<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
Werkwijze voor het vervaardigen van een naleveringskathode.
De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een naleveringskathode waarbij een poeder van een hoog-smeltend metaal en een scandium houdend poeder met elkaar worden gemengd en tot een kathodelichaam worden geperst, waarbij het kathodelichaam tevens wordt voorzien van een barium houdende component.
Een dergelijke werkwijze is bekend uit een Europese octrooiaanvrage die onder nummer 298. voor het publiek ter inzage is gelegd. Bij de bekende werkwijze worden een hoog-smeltend metaal in de vorm van wolfraampoeder en een scandiumhoudend poeder, bestaande uit zuiver scandium of scandiumhydride, met elkaar gemengd in een verhouding van 95 gewichtsprocent, waama het poedermengsel wordt samengeperst en gesinterd tot een kathodelichaam van overwegend poreus wolfraam waarin het scandium is verdeeld. Het kathodelichaam wordt verder voorzien van een barium houdende component door het kathodelichaam bij verhoogde temperatuur te impregneren met gesmolten barium-calcium-aluminaat.
Een dergelijke kathode wordt gewoonlijk aangeduid als mixed-matrix scandaatkathode en omvat een poreuze matrix van overwegend het hoog-smeltend metaal waarin geoxydeerd scandium (scandaat) is verdeeld, waarbij de barium houdende component, gewoonlijk in een geoxydeerde vorm, zich in de ponen van de matrix bevindt.
De geoxydeerde toestanden van scandium en van barium zullen navolgend worden aangeduid als respectievelijk scandiumoxyde en bariumoxyde zonder overigens daarbij bij uitsluiting te duiden op zuiver stoichiometrische verbindingen tenzij zulks uitdrukkelijk is vermeld. Zo kunnen de geoxydeerde toestanden bijvoorbeeld tussenvormen van stoichiometrische oxyden bevatten, zogenaamde mengoxyden.
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
De barium houdende component zorgt ervoor dat aan het emitterende oppervlak van de kathode een mono-atomaire laag wordt gevormd die barium bevat.
Het bariumoxyde is daarbij door het matrixmetaal tot barium gereduceerd. Als gevolg van de mono-atomaire, toplaag wordt de uittreepotentiaal van vrije elektronen in de matrix voldoende verlaagd om elektronenemissie mogelijk te maken. Omdat de monoatomaire toplaag als gevolg van de onvermijdelijke verdamping van barium continu barium verliest, dient echter wel voortdurend barium te worden nageleverd om de laag in stand te houden, hetgeen de naam van een dergelijk kathode verklaart. In deze nalevering wordt voorzien doordat tijdens bedrijf al dan niet gereduceerd bariumoxyde vanuit de poriën naar het emitterende oppervlak diffundeert om daar de mono-atomaire laag aan te vullen.
In een mixed-matrix scandaatkathode wordt de uittreepotentiaal van de elektronen verder verlaagd doordat in de mono-atomaire toplaag behalve barium ook scandium aanwezig is. Een dergelijke kathode heeft daardoor een uitermate hoog rendement, waardoor reeds bij relatief lage temperaturen een betrekkelijk sterke elektronenemissie kan worden gerealiseerd. Zo kan met een kathode van de in de aanhef genoemde soort reeds bij een stooktemperatuur van circa 1000 een elektronenemissie van ruim 100 A/cm worden gerealiseerd, hetgeen overeenkomt met een rendement dat meer dan een factor 10 hoger is dan van een naleveringskathode waarin geen scandaat aanwezig is.
Een kathode van de in de aanhef genoemde soort is daardoor uitermate geschikt voor toepassing in een elektronenvacuümbuis, in het bijzonder in een beeldbuis waarbij met behulp van een door de kathode opgewekte elektronenbundel een beeld op een beeldscherm wordt afgebeeld of een opneembuis waarbij met behulp van een door de kathode opgewekte elektronenbundel beeldinformatie van een trefplaat wordt uitgelezen.
Een probleem dat zieh bij de vervaardiging van een dergelijke kathode in de praktijk kan voordoen is dat de uitgangspoeders slechts moeizaam met elkaar mengen. Vaak hebben het scandium houdende materiaal en het hoogsmeltend metaal de neiging tot ontmengen. Daarbij komt dat vooral zeer fijne poeders, dat wil zeggen poeders met een zeer kleine gemiddelde korrelgrootte, de neiging blijken te hebben om te gaan klitten wat bijdraagt aan een slechte mengbaarheid van de poeders onderling maar bovendien leidt tot een slechte hanteerbaarheid en een lastige verwerking.
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
Met de uitvinding wordt beoogd in een werkwijze van de in de aanhef genoemde soort te voorzien waarbij dit probleem wordt ondervangen.
Daartoe heeft een werkwijze van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding als kenmerk dat beide poeders en een geschikte binder met elkaar worden vermengd, dat het geheel wordt uitgehard en wordt vermalen tot granules van gemiddeld een grotere omvang dan de korrels van de uitgangspoeders en dat van de granules vervolgens een kathodelichaam wordt geperst.
Met de binder, zoals in het bijzonder een acrylaathars opgelost in aceton, wordt het poedermengsel tot een stroperige massa gebonden waarin de poeders homogeen zijn gesuspendeerd. Deze massa wordt uitgehard waarbij eventueel oplosmiddel van de binder wordt verdreven. Door de resulterende uitgeharde koek vervolgens te vermalen tot granules die gemiddeld genomen een aanmerkelijk grotere omvang hebben dan de korrels van de uitgangspoeders wordt een granule-poeder verkregen met een aanmerkelijk grotere fluiditeit dan de uitgangspoeders dat in tegenstelling tot de relatief fijne uitgangspoeders gemakkelijk en zich daardoor gemakkelijker laat hanteren en verwerken.
Meer in het bijzonder wordt volgens de uitvinding voor het persen van het kathodelichaam uitgegaan van granules met een gemiddelde korrelgrootte van meer dan circa 50 In tegenstelling tot de korrels van de uitgangspoeder bevatten de granules in het algemeen geen zuiver materiaal maar materiaal van zowel het ene als het andere uitgangspoeder. Beide materialen, i. het hoog-smeltende metaal en het scandium houdende materiaal, zijn met behulp van de binder homogeen gemengd en daardoor ook uniform over de granules verdeeld en uiteindelijk voldoende homogeen in het kathodelichaam aanwezig. In tegenstelling tot de korrelgrootten van de uitgangspoeders speelt de granulegrootte daarom op zichzelf geen rol voor wat betreft de uniformiteit van de verdeling van de verschillende componenten over het kathodelichaam.
De uitvinding staat het met name toe om voor de vervaardiging van de kathode uiterst fijne uitgangspoeders toe te passen. Een bijzondere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding heeft dan ook als kenmerk dat voor het hoogsmeltende metaal wordt uitgegaan van een poeder met een gemiddelde korrelgrootte van ten hoogste 1 Am en dat in het scandium houdende poeder de gemiddelde korrelgrootte ten hoogste 10 um bedraagt. Aldus kan een uitermate homogene verdeling van beide uitgangpoeders over het kathodelichaam worden bereikt.
<Desc/Clms Page number 4>
Het is gebleken dat dergelijke fijne uitgangspoeders resulteren in een kathode met een verbeterd herstel na ionenbombardement in vergelijking met conventionele kathodes die zijn vervaardigd op basis van uitgangspoeders met, in verband met de hanteerbaarheid van de poeders, noodzakelijkerwijs aanmerkelijk grotere korrels.
In het bijzonder indien van zeer fijne uitgangspoeders wordt uitgegaan, wordt de barium houdende component bij voorkeur reeds aan het poedermengsel toegevoegd en te zamen daarmee tot granules verwerkt waarin nu behalve het hoogsmeltende metaal en het scandium houdende materiaal tevens de barium houdende component homogeen is verdeeld. De barium houdende component behoeft in dat geval niet, zoals bij de bekende werkwijze, in gesmolten toestand aan een reeds geperst kathodelichaam te worden toegevoegd. Hierdoor wordt tegengegaan dat de scandium houdende component wordt uitgeloogd. Veel gangbare scandium houdende materialen, zoals bijvoorbeeld zuiver scandium, scandiumoxyde en scandiumhydride, blijken namelijk bijvoorbeeld in gesmolten barium-ca1cium-aluminaat op te lossen.
Bovendien is gebleken dat de aanwezigheid van de barium houdende component, zoals in het bijzonder een barium-ca1cium-aluminaat, een remmende werking uitoefend op het onderling sinteren van het hoogsmeltende metaal en het scandium houdende materiaal indien de barium houdende component voorafgaand aan het sinteren is toegevoegd. Een dergelijk sinteringsproces wordt in het algemeen uitgevoerd nadat het kathodelichaam is geperst. Het is gebleken dat de sintertijd en sintertemperatuur dramatisch afnemen naarmate de gemiddelde korrelgrootten in de uitgangspoeders kleiner worden gekozen.
Hierdoor is het sinterproces bij zeer fijne uitgangspoeders moeilijk beheersbaar en kan het sinteringsproces zich zelfs bij de bedrijfstemperatuur van de kathode ongewenst voortzetten, indien niet conform deze bijzondere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding de barium houdende component wordt toegevoegd alvorens te sinteren.
De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en een tekening waarin een naleveringskathode vervaardigd met de werkwijze volgens de uitvinding wordt getoond. De tekening is overigens zuiver
<Desc/Clms Page number 5>
schematisch en niet op schaal weergegeven. Met name zijn terwille van de duidelijkheid sommige dimensies sterk overdreven weergegeven.
Ter vervaardiging van een naleveringskathode wordt een hoog-smeltend metaal in de vorm van wolfraampoeder en van een scandium houdend poeder dat scandiumoxyde omvat met elkaar gemengd tot een homogeen mengsel. In plaats van scandiumoxyde zou overigens bijvoorbeeld ook kunnen worden uitgegaan van zuiver scandiumpoeder of van scandiumhydridepoeder of scandiumnitridepoeder en in plaats van wolfraam kan ook een ander hoog-smeltend metaal zoals bijvoorbeeld molybdeen of een mengsel van hoog-smeltende metaalpoeders worden toegepast. Volgens de uitvinding wordt daarbij uitgegaan van wolfraampoeder waarvan de korrels gemiddeld kleiner zijn dan 1 Am en scandiumoxydepoeder met een gemiddelde korrelgrootte kleiner dan 10 um en worden beide poeders in een verhouding van circa 97 : 3 gewichtsprocent met elkaar gemengd tot een homogeen poedermengsel.
In het onderhavige voorbeeld ligt de gemiddelde korrelgrootte van het wolfraampoeder tussen
EMI5.1
0, en cm en zijn de scandiumoxydekorrels gemiddeld tussen cm en 1 Am groot.
Het wolfraampoeder en het scandiumoxydepoeder worden verder vermengd met een geschikte barium houdende component zoals in dit voorbeeld een poedervormig barium-calcium-aluminaat, bijvoorbeeld bariumoxyde (BaO), aluminiumoxyde (Al2O en calciumoxyde (CaO) in een verhouding van 4 : 1 : 1 molprocent.
Aan het poedermengsel wordt vervolgens een geschikte organische binder toegevoegd in de vorm van 0, 3-3 gew. % acrylaathars opgelost in aceton om het geheel tot een stroperige massa te binden. Vervolgens wordt het geheel bij verhoogde temperatuur gedroogd om het aceton van de binder te verdrijven. De aldus verkregen, uitgeharde koek wordt tot granules gemalen, waarna het verkregen materiaal wordt gezeefd met een zeef met openingen met een diameter van circa 200 jAm. Aldus wordt een poeder verkregen van granules met een grootte overwegend tussen 50 en 200 izm.
Een dergelijk granule-poeder vertoont een aanmerkelijk grotere fluiditeit dan de ultrafijne uitgangspoeders en loopt daardoor aanmerkelijk gemakkelijker dan het wolfraamen scandiumoxydepoeder waarvan is uitgegaan. Het granule-poeder laat zich dan ook aanmerkelijk gemakkelijker verwerken. Bovendien wordt door het granuleren tegenge-
<Desc/Clms Page number 6>
gaan dat het wolfraam en scandiumoxyde, mede als gevolg van de onderling verschillende korrelgrootten en sterk uiteenlopende soortelijke massa's, in latere proces- stappen ontmengen. Het wolfraam en het scandiumoxyde zijn evenals het barium- calcium-aluminaat homogeen over de granules verdeeld.
Overigens dient binnen het kader van de uitvinding het begrip malen ruim te worden opgevat zodat daaronder niet alleen malen met behulp van een (kogel) molen dient te worden verstaan maar bijvoorbeeld ook fijn stampen in een vijzel en anderszins verpulveren of verbrokkelen.
Het granule-poeder wordt in een persmal gebracht waarin met een persstempel onder hoge druk uit het poeder één of meer pillen wordt geperst met een diameter van circa 1 mm en een porositeit van circa 20-30 %, die vervolgens korte tijd worden gesinterd bij een temperatuur tussen 1400 C en 1900 C. De aanwezigheid van het barium-calcium-aluminaat in de granules oefent daarbij een remmende werking uit op het sinteringsproces waardoor dit beter beheersbaar wordt. Bij de zeer fijne uitgangspoeders van het onderhavige voorbeeld zou het sinterproces zonder de aanwezigheid van het barium-calcium-aluminaat reeds bij een dusdanig lage temperatuur en dermate snel verlopen dat de werkwijze slecht reproduceerbaar is.
Doordat echter zoals in het onderhavige voorbeeld de barium houdende component reeds voor het sinteren in het kathodelichaam aanwezig is, wordt dit alles adequaat tegengegaan.
Het gesinterde kathodelichaam 1 wordt in een geschikte houder 2 van een hoog-smeltend metaal, in dit voorbeeld van molybdeen, gebracht, zie figuur 1. De houder is op een kathodeschacht 3 gelast welke eveneens van molybdeen is vervaardigd en een gloeidraad 4 herbergt waarmee de kathode op de gewenste bedrijfstemperatuur kan worden gebracht. Overigens kan het kathodelichaam ook eerst in de houder worden gemonteerd en pas daarna worden gesinterd.
Hoewel de uitvinding aan de hand van louter het hierboven gegeven voorbeeld is beschreven, zal het duidelijk zijn dat de uitvinding geenszins tot het gegeven voor beeld is beperk. Voor de vakman zijn integendeel binnen het kader van de uitvinding nog vele variaties mogelijk.
Zo kan in plaats van wolfraampoeder worden uitgegaan van een poeder van een ander hoog-smeltend metaal zoals bijvoorbeeld molybdeen of van een poeder van verscheidene hoog-smeltende metalen. Verder kan het kathodelichaam, in plaats van geheel volgens de hierboven beschreven werkwijze te zijn vervaardigd, een
<Desc/Clms Page number 7>
dragerlichaam van een geschikt metaal bevatten, bijvoorbeeld van molybdeen of wolfraam, waarop een toplaag is aangebracht die volgens de uitvinding is vervaardigd.
Een dergelijke kathode wordt gewoonlijk aangeduid als toplaagkathode. Verder kan het kathodelichaam in plaats van in een persmal direkt in de kathodehouder worden geperst en daarin vervolgens worden gesinterd.
Verder kan de barium houden component, zoals bijvoorbeeld een bariumcalcium-aluminaat, desgewenst in gesmolten toestand aan een inmiddels geperst kathodelichaam worden toegevoegd. Het gesmolten barium-calcium-aluminaat, za1 in dat geval capillair door het kathodelichaam worden opgezogen waardoor het kathodelichaam uiteindelijk met het aluminaat zal zijn doordrengd. Omdat veel scandium houdende materialen in gesmolten barium-calcium-aluminaat op lossen en daardoor tijdens het impregneren zullen worden uitgeloogd, verdient het daarbij de. voorkeur dat voor wat betreft het scandium houdende materiaal wordt uitgegaan van een poeder met een gemiddelde korrelgrootte van meer dan 1 gm om er voor te zorgen dat voldoende scandium houdend materiaal in het kathodelichaam achterblijft.
In het algemeen verschaft de onderhavige uitvinding een werkwijze voor het vervaardigen van een naleveringskathode met een verbeterde hanteerbaarheid en verwerkbaarheid van de uitgangspoeders, waardoor met name zeer fijne uitgangspoeders kunnen worden toegepast hetgeen leidt tot een kathode met een verbeterd herstel na ionenbombardement in vergelijking met kathodes die op conventionele wijze zijn vervaardigd uitgaande van noodzakelijkerwijs grovere uitgangspoeders.