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Die Erfindung betrifft eine spitzenförmige Kaltkathode, welche aus einem Metall hoher
Schmelztemperatur, zweckmässig aus W, Re, Th gefertigt ist. Solche Kaltkathoden können in einfachen oder mehrfachen Kathodenkonstruktionen Verwendung finden. Als Anwendungsgebiet der Erfindung kommen vor allem, jedoch nicht ausschliesslich Fernsehbildröhren, Hochspannungs-Gleichrichterröhren und Kathoden von Elektronenkanonen in Frage. Bekanntlich arbeiten die meisten Elektronenröhren mit (indirekt oder direkt geheizten) Glühkathoden. Nach dem Einschalten des Heizstromes treten Elektronen aus der auf der Oberfläche der Kathode befindlichen, unter der Wirkung des Stromes glühenden, emittierenden Schicht aus und bewegen sich unter der Wirkung des zwischen den Elektroden vorhandenen elektrischen Feldes in Richtung zur Anode.
Bedingung zur Funktion dieser Kathoden ist, dass die Kathode unter der Wirkung des Heizstromes eine entsprechende Temperatur aufweist.
Wegen des erforderlichen Heizstromes hat die Anwendung der Glühkathoden mehrere Nachteile, u. zw. vor allem, dass zur Funktion der Entladungsröhre eine Heizleistung erforderlich ist. In die Entladungsröhre sind die Heizstromkreiselemente einzubauen. Insbesondere bei indirekt geheizten Kathoden ist nach dem Einschalten eine Zeitspanne erforderlich, bis die Kathode auf Emissionstemperatur kommt, und während dieser Zeit funktioniert die Röhre nicht. Die glühende Kathodenschicht erzeugt ständig, wenn auch nur in geringem Masse, Gas, verdampft, und zufolge dieser Kathodenabnutzung hat die Röhre eine beschränkte Lebensdauer.
Die sogenannten Kaltkathoden sind von den vorerwähnten Nachteilen frei. Ihre Wirkungsweise beruht darauf, dass Elektronen nicht nur aus glühenden Metallen in den luftleeren Raum austreten, sondern dass Elektronenaustritt bei entsprechender Feldstärke nach dem quantenmechanischen Tunneleffekt sogar bei Zimmertemperatur schon von endlicher Wahrscheinlichkeit ist und daher stattfinden kann. Diese nicht geheizten Emitter werden Kaltkathoden genannt. Ihr Vorteil liegt vor allem in der unbeschränkten Lebensdauer und zufolge Fortfalls der Anheizzeit in der vom Augenblick des Einschaltens an vorhandenen sofortigen Funktionsfähigkeit.
Die für die Feldemission aus einer Kaltkathode notwendige hohe Feldstärke (etwa 106V/cm) ist z. B. mittels Spitzenwirkung erreichbar, d. h. die Kathode wird in Nadelform gefertigt. Orientierungshalber ist zu erwähnen, dass, wenn z. B. auf einer aus Wolfram gefertigten, nadelförmigen Kathode eine Spitze von etwa l Durchmesser ausgebildet wird, die erwähnte Feldstärke schon bei 2000 bis 3000 V Anodenspannung realisierbar und ein Strom von etwa 10-9 A erzielbar ist. Diese niedrige Stromstärke ist jedoch nicht für jeden praktischen Zweck ausreichend.
Ziel der Erfindung ist es, eine solche Kaltkathode herzustellen, die einen um fünf bis sechs Grössenordnungen höheren Strom liefern kann, also in der Praxis ohne Überlastung der Konstruktion anwendbar ist.
Im Laufe von Versuchen, die zur Erfindung führten, wurde festgestellt, dass, wenn in den Stoff von aus W oder aus einem andern (z. B. Re, Nb) Metall hoher Schmelztemperatur gefertigen Kathoden Zr, Hf, La (oder ein Lanthanid) mit Thorium zusammen im Wege von Diffusion hineingeführt wird, vermutlich wegen Verminderung der Austrittsarbeit, die erwähnte Feldemission erzielbar ist. Dabei wurde festgestellt, dass die Elektronenaustrittsarbeit gegenüber einem Wert von 4, 5 eV des reinen W, bei dem mittels der bezeichneten Komponenten diffundierten Stoff nur 1, 7 bis 2, 5 eV betrug.
Die Erfindung besteht somit darin, dass die emittierende Oberfläche der Spitze in an sich bekannter Weise durch ein Dreistoffsystem gebildet ist und dass dieses Dreistoffsystem ausser dem Elektrodenstoff und Thorium als dritte Komponente eines der Metalle Zr, Hf, La bzw. der Lanthanid-Metalle enthält.
Die Zugabe von Thorium ist immer notwendig, so dass die emittierende Schicht als Dreistoffsystem mit Thoriumgehalt anzusehen ist. Eine Feldemissionskathode, deren Oberfläche im Bereich ihrer Spitze oder Schneide aus einem Dreistoffsystem besteht, ist aus der deutschen Auslegeschrift 1290637 bekannt. Dabei muss die Spitze bzw. Schneide in einer Gitterebene des Kathodenmaterials liegen und es sind darauf über den Atomen des Kathodenmaterials einen Überzug bildende weitere Atome aufgebracht, deren Elektronenaustrittsarbeit kleiner ist als auf den übrigen Oberflächenbereichen der Kathode, wobei unter den den Überzug bildenden Atomen eine dritte Art von Atomen vorhanden ist, die in der Spannungsreihe der Elemente so weit von den den Überzug bildenden Atomen entfernt sind, dass sie diese anziehen.
Unter diesen Bedingungen kommen als Grundmaterial Wolfram, Molybdän, Platin oder Nickel, für den Überzug Zirkonium, Hafnium oder Magnesium, aber auch Caesium, Barium und Thorium, und für die Zwischenschicht Sauerstoff, Stickstoff oder ein Halogen in Frage.
Die bekannte Kathode muss aus einem Einkristall hergestellt werden, wobei die Spitze oder Schneide vorzugsweise in einer (100)-Kristallebene liegen soll, welche die kleinste Austrittsarbeit ergibt. Während Cs, Ba und Th an den (100)-und (211)-Ebenen von W haften, wodurch viele, mit Abstand zueinander angeordnete Emissionsquellen auf der Kathode entstehen können, was als nachteilig anzusehen ist, wird W von Zr nicht benetzt. Zur Erzielung einer Haftung der Emissionsschicht auf der Wolframoberfläche wurde die Zwischenschicht vorgeschlagen. Es besteht dann aber noch immer der Nachteil, dass die extrem dünne Oberflächenschicht der bekannten Kathode durch im Betrieb praktisch unvermeidlichen lonenaufprall abstäubt und die Kathode daher keine lange Lebensdauer erreicht.
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Mit der Erfindung werden diese Nachteile dadurch beseitigt, dass die Kaltkathode oberflächlich aus einer Legierung reiner Metalle besteht, obei eine ternäre Legierung mit einem solchen Metall gebildet wird, das sowohl Wolfram als auch Zirkonium, Hafnium oder eines der seltenen Erdmetalle benetzt und mit diesen eine Legierung eingeht. In diesem Fall enthält die Spitzenkathode in ihrem Körper das Element niedriger Austrittsarbeit, und wenn auch durch Ionenaufprall die oberste Schicht abgestäubt wird, ändert sich die Emission der Kathode nicht, weil hiedurch die Legierung weder in ihrer Zusammensetzung noch in ihrem Material geändert wird. Die Anwendung von Legierungen der erfindungsgemässen Art bietet den weiteren Vorteil, dass die Feldemissionskathode nicht aus einem Wolframeinkristall hergestellt werden muss.
Die erforderliche Difussionstechnik ist auf diesem Gebiet dermassen bekannt, dass ein näheres Eingehen darauf nicht erforderlich ist.
Die diffundierten Spitzenkathoden werden zur Erzeugung von Dioden in Gefässe eingebaut, diese sodann in bekannter Weise bei 10-6 Torr entlüftet und zwecks Aktivierung der Kathode während einer kurzen Zeit auf 1000 bis 12000C geglüht. Dies kann mit einem Heizkörper erfolgen, der als Kathodenträger dient.
Wenn die in der beschriebenen Weise gefertigten Kathoden für die Erzeugung von Gleichrichterdioden parallel zusammengebaut werden, kann eine überraschende und nicht vorhersehbare Erscheinung beobachtet werden. Beim Zusammenbau des mehrfachen Kathoden-Anoden-Systems zu einer gemeinsamen Einheit verteilte sich die Feldstärke-nach Messungen-gleichmässig zwischen den Kaltkathoden. Bei Hochspannung wurde kein Durchschlag festgestellt, da die Spitzen gegenüber dem unerwünschten Funkenwerfen eine Schutzwirkung ausüben. Bei einer aus zwei oder drei Kathoden-Anoden-Anordnungen bestehenden Einheit ist ein Strom von 500 bis 1000 MA erzielbar, ohne dass auch nur eine der Spitzen schadhaft wird.
Beim Zusammenbau mehrerer Anoden-Kathoden-Einheiten ist darauf zu achten, dass zufolge des durch die Spitze fliessenden Stromes das System nicht selbstanwärmend wird, d. h., dass keine thermische Emission auftritt.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Fig. l zeigt eine Kaltkathodendiode. Die Teile derselben sind : Heizkörper--l-- (für die Aktivierung der Kathode), Wolframspitzenkathode--2--, deren Spitze z. B. ein W-Zr-Dreistoffsystem bildet und Anode--3--.
Fig. 2 veranschaulicht ein zusammengebautes Kathoden-Anoden-Dreistoffsystem. Die Bezeichnungen sind wie in Fig. 1.
Zusammenfassend hat die Erfindung die folgenden hauptsächlichen, vorteilhaften Wirkungen :
Unter Beibehaltung sämtlicher vorteilhafter Eigenschaften der Kaltkathoden (kein Heizstrom und keine Heizarmatur erforderlich, keine Anheizzeit vorhanden, unbeschränkte Lebensdauer, bei mehrfachem Elektrodensystem gleichmässige Felstärkeverteilung, usw. ) ermöglichte die Erfindung die Herstellung von in der Praxis bereits anwendbaren Entladungsröhren, z. B. Gleichrichterdioden und elektrooptischen Systemen, Bildröhren, Oszilloskopröhren usw.