CN101073134A - 电子发射阴极 - Google Patents

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    • H01J1/20—Cathodes heated indirectly by an electric current; Cathodes heated by electron or ion bombardment
    • H01J1/28—Dispenser-type cathodes, e.g. L-cathode

Abstract

一种电子发射阴极，包括加热器件(1、2)，用于产生高于300℃的温度；导电阴极支架(3)，连接到所述加热器件(1、2)；以及阴极涂层，涂敷在所述阴极支架(3)上，由包含从钠、钾、铷和铯组成的组中选择的至少一种碱金属的电子发射物质(4)组成，并且在300℃到600℃的工作温度上具有发射电流密度＞10A/m2。

Description

电子发射阴极
技术领域
本发明涉及电子发射阴极以及真空电子管，尤其涉及阴极射线管。
背景技术
电子发射阴极用在真空电子管中，例如用在传统电视机中或者电子束光刻器件中。在所谓的浸渍(I)阴极和氧化物(O)阴极之间存在区别。由于它们的金属特性，所谓的I阴极(＝储备式阴极)可以持久地提供比O阴极高很多的电流密度。生成的电流大小取决于发射物质的电子功函数和工作温度。用于生成10A/cm2区域中的电流密度的常规Os/Ru I阴极的工作温度是960℃。产生这种温度需要复杂的且由此而高成本的阴极结构，由于降低导热性的措施，该结构的机械稳定性导致了大规模生产中阴极和阴极射线管的坏品率的增加。另外，这种温度造成在真空电子管工作期间，发射物质以高蒸发率蒸发到电子波导管的多个部分上，这在电子束波导管器件(也称为电子束光学器件)中频繁地在用于聚焦和偏转电子束的引发电压上造成绝缘问题，该电压经常达到几千伏特。
文献DE19961672A1描述了钪系储备式阴极，与传统的I阴极相比，因为由在钨金属体上的铼和钪组成的复杂的多层结构，该钪系储备式阴极能够在960℃的工作温度上提供非常高的电流密度。在该钪系储备式阴极中的1.42eV的功函数仍然需要大于700℃的工作温度来产生大于10A/cm2的电流密度，对于要提供大于100A/cm2的任何峰值电流需要大于850℃的工作温度，参考文档：2000年7月的Technical Digest，IVESA Conference Orlando，Florida(USA)，10-13，P-27。在这些工作温度上，由于工作期间电子发射物质的蒸发造成的电子束光学器件中的绝缘问题仅仅能够适度降低。工作温度仅仅略低于市场上的Os/Ru I阴极，没有造成加热器件的任何实质上的简化，而是导致铼/钪氧化物多层结构的高制造成本。对于如何能够进一步降低阴极的工作温度且同时保持相同的高发射电流和相同的使用寿命，现有技术没有提供任何的提示。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种节约成本并且可靠的电子发射阴极，其能够在避免现有技术的缺点的同时，以恒定的且可再现的方式在很长的时间内提供足够高的电流密度。
该目的是通过电子发射阴极实现的，包括：加热器件，用于产生高于300℃的工作温度；导电阴极支架，连接到所述加热器件；以及阴极涂层，设置在所述阴极支架上，由包含从钠、钾、铷和铯组成的组中选出的至少一种碱金属的电子发射物质组成，并且在300℃到600℃的工作温度上具有发射电流密度≥10A/cm2。工作温度≥300℃通过表面杂质的热蒸发保证了对电子发射物质的表面的持续清洁，所述杂质例如为氧，其对于电子发射具有负作用。依靠优越的电子发射物质，即使是在工作温度≤600℃时，也可以实现电子电流密度≥10A/cm2，因此实现了相当简单且由此而节约成本的阴极设计；尤其是，所述阴极支架能够以机械上坚固且由此可靠的方式连接到所述加热器件上，这不需要任何特殊材料和/或者热反射涂层。由于工作温度≤600℃，因此电子束光学器件仅仅是被蒸发的物质轻微弄脏。
在一个优选实施例中，电子发射物质包括碱金属供应源，用于维持发射电流密度。在工作期间，这种阴极对于诸如氧、湿气或者二氧化碳之类的临界气体非常不敏感，因为蒸发的或者污染的电子发射物质持续地被替代。
具有包括用于容纳电子发射物质的容器的阴极支架的阴极是有利的，其中，所述电子发射物质包括多孔基体(matrix)以及结合到孔隙中的碱金属合金，该多孔基体由锆晶粒(grain)和金属晶粒的混合物组成，所述金属晶粒优选地为钨、镍、铼和/或者铂，并且该多孔基体的孔隙率在20％到40％之间，所述碱金属合金用于为多孔基体表面提供碱金属和/或者碱金属氧化物的覆盖层。这种阴极(储备式阴极)可以在大于10000小时的工作时间内均匀地提供高电流密度≥10A/cm2。
更为有利的是使用一种碱金属合金，该碱金属合金包含由碱金属铬酸盐、碱金属-硅合金、碱金属-锡合金组成的组中的至少一种物质，尤其是Cs2Cr2O7、CsSik或者CsSnk，其中1＜k＜4，并且将这种碱金属合金作为位于孔隙中的物质，用于为多孔基体表面提供碱金属和/或者碱金属氧化物的覆盖层。
特别有利的是，在阴极的首次工作之前保存(handle)该阴极的是施加到电子发射物质上的一个保护层，尤其是，该保护层包含由W、Re、Ir、Pt、Ni、Zrc、TaC组成的组中的至少一种物质，该保护层保护电子发射物质免受环境影响，尤其是在保护层的厚度为0.3μm到3.0μm之间时。
在另一个优选实施例中，电子发射物质包含致密层，该致密层被碱金属和/或者碱金属氧化物的单层所覆盖，该致密层包含由碱金属氮化物、碱金属铝酸盐、碱金属锡酸盐、碱金属金化物、津特耳相(Zintlphase)组成的组中的至少一种物质，并且具有高于300℃的熔化温度，该温度用于提供碱金属和/或者碱金属氧化物的单层。
如果该致密层的厚度在10nm到100nm之间，从而使得该层的导电性足以实现发射电流密度≥10A/cm2，则是特别有利的。
如果从电子束方向上看，阴极支架包括在电子发射物质上方覆盖部分电子发射物质的保护器件，则是更加有利的。这样，从被加热的阴极上蒸发的部分物质沉积在位于电子发射物质之上的保护层的侧面，由此不会污染阴极的环境。
本发明还涉及一种真空电子管，其至少包含前面的权利要求中任意一个所述的阴极。
附图说明
将参考在附图中示出的实施例的示例进一步描述本发明，然而本发明并不局限于此。
图1示出了具有加热器件的阴极；
图2示出了根据本发明的阴极支架的示意性结构，其包括用于容纳电子发射物质的容器；
图3示出了根据本发明的具有保护层的阴极支架的示意性结构，其包括用于容纳电子发射物质的容器；
图4示出了根据本发明的具有保护层的阴极支架的示意性结构，其包括致密电子发射物质；以及
图5示出了根据本发明的具有保护器件的阴极。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的安装在真空电子管中的阴极的一个实施例，其典型地包括用于电子束生成和电子束聚焦与电子束偏转的功能组，对于该阴极施加通常有几千伏特的工作电压。用于电子束聚焦与电子束偏转的器件也称为电子束光学器件。根据该实施例，真空电子管还包括将电子束打在其上的荧光膜或者目标对象。电子束生成系统包含由至少一个阴极组成的配置。例如，电子束生成系统可以是一个或多个点状阴极，或者由一个或多个线状阴极、带状阴极或扁平阴极组成的系统。这些阴极不需要在其整个表面进行发射。该阴极包括由加热线圈1和阴极轴2组成的加热元件以及导电阴极支架3，并且电子发射物质4被施加到阴极支架3上。图1所示的加热元件的形状仅仅表示加热元件的一个示例，所述加热元件也可以由本领域技术人员采用不同的形式实现。在工作期间从电子发射物质4发射的电子13由导电阴极支架3提供。电子发射物质的加热通过采用来自加热线圈1的热传导或辐射热的方式或者采用经由阴极支架3的热传导的方式对阴极支架3进行加热来实现。阴极支架的温度和由此的电子发射物质的温度可以通过加热线圈的工作电压进行调节。
由于根据本发明的阴极的相对低的工作温度，与典型的I阴极相比减少了电子发射物质的蒸发，如果阴极支架3包含保护器件17(参见图5)，则能够进一步减少电子发射物质的蒸发，其中，保护器件17覆盖了电子发射物质4的由于电子束聚焦与偏斜器件的场分布而不进行发射却处于工作温度上的区域。由此，从不发射区域蒸发的物质沉积在保护器件17的面向电子发射物质的一侧上。这样，就可以避免对电子束聚焦与偏斜器件的部件15的污染，并且由此避免绝缘问题。电子发射物质4的发出电子束5的区域不被覆盖。然而，电子束聚焦与偏斜器件的部件15的位于发射区域之上的部分的污染并不十分关键，这是因为开口16位于此处用于电子束引导，并且由于几何原因使得物质鲜有沉积在该开口的边缘上。
图2示出示出了在容器11中的根据本发明的电子发射物质4，该容器11设置在阴极支架3上，或者形成阴极支架3的一部分。容器11填充了多孔基体，该多孔基体由锆晶粒6和金属晶粒7的混合物组成，金属晶粒7尤其为钨、镍、铼和/或者铂。该基体通常通过对粉末状原料压缩而制成。也可以通过对合适的合金进行发泡和冷却来制造该基体。该基体的孔隙率优选地为20％到40％，以便保持对于阴极的工作时间而言足量的碱金属合金8。在碱金属合金(孔隙物质)的熔点以上的温度上，将碱金属合金以液体状态引入基体，优选地在保护气体的保护下。通常，生产孔隙物质的熔化物，并将多孔基体添加到该熔化物中。在足够的时间之后，孔隙就完全充满了孔隙物质，然后将基体从熔化物中取出，并冷却到室温。在升高的温度上，例如在工作温度上，碱金属合金8与基体表面反应，形成单质碱金属(elemental alkali metal)10，其覆盖电子发射物质的表面，并且相当程度上降低了电子发射物质的功函数。例如，钨表面的CS-O2覆盖层将功函数从4.5eV(对于钨而言)降低到1.2eV。另一种具有类似功函数的适当物质是在钌上的Rb氧化物。包含碱金属和/或者碱金属氧化物的覆盖层9在升高的温度上，例如在工作温度上挥发，从而使得在阴极工作期间，必须持续地从碱金属合金8与基体6和7的化学反应中形成单质碱金属10。例如，在重铬酸铯合金与基体的锆晶粒之间的化学反应释放单质铯，如下：
Cs2Cr2O7+2Zr→2Cs+2ZrO2+Cr2O3
所释放的铯10向着电子发射物质4的表面散射，并且与来自基体或者来自安装阴极的器件的残余气体的氧气一起，在多孔基体表面上形成降低功函数的碱金属和/或者碱金属氧化物9。尽管如此，也可以通过基体物质与其他合金，例如CsSik或者CsCnk(其中1＜k＜4)的化学反应来产生铯。在该容器和未氧化的锆表面中包含的碱金属合金的量以及工作温度决定了在此作为示例进行描述的包含Cs的阴极的可能工作时间，其中，能够实现大于10000小时的工作时间。
在一个优选实施例中，将电子发射物质涂敷保护层12，如图3示意性所示。碱金属化合物的特征在于它们与氧气、水和CO2进行反应的习性，如果没有保护层12，该习性将会对阴极的制造和存储期间的环境条件以及对于将阴极安装在真空电子管中的安装过程及其过程条件提出很高的要求。将阴极保存在惰性气体中或者干燥氮气中是可以实现的，但是却是复杂的。相比较而言，保护层12，尤其是厚度为0.3μm到3.0μm之间的保护层12，保护电子发射物质4免受环境影响。保护层12厚度的上限取决于进一步的工作要求。由于保护层12覆盖了全部电子发射物质4，在该状态下，没有碱金属原子10能够到达电子发射物质4的表面。例如在所谓的高于300℃的活化(activation)温度上，依靠对在真空电子管中处于已安装状态的阴极进行合适的热处理，使得保护层分解，碱金属和/或者碱金属氧化物9能够覆盖电子发射物质4的表面和/或者保护层12的表面。因此，如果保护层12包含由W、Re、Ir、Pt、Ni、ZrC、TaC组成的组中的至少一种物质，将会是有利的。例如，可以对覆盖Cs的TaC层获得0.85eV的功函数。
根据本发明的阴极在低工作温度上给出了非常好的发射电流密度，例如对于包含Cs的阴极而言，在480℃工作温度上具有大于14A/cm2的发射电流密度。这与具有相同发射属性的传统I阴极相比，相当于工作温度的大约500℃的降低。在590℃的工作温度上，获得大于130A/cm2的发射电流密度，这即使是与钪系储备式阴极相比，也相当于工作温度的大约300℃的降低。
在另一个实施例中，不采用多孔基体来保存和释放碱金属，而是所使用的电子发射物质4是致密层13，致密层13由包含碱金属的物质组成，该包含碱金属的物质用于为该致密层13形成碱金属和/或者碱金属氧化物覆盖层9，参见图4。层13具有足够高的熔化温度和足够高的化学稳定性，以在工作温度上形成稳定的致密层。用于根据本发明的阴极的合适的物质包括碱金属氮化物(例如NaBa3N、Na5Ba3N)、碱金属铝酸盐、碱金属锡酸盐(例如K41Sn12O16、K4SnO3)、碱金属金化物(例如NaAu2、K2Au3、RbAu、CsAu、NaAuGe、Rb3AuO)、津特耳相(例如NaSi、CsSi、K3P)组成的组中的至少一种物质。这些化合物具有300℃以上的熔化温度，适合于热释放9b的碱金属和/或者碱金属氧化物。在该情况下，所需要的任何氧气也可以来自真空电子管的残余气体。例如，CS-Au的熔点为590℃。因此Cs-Au能够在300℃到550℃的温度范围内用作电子发射物质。Cs-Au中的铯的蒸汽压力允许一定速率下的Cs释放9b，该速率实现了Cs-Au表面的在很长时间内恒定的充足的覆盖层9，并且该蒸汽压力补偿蒸汽损耗9c。层13的优选厚度为10nm到100nm之间，从而使得该物质具有充足的导电性，以将从阴极发射的电子供给到发射表面。在必要时，可以将增加导电性的渗杂质添加到致密层13。
参考附图和描述解释的这些实施例仅仅是用于真空电子管的电子发射的阴极的示例，不应理解为将本发明的权利要求限制在这些示例中。其他可替换实施例对于本领域技术人员也是可能的并且也落入本发明权利要求的保护范围之内。从属权利要求的数量并不意味着权利要求的其他组合不能构成本发明的具有优势的实施例。

Claims (10)

1、一种电子发射阴极，包括加热器件(1、2)，用于产生高于300℃的温度；导电阴极支架(3)，连接到所述加热器件(1、2)；以及阴极涂层，涂敷在所述阴极支架(3)上，由包含从钠、钾、铷和铯组成的组中选出的至少一种碱金属的电子发射物质(4)组成，并且在300℃到600℃的工作温度上具有发射电流密度≥10A/cm2。
2、如权利要求1所述的电子发射阴极，其特征在于，所述电子发射物质(4)包含用于维持所述发射电流密度的碱金属供应源。
3、如权利要求2所述的电子发射阴极，其特征在于，所述电子发射物质(4)包括多孔基体和结合到所述基体的孔隙中的碱金属合金(8)，所述多孔基体由锆晶粒(6)和金属晶粒(7)的混合物组成，所述金属晶粒优选地为钨、镍、铼和/或者铂，并且所述多孔基体的孔隙率在20％到40％之间，所述碱金属合金(8)用于为所述多孔基体表面提供碱金属和/或者碱金属氧化物覆盖层(9)，并且所述阴极支架(3)包括用于容纳所述电子发射物质(4)的容器(11)。
4、如权利要求3所述的电子发射阴极，其特征在于，所述碱金属合金(8)包含由碱金属铬酸盐、碱金属-硅合金、碱金属-锡合金，尤其是Cs2Cr2O7、CsSik或者CsSnk，其中1＜k＜4，组成的组中的至少一种物质。
5、如权利要求3或4所述的电子发射阴极，其特征在于，将保护层(12)施加到所述电子发射物质，所述保护层(12)尤其包含由W、Re、Ir、Pt、Ni、ZrC、TaC组成的组中的至少一种物质，所述保护层保护所述电子发射物质(4)免受环境影响。
6、如权利要求5所述的电子发射阴极，其特征在于，所述保护层(12)的厚度为0.3μm到3.0μm之间。
7、如权利要求2所述的电子发射阴极，其特征在于，所述电子发射物质(4)包含致密层(13)，所述致密层(13)被碱金属和/或者碱金属氧化物的单层(9)所覆盖，所述致密层包含由碱金属氮化物、碱金属铝酸盐、碱金属锡酸盐、碱金属金化物、津特耳相组成的组中的至少一种物质，并且具有高于300℃的熔化温度，所述温度用于提供碱金属和/或者碱金属氧化物的单层(9)。
8、如权利要求7所述的电子发射阴极，其特征在于，所述致密层(13)的厚度在10nm到100nm之间。
9、如以上任意一项权利要求所述的电子发射阴极，其特征在于，所述阴极支架(3)包括从电子束方向(5)上看，在所述电子发射物质(4)上方覆盖部分所述电子发射物质(4)的保护器件(17)。
10、一种真空电子管，包含至少一个如以上任意一项权利要求所述的阴极。
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