(57)【要約】【課題】低蒸発で熱的に安定で、高出力の放電ランプに用いることのできる含浸型カソードを実現する。【解決手段】アルミニウム酸化物とＩＩａ族元素の酸化物との化学量論的組成の化合物であるアルミン酸バリウム、又は該アルミン酸バリウムのバリウムの一部をカルシウムで置換した化合物からなる含浸材を、高融点金属よりなり多孔質空隙部を有するカソード本体の多孔質空隙部に含浸する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高融点金属よりなり多孔質空隙部を有するカソード本体と、アルミニウム酸化物とＩＩａ族の酸化物との化学量論的組成の化合物からなり且つ前記カソード本体の前記多孔質空隙部に含浸された含浸材とを有することを特徴とする含浸型カソード。
【請求項２】
前記含浸材は、化学量論的組成のアルミン酸バリウム又は該アルミン酸バリウムのバリウムの一部をカルシウム、マグネシウム、又はストロンチウムのいずれかで置換した化合物であることを特徴とする請求項１に記載の含浸型カソード。
【請求項３】
前記含浸材は、Ｂａ３Ａｌ２Ｏ６、ＢａＡｌ２Ｏ４、Ｂａ３−ｘＣａｘＡｌ２Ｏ６（但し、０＜ｘ＜３）、又はＢａ１−ｙＣａｙＡｌ２Ｏ４（但し、０＜ｙ＜１）のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の含浸型カソード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、含浸型カソードに関し、特に高出力の放電ランプに好適な含浸型カソードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
含浸型カソードの代表的な酸化物混合物の含浸材は、その混合比をＢａＯ：ＣａＯ：Ａｌ２Ｏ３換算で４：１：１（以下、４１１含浸材とよぶ。）や６：１：２（以下６１２含浸材とよぶ。）としたアルミン酸バリウムカルシウムであり、いずれも化学量論的組成よりもＢａＯが過剰な組成を有している。このアルミン酸バリウムカルシウムが、タングステン又はモリブデン等の高融点金属からなるカソード本体の多孔質空隙部に含浸されていると、約１０５０℃でその高融点金属の表面にバリウム−酸素双極子（Ｂａ−Ｏ双極子）が形成される。このようにＢａＯ過剰の含浸材は低温でＢａ−Ｏ双極子が形成され、この形成により仕事関数が下がり、高電流密度（〜１０Ａ／ｃｍ２）が得られることが知られている。
【０００３】
特に、含浸型カソードの電子放出面上に、レニウム、オスミウム、イリジウム、ルテニウムのいずれかを数百〜数千オングストロームだけスパッタすることにより、一層の低仕事関数化が得られ、更なる高電流密度（〜２０Ａ／ｃｍ２）が得られることも知られている。
【０００４】
このことから、含浸型カソードは、高電流密度の特徴を活かして、高精細ＣＲＴ用カソードに用いられている。また、カソード表面が高融点金属であるという特徴から、耐熱性およびイオンボンバードに比較的強いことを活かして、高出力電子管用カソードにも用いられている。
【０００５】
このようなＣＲＴや電子管に用いられる含浸型カソードの含浸組成には、より低温で高電流密度を得るために、バリウムリッチな組成である４１１含浸材が多く用いられる。
【０００６】
また、上記含浸型カソードは、放電ランプ用にも使用されているが、この用途での含浸材組成は４１１含浸材よりも安定でより低蒸発な特性を有する６１２含浸材が用いられている。この６１２含浸材を用い且つランプ出力を１５０Ｗ以下に限定すれば、従来からこの分野で用いられてきた酸化トリウム入りタングステンカソードよりもカソード先端の変形が極めて少なく、長寿命が得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、出力が１５０Ｗを越える放電ランプのカソードに従来の含浸材を有する含浸型カソードを用いると、そのカソード先端温度が上昇しすぎ、含浸材からのＢａＯの蒸発が無視できなくなる。このため、ガラス管壁を急速に汚し、光出力が低下する。また同時に、この蒸発が含浸材をカソード表面近傍から失わせるので、電子放出特性も急速に低下する。そして、この電子放出特性の低下がカソード先端温度を更に上昇させ、加速度的にランプ特性を悪化させる。又はカソード自体を溶融変形させてしまう。
【０００８】
以上のように、従来の含浸型カソードを出力１５０Ｗを越える放電ランプに用いると、短時間で管寿命に達するという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、従来の含浸型カソードが出力１５０Ｗ以下の放電ランプにその適用範囲が限定されている問題を解決し、１５０Ｗを越える放電ランプに用いることができる低蒸発で且つ熱的に安定な高出力用途に向いた含浸カソードを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる発明は、高融点金属よりなり多孔質空隙部を有するカソード本体と、アルミニウム酸化物とＩＩａ族の酸化物との化学量論的組成の化合物からなり且つ前記カソード本体の前記多孔質空隙部に含浸された含浸材とを有することを特徴とする含浸型カソードとした。
【００１１】
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の含浸型カソードにおいて、前記含浸材は、化学量論的組成のアルミン酸バリウム又は該アルミン酸バリウムのバリウムの一部をカルシウム、マグネシウム、又はストロンチウムのいずれかで置換した化合物であることを特徴とする含浸型カソードとした。
【００１２】
請求項３にかかる発明は、請求項１に記載の含浸型カソードにおいて、前記含浸材は、Ｂａ３Ａｌ２Ｏ６、ＢａＡｌ２Ｏ４、Ｂａ３−ｘＣａｘＡｌ２Ｏ６（但し、０＜ｘ＜３）、又はＢａ１−ｙＣａｙＡｌ２Ｏ４（但し、０＜ｙ＜１）のいずれかであることを特徴とする含浸型カソードとした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に沿って説明する。図１および図２はその実施形態の含浸型カソードを示す図である。１は含浸型カソード、２はモリブデン性リードである。ここで、図１はフラッシュランプに、図２はショートアークランプに多く用いられる形状である。
【００１４】
本実施形態では、含浸型カソードの含浸材として、化学量論理的組成のアルミン酸バリウムであるＢａ３Ａｌ２Ｏ６、あるいは該アルミン酸バリウムのバリウムの一部をカルシウムで置換した化合物であるＢａ２．５Ｃａ０．５Ａｌ２Ｏ６を用いる。以下、これらの化合物を用いた含浸型カソードの特徴を説明する。
【００１５】
Ｂａ３Ａｌ２Ｏ６含浸材およびそのバリウムの一部をカルシウムで置換したＢａ２．５Ｃａ０．５Ａｌ２Ｏ６含浸材の融点は、１６００℃を越える。これに対し、従来の４１１含浸材および６１２含浸剤は、このような化合物と酸化バリウムとの共晶をなしているので、その融点は１４００℃程度である。前者は化合物を形成しているため融点は高いが、後者は酸化物の混合物なので融点は完全化合物よりは低くなっている。このように、本実施形態で用いるＢａ３Ａｌ２Ｏ６およびＢａ２．５Ｃａ０．５Ａｌ２Ｏ６は、より熱的に安定な含浸材と言える。
【００１６】
次に、熱電子放出特性について説明する。従来の含浸材である４１１含浸材や６１２含浸材は、既に余剰バリウムを有しているので、比較的低温度（約９００℃）で単原子層（電子放出するためにカソード表面に形成されたＢａの１原子レベルの薄い層）形成に寄与する遊離したバリウムが存在している。
【００１７】
これに対して、本実施形態で用いるＢａ３Ａｌ２Ｏ６含浸材およびＢａ２．５Ｃａ０．５Ａｌ２Ｏ６含浸材は、余剰バリウムは無く、従ってタングステン金属との接触還元作用が充分に生じ得る温度までカソードが昇温しない限り、遊離したバリウムは存在しない。しかし、カソード温度が充分に昇温していれば、タングステンの還元作用も高まり、単原子層を形成するに充分な量の遊離バリウムが生じ得る。
【００１８】
本発明者の実験によれば、上記本実施形態の含浸材は、含浸カソードの一般的な動作温度（１０５０℃）よりも低い温度では、従来の含浸材よりもやや熱電子放出特性が低くなる場合も生じたが、カソード温度が１１００℃以上ならば、従来の６１２含浸材と同等な特性が得られた。これは、特に放電ランプ用カソードを用途とする場合においては、動作時に少なくともカソード温度が１１００℃以上になるので、低温度側での熱電子放出特性の低下は問題にならない。
【００１９】
また、従来の含浸材よりも熱的に安定で低蒸発となるので、より高出力ランプ向きとなる。実際、出力２００Ｗを越える放電ランプに使用可能である。
【００２０】
次に、図３を用いて上記の含浸型カソードの製造方法を説明する。
【００２１】
（１）．カソード組立工程：これはカソード先端を整形した多孔質空隙部を有するタングステン製カソード本体とモリブデン製リードを接合する工程である。接合方法は、後述するように、本実施形態の含浸材は含浸温度が高いため、カシメ法を用いる。
【００２２】
（２）．坪量、混合工程：ここでは、含浸材の原料であるＢａＣＯ３、ＣａＣＯ３、Ａｌ２Ｏ３を、化学量論的にＢａ３Ａｌ２Ｏ６又はＢａ２．５Ｃａ０．５Ａｌ２Ｏ６の化合物組成と一致するように坪量する。すなわち、Ｂａ３Ａｌ２Ｏ６の場合は、ＢａＣＯ３：ＣａＣＯ３：Ａｌ２Ｏ３＝６：０：２（モル比）（以下、６０２含浸材とよぶ。）、Ｂａ２．５Ｃａ０．５Ａｌ２Ｏ６の場合は、ＢａＣＯ３：ＣａＣＯ３：Ａｌ２Ｏ３＝５：１：２（モル比）（以下、５１２含浸材とよぶ。）の混合比となるように含浸材の原料を坪量することで、従来のように過剰のＢａＯを含まない含浸材が得られるようにする。次に、アルミナ製の乳鉢か同製ボールミルで、先に坪量したＢａＣＯ３、ＣａＣＯ３、Ａｌ２Ｏ３を１０時間程度混合し、混合物を得る。
【００２３】
（３）．前処理工程：ここでは、前記（２）の工程で得られた混合物を空気炉（条件：１４００℃、５時間）で加熱処理することにより、更なる均質化を図り、同時にアルミン酸バリウム、又は該アルミン酸バリウムのバリウムの一部をカルシウムで置換させた化合物を形成させる。なお、アルミン酸バリウム、特に６０２含浸材は吸水性が強いので、この加熱処理後には速やかに次工程へ進むことが望ましい。
【００２４】
（４）．含浸工程：ここでは、前記化合物を前記の（１）のカソード組立工程で作製したタングステン製カソードの多孔質空隙部（気孔率約２０％程度）に含浸させる。このときの水素炉の含浸条件は、６０２含浸材、５１２含浸材の場合、１７５０℃、３分程度が望ましい。このときの含浸温度が低いと含浸量が必ずしも充分ではなくカソード内部に空孔が存在してしまう。また、これよりも温度が高いと、多孔質タングステンの気孔率が小さくなったり、含浸材の組成変化が生じる可能性がある。
【００２５】
（５）．後処理工程：ここでは、第１の後処理▲１▼と第２の後処理▲２▼を続けて行う。まず、第１の後処理▲１▼は物理的化学的処理（含浸後にカソード表面の含浸材を除去すること）により、カソード表面近傍の含浸量を制御する工程である。この工程により、放電ランプ用カソードとして動作させたときに含浸材の初期蒸発が抑制でき、管壁の汚れが少なくできる。また、カソード表面に含浸材がない領域ができることにより、アーク放電動作をさせたときに、カソード先端部の多孔質タングステンがセルフコンシステントに緻密化し、機械的強度が向上する。以上のことより、ランプの長寿命化に貢献する。第２の後処理▲２▼は、含浸により一旦溶融固化した含浸材をエージングにより安定化させる工程である。本実施形態で用いる含浸材の組成は化合物であることから、このエージング工程により、結晶性が向上し、熱的に安定化する。
【００２６】
以上、実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態ではアルミン酸バリウムとしてＢａ３Ａｌ２Ｏ６を用いたが、他に同様の化学量論的組成のＢａＡｌ２Ｏ４の化合物を使用することもできる。この場合、ＢａＣＯ３：ＣａＣＯ３：Ａｌ２Ｏ３＝１：０：１（モル比）となるように含浸材の原料を混合する。また、含浸条件を１９５０℃となる点が異なる。このＢａＡｌ２Ｏ４化合物はややバリウムが少なくなるが、前記したＢａ３Ａｌ２Ｏ６化合物と同様に有用である。
【００２７】
また、アルミン酸バリウムのバリウムの一部をカルシウムで置換した化合物として、Ｂａ２．５Ｃａ０．５Ａｌ２Ｏ６を用いたが、Ｂａ３−ｘＣａｘＡｌ２Ｏ６（但し、０＜ｘ＜３）に示される任意の組成でも良い。これは、Ｂａ３Ａｌ２Ｏ６とＣａ３Ａｌ２Ｏ６が所定の比率で溶け合った固溶体で構成される。
【００２８】
また、ＢａＡｌ２Ｏ４のバリウムの一部をカルシウムで置換した化合物Ｂａ１−ｙＣａｙＡｌ２Ｏ４（但し、０＜ｙ＜１）に示される任意の組成でも良い。これは、ＢａＡｌ２Ｏ４とＣａＡｌ２Ｏ４が所定の比率で溶け合った固溶体で構成される。
【００２９】
さらに、以上ではＡｌ２Ｏ３、ＢａＣＯ３、ＣａＣＯ３等の酸化物を原料としたが、ＭｇＣＯ３、ＳｒＣＯ３等のＩＩａ族の別の酸化物も原料として使用でき、アルミン酸バリウム化合物のバリウムの一部をマグネシウムやストロンチウム等で置換した化合物を含浸材料とすることも可能である。また、含浸型カソードの電子放出面上に、レニウム、オスミウム、イリジウム、ルテニウムのいずれかを数百〜数千オングストローム程度スパッタすることにより、低仕事関数化され、高電流密度の含浸型カソードを得ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上から本発明の含浸型カソードを放電ランプ用カソードとして用いた場合、従来の放電ランプ用含浸型カソードに比べ、低蒸発で且つ熱的に安定となり、更なる高出力の放電ランプに用いることが可能となる。すなわち、従来の含浸型カソードは出力が１５０Ｗ以下の放電ランプにのみ搭載可能であったが、本発明の含浸型カソードは２００Ｗを越える放電ランプに用いることができる。また、低蒸発であるので、長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の含浸型カソードの側面図である。
【図２】本発明の別の実施形態の含浸型カソードの側面図である。
【図３】本発明の含浸型カソードの製造工程の説明図である。
【符号の説明】
１：含浸型カソード、２：モリブデン製リード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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