとされるアルカリ性土類金属の放出は、活性化材料により実現可能となる。Ｃ，Ｚｒ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉなる群のうちの元素であるのが好ましい活性化層組織５１に含まれる活性化材料は、高い拡散係数を有し、これによりカソードの活性化温度において放出層５２中へ急速な拡散をなし、もって、好ましくはバリウム酸化物とされるアルカリ性土類金属酸化物の還元と、これに伴う好ましくはバリウムとされる原子状アルカリ性土類金属の放出とを引き起こし、好ましくはＢａ／スカンデート合成物とされる高放出アルカリ性土類金属／スカンデート合成物を形成するようになる。層組織６の下方の放出層５２の構成により、好ましくはバリウム原子とされる放出されるアルカリ性土類金属原子は、当該アルカリ性土類金属がカソードボディ４内の細孔４１の壁部上に排他的に形成されこれにより層６２に届くように長い拡散距離にわたり移動しなければならない場合よりも大幅に高速に、隣接するスカンジウム含有層６２中へ急速に拡散し、好ましくはＢａ／スカンデート合成物とされる高放出アルカリ性土類金属／スカンデート合成物を形成することができる。
【００１７】
カソード被覆５及び６は、従来のコーティング方法により生成可能である。こうした方法は、例えば、超微細粒子を生成しこれによるコーティングをなすための、粉末冶金法、ＣＶＤ、ＰＣＶＤ、スパッタリング、蒸着及びレーザ切断デポジション（ＬＡＤ；laser ablation deposition）を含む。本発明による活性化促進層組織５は、様々な方法で形成可能である。
【００１８】
１つの効果的実施例（図３参照）では、放出方向７において分かるようにその上方に配される層の酸化を少なくとも大幅に減らすため、ドーピングとして活性化材料５１５を有する障壁材料の層５１４がカソードボディ４に設けられる。放出層５２中への活性化材料５１５の拡散のレートは、活性化材料５１５の成分固有の拡散定数と、障壁層５１４における活性化材料５１５の濃度と、その粒状組織と、動作温度とによって決まる。好ましくはバリウム酸化物とされるアルカリ性土類金属酸化物がその後に還元しこれにより原子状アルカリ性土類金属（好ましくはバリウム）が放出されるレートは、放出層５２の組成によって決まる。アルカリ性土類金属の生成レートは、層５２が全部バリウム酸化物からなるときに最も高い。但し、異なる組成を有する放出層も可能であり、当該放出層の蒸気圧を調整するため、例えば、Ｂａ酸化物、Ｓｒ酸化物及び／又はＣａ酸化物の混合物とすることができる。
【００１９】
他の効果的実施例（図４参照）では、放出方向７において分かるようにその上方に配される層の酸化を少なくとも大幅に減らすために、障壁材料の層５１３がカソードボディ４に設けられる。活性化材料の活性化層５１２は、層５１３に形成され、この活性化層は、放出層５２の中へ当該活性材の拡散のレートを制御するために、障壁材料の他の層５１１の下方に配される。放出層５２は、この、他の層５１１の上方に配される。放出層５２中への活性化材料の拡散のレートは、活性化材料の当該成分固有の拡散定数、障壁層５１１の動作温度及び層厚さ並びにその粒状組織により決まる。活性化層５１２は、この場合、超微細な粒子の１つ又は複数の層からなる小型の層又は多孔性の層として形成可能である。
【００２０】
さらに他の効果的実施例（図５参照）において、活性化層組織５１は、障壁材料及び活性化材料の超微細な粒子５１７の１つ又は複数の層からなり、当該粒子の構造が、障壁材料による活性化材料のより効果的な保護が達成されるようなものとされる。例示として、この障壁材料は、活性化材料をカプセル化する。活性化層組織の厚さは、好ましくはバリウムとされる放出層５２において生成される原子状アルカリ性土類金属がカソードボディ４からの酸素により無視できる程度にしか又は全く酸化されないようにすることができる。放出層５２中への活性化材料の拡散のレートは、活性化材料の成分固有の拡散定数により、サイズ、密度及び活性化材料と障壁材料との量的な比などの超微細な粒子の特性により、また、当該粒子の表面における気化特性により、さらには動作温度により決まる。
【００２１】
上述した本発明による各層は、例えば、蒸着、スパッタリング又はＣＶＤのような薄膜堆積方法により、或いは超微細な粒子を生成するための方法により生成される。これらの層は、堆積態様を変えることによって、レーザ切断デポジション（ＬＡＤ）により非常に簡単に生成可能である。例えば、Ｐｔ，Ｚｒ及び／又はＲｅからなるバリア層のような小型の層は、０．１ないし０．０１ｍｂａｒのコーティング圧力で低圧ＬＡＤにより生成可能である。同じことが、既に組み入れられている活性化材料を伴う層に対しても言える。例えばコーティング圧力２〜５ｍｂａｒにおいて超微細な粒子の層が得られる。活性化材料の酸化を防ぐために、比較的に高い圧力で生成される活性化材料の粒子を、低圧の第２の差動で汲み上げられる領域においてフライスルー方法（fly-through method）により障壁材料で被覆することによって、活性化材料の超微細な粒子を障壁材料によりカプセル化することができる。当該超微細粒子のカプセル化は、後続の湿式化学処理によっても可能である。
【００２２】
最後に、本発明による活性化層組織は、カソードボディ上へ活性化材料がドープされたバリア材料のシートを点溶接することによっても生成することができる。但し、このためには、当該シートは、カソードボディから層組織６へのバリウムの必要な拡散のために予め穿孔されていなければならない。
【００２３】
本実施例により、活性化促進層組織５が３０ｎｍないし１０μｍの厚さを有すると特に効果的である。
【００２４】
一例として、バリウム含有放出層５２を有する本発明によるスカンデート含浸型カソードは、本発明による活性化促進層組織のために非常に多量のＢａ／スカンデート合成物が活性化フェーズにおいて形成されるので、１１３０℃ないし１１６０℃の活性化温度において２時間の活性化期間内で４００Ａ／ｃｍ２の放出電流密度までの全活性化により特徴づけられる。また、本発明によるスカンデート含浸型カソードは、放出のより高い均等性、電子ビームによる残留気体のイオン化の後の真空電子管内のイオン衝撃に対するより高い耐性、及びより長い耐用年数を呈する。
【００２５】
本発明による活性化促進層組織はまた、酸化物カソードのために基部層にも適用可能であり、Ｓｃ２Ｏ３又は他のＳｃ含有化合物がドープされる二重及び／又は三重カーボネートがその後に吹き付けにより塗布されるものとすることができる。この場合、高放射Ｂａ／スカンデート合成物も、活性化フェーズにおいて極めて急速に形成される。
【００２６】
最後に、カソードの変形体は、バリウム酸化物含有中間層が被覆され活性化材料がドープされた基部層上に小型の（Ｂａスカンデート及びレニウム）層により製造可能であり、含浸型のカソードボディの必要性がない。結果として、正に小さい表面粗度を持つ非常に平坦なエミッタを作ることができて好都合である。
【００２７】
図面及び詳細な説明に基づいて説明した実施例は、真空電子管の電子放出のためのスカンデート含浸型カソードの具体例に過ぎないものであり、特許請求の範囲をこうした具体例に限定するものとして理解することを意図していない。当業者であれば代替の実施例も実現可能であり、特許請求の範囲の保護範囲に含まれるものでもある。従属請求項の符号付けは、請求項の他の組み合わせが本発明の効果的な実施例を構成しないことを意味するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明によるスカンデート含浸型カソードを示す図。
【図２】本発明によるカソード被覆を備えるカソードボディを示す図。
【図３】本発明による活性化促進層組織の一実施例を示す図。
【図４】本発明による活性化促進層組織の他の実施例を示す図。
【図５】本発明による活性化促進層組織のさらに他の実施例を示す図。
【図６】保護装置を備える本発明によるスカンデート含浸型カソードを示す図。
【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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【図６】
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【国際調査報告】
2008524794.tif 000009
2008524794.tif 000010