CN1323050A - 阴极射线管阴极及其合金 - Google Patents

Abstract

一种制备用于阴极射线管的阴极(2)的镍合金,含有镁和铝,选择其比例以使发射氧化物层(12)能良好地附着在由合金构成的基体金属帽(11)上。

Description

阴极射线管阴极及其合金

本发明涉及阴极射线管氧化物阴极，它用作通过热离子作用发射电子的电子源，尤其涉及形成阴极的基体金属的组成。

通常的氧化物阴极由一层碱土金属氧化物如氧化钡、氧化锶和氧化钙的混合物或BaO和SrO的混合物构成，它们沉积在由镍或镍合金形成的基体金属上，并含有一或多种还原性的元素，如镁(Mg)、铝(Al)、硅(Si)、铬(Cr)、锆(Zr)或其他任何能够还原氧化物的元素。这些碱土金属氧化物的混合物自身可以添加其他氧化物，如Sc₂O₃和Y₂O₃。

一种通常的氧化物阴极是由镍合金(一般为Ni-Cr)制成的管构成，在此管上焊接有基体金属制的帽。一层Ba和Sr的碳酸盐的混合物或Ba、Sr和Ca的碳酸盐的混合物沉积在基体金属上。这些在空气中稳定的碳酸盐，随后在阴极射线管内的真空中转化成氧化物。当一些BaO转化成钡金属时，此加热到约800℃的阴极射线管的工作温度的氧化物层变成电子发射层。

主要通过以下机制形成钡金属：在工作过程中，阴极被加热到约800℃的温度，引起还原元素向镍和碱土金属氧化物之间的交界面扩散。按照下述反应，这些还原元素，如Mg、Al和Si与氧化钡持续反应并将其还原，以形成钡金属：

2Al+4BaO→BaAl₂O₄+3Ba，

Si+4BaO→Ba₂SiO₄+2Ba

因此，通过与BaO的化学氧化还原反应消耗加到镍中的还原元素。阴极的寿命直接与这些元素的消耗有关，所以对于所选择的每种加入的还原元素，希望最小含量要能够理想地保证最大的寿命。另外，已知一些由上述钡的还原反应产生的化合物，如Ba₂siO₄或BaAl₂O₄具有高稳定性，使得它们能够积聚在镍和碱土金属氧化物的交界面[A.Eisenstein,H.John等，应用物理学杂志T.24,No.5,p.631,1953]。这些化合物由于其高的电阻系数，所以增加了交界面的阻抗，因此降低了阴极的电流密度。另外，因为它们在阴极的工作过程中持久地聚集在交界面处，因而它们使阴极寿命降低。通过聚集，它们限制了还原元素的扩散并因而降低后者和BaO之间的反应，因而降低所形成的对于发射是必需的钡金属的数量[E.S.Rittner,Philips研究报告，T.8,p.184,1953]。另一主要的缺点是，这些化合物的过度的聚集会降低碱土金属氧化物对镍的附着。

本发明的目的是通过适当地选择一种形成阴极的基体的材料的组成，以避免这些缺点，此材料由镍合金构成，对其中的还原元素的含量，必须在按所考虑元素的确定的重量浓度范围内选择。加入到镍中的每种还原元素在一由下限和上限确定的浓度范围内，此范围保证一长的寿命及最佳的发射性能和可靠性。为达到此效果，本发明的用于制备阴极射线管的阴极的金属合金，主要含有镍和镁，其重量浓度C_Mg在0.01％-0.1％范围内。进而，它还包含铝，其重量浓度C_Al满足以下关系：

C_Al≤0.14×(0.1-C_Mg)其中

-C_Mg是以重量百分比表示的镁在镍中的浓度；

-C_Al是以重量百分比表示的铝在镍中的浓度；

借助于下述说明和附图将更清楚地理解本发明及其各种优点，在附图中：

-图1表示用于阴极射线管的电子枪；-图2是通过本发明的氧化物阴极的纵向的切面。

阴极射线管含有至少一个产生电子束的射线源，该电子束扫描管的屏幕，以使其上的磷光体激发，用于产生可视图像。

如图1所示，射线管的枪1包括至少一个阴极2和一系列电极(3、4、5、6等)，用于形成一束电子束，或多束电子束7、8、9，并使它或它们聚焦于阴极射线管的屏幕上。

如图2所示，阴极2一般大致为圆柱形筒状管10的形状，由镍或镍合金，如镍-铬制成。如图所示，管(10)在一端用帽11封闭，帽11可以是一附着的金属片或此管整体的一部分。帽由镍合金制成，用作支持碱土金属氧化物形成的发射层12。此层12由灯丝13加热，成为扫描射线管屏幕表面的电子束的发射源。

当加热常规的氧化物阴极的镍时，可以形成多种化合物，这不仅作为氧化钡BaO与还原元素的还原反应的结果，也还通过还原元素与存在于镍中的残留氧、或与生产阴极的各步骤中镍所暴露的气氛中存在的氧反应而形成化合物。例如，阴极的制备通常包括在接近于1000℃在氢中使基体金属退火这一步骤。氢气中的水(H₂O)含量通常很低，使得在镍退火温度下气氛对镍是还原性的。另一方面，即使水对镍而言是还原性的，这种水含量也足以氧化出现在镍中的还原元素，如Mg和Al。因此在退火过程中，在镍表面形成氧化镁(MgO)和氧化铝(Al₂O₃)。还观察到两种还原元素与氧反应形成更复杂的化合物，如MgAl₂O₄或BaAl₂O₄。在活化阴极射线管中的阴极的步骤中，研究了这些化合物的形成及其存留时间。在此活化步骤中，在阴极射线管的真空中(通常P＜10^-6乇)，以介于900℃-1100℃的最高温度将阴极加热，这样操作的目的一方面是使碳酸盐转化成氧化物，另一方面是使阴极的电子发射最优化。对于含各种Mg和Al组成的镍，在氢退火步骤中，在帽11的基体金属和放射性氧化物的包覆层之间的接触面处形成化合物MgAl₂O₄。这种化合物是稳定的化合物，以部分覆盖镍表面的小微晶颗粒的形式存在，并且在阴极的使用寿命内具有在接触面聚集的趋势。

因为此种稳定化合物是有害的，必须要尽可能限制其在接触面的存在，以保持氧化物层对基体金属的良好的附着。

通过对扫描电镜(SEM)获得的镍表面的图象进行图象分析，确定了微晶的数量。因为这些微晶在黑色的镍的背景上显示白色，所以可以通过图象分析测定被微晶覆盖的表面的百分数。阴极射线管中的活化步骤后，测量了此百分数；即，它代表存留到活化后并存在于阴极寿命初始点的微晶。

对一些镍铸件活化后存在于基体金属表面的微晶的覆盖度的数量进行了实验测定，对测定结果进行统计学分析显示，稳定微晶的覆盖度的数量与基体金属的镁和铝的浓度有关。

此分析的结果导出了一个代表表面覆盖度的这一百分率，因而代表表面微晶的百分率的公式，作为形成基体金属的合金中铝含量和镁含量的函数：

Cs=[-2+(50×C_Mg)+(350×C_Al)]％    (1)其中：-C_s是被微晶覆盖的镍表层的百分数；-C_Mg是以重量百分比的形式表示的镍中Mg的浓度；-C_Al是以重量百分比的形式表示的镍中Al的浓度；

因为镁快速还原，并非常快速地扩散，所以通常的实践中镍中的镁含量最小。因而镁保证了阴极在上述活化过程中快速活化，并保证了在阴极寿命的最初几百小时左右内正常发射电子。因为镁有此受欢迎的性能，因而为了限制MgAl₂O₄微晶的数量，优选的是使Al的含量达到最佳，而不是限制镁的含量。

可以有利地将镁的含量设定在0.01％-0.1％之间。从经验得知，认为可接受的稳定微晶的最大的百分含量，即，使氧化物层能良好地附着在基体金属上的百分含量，是3％。应用从式(1)推导得到的如下公式，从镁的含量计算得到本发明的镍合金中Al的最大的含量：

C_Al≤0.14×(0.1-C_Mg)    (2)

下表显示氧化物层的附着性能随基体金属中镁和铝含量的变化而产生的改变。当满足不等式(2)时，能够保证得到好的附着。表：对于各种镍中所含镁和铝的量，被微晶覆盖的镍表面的百分比(测量值和从等式(1)计算所得值)

Mg(wt％)	A1(wt％)	0.14[0.1-CMg]	测得的微晶(占表面的％)	计算的微晶(占表面的％)	氧化物层对基体金属的附着
						0.0085	0.006	0.01281	0.05	0.525	好
0.014	0.003	0.01204	0.025	-0.25	好
						0.02	0.006	0.0112	0.5	1.1	好
0.025	0.003	0.0105	0.35	0.3	好
						0.028	0.006	0.01008	0.45	1.5	好
0.03	0.013	0.0098	4.9	4.05	偶然有缺陷
						0.031	0.004	0.00966	1.3	0.95	好
0.032	0.008	0.00952	3.2	2.4	好
						0.032	0.011	0.00952	5.5	3.45	偶然有缺陷
0.04	0.02	0.0084	6	7	偶然有缺陷
						0.056	0.003	0.00616	14	1.85	好

Claims (5)

1．一种用于制备阴极射线管的阴极(2)的金属合金，主要含有镍，其特征在于，所述的合金含有镁(Mg)，镁的重量浓度C_Mg介于0.01％-0.1％之间。

2．根据权利要求1所述的金属合金，其特征在于，所述的金属合金还含有铝，其重量浓度C_Al满足以下关系：

C_Al≤0.14×(0.1-C_Mg)。

3．根据权利要求1所述的金属合金，其特征在于，所述的金属合金还含有铝，并且将阴极(2)活化后，在被稳定的微晶覆盖的阴极的发射层(12)之下的合金表面的百分比小于或等于3％。

4．一种含有基体金属为上述任一权利要求所述的金属合金的阴极(2)，其特征在于，其发射部分由碱土金属氧化物层(12)构成。

5．一种含有至少一个阴极(2)的阴极射线管，其中该阴极的基体金属是权利要求1-3中任一项所述的金属合金。