CN1042871C - 氧化物阴极 - Google Patents

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Abstract

一种氧化物阴极包括一个金属基座(2)，一个在所述金属基座上形成的含有钡作为主要成分的电子发射材料层(1)，以及一个用于加热电子发射材料层(1)的加热器(4)。在所述的电子发射材料层(1)上形成有含钛的Ba蒸发限制层(5)。因此，阴极的电子发射特性和寿命得以改善。

Description

氧化物阴极
本发明涉及一种用于电子管例如阴极射线管的氧化物阴极，更具体地说，涉及一种具有改进的电子发射特性和长寿命的新型氧化物阴极。
在传统的用于电子管的电子枪的热电子发射阴极中，广泛采用的是一种放在主要成分为镍的金属基座上的具有碱土金属的碳酸盐氧化物阴极，这种阴极之所以称为氧化物阴极是因为碱土金属的碳酸盐在电子管的生产过程中的抽空工艺中变为一种氧化物的缘故。
氧化物阴极具有工作温度较低(700-800℃)优点，因为它有一个低的功函数。另一方面，当电子发射浓度增加时，由于该材料是半导体并具有高导电率，因焦耳热造成的自加热会使原始材料蒸发或熔化。因此，这使阴极退化。另外因长时间工作，在金属基座和氧化层之间形成一个中间层而缩短阴极寿命。
图1示出了一个传统的氧化物阴极的横截面图。整个氧化物阴极具有一个盘形基座2，一个支撑金属基座2的圆柱形套筒3，一个放在套筒中用于加热阴极的加热器4，以及一个电子发射材料层1，其包含主要成分为碱土金属氧化物并被涂敷和形成在金属基座2上。
也就是说，由金属基座2封住中空的圆柱形筒3，在套筒3中插入用于加热阴极的加热器4，并在金属基座2的表面上形成至少两种碱土金属成分的混合物的电子发射材料层1，由此制成氧化物阴极。
这些部件中，在套筒上面的金属基座承载电子发射材料层。金属基座采用耐热金属材料如铂和镍等，并由包含至少一种还原剂的合金制成，以便帮助其表面上形成的碱土金属氧化层还原。至于还原剂，所采用的还原金属通常为W,Mg,Si,Zr等，其附加量根据其还原性而定。为了改善阴极特性可同时采用两种以上的金属。
套筒支撑金属基座并支持其中的加热器。考虑到热特性如导热性，耐热金属如钼，钽，钨，不锈钢等可作为套筒的原始材料。
套筒中的加热器用于加热涂敷在金属基座上的电子发射材料，以便从金属基座中发射热电子。加热器由涂覆氧化铝的金属丝如钨制成，以便形成电绝缘层。
发射热电子的电子发射材料层形成于金属基座的表面并通常由碱土金属(Ba,Sr,Ca，等)氧化层构成。制造该氧化层是通过在金属基座上涂敷一个碱土金属碳酸盐的扩散层，并在真空下用加热器加热，使该碳酸盐变为碱土金属氧化物，该层在高温(900-1000℃)下部分还原，以激发碱土金属氧化物改善其半导体特性。
至于碱土金属氧化物，掺有SrO和/或CaO的BaO具有比单一的BaO氧化物更好的电子发射特性。其原因如下，Sr和Ca与Ba在元素周期表中处于同族，而且Sr和Ca与Ba离子一样变为相同的二价的阳离子并占有Ba离子曾占有的空间。此时，由于Sr和Ca的原子半径与Ba不同，其周围环境在某个程序上被打扰，从而给氧离子增加了高电位而使它们不稳定。这样，在高温处理的还原过程中便很容易被激活而产生一个有利的老化。
包含在金属基座中的还原剂如Si和Mg等在活化过程中扩散从而移向碱土金属氧化物的电子发射材料层与金属基座的交界处并与碱土金属氧化物进行如下反应。通过反应，含在电子发射材料层中的氧化钡由金属基座中的还原剂Mg、Si还原产生游离的钡。游离的钡为电子发射源。
    
    
如上所述，来自BaO的游离的钡起欠氧半导体的作用，结果，可获得在700-800℃高温下0.5-0.8A/CM的发射电流。
但是，由于氧化物阴极的工作温度过高(大约750℃或更高)，Ba,Sr,Ca等因气化压力而蒸发，电子发射能力经历一定工作时间即降低。
同时，如反应式中所示，在游离的钡的产生过程中，金属基座中的还原剂也被氧化变为氧化物如MgO,Ba2SiO4等。这些金属氧化物是电绝缘的并在电子发射材料层与金属基座之间形成一个中间层成为一个阻挡层。这样形成的阻挡层产生焦耳热增加了工作温度。阻挡层也会影响还原剂如Mg,Si，等的扩散从而抑制游离的钡的产生。此外，中间层影响了蒸发的Ba,Sr或Ca的补充而缩短阴极的寿命。因中间层具有高电阻，也影响了电子发射电流的流动。
也就是说，对于传统的氧化物阴极，游离的钡在热电子发射温度下连续产生，使电子发射伴随游离的钡的部分蒸发。如果大量的游离的钡蒸发并被消耗，阴极的电子发射功能会突然变劣，阴极工作立即中止。
在决定阴极寿命的各种参数中，伴随阴极工作的钡成分的还原以及上述的中间层的成长是重要的参数。因此，已经进行了通过更换电子发射材料成分或包含特殊的成分而改善阴极寿命的研究。
美国专利4797593披露了一种改进电子发射特性和阴极寿命的技术，即在电子发射材料层中包含了稀土金属氧化物。
因为氧化物阴极具有制造上的优点和良好的特性，氧化物阴极已经进行了许多研究，氧化物阴极被广泛用于电子发射源。但是，近来，大的和精细的电子管越来越需要，这样就需要具有电子发射的增强特性和长寿命的电子管阴极。由于传统的氧化物阴极因上述问题而不能满足要求，所以需要近一步改进。
本发明是考虑到传统氧化物阴极的上述特性和问题而作出的。因此本发明的目的就是提供一种具有改进的电子发射特性和寿命而在电子发射材料层中不包括附加材料而是在电子发射材料层上形成一个薄层，限制游离的钡蒸发的氧化物阴极。
为达到本发明的目的，所提供的氧化物阴极包括一个金属基座，一个形成于金属基座上的电子发射材料层，其包括钡作为主要成分，以及一个加热器，用于加热电子发射材料层，其特征在于，一个电子发射材料层上形成一个由钛构成的钡蒸发限制层(其中所述Ba蒸发限制层的厚度在10-10000的范围内。)
本发明的目的和优点，通过参照附图对本发明的最佳实施例的详细描述而更为明显。
图1为传统氧化物阴极的横截面图。
图2为根据本发明的氧化物阴极的横截面图。
图3示出了传统氧化物阴极和本发明的氧化物阴极MIK相对于工作时间的变化曲线，其中，曲线a代表传统氧化物阴极，曲线b代表本发明的氧化物阴极。
本发明的氧化物阴极，通过在电子发射材料层上形成一个含有钛的薄层，在阴极工作中限制钡蒸发而具有较长的寿命。
图2是本发明的氧化物阴极的横截面图。通过与图1的传统的氧化物阴极比较，可以看出在电子发射材料层1上形成有钡蒸发限制层5。钡蒸发限制层5通过限制钡蒸发延长了阴极寿命，该层的形成应使得对钡的电子发射功能的副作用最小。
Ba蒸发限制层是用最好从CaTiO3和SrTiO3中选出的含钛化合物制成的，Ba蒸发限制层的最佳厚度为10-10,000。如果该层的厚度小于10，限制Ba蒸发的作用就太弱，如果厚于10,000，电子发射的数量就会因为对电子发射的副作用而减少。因此上述的Ba蒸发限制层的厚度范围是最佳的。
对于电子发射材料，三碳化合物(Ba,Sr,Ca)CO3或二碳化合物如(Ba,Sr)CO3可被采用。此时，三碳化合物一般通过在蒸馏水中溶解硝酸盐Ba(NO3)2,Sr(NO3)2和Ca(NO3)2来制备并通过加入脱溶剂如Na2(NH4)2CO3等使其沉淀成碳酸盐。如此得到的三碳化合物通过浸渍，喷镀，溅射或电镀而加到金属基座上。
下一步，在形成的碳酸盐涂敷层上形成Ba蒸发限制层，例如，利用CaTiO3和/或SrTiO3采用RF溅射的方法形成10-10,000的层。形成该层的方法并无限制。
制成的阴极被插入并固定在一个电子枪中，一个用于加热阴极的加热器被插入并固定在套筒中。电子枪被封在电子管的玻壳中。用于加热阴极的加热器使电子发射材料层的碳酸盐在排气过程的真空中分解为氧化物，然后，根据制造电子管的通常方法，激发氧化物产生游离的钡使其可以发射电子。
本发明的最佳实施例将在下面详细描述。所举实例用于说明本发明而不是对其限制。
                  实例1
为了使Ba(NO3)2和Ca(NO3)2的混合溶液中Ba∶Sr∶Ca的混合比为50∶40∶10,Na2CO3被加入以制备Ba,Sr和Ca的沉淀的碳酸盐。
碳酸盐在有机溶剂中分散，通过喷溅的方法使其涂敷在含有Si和Mg的Ni金属基座上，然后烘干制成涂层。
接下来，在涂层上通过RF溅射涂敷CaTiO3形成厚度为50A的Ba蒸发限制层。
                    实例2
除形成的SrTiO3的厚度为5,000以外，其工序与图1所述方式相同。
为了检验具有在电子发射材料层上形成有Ba蒸发限制层的氧化物阴极的寿命特性，制成的阴极被插入并固定到一个电子枪中。然后，一个用于加热阴极的加热器被插入并固定在套筒中。制成的电子枪被封在电子管的玻壳中，而玻壳的内部在抽空过程中被抽成真空，同时用加热器加热电子发射材料层使碳酸盐变为氧化物。然后，利用与制造电子管的传统的方法相同的工艺激发阴极从而检测到阴极的电子发射特性。
电子发射特性是以最大阴极电流(MIK)，其是在特定条件下阴极发射的最大电流来决定的，而限极的寿命特性是通过在给定时间后的MIK保持的程度测算的。本发明的氧化物阴极的寿命特性是通过使阴极工作一定的时间同时检测电子发射电流的下降来决定和测算的。
图3为显示传统氧化物阴极和本发明的氧化物阴极的MIK，相对于工作时间的相对值(％)的曲线，其中，曲线“a”对应于传统氧化物阴极，曲线“b”对应于本发明的实例1的氧化物阴极。
从图3中可以看出，本发明的氧化物阴极的寿命比传统的氧化物阴极增加20％或更多。
总之，本发明的在电子发射层上具有Ti层的氧化物阴极与传统的氧化物阴极相比具有改进的电子发射特性和较长的寿命。
但是，对于用其优点实施例详细表示和描述的本发明，本领域的普通技术人员应该了解，只要不偏离由从属权利要求限制的本发明的构思和范围，可以在形式上和细节上对其进行各种变化。

Claims (2)

1．一种氧化物阴极，包括一个金属基座(2)，一个在所述金属基座上形成的含有钡作为主要成分的电子发射材料层(1)，以及一个用于加热电子发射材料层的加热器(4)，
其特征在于，在所述的电子发射材料层(1)上形成含钛的Ba蒸发限制层(5)，其中所述Ba蒸发限制层(5)的厚度在10-10000的范围内。
2．根据权利要求1的一种氧化物阴极，共特征在于所述的Ba蒸发限制层(5)包含从CaTiO3和SrTiO3中选出的至少一个。
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